变电站综合自动化系统研究.docx
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变电站综合自动化系统研究
摘要
变电站综合自动化对于保证供电可靠性和电能质量，对于电力系统的安全、稳定运行具有极其重要的作用。
本毕业设计以实验室现有设备为基础，对基于PLC的变电站综合自动化系统进行研究。
本设计在学习变电站综合自动化系统的基本概念，学习数据通信、可编程控制器和触摸屏相关知识的基础上，对基于SIMATICS7-200PLC的变电站综合自动化实际系统进行初步的硬件结构设计和软件设计。
并以断路器控制、中央信号系统为具体研究对象，由SIMATICS7-200PLC和计算机、触摸屏组成硬件系统，实现了PLC和触摸屏之间的通信，编写了PLC和触摸屏程序，实现了断路器控制和中央信号系统的基本功能。
关键词变电站，综合自动化，可编程控制器，触摸屏
Abstract
Integratedsubstationautomationplaysanimportantroleinguaranteeingthepowersupplyreliabilityandqualityofelectricenergy,thesecurityandstableoperationofpowersystems.Onthebasisoftheexistinglaboratoryequipment,thedesignresearchesPLC-basedintegratedsubstationautomationsystem.
Onthebasisofstudyingthebasicconceptsofintegratedsubstationautomationsystem,therelevantknowledgeofdatacommunication,PLCandtouchpanel,theinitialhardwarestructureandsoftwareofintegratedsubstationautomationsystembasedonSIMATICS7-200PLCisdesigned.Andcircuitbreakercontrol,thecentralsignalsystemforspecificsubjects,bySIMATICS7-200PLCandcomputer,touchpanelconsistinghardwaresystem,thecommunicationbetweenPLCandtouchpanelisimplemented,theproceduresofPLCandTouchpanelareprepared,circuitbreakercontrolandthecentralsignalsystem'sbasicfunctionsareimplemented.
Keywordssubstation,integratedautomation,programmablecontroller,Touchpanel
目录
摘要……………………………………………………………………………………...I
Abstract………………………………………………………………...……..…………I
1绪论…………………………………………………………………………………...1
1.1变电站实现综合自动化的目的和意义.................................................................1
1.2变电站综合自动化的发展过程和现状.................................................................2
1.3变电站综合自动化系统的内容、功能和特点.......................................................3
1.4本文的主要工作.....................................................................................................5
2可编程控制器及SIMATICS7-200PLC……………………………………………..6
2.1PLC的特点和主要功能……………………………………...…………………..6
2.2PLC的基本结构和工作原理…………………………………………………….7
2.3SIMATICS7-200PLC系统的基本组成及其工作模式………………………....9
2.4PLC与计算机的通信和连接…………………………………………………....11
2.5PLC应用系统的设计原则、内容与步骤……………………………………....13
2.6本章小结………………………………………………………………………...14
3触摸屏及其与计算机、PLC的通信和连接………………………………………..15
3.1概述……………………………………………………………………………...15
3.2PWS6600C-S型触摸屏…………………………………………………….......15
3.3PWS6600C-S型触摸屏的操作…………………………………………….......19
3.4PWS6600C-S型触摸屏与计算机的通信和连接………………………….......20
3.5PWS6600C-S型触摸屏与PLC的通信和连接……………………………........22
3.6本章小结………………………………………………………………………...23
4基于PLC的变电站综合自动化系统初步设计…………………………………….24
4.1变电站综合自动化系统的设计原则与要求…………………………………...24
4.2变电站综合自动化系统的硬件结构设计……………………………………...24
4.3系统软件概述…………………………………………………………………...27
4.4PLC软件设计概述………………………………………………………………29
4.5系统特点………………………………………………………………………...31
4.6本章小结………………………………………………………………………..31
5断路器控制、中央信号的PLC实现……………………………..............................32
5.1断路器控制概述………………………………………………………………...32
5.2断路器控制的PLC实现………………………………………………………..34
5.3触摸屏画面……………………………………………………………………...37
5.4中央信号………………………………………………………………………...40
5.5本章小结………………………………………………………………………...43
6结论………………………………………………………………………………….44
谢辞…………………………………………………………………………………….45
参考文献……………………………………………………………………………….45
附录1外文资料翻译………………………………………………………………….47
A1.1译文：
变电站综合自动化系统的结构和通信……………………………………………47
A1.2原文：
TheConfigurationandCommunicationof
IntegratedSubstationAutomationSystems………………………………………..52
1绪论
1.1变电站实现综合自动化的目的和意义
1.1.1传统变电站的缺点
众所周知，变电站是电力系统中不可缺少的重要组成部分，它担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。
尤其是现在大容量发电机组的不断投运、超高压远距离输电和大电网的出现，使电力系统的安全控制更加复杂，如果仍依靠原来的人工抄表、记录、人工操作为主，依靠原来变电站的旧设备，而不进行技术改造的话，必然没法满足安全、稳定运行的需要，更谈不上适应现代电力系统管理模式的需求。
传统变电站存在如下的缺点[1]：
（1）安全性、可靠性不能满足现代电力系统高可靠性的要求。
（2）供电质量缺乏科学的保证。
（3）占地面积大，增加了征地投资。
（4）不适应电力系统快速计算和实时控制的要求。
（5）维护工作量大，设备可靠性差，不利于提高运行管理水平和自动化水平。
1.1.2变电站实现综合自动化的优越性
随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，变电站综合自动化技术得到了迅速发展。
近几年来，变电站综合自动化已成为热门话题，引起了电力工业各部门的注意和重视，并成为当前我国电力工业推进技术进步的重点之一。
变电站综合自动化是将变电站的二次设备（包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等）经过功能的组合和优化设计，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，实现对全变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。
变电站实现综合自动化的基本目标是提高变电站全面的技术水平和管理水平，提高电网和设备的安全、可靠、稳定运行水平，降低运行维护成本，提高经济效益，提高供电质量，促进配电系统自动化。
变电站实现综合自动化的优越性主要有以下几方面[1]：
（1）提高变电站的安全、可靠运行水平。
（2）提高供电质量，提高电压合格率。
（3）简化了变电站二次部分的硬件配置。
（4）提高电力系统的运行、管理水平。
（5）缩小变电站占地面积，降低造价，减少总投资。
（6）减少维护工作量，减少值班人员劳动量，实现减人增效。
（7）有利于提高变电站无人值班管理水平。
1.2变电站综合自动化的发展过程和现状
1.2.1国内变电站综合自动化的发展过程和现状
我国变电站综合自动化的研究工作开始于20世纪80年代中期。
1987年，清华大学电机工程系研制成功第一个符合国情的变电站综合自动化系统，在山东威海望岛变电站成功地投入运行，1988年通过技术鉴定。
鉴定结论为国内首创，填补了国内一项空白，并达到国际80年代先进水平。
20世纪80年代后期，不少高等院校、研究单位和生产厂家投入到变电站综合自动化的研究中。
90年代，变电站综合自动化已成为热门话题，研究单位和产品如雨后春笋般蓬勃发展。
规模比较大的单位有南瑞公司、四方公司等。
近几年来，大规模集成电路技术和通信技术的迅猛发展，网络技术、现场总线技术等的出现，为提高变电站综合自动化水平提供了技术支持。
90年代中，变电站综合自动化实际上成为电力系统自动化最亮丽的热点，其功能和性能也不断完善。
变电站综合自动化已成为新建变电站的主导技术[1]。
目前国内无人值班与变电站综合自动化系统基本应用在110kV和35kV中低压
变电站中，已投入了相当数量，发挥了积极作用。
各地区，特别是经济发达地区对新建110kV变电站大多要求按无人值班设计。
无人值班变电站按实现的自动化水平可分为两类：
一种是远动RTU方式，另一种为全新的综合自动化。
较早推行无人值班的地区，由于受当时自动化水平和经济能力的限制往往采用第一种方式，该方式仅在原常规有人值班变电站的基础上在RTU中增加了遥控、遥调功能，站内仍保留原有的控制屏、指示仪表、光字牌等设备。
所有信号由RTU集中采集，遥控、遥调指令通过RTU装置硬接点输出，由控制电缆引入二次回路控制，与控制保护不能交换信息，保护动作信号仍需通过继电器接点采集。
采用这种方式所需二次电缆比常规有人值班变电站更多，二次回路也更复杂。
第二种方式，即为现在广为流行的变电站综合自动化方式。
其最大的特征是将站内监控功能、SCADA信号采集、远动功能以及数字保护信息结合为一个统一的整体，完全取消了传统的集中控制屏，二次回路极为简单，控制电缆大量减少，既可有人值班运行，也可无人值班运行。
我国220kV和500kV电压等级的变电站基本上为有人值班运行方式，除发遥测、遥信信号外，变电站一般具有站内监控系统。
几年前投运的变电站监控系统与远动系统完全是彼此独立、互不相关的，数据各自分别采集，信息不能共享，硬件设备重复设置，重复投资。
近几年设计的站内监控系统已把站内监控系统与远动功能综合在一起，可向几个不同级别的调度中心发送各自需要的远动信息，所有遥测、遥信集中采集。
这种方式带控制功能，可对断路器和电动操作隔离开关进行控制操作，并可与数字保护交换信息，可分析数字保护运行状态，动作行为，远方定值修改，提供了更加详细的信息资料，方便运行管理。
1.2.2国外变电站综合自动化的发展概况
国外变电站综合自动化的研究工作开始于20世纪70年代中后期。
80年代以后，研究变电站综合自动化系统的国家和大公司越来越多，包括德国西门子公司、ABB公司、AEG公司，美国GE公司、西屋公司，法国阿尔斯通公司等。
这些公司都有自己的综合自动化系统的产品。
西门子公司于1985年在德国汉诺威正式投运其第一套变电站自动化系统LSA678，至1993年已有300多套同类型的系统在德国本土及欧洲其他国家不同电压等级的变电站投入运行，至1995年，该公司在中国也陆续得到十几个工程项目，基本上是110kV城市变电站。
LSA678系统的结构有全分散式和集中与分散相结合两种类型。
ABB公司的变电站综合自动化系统SCS100，在芬兰生产，用于中、低压变电站。
CSC200在瑞典生产，用于高压变电站[1]。
由此可见，国外研究变电站综合自动化系统始于20世纪70年代后期，80年代发展较快。
著名的制造厂商颇多，但他们彼此间一开始就十分注意这一领域的技术规范和标准的制定与协调，避免各自为政造成不良后果，这是很值得我们学习的。
1.3变电站综合自动化系统的内容、功能和特点
1.3.1变电站综合自动化系统的主要内容
变电站综合自动化系统是利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化系统，该系统代替常规的测量和监视仪表，代替常规控制屏、中央信号系统和远动屏，用微机保护代替常规的继电保护屏，改变常规的继电保护装置不能与外界通信的缺陷。
变电站综合自动化系统可以采集到比较齐全的数据和信息，利用计算机的高速计算能力和逻辑判断功能，可方便地监视和控制变电站内各种设备的运行和操作。
一般来说，变电站综合自动化的内容应包括变电站电气量的采集和电气设备（如断路器等）的状态监视、控制和调节。
通过变电站综合自动化技术，实现变电站正常运行的监视和操作，保证变电站的正常运行和安全。
当发生事故时，由继电保护和故障录波等完成瞬态电气量的采集、监视和控制，并迅速切除故障，完成事故后的恢复操作。
此外，变电站综合自动化系统的内容还应包括监视高压电器设备本身的运行（如断路器、变压器和避雷器等的绝缘和状态监视等），并将变电站所采集的信息传送给调度中心，必要时送给运行方式科和检修中心等，以便为电气设备监视和制定检修计划提供原始数据[2]。
1.3.2变电站综合自动化系统的基本功能
变电站综合自动化功能由电网安全稳定运行和变电站建设、运行维护的综合经济效益要求所决定。
变电站在电网中的地位和作用不同，变电站综合自动化系统有不同的功能。
结合我国的国情，具体来说，变电站综合自动化系统的基本功能体现在下述5个子系统的功能中：
（1）监控子系统；
（2）微机保护子系统；（3）电压、无功综合控制子系统；（4）低频减负荷控制；（5）备用电源自投控制。
另外，变电站综合自动化系统还要完成各个子系统之间的通信任务[1]。
1.3.3变电站综合自动化系统的特点
变电站综合自动化系统具有以下几个突出的特点：
（1）功能综合化
（2）分级分布式、微机化的系统结构
（3）操作监视屏幕化
（4）通信网络化、光缆化
（5）测量显示数字化
（6）运行管理智能化
总之，变电站实现综合自动化可以全面提高变电站的技术水平和运行管理水平，使其能适应现代化大电力系统运营的需要[1]。
1.4本文的主要工作
变电站综合自动化系统涉及到通讯技术、微处理机技术、数字信号处理技术、自动控制理论、牵引供电理论、系统可靠性理论、软件工程技术等诸多技术和理论，是一项十分复杂的系统工程。
本文的主要工作集中在如何用PLC设备实现变电站综合自动化系统的硬件结构设计，如何实现计算机、PLC和触摸屏之间的通信连接，并以断路器控制、中央信号系统为具体研究对象，对PLC和触摸屏编写程序，用触摸屏控制PLC程序的运行，从而实现断路器控制和中央信号系统的基本功能。
通过本次毕业设计，应达到的目标是：
加深对变电站综合自动化系统的认识，熟练掌握PLC的编程方法，掌握触摸屏的使用方法，掌握基于PLC的变电站综合自动化系统的设计方法，编制调试完成指定子系统的软件，实现变电站综合自动化系统的基本功能；掌握参考文献的查阅方法，掌握科技论文的写作方法。
2可编程控制器及SIMATICS7-200PLC
随着科学技术的发展，………PLC技术、CAD/CAM技术和工业机器人成为现代工业控制的三大支柱。
2.1PLC的特点和主要功能
2.1.1PLC的特点
PLC是专为在工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点[9]。
（1）可靠性高、抗干扰能力强;
………………
（7）体积小、能耗低，便于机电一体化。
2.1.2PLC的主要功能
PLC在不断地发展，其性能在不断地完善、功能在不断地增强。
其主要功能有[9]：
（1）开关量逻辑控制
………………
（8）通信和联网
2.2PLC的基本结构和工作原理
2.2.1PLC的基本结构
从广义上说，PLC也是一种工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。
所以，PLC与计算机控制系统十分相似，也具有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源等，如图2.1所示。
图2.1PLC结构框图
（1）主机
………………
（2）输入/输出（I/O）接口
………………
（6）外部设备接口
………………
2.2.2PLC的工作原理
PLC的整个工作过程可分为五个阶段：
自诊断、与编程器等的通信、输入采样、用户程序执行、输出刷新。
其工作过程框图如图2.2所示。
图2.2PLC工作过程框图
………………
2.3SIMATICS7-200PLC系统的基本组成及其工作模式
西门子公司的SIMATICS7-200是一种叠装式结构的小型PLC。
它指令丰富、功能强大、可靠性高、适应性好、结构紧凑、便于扩展、性能价格比高。
2.3.1S7-200PLC系统的基本组成
SIMATICS7-200由基本单元（S7-200CPU模块）、个人计算机（PC）或编程器、STEP7-Micro/WIN32编程软件以及通信电缆等构成[9]。
（1）基本单元（S7-200CPU模块）
S7-200系列PLC在硬件上采用固定式结构和扩展式结构相结合的方式，固定式结构的硬件即是基本单元，扩展式结构的硬件即是基本单元扩展模块。
S7-200PLC基本单元根据CPU的不同，分为CPU21x和CPU22x两个系列，目前市场上主要为CPU22x系列。
CPU22x系列有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四种基本单元。
这里选用CPU224，现简单介绍CPU224，它具有以下特点：
·具有24个离散点（其中14个输入点、10个输出点），可以满足一些简单的控制需要；
·具有一个RS485串行口，具有PPI（点对点）通信、MPI（多点接口）通信和自由方式通信能力，并支持PROFIBUS-DP扩展接口。
可以方便地实现同微机、同其它PLC、以及同打印机之类的外围设备的通信。
对该型号PLC的编程，也是通过同一个接口，使用一个RS485到RS232的转换器，由微机来实现的；
………………
（5）人机界面
人机界面主要指专用操作员界面，例如操作员面板、触摸屏、文本显示器等，这些设备可以使用户通过友好的操作界面轻松地完成各种调整和控制的任务。
2.3.2SIMATICS7-200的三种工作模式
………………
2.4PLC与计算机的通信和连接
2.4.1PLC的通信口
S7-200CPU224型PLC主机带有一个RS-485串行9针D型通信口Port0，其引脚与PROFIBUS的名称对应关系如表2.1所示。
表2.1Port0RS-485引脚与PROFIBUS对应关系
针号
Port0
PROFIBUS名称
1
机壳接地
屏蔽
2
+24V返回（逻辑地）
+24V返回（逻辑地）
3
RS-485信号B
RS-485信号B
4
RTS（TTL）
请求发送信号（TTL）
5
逻辑地
+5V地
6
+5V（带100Ω串联电阻）
+5V
7
+24V
+24V
8
RS-485信号A
RS-485信号A
9
10位协议选择（输入）
不用
端口外壳
机壳接地
屏蔽
2.4.2PLC与计算机的硬件连接
………………
2.4.3通信参数的设置和修改
………………
2.5PLC应用系统的设计原则、内容与步骤
………………
图2.3PLC系统设计与调试的主要步骤
2.6本章小结
PLC是本系统的主要组成部分。
本章较详细地阐述了PLC的特点、主要功能、基本结构和工作原理；S7-200PLC系统的基本组成，S7-200PLC的三种工作模式；PLC与计算机的通信和连接；PLC应用系统的设计原则、内容与步骤。
3触摸屏及其与计算机、PLC的通信和连接
3.1概述
………………
3.2PWS6600C-S型触摸屏
3.2.1PWS6600C-S型触摸屏的产品规格
………………
3.2.2PWS6600C-S型触摸屏的指拨开关
………………
3.2.3通讯口的接脚定义
………………
3.3PWS6600C-S型触摸屏的操作
………………
图3.1PWS6600/AP1600与PLC通讯的工作参数设定
3.4PWS6600C-S型触摸屏与计算机的通信和连接
3.6本章小结
触摸屏与可编程控制器在工业控制中的应用越来越广泛。
本章较详细地介绍了PWS6600C-S型触摸屏的产品规格、指拨开关、通讯口的接脚定义，及其操作和与计算机、PLC的通信连接。
4基于PLC的变电站综合自动化系统初步设计
4.1变电站综合自动化系统的设计原则与要求
………………
4.2变电站综合自动化系统的硬件结构设计
………………
4.2.1硬件结构
………………
本系统是为中、低压变电站设计的，采用现在较为流行的分层分布式结构形式，其硬件结构组成如图4.1所示。
图4.1系统硬件结构
………………
每个模块独立工作，互不干扰，单个模块的故障不会影响其他模块的正常工作，分层分布可使任务分散化，减轻上层机的负担，以提高系统的速度和可靠性。
本系统中配置三台上层机，实际上可根据需要灵活配置，当系统任务较轻时，或实
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