基于组态软件的牵引变电所自动化监控软件设计.docx

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基于组态软件的牵引变电所自动化监控软件设计

基于组态软件的牵引变电所自动化监控软件设计

摘要

牵引变电所监控软件是牵引变电所内运行设备和运行人员的接口，在牵引变电所自动化系统中占有极其重要的地位。

随着计算机和通信技术的发展，我国干线电气化铁路已推广使用集中监视及控制的远动系统，牵引变电所将逐步实现无人值班，直接由供电调度实行遥控运行。

监控软件以其良好的实时性和可靠性得到了广泛使用。

本文主要讨论了牵引变电所综合自动化系统的原理构造和功能，监控组态软件的功能、特点和在变电所综合自动化中的应用，初步设计了牵引变电所综合自动化监控系统。

在本设计中，利用组态王6.5版软件作为平台，开发了牵引变电所综合自动化监控系统的主接线图，趋势曲线，以及数据报表，在牵引变电所系统监控界面制作和数据词典设计的基础上，实现了变电站系统的遥测、遥信、遥调和遥控的功能，完成了组态王与MicrosoftAccess数据之间的数据连接及访问。

结果表明，以组态软件为开发平台的牵引变电所监控系统有着良好的监控效果。

关键词：

牵引变电所，综合自动化，组态软件，监控

AUTOMATIONMONITORDESIGNOFTRACTIONSUBSTATIONBASEDONCONFIGURATIONSOFTWORE

ABSTRACT

Themonitoringandcontrollingsoftwareistheinterfaceofoperatorsandoperatingequipmentsinthetractionsubstationautomationsystemwhichisoccupyingthesignificantimportanceinthetractionsubstationautomationsystem.Withthedevelopmentofthecomputerandcommunications,China'selectrifiedrailwaylineshasbeentopromotetheuseofcentralizedmonitoringandremotecontrolsystems,tractionsubstationwillbetheprogressiverealizationofunmanned,whichisdirectlypowersuppliedbytheimplementationofremotecontroloperationscheduling.Monitorsoftwareisusedbymostelectricitymonitorsandcontrolsystemstoimprovethelevelofmonitoringandcontrollingbecauseofits’reliablequality.

Thetractionsubstationintegratedautomationsystemstructureandfunctionoftheprincipleisdiscussedinthepaper,andthefunctionsofsoftwareconfiguration,characteristicsandapplicationsinthesubstationautomation,thepreliminaryintegratedautomationfortractionsubstationmonitoringsystemisdesigned.ThedesignistakingtheKingview6.5versionofthesoftwareastheplatform,itdevelopingthetractionsubstationsynthesisautomationsupervisorysystem.Basedonthetractionsubstationsystemmonitoringcontactsurfacemanufactureanddatadictionarydesign,andthetelemetry,remotesignals,remotetransferandtheremotecontrolfunctionofthetransformersubstationsystemisrealized,besides，itcompletesthedatalinkingandaccessingbetweenKingviewandMicrosofttheAccessdata.

ItshowsthatTractionSubstationMonitoringSystembasedonconfigurationsoftwarehasagoodeffectonsubstation.

Keywords:

Tractionsubstation，IntegratedAutomation，Configurationsoftware，Monitorandcontrol

1．绪论

变电站是电力系统的重要组成部分，它是介于发电厂和电力用户的中间环节。

变电站自动化水平的高低直接影响到电力系统运行的可靠性及供电的质量。

随着电子技术、通信技术和计算机技术的发展，我国已经广泛使用基于计算机技术的电力系统继电保护与安全自动装置、安全自动装置都具备了数据采集、数据处理的功能，并具有利用通信网络传输数据的功能。

因此，变电站实现综合自动化具备了物理基础。

目前，我国新建或改建的变电站均采用了综合自动化系统的模式。

变电站综合自动化系统是将变电站的二次设备（包括控制、信号、测量、保护、自动装置、远动等）利用计算机技术。

现代通信技术，通过功能组合和优化设计，实现对变电站自动监控、测量、控制和调整的一种综合性的自动化系统[1]。

1.1牵引变电所综合自动化系统的基本概念

变电所自动化是指在变电所内应用自动控制技术、信息处理好传输及时、计算机软硬件实现变电所进行监控、协调、控制和管理任务，部分代替或是取代变电所常规的二次技术，和代替进行值班人员对变电所进行监控、控制的操作，是变电所更安全、稳定、可靠的运行。

其实质就是以计算机为核心，通过将变电所原有保护、仪表、中央信号、远动装置等二次设备系统及功能重新分解、组合、互连、计算机化形成，及变电所保护、测量、监控和远方控制于一体，简化了变电所二次接线。

1.1.1变电所综合自动化简介

变电所综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息处理技术等实现对变电站二次设备（包括继电保护、控制、测量、信号、故障录波、自动装置及远动装置等）的功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。

通过变电站综合自动化系统内各设备间相互交换信息，数据共享，完成变电所运行监视和控制任务。

变电站综合自动化替代了变电所常规二次设备，简化了变电站二次接线。

变电站综合自动化是提高变电站安全稳定运行水平、降低运行维护成本、提高经济效益、向用户提供高质量电能的一项重要技术措施。

功能的综合是其区别于常规变电站的最大特点，它以计算机技术为基础，以数据通讯为手段，以信息共享为目标。

变电站综合自动化系统中以监控主机代替了传统变电站中控制屏、中央信号系统和远动屏，监控主机中运动主界面的数字式显示代替了电磁型或晶体管型仪表，基于计算机技术的数字式保护代替电磁型和晶体管型仪表的继电保护，彻底改变了常规的继电保护装置不能与外界进行数据交换的缺陷。

因此，变电站综合自动化系统是自动化技术、计算机技术、和通信技术等在变电站领域的综合应用。

变电站综合自动化系统可以采集到电力系统比较齐全的数据和信息，利用计算机的告诉计算能力和逻辑判断功能，方便地监视和控制变电站内各种设备的运行和操作。

1.1.2牵引变电所综合自动化简介

牵引变电所综合自动化系统是利用计算机通信技术，经过各种功能组合和优化设计，对变电所二次设备（控制、信号、测量、保护自动装置及远动装置等）执行自动监视、测量、控制和协调的一种综合性自动化和计算机、通信技术在变电所领域的综合应用，是实现牵引变电所无人值班或少人值班的可靠技术支撑[2]。

电气化牵引变电所综合自动化系统采用分层分布式网络结构，以牵引变电所为核心，以功能为模块，将供电臂上联接的牵引供电设施纳入系统节点，充分体现分散控制，集中管理的结构模式。

控制和保护系统既相互独立，有关信息有相互共享。

系统主要有四部分组成：

第一部分为调度层；第二部分为站控层；第三部分为间隔层的分布式保护、测量、只能装置；第四部分为设备层。

间隔层智能装置控制和保护线路、变压器、电容器等设备；站控层控制着以牵引变电所为核心，以供电臂为单元的牵引供电系统，系统结构如图1-1所示。

调度层是电气化铁道的电力调度中心，它是以计算机为主体的数据采集和监控系统，即SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）系统。

通过四遥使大量的实时信息传送到调度中心，调度人员根据所传递的信息记录牵引变电所的运行状态并能及时处理事故。

站控层主要设在各变电所、分区所、开闭所等主控室内，主要由后台监控机、通信管理机、GPS接收器构成。

通信管理机是站控层的核心，他通过多种类型的标准通信接口和通信规约来沟通各智能单元、后台、远动中心间进行数据交换。

一方面通信管理机与数据采集装置、保护装置进行通信，收集牵引变电所运行中各实时信息并传送到后台机和远动中心，以便对各变电所进行监视。

另一方面接收和转发来自监控系统的各类操作命令对变电所进行遥控和遥调。

通信管理机还通过RS232标准接口与GPS系统通信，使装置和所有与之相联系的保护、数据采集，后台监控都严格与GPS保持时钟同步，从而实现系统的同步采样、故障分析和动态监测。

后台机也称上位机，是牵引变电所自动化系统的管理中心，主要负责人机联系、信息汇总与处理、运行管理和优化控制等功能。

后台机通过安装与牵引变电所主控室内，与通信管理机之间采用RS232/485串口通讯。

图1-1电气化铁道牵引变电所综合自动化系统结构

间隔层由牵引变电所各保护测控单元模块和其他智能仪表构成，每个保护测控单元集保护、控制、智能通信功能于一体，实现数据采集、保护和信息传输功能。

也是系统与一次设备的接口，主要包括线路保护装置、变压器保护装置、电容器保护装置、综合监控单元及单元测量装置、备用电自投及电压无功自动控制装置以及通信管理单元。

各智能单元采用模块化结构，可根据工程的实际需要，灵活配置各间隔层的保护设备。

各保护装置功能相对独立，凡是可以就地完成的功能绝不依赖通信网。

其后加速、谐波闭锁的三段距离保护、一次重合闸功能、PI断线检测和故障测距功能。

牵引变电所综合自动化系统主要以完成保护、电能计算、监控为目的，考虑系统可靠性、灵敏度、实时性等要求来合理配置系统功能。

正常运行时，在线监测牵引网运行及设备的运行状况；故障时，保护迅速动作快速采集、处理故障数据，使故障限制在最小范围内，同时完成牵引网的在线计算、故障测距、存储、统计、分析报表、信息远传和智能控制等功能。

当地监控硬件配置有当地监控机、打印机、模拟屏、光端机、OPH、电源柜及保护测控装置构成。

根据牵引变电所主接线的特点和供电方式，保护测控装置可按下列配置：

（1）主变压器和主保护测控装置两套，装置应具备的主要功能：

差动电流速断和二次谐波制动的比率差动保护；

（2）主变压器110kV测后备测控装置两套，装置具备主要功能：

非电量保护、110kV进线失压保护、零序过电流保护、过负荷保护；

（3）主变压器27.5kV测后备保护测控装置两套，装置应具备的主要功能：

27.5kV测低压启动的三相过流保护；

（4）自投装置一套，装置应具备的主要功能：

110kV进线备自投和主变压器故障自投；

（5）电容保护装置一套，装置应具备的主要功能：

电流速断保护、过电流保护、谐波过流保护、低电压、过电压保护和差压保护；

（6）馈线保护装置的数量由断路器备用方式、牵引网单复线决定。

每一台断路器对应一个保护测控模块。

装置应具备的主要功能：

电流速断保护、谐波闭锁的过电流保护其后加速、谐波闭锁的三段距离保护、一次重合闸功能、PT断线检测和故障测距功能。

监控单元定期或随机采集电流、电压、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度、保护动作、主变温度、系统频率等。

数据处理包括累计每条线路的有功功率，越限检测（主变过负荷、主变过热、母线电压过高或是过低、PT断线、直流失压）；接地检测。

控制单元可由远方或当地监控机或应急选线控制装置进行控制，通过在上位综合控制机操作实现对变电所的断路器、隔离开关的操作。

当地和远方相互闭锁，防止误操作。

为防止误操作，控制开关的合、断分选择、执行两步完成。

变压器保护采用微机保护，完成保护、控制、备投等功能；故障录波。

每台变压器可单独保护单元分别构成差动保护作为变压器的主保护，二三次谐波量占基波量的10%以上是制动。

过流保护、过负荷保护作为后备保护，接地保护作为辅助保护，变压器本身装备重瓦斯动作继电器和轻瓦斯信号继电器。

监控管理机完成上述功能，包括电能计量等功能。

馈线保护采用微机保护，完成保护测量、控制出口功能。

馈线设有方向距离保护作为辅助保护以克服方向保护的死区。

设二三谐波量占基波量的10%以上是制动。

监控机完成上述监控和馈线开关的操作管理。

母线保护采用微机保护，完成保护、测量、控制出口功能。

母线设在母线差动保护作为主保护，过流保护作为辅助保护，因为母线差动保护采集母线上所有电流、电压及开关状态，母线保护具有算法简单、计算量小的特点，从而实现监控管理及故障录波[2]。

1.2牵引变电所综合自动化系统的结构形式

牵引变电所综合自动化系统是以微机保护和计算机监控系统及变电所的其他智能设备的综合自动化。

牵引变电所综合自动化系统由站端层、网络通讯层、间隔层三部分组成。

典型牵引所综合自动化系统图如图1-2所示。

（1）站端层具有图形画面实时监控、变电所日常管理和图形分析等功能；

（2）网络通讯层调度端与间隔层通讯，上传变电所实时信息，下达操作、控制命令；

（3）间隔层负责准确采集变电所设备运行参数，进行保护运算，保护分闸，并准确及时的执行由站端层发出的操作、控制命令；

（4）变电所二次回路大大简化，生活设施基本取消，设计工作量明显降低；

（5）智能保护测控单元可嵌入一次设备，子工厂完成大部分安装调试工作，现场施工周期可显著缩短，建安费用也随之减少；

（6）高速可靠的现场总线网络和完备的安全监控系统为无人值守创造了条件，值班人员的大幅减少可带来可观的经济效益；

（7）借助于保护测控单元的透明化设计和一次设备的驻所检测技术，可实现设备的远程诊断，从而推行检修体制改革，取消传统春检；

（8）保护与控制单元集保护、测量、控制、通信于一体，高度集成的模块化设计，功能强大，设备灵活，稳定可靠，维护方便；

（9）间隔层通信网络采用具有良好的开放性、互操作性和完整网络通信协议的以太网、Longwords等；也可采用CAN网、PROFIBUS等实现网络功能；

（10）通信方式及接口灵活，保护、测量与控制单元采用国际标准的IEC60870-5-103等通信规约，当地的监控单元与调度端的通信采用IEC60870-5-101等通信规约；

（11）采用GPS卫星同步时钟保证全系统具有统一的标准时钟。

并具备接收调度端的时钟，保证全站时钟同步的能力；

（12）当地监控单元能共实现双机热备用和自动切换功能，极大地增强了系统的可靠性；

（13）人机界面友好，屏幕化操作取代人工操作。

图1-2牵引所综合自动化系统图

牵引变电所内有保护测控和单元、当地监控单元、现场总线、视频监控单元等组成。

各保护监控单元完成变电所的继电保护、测量、控制功能。

调度中心与保护测控单元通信，实现“四遥”功能，当地监控单元也可以就地完成调度中心的操作。

视频监控单元与自动灭火系统一起，组成变电所安全监控系统，实现“遥视”功能。

为保证图像传输的实时性，要求为视频提供单独的宽带光纤口[3]。

（1）保护测控单元

现在主流的保护测控单元采用32位CPU硬件平台，能支撑完善的测量与控制功能，基于DSP技术的高精度的数据采集系统能够准确的采集变电所设备的运行参数，进行保护运算，并准确及时的执行由站端层发出的命令。

各单元模块上高精度的硬件器件、合理的布线以及高标准的电磁兼容性能，大大地提高了硬件系统工作的可靠性，适合环境恶劣的工业现场运行。

弥补了老式继电保护固有的保护单一、准确性差、接线复杂、通讯困难等缺陷。

保护测控单元包括馈线测控保护单元、并步测保护单元、主变主保护单元、主变后备保护单元、主变测控保护单元、备用自投控制单元等。

（2）当地监控单元

当地监控及通信处理单元由当地监控主机、流水报表打印机、通信管理机、远动管理机、远动管理机及GPS组成。

当地监控及通信处理单元作为牵引变电所综合自动化系统的一部分，负责采集与显示牵引变电所内的测控、保护单元的各种测量、保护信息，实现对牵引变电所内的各测量、保护信息，实现对牵引变电所各种开关的分/合控制、信号复归与定值整定与存储，完成相应的报表处理、曲线显示、流水打印等信息处理功能，对故障录波、负荷录波及谐波分析的显示与存储。

具有生动详细的报警信息窗口，并根据不同的报警级别有相应的画面和语言、音响报警。

可进行灵活配置，对不同的用户可设置不同的管理权限，以确保系统的安全性，当地监控及通信处理单元互相独立，在正常情况下，调度端控制命令不需要通过当地监控单元即可执行，这时，可通过当地监控的显示器监视变电所运行情况，查看各种报表及曲线。

当远方控制失效时，当地监控单元作为远方控制失效后备手段进行操作。

1.3牵引变电所综合自动化系统的功能

目前，我国电力系统中，低压变电所普遍采用了综合自动化技术，部分变电所还实现了无人值班。

实践证明：

综合自动化技术的采用提高了变电所全面的技术水平和管理水平，提高了安全、可靠、稳定运行水平，降低了运行维护成本，提高了经济效益，促进了配电系统自动化。

铁道牵引变电所目前存在着以下问题：

建设时往往存在选址困难的问题、运营时存在运行维护费用高的问题、事故时故障不易判别的问题。

因此，为了适应电气化铁路建设的发展需要，提高牵引变电所自动化运行管理水平，牵引变电所综合自动化技术将成为一种发展趋势，这样还能使牵引变电所减少占地、缩减人员编制，事先向技术要效益的目的[4]。

目前国内已经有好人那多家公司的牵引变电所综合自动化产品通过了鉴定，部分铁路局一开始使用这些产品，但至今还没有颁布一个牵引变电所综合自动化产品的技术标准。

牵引变电所综合自动化一般包括如下几部分的功能：

监控子系统、微机保护子系统、备用电源自投控制、变电所综合自动化系统的通信任务，下面分别细述这些功能。

1.3.1监控子系统

监控系统用来取代常规的测量系统，取代指针式仪表；改变常规的操作机构和模拟盘，取代常规的告警、报警、中央信号、光字牌等；取代常规的远动装置。

其功能包括：

（1）数据采集包括模拟量的采集、开关量的采集和电度量的采集；

①模拟量的采集：

包括27.5kV母线；主变压器电流、有功功率、无功功率、功率因数；电容器电流、无功功率、功率因数；馈线电流、有功功率、无功功率、功率因数；系统频率；主变压器油温；直流电源电压；所用变压器电压等；

②开关量的采集：

包括断路器状态、隔离开关状态、继电保护动作信号、运行告警信号等[5]；

③电度量采集；

（2）时间顺序SOE：

包括断路器跳合闸记录，保护动作顺序记录；

（3）故障记录、故障录波和测距；

（4）操作控制功能：

操作人员可通过CRT屏幕度断路器和隔离开关（电动）进行分、合闸操作；能接受遥控操作命令，进行远方操作；还应保留人工直接分、合闸操作手段。

断路器操作哟应有闭锁功能，包括如下内容：

断路器操作时，应闭锁自动重合闸；当地操作和远方控制操作要互相闭锁，保证只有一处操作；根据实时信息，自动实现断路器和隔离开关之间的闭锁操作；无论当地操作还是远方控制操作，都应有防误动作的闭锁措施，既要收到反校信号后，才能执行下一项，必须有对象校核、操作性质校核和命令执行三步，以保证操作的正确性；

（5）安全监视功能：

监控系统在运行工程中，对采集的电流、电压、主变压器温度、频率等量，要不断地进行越限监视，如发现越限，立即发出告警，同时记录和显示越限时间和越限值，另外还要监视保护装置是否失电、自动装置工作是否正常等。

（6）人际联系功能:

人机联系桥梁主要有：

CRT显示器、鼠标、键盘。

CRT显示画面内容：

显示采集和计算的实时运行参数，包括U、I、P、COSΦ、有功电度、无功电度、主变温度、系统频率等；显示主接线图，主接线图上的断路器和隔离开关的位置要与实际状态相对应，进行对断路器和隔离开关操作时，对所操作的对象应有明显的标记，各项操作都有汉字提示；时间顺序（SOE）显示，包括所发生的事件内容即发生的事件的时间；值班记录显示；历史趋势显示，如变压器负荷曲线、母线电压曲线等；保护定值和自动装置的设定值显示等[6]。

输入数据包括：

TA和TV变比；保护定值和越限报警定值；自动装置的设定值；运行人员密码。

数据处理和记录功能指的是历史数据的形成和存储，及为满足变电站管理需要的数据统计等。

主变和馈线的有功功率和无功功率每天都有最大值最小值及相应的时间；母线电压每天定时记录的最高值、最低值及相应的时间；统计断路器动作的次数；断路器切除故障电流和跳闸次数的累计数；控制操作和修改定值记录[7]。

1.3.2微机保护子系统

微机保护应包括变电所的全套保护，具体有：

主变压器的主保护和后备保护；并联电容补偿装置的保护；馈线的保护等。

微机保护是综合自动化系统的关键环节，它的功能和可靠性如何在很大程度上影响了整个系统的性能。

微机保护子系统中的保护单元，除了具有独立、完整的保护功能外，还必须满足以下要求，也就是具备以下附加功能：

（1）满足保护装置快速性、选择性、灵敏性和可靠性要求，它的工作不受监控系统和其他子系统的影响；

（2）具有故障记录功能；

（3）具有统一时钟对时功能；

（4）能存储多种保护整定值；

（5）能实现当地显示与多处观察保护整定值、能授权修改保护整定值；

（6）设置保护管理机或通信控制机，负责对保护单元的管理；

（7）通信功能；

（8）故障自诊断、自闭锁和自恢复功能。

1.3.3备用电源自投控制

备用电源自动投入是综合自动化系统的基本功能之一，是保证牵引变电所系统连续可靠供电的重要措施。

牵引变电所的备用电源和备用电源的自动投入装置按规定装设：

牵引变电所的两回电源进线上应装设备用电源自动投入装置；当牵引变电所的牵引变压器采用固定备用方式时，两台牵引变压器应装设自动投入装置[8]。

1.3.4牵引变电所综合自动化系统的通信任务

综合自动化系统的通信功能包括内部的现场级通信和自动化系统与上级调度的通信两部分：

一方面，综合自动化系统的现场总线等多种通信方式主要解决自动化系统内部各子系统与监控主机之间的数据通信和信息交换等，通信范围在变电所内部。

通信介质可采用双绞线、同轴光缆或是光纤等，通信规约可采用IEC60870-5-103；另一方面，综合自动化系统必须兼有RTU的全部功能，应该能够将所有采集的