（电气工程专业论文）韶冶供配电微机保护及监控系统的研制与实现.pdf

韶冶供配电微机保护及临拧系统的研制与实现 摘要 本论文以韶关冶炼厂供配电微机保护和监控系统的开发为研究对象，利用先 进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全厂的主要 设备和线路的自动监视、测量、控制和保护，以全面提高韶关冶炼厂供配电系统 自动化运行和管理水平，提高韶冶的生产效率和经济效益。 论文以供配电微机保护和监控系统的工程实现为主线，对微机监控系统的关 键技术进行了研究。首先研究和分析了当前供配电系统综合自动化的发展状况， 针对韶关冶炼厂供配电系统的具体需求，通过对硬件的选型配置，软件、网络拓 扑结构的设计，建立了分层分布式监控系统网络结构。然后，采用多线程数据采 集技术，形成了多总线多线程并行采集系统，保证数据的实时高效，准确无误。 再者，为了更好的满足综合自动化系统对实时性，准确性和可靠性的要求，论文 构建了一种面向对象的实时数据库系统，设计了以内存数据库为核心，以实时事 务处理机制为后台，以实时数据压缩技术为保障的监控系统实时数据库平台。最 后，通过软硬件的结合，建立了后台监控系统，实现人机对话及系统运行监控平 台，为韶关冶炼厂供配电系统打造了一个安全、稳定、经济的变电站综合自动化 平台。 该系统目前已投入运行，运行结果表明，该综合自动化系统不仅响应速度快， 数据传输可靠，控制精度高，而且操作简单，可扩展性强，易维护，很好的满足 了供配电综合自动化的要求。 关键字：微机保护及监控系统：分层分布式结构；数据采集系统；多层数据库体 系； i i 工程硕上学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ec o m p u t e rp r o t e c t i o na n d m o n i t o r i n gn e t w o r ks y s t e mi sd i s c u s s e d a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n to fs h a o g u a ns m e l t e r yf o rd i s t r i b u t i o n a d v a n c e d t e c h n o l o g i e sa r ee m p l o y e di nt h es y s t e mt om o n i t o ra n dc o n t r o la sw e l la sp r o t e c tt h e m a i ne q u i p m e n t si nt h ef a c t o r ya u t o m a t i c a l l ys u c ha sc o m p u t e r , m o d e me l e c t r o n i c s ， c o m m u n i c a t i o na n ds i 黟l a lp r o c e s s i n g t h ea u t o m a t i z a t i o na n dm a n a g e m e n to ft h e s u b s t a t i o na r ei m p r o v e d ，a n dt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n de c o n o m i cb e n e f i ta r e a d v a n c e da f ! i e rt h e s et e c h n o l c l g i e sh a v eb e e nu s e d n 帕s t u d yi sf o c u s e d o nt h ea p p l i c a t i o nr e a l i z a t i o no f t h ec o m p u t e rp r o t e c t i o na n d m o n i t o r i n gn e t w o r ks y s t e mi ns h a o g u a ns m e l t e r yf o rd i s t r i b u t i o na n dt h ek e y t e c h n o l o g i e sa r ed i s c u s s e dd e e p l y f i r s t l y , t h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o n s y s t e mi nl l o k vs u b s t a t i o ni si n v e s t i g a t e da n da n a l y z e d w i t ht h er e q u i r e m e n t so f t h e 1 1 0 k vs u b s t a t i o ni ns h a o g u a ns m e l t e r y , l a y e r e ds t r u c t u r em o n i t o r i n gn e t w o r ks y s t e m b a s e do nw i n d o w sp l a t f o r mi sc o n s t i t u t e da c c o r d i n gt ot h es e l e c t i o no fs u i t a b l e h a r d w a r e ，t h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dn e t w o r k s e c o n d l i no r d e rt oe n s u r ee f f i c i e n t a c c u r a t er e a l - t i m ed a t a , t h em u l t i b u sa n dm u l t i t h r e a d i n gs a m p l i n gs y s t e mi sd e v i s e di n d e t a i l s i ns e c e s s i o n ，t h er e a lt i m ed a t a b a s eb a s e do i l o b j e c t o r i e n t e d p r o g r a r n m i n g ( o o p ) i sp r o p o s e da n dd e s i g n e dt os a t i s f yt h er e a l t i m ep e r f o r m a n c e ， a c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h em o n i t o r i n gs y s t e m n l ec o r eo ft h i sd a t a b a s ei s r e a l - t i m em e m o r yr e s i d e n td a t a b a s e ，i t sb a c k g r o u n di sr e a l - t i m et r a n s a c t i o n s m e c h a n i s ma n dt h eb a s i c t e c h n i q u e i sr e a l - t i m ed a t ac o m p r e s s i o n f i n a l l y , h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo ft h es y s t e ma n dp r o t r a c t i o ns o f t w a r ea r ed e v e l o p e d i n d e p e n d e n t l y i n t e g r a t i n gt h er e a l t i m ei n t e r n a lr e s p o n s em e c h a n i s ma n dt h ei m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h es e p a r a t i o no fi t sg r a p h i c s ，p r o p e r t i e sa n dd a t aa r ea c h i e v e d b ya l lt h e s ea b o v ew o r k ，t h es h a o g u a ns m e l t e r yf o rd i s t r i b u t i o ns y s t e mh a sb e e nb u i l t u pi ns a f e ，s t e a d y , e c o n o m i cw a y s n o w a d a y s , t h es y s t e mh a sb e e na p p l i e di nt h ef a c t o r y n er u n n i n gs t a t ei n d i c a t e s t h a tt h es y s t e mn o to n l yh a sh i g i lc o n t r o lp r e c i s i o n , h i g hr e s p o n s es p e e da n dr e l i a b i l i t y i nd a t at r a n s m i t t i n g ，b u ta l s oi se a s yt oo p e r a t e ，e x t e n da n dm a i n t a i n t h es y s t e m s a t i s t i e sw i t ht h er e q u i r e m e n t so f s u b s t a t i o nc o m m e n d a b l y k e yw o r d s ：c o m p u t e rp r o t e c t i o n a n d m o n i t o r i n g n e t w o r k s y s t e m ；l a y e r e d d i s t r i b u t i o ns t r u c t u r e ；d a t as a m p l i n gs y s t e m ；m u l t i - d a t a b a s es y s t e m 1 i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 苕咙 日期：矽年知月力日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：惨；磊 导师签名：嗾 期：扩7 年肜月力日 期：刃年尸月刃日 丁程硕f 学位论文 第1 章绪论 现代电网的安全优质经济运行要求电网调度控制和管理的现代化。随着电力 工业的发展，电网调度自动化系统成为实施现代电网控制和管理的重要技术支撑 和物质基础。调度自动化系统是由多个子系统组成的有机整体，电力生产主要有 四大环节：发电、输电、配电、用电，所以变电站经过对电能电压和电流的适当 配置直接为生产提供电源，是电力系统的一个重要环节。变电站综合自动化是将 变电站的继电保护、控制、测量、信号和远动等综合为一体的多微机自动化系统。 变电站实现综合自动化，由计算机完成运行监视、控制、保护、正常操作和顺序 事件记录等功能，由通讯网络实现信息交换，近年来已成为提高变电站自动化水 平的发展方向。变电站能否正确运行关系到整个生产的稳定和安全问题。因此对 变电站进行保护和监控具有十分重要的意义。 1 1 供配电综合自动化的概念及研究现状 供配电综合自动化系统是一项多专业性综合技术，是电网运行管理中的一次 变革。它是将供配电系统中的二次设备( 包括控制、测量、保护、自动装置及远 动装置等) 利用计算机技术、现代通信技术，经过功能组合和优化设计，对该系 统主要设备和线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护的一种综合性的自动 化系统。供配电综合自动化可以收集较齐全的数据和信息，加上计算机高速计算 能力和判断能力，可以方便的监视和控制变电站内各种设备的运行及操作。供配 电综合自动化具有功能综合化；设备、操作、监视微机化( 包括信息数字化内容) ； 结构分布分层化；通信网络光缆化及运行管理智能化的特征。它的出现为变电站 的小型化、智能化、扩大监控范围及变电站安全可靠、优质、经济运行提供了数 据采集及监控支持，在其基础上可以实现高水平的无人值班变电站的管理”“”。 同时，变电站作为供配电中一个节点，变电站综合自动化是电网调度自动化 不可分离的十分重要的基础自动化，只有通过厂站自动化装置和系统向调度自动 化系统提供完整可靠的信息，调度控制中心才可能了解和掌握电力系统实时运行 状态及厂站设备工况，才能对其控制做出决策；同样，要实现调度控制中心的远 方控制操作，也只有依靠变电站自动化装置才能完成或执行操作命令的任务。可 以说，一个完整、先进的、可靠的变电站综合自动化，是实现一个高水平的电网 调度自动化的基础。 从2 0 世纪6 0 年代后期，随着国外开展变电站微机保护与计算机监控系统的 研制与应用，中国开始在变电站综合自动化方面应用计算机技术。特别是在1 9 7 8 韶冶供配电微机保护及胨拧系统的研f 制i 安现 年以后，计算机技术和电力电子技术和网络通信技术的迅速发展，中国不仅引进 国外先进的电站监控系统，而且还自行研制变电站计算机监控系统，使中国变电 站自动化水平有了很大的提高，由变电站的集中控制已转道全站计算机监控的综 合自动化。二十多年来，中国在大中型变电站实施计算机监控己做了大量工作， 并取得很大的进步和成果，变电站计算机监控系统在硬件、软件以及功能方面已 达到国内领先水平5 1 。 根据变电站综合自动化系统的结构模式的不同，变电站微机保护和监控系统 的发展分为三个阶段： ( 1 ) 第一阶段：面向功能设计的集中式r t u 加常规保护模式 8 0 年代及以前，是以r t u 为基础的远动装置及当地监控为代表。该类系统 实际上是在常规的继电保护及二次接线的基础上增设r t u 装置，功能主要为与远 方调度通信实现遥测、遥信、遥控、遥调等功能；与继电保护及安全自动装置的 联结通过硬接点接入或串行口通信较多。此类系统称为集中r t u 模式。集中式的 系统结构按信息类型划分功能。采用这类结构的系统其功能模块与硬件无关，各 功能模块的连接通过模块化软件实现，信息是集中采集、处理和运算的。受计算 机硬件水平的限制，该结构在早期自动化系统中应用较多，图1 1 是一种较典 型的集中式结构 4 。此类结构对监控主机的性能要求较高，而且系统处理能力 有限，开发手段少，系统在开放性、扩展性和可维护性等方面较差，抗干扰能力 不强。 ll 菇绶瓣舞麓蘩 一 _ 辫壤凄对羲糍 li 链瑗凡瓣器巍 副酬缎瓣l 。箨熬 图1 1 集中式变电站自动化系统结构 ( 2 ) 第二阶段：面向功能设计的分布式测控装置加微机保护模式 2 丁程硕士学位论文 图1 2 分布式变电站自动化系统结构 该段始于9 0 年代初期，单元式微机保护及按功能设计的分散式微机测控装 置得以广泛应用，保护与测控装置相对独立，通过通信管理单元能够将各自信息 送到后台或调度端计算机。特点是继电保护( 包括安全自动装置) 按功能划分的测 控装置独立运行，应用了现场总线和网络技术，通过数据通信进行信息交换。分 布式结构则按功能设计，如按保护和监控等功能划分单元，分布实施。其结构采 用主从c p u 协同工作方式，各功能模块如智能电子设备( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i c d e v i c e ，i e d ) 之间采用网络技术或串行方式实现数据通信。分布式结构有助于 系统扩展和维护，可靠性好，局部故障不影响系统其它模块正常运行。安装方式 有集中组屏和分层组屏两种方式，较适合于中低压变电站。系统结构如图1 2 所 示1 1 阿。 ( 3 ) 第三阶段：面向间隔、面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ) 的分层分布式结构模式 第三阶段始于90 年代中期，随着计算机技术、网络及通信技术的飞速发展， 采用按间隔为对象设计保护测控单元，采用分层分布式的系统结构，形成真正意 义上的分层分布式自动化系统。目前国内外主流厂家均采用了此类结构模式。分 层分布有两层含义：其一，对于中低压电压等级，无论是i 0 单元还是保护单元 皆可安装在相应间隔的开关盘柜上，形成地理上的分散分布，如文献 6 所示的 系统；其二，对于1 1 0k v 及以上的电压等级，即使无法把间隔单元装在相应的 开关柜上，也应集中组屏，在屏柜上明确区分相应间隔对应的单元，在物理结构 上包括：监控主机、打印机调度中心、人机界面、遥测功能、遥信功能、保护 功能、控制功能，实时网络架构上相对独立，以方便各间隔单元相应的操作和 维护。 1 2 课题研究的背景及来源 变电站作为整个电网中一个节点，担负着电能传输、分配的监测、控制和管 韶冶供配电微机保护及监控系统的研制0 实现 理的任务。变电站继电保护、监控自动化是保证上述任务完成的基础。在电网统 一指挥和协调下，电网各节点( 如变电站、电厂) 具体实施和保障电网的安全、 稳定、可靠运行。因此，变电站自动化是电网自动系统的一个重要组成部分。 但是，传统变电站中，其自动化系统存在诸多缺点，难以满足现代化生产对 变电站的要求。例如： ( 1 ) 传统二次设备、继电保护、自动和远动装置等大多采取电磁型或小规 模集成电路，缺乏自检和自诊断能力，其结构复杂，可靠性低。 ( 2 ) 二次设备主要依靠大量电缆，通过触点、模拟信号来交换信息，信息 量小、灵活性差、可靠性低。 ( 3 ) 由于上述两个原因，传统变电站占地面积大、使用电缆多，电压互感 器、电流互感器负担重，二次设备冗余配置多。 ( 4 ) 远动功能不够完善，提供给调度控制中心的信息量少、精度差，且变 电站内自动控制和调节手段不全，缺乏协调和配合力量，难以满足电网实时监测 和控制的要求。 ( 5 ) 电磁式或小规模集成电路调试和维护工作量大，自动化程度低，不能 远方修改保护及自动装置的定值和检查其工作状态。有些设备易受环境的影响， 如晶体管型二次设备，其工作点会受到环境温度的影响。 传统的二次系统中，各设备按设备功能配置，彼此之问相关性甚少，相互之 间协调困难，需要值班人员比较多的干预，难于适应现代化电网的控制要求。另 外需要对设备进行定期的试验和维修，即便如此，仍然存在设备故障不能及时发 现的现象，甚至这种定期检修也可能引起新的问题，发生和出现有试验人员过失 引起的故障。 目前韶关冶炼厂车间的各项操作均需人工进行，厂站间尚无完整的信息网 络，建成本系统后将通过计算机实时监测并记录电气设备的电流、电压、有功功 率、无功功率、功率因数等各项参数；同时对高压开关进行远程控制；有利于提 高系统的可靠性，降低操作人员的劳动强度，使值班人员和调度人员把握安全控 制，事故控制的主动性，减少和避免误操作和误判断，缩短事故停电时间，提高发 电厂的管理水平和事故分析水平。 作为变电站自动化系统，他应确保实现以下要求”1 ： ( 1 ) 检测电网故障，尽快隔离故障部分；( 2 ) 采集变电站运行实时信息， 对变电站进行监控、计量和控制；( 3 ) 采集一次设备状态数据，供维护一次设备 参考；( 4 ) 实现当地后备控制和紧急控制；( 5 ) 确保通信要求。 因此，要求变电站综合自动化系统运行高效、实时、可靠，对变电站内设备 进行统一的监测、管理、协调和控制。同时，又必须与电网系统进行实时、有效 4 t 程硕f ：学位论文 的信息交换、共享，优化电网操作，提高电网安全稳定水平，提高经济效益，并 为电网自动化的进一步发展留下空间。 本课题研究对象来自韶关冶炼厂供电配电系统改造项目。该厂由于生产工艺 需求要扩展至3 0 万吨，原有的供电系统继电保护都由传统电磁式继电器组成， 通讯和整个系统管理在硬件上还处于比较落后状态，为了适应扩产的需要，要对 韶关冶炼厂供电配电系统进行技术改造。韶关冶炼厂供电配电系统的中高压部分 包括1 l o k v 站，一系统中央配电室、第二配电室、二系统硫酸配电室、韶冶电站， 我们负责l l o k v 站的综合自动化系统建设，并把一系统中央配电室、第二配电室、 二系统硫酸配电室、韶冶电站的实时运行数据集成到1 l o k v 站中以便于管理操作 人员的管理。基于现代计算机技术，网络通信技术，微机技术的发展，和实验室 长期在企业供配电系统方面的研究，我们为韶关冶炼厂建成一个智能化的供配电 平台。 1 3 课题研究的主要内容 本文首先分析了整个系统的需求，及各项功能指标，然后结合韶冶l l o k v 变 电站综合自动化目前的发展情况，在确保稳定、可靠、保证完成时间的情况下设 计了一套分层分布式的变电站综合自动化系统，完成了系统各个功能要求并投入 现场运行。 作者的主要工作包括： 一、查阅大量的资料文献，对我国供配电综合自动化系统特点及现状进行了 分析，剖析了国内外已有的供配电综合自动化系统的技术特点和方法。现场调研， 充分了解韶关冶炼厂1 1 0 k v 目前状况，及现场需求。结合韶关冶炼厂1 1 0 k v 的需 求和目前的变电站综合自动化的发展趋势提出了设计方案和技术路线，并进行了 可行性论证。 二、系统网络拓扑结构设计，根据系统的要求，考虑到目前的韶关冶炼厂 l l o k v 站的情况，采用了目前流行的分层分布式设计方案。对于该设计方案进行 详细的逻辑分析，层次功能分析，与网络拓扑分析，最终建成整个网络。 三、进行系统软件结构设计，软件结构上采用模块化设计，对以下四个关键 软件部分进行详细分析及功能开发。 ( 1 ) 基于多线程的数据采集技术 ( 2 ) 高性能多层数据库体系 ( 3 ) 异构系统的实时数据交换 ( 4 ) 面向对象的监控软件设计 四、建成整个综合自动化系统平台，进行实验室、现场安装调试。 韶冶供配电微机保护及监控系统的研制j 实现 第2 章系统整体结构及设计方案 随着计算机技术、现代电子技术、通信技术和现场总线技术的不断发展和完 善，变电站综合自动化系统的体系结构也不断发生变化，其性能和功能以及可靠 性等也不断提高。变电站综合自动化的系统结构模式也由传统的面向功能设计的 集中式结构，到面向功能设计的分布式结构，发展到今天的面向对象的分层分布 式结构。 2 。1 系统需求分析 目前韶关冶炼厂供配电系统的中高压部分包括1 l o k v 站，一系统中央配电 室、第二配电室、二系统硫酸配电室、韶冶电站其一次图结构如图2 1 所示。 其继电保护装置都是采用传统的电磁式继电器组成，通讯和整个系统信息化管理 水平上处于比较落后状态。如果工艺扩产至3 0 万吨的能力，整个供电系统的继 电保护、通讯和管理系统将不能适应生产的需要，因此必须对供电系统进行改造， 以适应生产的需要，并且提高变电站的自动化水平，信息化管理水平。 图2 1 韶关冶炼厂供配电系统一次全图 按照设计要求，智能监控系统采用分层分布式体系结构，整个系统分为三层： 过程层、站控层、间隔层。本工程的目的是建设自动化的韶冶供电系统，该系统 必须具有以下功能： ( 1 ) 数据采集和处理，定时采集系统生产过程输入信号( 包括开关量、模 拟量、脉冲量) ，经滤波，检出事故、故障、状态变位信号和模拟量参数变化， 实时地更新数据库，为监控系统提供运行状态数据。将继电保护、自动装置的动 6 工程硕十学位论文 作和断路器的跳合闸动作顺序记录，事件分辨率须小于2 m s 。电气和非电气模拟 量可设置限值，当测量值越限时发出报警。当某些事件产生时，启动相关的事故 追忆记录，输出事故前后一段时问内的模拟量值，追忆数据的测点和周期可定义。 接收脉冲电度表输出的信号，进行电度表读数累计，再根据峰、平、谷时段分时 累计。 ( 2 ) 控制操作，各单元柜( 控制箱) 安装有就地远方切换开关及跳合闸操 纵按钮，可就地操作，也可经后台机的鼠标或键盘执行对站内断路器的控制，执 行某单元断路器的送停电，倒闸操作等各种顺序操作，在控制操作中实现安全 操作闭锁功能。 ( 3 ) 微机保护，整个微机保护系统包括主变压器保护、电动机、线路保护、 电容器保护、电压切换装置、母联保护等组成，构成完整的变电站成套保护。 ( 4 ) 人机接口，人机接口监视器、鼠标和功能键提供灵活的人机交换联系， 能提供正常的运行显示、调用各种数据、报表及运行状态图、参数图等画面。 ( 5 ) 事故报警，在系统发生事故或运行设备工作异常时，能自动投入音响 报警，进入事故画面，画面上相应块闪光报警，指出事件的性质和异常参数值。 ( 6 ) 技术统计和制表打印。根据运行要求进行电流、电压、功率、电度量 的整点抄表、累计，设备的运行工况、时间统计以及合格率、负荷率等技术统计， 能定时打印各事故、测量、计量报表、分时报表、班报表、日报表、月报表、年 报表等。如每日打印8 小时日志，每月最后一天打印当月报表，每年最后一天打 印当年报表，还可打印诸如：重合闸次数、成功率、断路器动作次数等统计数据。 ( 7 ) 与监控中心对时、通讯，一系统中央配电室、第二配电室、二系统硫 酸配电室、韶冶电站能与监控中心进行对时、通讯。完成事件记录( s o e ) 、遥信、 遥测、遥控等功能。 ( 8 ) 显示功能，能实时刷新全站主接线图，含断路器状态及隔离开关状态； 实时刷新单回路接线图及运行参数；显示各种曲线，如负荷曲线、电压棒图、电 流棒图等；测量表格和计量表格和相应的测量值和计量值，并实时刷新；优先显 示事故发生时间，所属设备及事故性质；各种调试、编辑等功能画面；显示本站 概况、运行规程、操作指导模拟等内容，显示时钟、日历、周波和安全运行天数。 ( 9 ) 系统自诊断，分布式单元机箱和计算机监控系统具有在线自诊断功能， 并能报警。保护单元自诊断出错时闭锁保护，同时报警。上层单元对下层单元通 过通讯进行互检。 ( 1 0 ) 与其它智能设备的通讯，对变电站内其它智能设备进行通讯，并能在 监视器上实时的显示其数据和工作状态。 ( 1 1 ) 开列操作票，根据调度中心提供的典型操作票，可进行操作票的编辑、 7 韶冶供配i 乜微机保护及髓控系统的研制与实现 打印。 ( 1 2 ) 应用系统维护及人员培训，可提供在线、离线软件，用于维护监控系 统和人员培训。 结合韶关冶炼厂l l o k v 变电站的实际情况以及要实现的功能，我们采用分层 分布式结构，充分利用其优点来满足系统的要求。 2 2 分层分布式总体结构 2 2 1 分层控制 分层控制( h i e r a r c h i c a l ) 理论是8 0 年代发展起来的一种新理论，是控制 理论的一个分支，是从控制论的角度来研究多个相互影响的系统的控制方法。它 把“中央控制中心对各子系统的控制中心”的监视，以及“各子系统的控制中心” 的控制策略问题，提高到理论上来，这种理论可用于电力系统的分析和调度控制 中。发电厂其发电、输电生产是一个综合复杂的过程。发电厂必须执行的操作， 如执行网调的调度命令、操作员正常及事故时的操作控制、全厂各台机组的成组 控制、现地闭环控制等，采用分层控制结构符合其生产特点。分层控制方式，加 速了控制过程的实现，减轻了控制中心的负担。即使某部分因故停止工作，其他 部分仍能正常工作，提高了系统的可靠性。 2 2 2 分布结构 分布系统( d i s t r i b u t e ds y s t e m ) 是指按一定方法进行配置和管理的多计算 机系统，一个分布数据处理系统必须同时满足下列条件： 1 、包含有多个通用的资源文件，指物理或逻辑资源。 2 、这些物理或逻辑资源在物理上是分布的，并经过一个通信网络相互作用。 3 、有一个高级操作系统，对各个分布的资源进行统一和整体控制。 4 、系统对用户是透明的，即用户发出使用请求时，无须具体指明要哪些资 源为其服务。 5 、所有资源，必须高度自治工作，且相互配合。 分布包括两种含义，其一是指按被控对象进行分布，如系统中用于实现现地 控制的现地控制单元( l c u ) ，所有机组l c u 的功能一样，只是控制对象不同。其 二是指功能分布，如厂级监控层中的操作员工作站、工程师工作站和厂级计算机 等，构成完整的分布式系统。从计算机系统结构来分析，强调了“分布”的概念； 从控制理论的角度，强调了“分层”的概念。两者完美地在电厂计算机监控系统 t 程硕i ：学位论文 中结合起来。系统采用分层分布式结构，构成一个开放式系统结构。网络上任意 节点的升级或节点的增加，均不影响网络上其他节点的j 下常运行。 2 2 。3 分层分布融合的整体结构 分层分布式结构采用分布式结构利用分层控制的思想，在设计中利用“面向 对象”的设计理念。所谓面向对象，就是面向电气一次回路设备或电气间隔设备， 间隔层中数据、采集、控制单元( i o 单元) 和保护单元就地分散安装在开关柜上 或其他一次设备附近，相互间通过通信网络相连，与监控主机通信。目前，此种 系统结构在自动化系统中较为流行，主要原因是：( 1 ) 现在的i e d 设备大多是按 面向对象设计的，如专门的线路保护单元、主变保护单元、小电流接地选线单元 等，虽然有将所有保护功能综合为一体的趋势，但具体在保护安装接线中仍是面 向对象的；( 2 ) 利用了现场总线的技术优势，省去了大量二次接线，控制设备之 间仅通过双绞线或光纤连接，设计规范，设备布置整齐，调整扩建也很简单，成 本低，运行维护方便；( 3 ) 系统装置及网络鲁棒性强，不依赖于通信网和主机， 主机或1 台i e d 设备损坏并不影响其它设备的正常工作，运行可靠性有保证。系 统结构的特点是功能分散，管理集中。实时网络架构上相对独立，以方便各间隔 单元相应的操作和维护，分层分布式结构如图2 2 所示。一 近年来。中国自主研制和开发的计算机监控系统已广泛应用于厂站的生产管 理监控( 数据采集和处理、安全监视、控制和通讯中) 。变电站计算机监控系统自 2 0 世纪8 0 年代以来多采用分布式控制系统结构。然而，随着变电站计算机监控 系统应用的不断发展和深入研究，变电站对系统功能提出了更高的要求，这些要 求表现在以下方面：( 1 ) 高级应用软件的进一步完善和实用化；( 2 ) 充分考虑自 动化的发展方向，包括电站综合自动化、电站无人值守、发电控制与生产管理系 统紧密结合等。 ! 芏芏! 芏竺 蠹亲霎嚣辜竺：二二二 三三三三 l i i i i i i 囹 匦圃 ：j 豳。 9 韶冶供配i u 微机保护及监控系统的研制与实现 2 3 系统的总体设计 2 3 1 系统总体架构 韶关冶炼厂供配电系统微机保护工程将提供一套完整的变电站和发电厂智 能化监控系统，它完成对变电站和发电厂内主要设备和输配电线路的自动监视、 测量、控制、保护，以及与上级系统通信等综合性的自动化功能，实现高、中、 低压设备智能化监控的集成。监控系统遵照“分层分布、面向对象”的设计原则， 立足于“实用化、简易化、智能化”的目标，采用实用简易的中文图形人机界面， 开展各类业务支撑应用；实现微电子控制技术、网络通讯技术与电力系统的紧密 结合；通过高速的分层数据库存储与信息交换技术集成各类数据资源，使用可扩 展方法库来支持各个不同等级用户的分别分类应用；利用网络功能实施动态宽泛 的数据交换，并且开放系统的相关数据接口，实现对二次数据资源的充分利用， 利用i n t r a n e t i n t e m e t 技术在更宽范围、更高层次实现企业信息集成。结合韶冶现 场实际情况，韶关冶炼厂供配电系统微机保护工程包括过程层、问隔层、站控层 三个层次的建设内容，系统主体构架如图2 3 所示。 该系统遵照“分层分布、面向对象”的设计原则，立足于“实用化、简易化、 智能化”的目标，把系统分为三层结构”“：过程层、间隔层、站控层。站控层 和问隔层均采用双以太网结构模式实现故障时动态切换：两台通讯服务器相互热 备；还配有操作员站、工程师站、综合管理站、图象监控系统、模拟屏、操作票 专家系统、门户服务器、g p s 授时系统、2 台网络打印机等。站控层通过网关与 过程层、间隔层连接，利用光纤连接一系统中配、电站、二系统硫酸配、第二配 电室。 站控层的主要任务包括通过高速网络汇总全站实时数据信息并不断实时刷 新，按既定规约将有关数据信息送往调度、控制中心，接收调度、控制中心控制 命令并转发站级管理层、日j 隔层执行，在线编程控制全站操作闭锁，站内监控、 人机联系( 显示、操作、打印、报警、多媒体等) ，对站级管理层、问隔层设备 在线维护、在线组态、在线修改参数，对变电站故障自动分析与操作培训。 问隔层由前置机、核心交换机、网关设备、总线控制器、连接设备组成 高速以太网。实现过程层、间隔层实时信息的汇总；一次设备保护控制，站级管 理层操作闭锁，数据采集、统计运算、控制命令发出优先级别控制；与站控层、 过程层高速、可靠的数据交换，来联系站控层和过程层之间的数据通路，实现韶 冶供电系统与外界的数据交互。 过程层是一次设备和二次设备的结合层，由微机保护装置、智能电力仪表组 成电气参量测量和保护单元。实现电力运行的实时电气参量检测，运行设备的状 l o t 程硕i ：学位论文 态量检测、操作控制、执行部分、微机保护。 服务器b 操作员站 图2 3 韶关冶炼厂1 l o k v 站综合自动化系统总体架构图 2 3 2 各架构之间的关系 2 3 2 1 层次功能划分 该系统遵照“分层分布、面向对象”的设计原则，立足于“实用化、简易化、 智能化”的目标，把系统分为三层结构：站控层、间隔层、过程层。 站控层层的主要功能是： 1 通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新数据库，按时登 录历史数据库，按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中心。 2 接收调度或控制中有关控制命令并转间隔层、过程层执行。 3 具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能。 4 具有( 或备有) 站内人机联系功能，如显示、操作、打印、报警，甚至 图像，声音等多媒体功能。 韶冶供配电微机保护成监控系统的研制与实现 5 具有对站级管理层、间隔层诸设备的在线维护、在线组态，在线修改参 数的功能。 6 具有( 或备有) 变电站自动分析和操作培训功能。 间隔层的主要功能是： 1 汇总本间隔过程实时数据信息。 2 实施对一次设备保护控制功能。 3 实施本间隔层操作闭锁功能。 4 实施操作同期及其他控制功能。 5 对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制。 6 承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及站控层的网络通信功 能。必要时，上下网络接i ：1 具备双口全双工方式，以提高信息通道的冗余度，保 证网络通信的可靠性。 过程层的主要功能是： 1 电力运行实时的电气量检测。 2 运行设备的状态参数据检测。 3 操作控制执行与驱动。 2 3 2 2 各层次间的关系 1 过程层 现场的数据是由位于过程层上的设备采集得到的，过程层是整个系统的最底 层，也是整个系统的基础。过程层是一次设备和二次设备的结合面，用来实现电 力运行实时的电气量检测，运行设备的状念量检测、操作控制、执行部分、微机 保护。过程层设备主要包括继电保护装置，智能电力仪表测控装置，遥视装置。 过程层上包括所有的采集设备及执行机构，负责对现场数据的采集并响应、执行 站控层及间隔层所发布的控制策略，过程层上的微机保护单元能在系统发生故障 时进行有效、快速的保护，把系统故障控制在最小的范围内。本供电系统涉及的 微机保护装置包括母线保护、变压器保护、线路保护、电动机保护、电容器保护， 通过这些保护装置来保证系统的安全稳定运行，提高整个系统的供电稳定性。 本系统所使用的微机综合保护器采用标准化、模块化设计，不同型号保护装 置的附件具用灵活的互换性，具备完善的保护、控制( 开关就地及遥控合闸、分 等操作) 、测量( 各种电气量的测量、记录和显示) 、遥信信号采集和通讯功能， 可以与监控前置机及通信网络组成完善的电力监控系统。由于系统的需求，微机 综合保护器还必须具备以下功能：本体窗口全为汉字化大屏幕液晶显示，显示信 息可由用户通过专用调试软件组态和修改；具有两个或以上通讯接1 ：3 ，装置前面 板通讯接口为调试用便携计算机输入端口，后面r s 一4 8 5 通讯端口用于组网通讯： 1 2 t 程硕i 二学位论文 具有开放的通讯协议；装置具有独立的事件记录和故障录波功能，故障录波时间 不小于1 8 秒：具有断路器累计分析电流值，设备运行时间统计功能，跳闸次数 统计功能；配备专用中文调试整定软件；保护装置有完善地自检监测功能，当保 护装置故障或损坏时，保护应被闭锁，保护监测同时发出告警信号。1 。 2 间隔层 间隔层属于过程层的上层，主要由前置系统和网络交换系统构成。在前置系 统中可以对间隔层的现场设备设定控制策略、采集策略、实时发布、存储采集数 据，发布控制命令。前置系统的另外具有中介功能，接收站控层发布过来的控制 命令，通过逻辑判断后对过程层的设备发布控制命令，是站控层和过程层的高速、 可靠的数据交换通路。 间隔层是联系站控层与过程层的中间层，主要起到数据汇总、数据交换、操 作逻辑判断、操作命令下达的功能。由多个主控单元构成，每个主控单元的串行 通讯接口用于连接过程层的总线型链路，上行网络接口分别接入中心管理层的以 太网交换机。过程层通过流行的现场总线连接到网关设备总线控制器，然后汇 总到间隔层的前置机上，前置机对过程层中的设备进行数据采集，逻辑判断，执 行站控层下达的操作命令。一系统中配、二配、二系统硫酸配的数据信息通过这 三个系统留下的对外接口连接到前置系统上，用光纤送到间隔层的网络交换机 上，来实现这三个系统与站内数据的共享。韶冶电站的数据由电站门户机提供数 据通过光纤送到间隔层的网络交换机，来实现韶冶电站数据与站内数据的共享。 设计成前置机系统的优势：减少上层服务器的负荷，提高采集效率，减少轮询周 期；有利于对全部设备进行分类、优化管理、减少耦合；减轻网络负荷，防止网 络阻塞；构成一个集散系统，有利于系统的建设，便于扩充，在维护或维修时减 少对对整个系统的影响。站内前置机上包括以下功能模块：数据采集、数据处理、 遥控逻辑判断、系统自诊断、数据通讯。用于一系统中配、第二配电室、二系统 硫酸配数据交换的前置机主要起到命令下达、数据汇总、信息编辑的功能9 “”1 。 3 站控层 站控层是监控系统的核心部分，通过核心交换机与间隔层、过程层进行数据 交换。站控层采用国际标准化的网络协议，网络具有相当的可靠性和容错能力。 站控层与过程层采用千兆以太网相连，主要实现的功能包括：通过高速网络汇总 全站实时数据信息并不断实时刷新，按既定规约将有关数据信息送往调度、控制 中心，接收调度、控制中心控制命令并转发问隔层、过程层执行，并且在线编程 控制全站操作闭锁，站内监控、人机联系( 显示、操作、打印、报警、多媒体等) ， 对间隔层、过程层设备在线维护、在线组态、在线修改参数，对变电站故障自动 分析与操作培训。站控层网络是整个系统的核心和枢纽，核心层网络的安全性、 韶冶供配电微机保护及雌控系统的研制与实现 可靠性和可维护性将决定着整个系统的性能。同时，系统的通讯服务器担负着全 站所有数据信息的汇总、处理和发送的功能，是整个监控系统的基础，因此通讯 服务器采用冗余配置，双服务器互为热备用以提高系统的安全性和可靠性“”1 。 韶关冶炼厂供配电系统微机保护工程所涉及的智能电力仪表测控装置主要 是根据现场测量电量的需要选择智能电力仪表，来完成现场参数，电量的精确采 集，为整个系统实现综合自动化奠定基础。它所采用的电力参数测量仪采用标准 化、模块化设计，不同型号测量装置的附件具用灵活的可互换性。在功能上具备 完善的保护、控制( 开关就地及遥控合闸、分等操作) 、测量( 各种电气量的测 量、记录和显示) 、遥信信号采集和通讯功能，可以与监控前置机及通信网络组 成完善的电力监控系统。由于系统的特殊需求智能电力仪表还必须具备以下功 能：电力参数测量仪窗口大屏幕液晶显示器，直观界面上具有带自导功能的菜单； 电力参数测量仪应具有国家计量认可的证明，可同时测量相电压、线电压、电流、 频率、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率、有功无功电度( 四象限) 、 需用量及最大量等全部电气参数。其中功率和电能精度0 5 ，电流和电压o 1 ， 每个周波的采样数为1 2 8 个点，真实有效值达至06 3 次谐波；电力参数测量仪通 过扩展至少具有1 3 路开关量输入、5 路继电器输出；电力参数测量仪具有开放 的通讯协议：电力参数测量仪具有电能质量分析功能，如电流和电压谐波失真分 析等功能，必须能够测量3 1 次单次谐波，带2 个数据记录功能，有带时间标示 的事件记录功能，内存8 0 k b ；电力参数测量仪应有完善地自检监测功能；安装 要求：l o k v 及6 k v 配电室内电力参数测量仪根据设计要求安装于6 k v 和l o k v 配 电间隔上，并具有足够的电气安全距离。 整个系统将实现如下功能： 1 方便快捷的人机接口。人机接口监视器、鼠标和功能键提供灵活的人机 交换联系，系统提供了类似w i n d o w s 风格的操作界面，为系统的安全稳定运行提 供了一个控制平台，最大限度地保护了各个功能软件的运行，系统界面友好，使 用方便。在该控制平台上可以实现对所有功能模块的操作，并且为每个功能模块 提供多种进入方式。此外，控制台还包括w i n d o w s2 0 0 0 操作系统的部分常用功 能，使用户的操作简单、方便、安全性提高。 2 安全可