变电站综合自动化图形界面系统的设计与研究Word格式.docx
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本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的
研究成果，也不包含为获得
盒罂王些左堂
或其他教育机构的学位或证书而使用过的
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与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢
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学位论文作者签名：
卫耍
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签字日期：
匆。
锋牛月／∥目
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（保密的学位论文在解密后适用本授权书）
王露
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导师签名：
１户为了竹杏，
∞午年午月嘭日
仉孵午月／７日
学位论文作者毕业后去向：
。
｜－作单位：
通讯地址：
电话
邮编
致谢
本人在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文过程中，自始至终得到了
我的导师温阳东教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收集资料、
论文成稿。
都倾注了温阳东老师的心血，由衷感谢温阳东老师在学业指导及各方面所给予我的关心以及从言传身教中学到的为人品质和道德情操，老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受益，并激励我勇往直前。
同时，真诚感谢合肥工业大学现场总线实验室的张嫒嫒、徐华丽、毕锐、徐
海青、马力伟、邹伟、高洋、刘丽、陈玉、卫敏等同学在做课题和论文器件给予
我的关心和帮助１
２００４年４月日
第一章绪论
１．１变电站综合自动化概论
１．１．１变电站综合自动化的基本概念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，以及调度通信等综合性的自动化功能。
变电站自动化是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科技在变电站领域的综合应用。
变电站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而且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，调度控制中心才有可能了解和掌握电力系统实时运行状态及厂站设备工况，爿‘
能对其控制做出决策；
同样，要实现调度控制中心的远程控制操作，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、可靠的变电站综合自动化，是实现高水平电网调度自动化的基础。
１．１．２变电站综合自动化系统的功能要求变电站综合自动化系统，即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。
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，根除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。
变电站综合自动化系统具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等特征。
变电站综合自动化系统的主要功能
如下：
（１）微机保护功能
微机保护功能包括馈线保护、母线保护、变压器保护、备用电源自投等等。
这是变电站综合自动化首要实现的功能，对于保障变电站正常运行有着重要的
作用。
（２）数据采集
数据采集量包括状态量、模拟量和电能量。
状态量包括断路器状态、隔离开关状态、有载调压变压器分接头位置、继电保护动作信号等。
模拟量包括各段母线电压、线路电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数等。
对模拟量的采集，有直流采样和交流采样两种方式。
直流采样即将交流电压、电流等信号经变送器转换为适合于Ａ／Ｄ转换器输入电平的直流信号：
交流采样，是指输入各Ａ／Ｄ转换器的是与变压器的电压、电流成比例关系的交流电压信号。
电能
量包括有功电能和无功电能。
（３）事件顺序记录ＳＯＥ及故障录波事件顺序记录ＳＯＥ（Ｓｅｑｕｅｎｃｅ
ｏｆ
Ｅｖｅｎｔｓ）包括断路器跳合闸记录、保护动
作顺序记录。
故障录波可以在出现电网故障时（如接地短路故障），记录故障前后一段时间的各项电流、电压波形．供事故分析。
（４）操作控制功能
操作人员通过ＣＲＴ屏幕对断路器进行分、合操作，对有载调压变压器分接头开关位置进行调节控制，对电容器组进行投、切控制，同时接收遥控操作命令，进行远方操作。
为防止计算机系统故障时无法操作被控设备，在设计时，应保留人工直接跳、合闸手段。
（５）安全监视功能
在运行过程中，对采集的电流、电压、频率等量，要不断进行越限监视。
如发现越限，立即发出告警信号，同时记录和显示越限时间和越限值。
（６）与远方调度中心通信实现远动装置常规的遥测、遥信、遥控、遥调功能，即将采集的数字量和模拟量实对地送往调度中心，并接收上级调度中心的控制和调节操作命令。
若
有事故发生，即时向调度中心报警，还将故障录波和其它继电保护信息送往调
度中心．同时接收调度中心发来的操作控制命令。
（７）远方整定保护定值
对各下位机监控保护单元，可在当地或远方设置一组或多组保护定值，并
可在当地和远方显示、切换整定值。
１．１．３变电站综合自动化发展概况
随着我国国民经济的持续发展和对能源需求的不断增长，变电站的数量逐步增加，对变电站的二次设备的可靠性及技术水平要求同益提高，变电站的信息量越来越大，变电站的自动化要求也越来越高。
在上世纪６０、７０年代，变电站内采用的是机电式继电保护装置和电子式远动装置，以实现对变电站电气设备的监视和控制。
随着微处理机和电子技术的高速发展，国外从上世纪８０年代开始研制了微机远动装置、微机式继电保护装蚤、微机式故障录波等一系列以微处理机和计算机技术为基础的变电站二次设备，这些装置尽管功能不一样，
但是其硬件配置都大体相同，除微处理机系统本身外，在由ＣＴ、ＰＴ（电流互感器、电压互感器）等采集来的各种模拟量及开关和接点装置的信号量，以及对断路器、刀闸、变压器分接头等进行控制等方面，各种装置所采集的量和要控制的对象都有共同之处。
故自２０世纪８０、９０年代起，国外和国内先后开发研
制成功了变电站所必须的集继电保护、故障录波、远动功能、站内监控等功能
为一体的变电站综合自动化系统，取代了变电站常规的测量系统，如变送器、录波器、指针式仪表等；
取代了常规的操作控制盘、手动无功补偿等装罱，以及常规的报警装置如中央信号系统和光字牌等：
取代了常规的远动装置等：
将变电站的各种装置和保护的信息融为一体，并可与上级调度中心进行实时通信，把变电站的自动化程度提高到了一个崭新的阶段，大大提高了上级调度中心对变电站的实时运行和远方操作的监控能力，为实现变电站无人值班打下了坚实的基础，从而全面地提高了变电站地技术水平。
国外从２０世纪７０年代未、８０年代初就开始进行保护和控制综合自动化系统的新技术开发和试验研究工作。
如由美国西屋电气公司和美国电力科学研究院（ＥＰＲＩ）联合研制的ＳＰＣＳ变电站保护和控制综合自动化系统，由Ｒ本关西
电力公司与三菱电气公司共同研制的ＳＤＳ２保护和控制自动化系统（从】９７７～
１９７９年进行了现场测试及试运行，２０世纪８０年代初己交付商业应用）。
目前，
日本同立、三菱、东芝公司，德国西门子（ＳＩＥＭＥＮＳ）、ＡＥＧ公司、瑞典ＡＢＢ
公司，美国通用电气公司（ＧＥ）、西屋电气公司（Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ），法国阿尔斯
通（ＡＬＳＴＯＭ），瑞士Ｌａｎｄｉｓ＆Ｇｙｒ公司等均已开发和生产了变电站综合自动化
系统（或称保护与控制一体化装置），并取得了较为成熟的运行经验。
由于国外变电站自动化系统的研究工作起步较早，技术比较成熟，产品已同趋成熟。
国内对于专用于电力综合自动化领域的软件的研究时间不长，对于它的发展有两个推动因素：
一是电力系统综合自动化程度的不断提高，对自动化软件
提出了更高的要求：
二是软件Ｉ丌发技术的不断发展和完善，使得它能够胜任电
力系统自动化领域的特殊要求。
由于我国综合自动化技术的研究比较晚，虽然也取得了很大的进步，但是和国外先进技术相比，无论是硬件还是软件上都存在较大的差距。
因此如何提高我国变电站综合自动化的水平，是一个非常有意
义的课题。
近几年，大规模集成电路技术和通信技术的迅猛发展，给变电站综合自动化技术水平的提高，注入了新的活力。
１６位、３２位单片机以及Ｐｅｎｔｉｕｍ微处理
器的问世，活跃了计算机市场：
网络技术、现场总线等技术的应用，给广大电
力科技工作者创造了大显才能的条件。
因此，近几年研究变电站综合自动化进入了高潮，其功能和性能也不断完善。
１．２变电站综合自动化图形界面系统概述变电站综合自动化图形界面系统是系统与工程人员交互的接口，是自动化工程的调度和控制中心，它在变电站综合自动化系统中一直起着极其重要的作用。
操作人员和调度员只要面对ＣＲＴ显示器的屏幕，通过操作鼠标和键盘，就可以清楚地了解全站的运行工况和运行参数，可对全站的断路器等进行分合操作，彻底改变了传统的依靠指针式仪表和依靠模拟屏或操作屏等手段的操作方式。
变电站综合自动化图形界面系统通过ＣＲＴ显示器不仅可以取代常规的仪器仪表，而且可以实现许多常规仪表无法完成的功能。
它可显示的内容归纳起
来有以下几个方面：
１）显示采集和计算的实时运行参数２）显示实时主接线图３）事件顺序记录（ＳＯＥ）显示４）越限报警显示５）值班记录显示
６）历史趋势显示
７）保护定值和自控装罱的设定值显示
８）其它，包括故障记录显示、设备运行状况显示
同时，通过变电站综合自动化图形界面系统，还可绘制主接线图，设定ＴＡ和ＴＶ变比、保护定值和越限报警定值、自控装置的设定值、管理员和用户密
码等。
１．３面向对象方法学概述
传统的生命周期方法学曾经给软件产业带来巨大的进步，部分地缓解了软
件危机，但是这种方法学仍然存在比较明显的缺点。
面向对象方法学所追求的目标就是将解决问题的方法同客观世界的问题空间结构达成一致，对于软件工程濒临的困境和人工智能所遇到的障碍都是很有希望的突破口之一，已经成为目前软件开发的主流方法。
１．３．１传统方法学的缺点１．３．１．１存在的问题（１１软件生产率低随着计算机技术、电子技术的惊人进步，计算机与全球互联网络Ｉｎｔｅｒｎｅｔ相连接，使今天的社会进入了以计算机为核心的信息社会。
在信息社会中，信息的获取、处理、交流和决策都需要大量高质量的计算机软件，这样就促使人们对计算机的软件的品种、数量、功能、质量、成本和开发时间等提出越来越高的要求。
然而，对功能和方便性的期望越大，开发出来的软件就越庞大，入
４
们的软件开发能力就越显得力不从心。
软件生产速度远远低于社会对计算机软件需求量的增长速度，以至软件开发计划一拖再拖，成本失去控制，软件的质量得不到保证。
（２）软件重用程度低利用可重用的软件成分开发软件的技术叫软件重用，软件重用是节约人力，提高软件生产率的重要途径，这样将有助于加快开发速度。
结构化没能解决软件重用问题，几乎每开发一个新的软件系统时，都要针对这个具体的系统做大量重复而又繁琐的工作。
（３）软件维护艰辛
软件维护成本是指修复那些已正式发行的以及正在运行的软件错误所需的
代价总和。
软件研制成本越大，软件维护成本就更大。
这部分工作量十分巨大，
它往往接近、甚至超过软件的初期成本。
（４）软件非用户所需
应当指出，在描绘系统需求时，有时系统的要求是模糊的，同时系统的变
化是不可避免的。
所以用传统方法开发出的软件系统往往不能真ｊ下满足用户的
需要。
据报道，在美国开发出的软件系统中，真正符合用户需要并顺利投入使
用的系统仅占总数的四分之一，因此造成了用户对“已经完成”的软件系统不满意的现象经常发生。
１
３．１．２存在问题的原因（１）僵化的瀑布模型
幽ｌ一１瀑布模型
传统软件生命周期模型的典型代表是“瀑布模型”。
如图ｌ一１所示，这种模型的核心使将软件生命周期划分为软件计划、需求分析、软件设计、编码、测试和运行维护等阶段，根据不同阶段工作的特点，运用不同的手段完成任务。
软件设计者遵循严格的规范，在每一阶段工作结束时都要进行评审和确认，以得到该阶段的一致、完整、正确和无多义性的文档资料，把这些文档资料作为
阶段结束的标志“冻结”起来，并以它们作为下一阶段工作的基础，然后，再一步步地实现这些目标，从而保证软件的质量。
但是，实际情况是：
１）有些类型的系统需求是模糊的２）项目参与者之间存在通信鸿沟３）预先定义的需求可能过时
软件规格说明难以完善、需求的变更、以及通信中的模糊和误解，都会成为软件开发顺利推进的障碍。
尽管传统软件生命周期管理中通过加强评审和确认，全面测试，甚至依靠维护阶段能够缓解上述问题，但不能从根本上解决这
些问题。
（２）传统结构化技术的缺点生命周期方法学使用的基本技术，是结构分析与结构设计技术，这种技术虽然有许多优点，但也有许多明显的缺点：
用这种技术开发出的软件，其稳定
性、可修改性和重用性都比较差。
首先，结构分析与结构设计技术的本质是功能分解，是围绕实现处理功能的过程来构造系统的。
结构化方法强调过程抽象和模块化，将现实世界映射为数据流和加工，加工之间通过数据流进行通信，数据作为被动的实体被主动的操作所加工，是以过程为中心来构造系统和设计程序的。
然而用户需求的变化大部分是针对加工的，因此这种变化对基于过程的设
计来说是灾难性的，用这种技术设计出的系统往往是不稳定的。
也就是浣，用
户需求的变化往往造成系统结构的较大变化，从而需要花费很大代价才能实现
这种变化。
结构分析与结构设计技术清楚地定义了目标系统的接口。
当系统对外界的
接口发生变化时，结构分析与结构设计技术很难扩充新的接口，也就是说，这
样的系统较难修改和扩充。
结构化方法从本质上仍具有“冯?
诺依曼”计算机的结构特点，把数据和
操作作为分离的事实，以至在实现阶段，一些具有潜在可重用价值的软件部分已和具体应用环境密不可分。
上述种种原因都使得结构分析与结构设计技术开
发出的软件可重用性较差。
１．３．２面向对象方法学
为克服传统方法的缺点，人们在实践中逐渐创造出软件工程的一种新途径，
即面向对象方法学。
１．３．２．１面向对象方法学简介从２０世纪８０年代后期丌始，进行了面向对象分析（ＯＯＡ）、面向对象设
计（ＯＯＤ）和面向对象程序设计（ＯＯＰ）等新的系统开发方式模型的研究，在
６
有些文献中称为００范型。
计算机的能力可以概括为三个方面：
计算的能力、推理的能力和人机交互的能力。
能同时支持这三种能力开发的技术是面向对象技术。
面向对象是一种ｔ新的非常有效的程序设计范型，对软件的生产率、可靠性、可重用性等都有帮助，面向对象正在为颓的信息系统的设计方法论开辟道路，面向对象的作用还
涉及更加广泛的领域。
所以面向对象是正在兴起的影响面最广的新技术。
面向对象的需求分析方法通过提供对象、对象间消息传递等语言机制，让
分析人员在解空间中定义对象及其行为，从而削弱了语义断层，为需求建模活动提供了直观、自然的语言支持和方法学指导。
面向对象方法学包括以下核心概念：
（１）对象
在面向对象的系统中，对象是基本的运行时的实体，它包括数据属性，也包括作用于数据的操作（行为）。
所以一个对象把属性和行为密封成～个整体。
扶设计者的角度来看，对象是一个程序模块：
从用户的角度来看，对象为他们
提供了所希望的行为。
在对象内的操作通常叫做方法。
（２）类
一个类定义了一组大体上相似的对象。
一个类所包含的方法和数据描述～
组对象的共同行为和属性。
把一组对象的共同特性加以抽象并存储在一个类中的能力，是面向对象技术最重要的～点：
是否建立了一个丰富的类库是衡量…
个面向对象程序语言成熟与否的重要标志。
（３）继承
类之间的继承关系是现实世界中遗传关系的直接模拟，它表示类之间的内在联系以及对属性和操作的共享，即子类可以沿用父类（被继承类）的某些特
征。
当然，子类也可以具有自己独立的属性和操作。
继承性是面向对象程序设
计语言的最主要的特点，是其它语言（如面向过程语言）所没有的。
（４）消息
对象之间进行通信的一种构造叫做消息。
当一个消息发送给某个对象时，包含要求接受对象去执行某些活动的信息。
接收到消息的对象经过解释，然后予以响应。
这种通信机制叫做消息传递。
发送消息的对象不需要知道接收消息
的对象如何对请求予以响应。
因为对象的操作主要用来响应外来消息并为其它对象服务，所以它们也被
称作“外部服务”。
简而言之，面向对象＝对象＋类＋继承＋消息。
１．３．２，２面向对象方法学的主要优点
面向对象方法可以克服传统方法学的缺陷，缓解软件危机，它具有许多特
点，主要表现在：
（１）符合人们通常的思维方式面向对象方法强调把问题域的概念直接映射到对象及对象间的接口，符合人们通常的思维方式，减少了结构化方法从问题域到分析阶段的映射误差。
传统的程序设计技术忽略了数据和操作之间的内在联系，用这种联系方法设计出来的软件系统其解空间与问题空间并不一致，令人感到难于理解。
实际上，用计算机解决的问题都是现实世界中的问题，这些问题无非是由相互间存在一定联系的事物所组成。
每个具体的事物都具有行为和属性两方面特征。
因此，把描述事物静态属性的数据结构和表示事物动态行为的操作放在一起构成一个整体，才能完整、自然地表示客观世界中的实体。
面向对象的软件以对象为核心，用这种技术开发出的软件系统由对象组成。
对象是对现实世界的正确抽象，它是由描述内部状态表示静态属性的数据，以
及可以对这些数据施加的操作（表示对象的动态行为），封装在一起所构成的统一体。
对象之间通过传递信息互相联系，以模拟现实世界中不同事物彼此之间
的关系。
（２）高度连续性面向对象方法从分析到设计再到编码采用一致的模型表示，后一阶段可以直接利用前一阶段的工作成果，弥合了结构化方法从数据流图到模块结构图转换的鸿沟，减少了工作量和映射误差。
面向对象分析文档的视点不同于过程性分析的文档。
传统的文档是面向功
能的，其视点是把系统看作一组服务。
面向对象的分析文档把问题当作一组互相作用的实体，并确定这些实体之间的关系。
这种视点把系统看作是一个能够
以已有控制的方式执行的模型。
（３）重用性好
面向对象方法具有的继承性和封装性支持软件复用，并易于扩充，能较好
地适应复杂大系统不断发展和变化的要求，有两种方法可以重复使用一个对象
类：
～种方法是创建该类的实例，从而直接使用它；
另一种方法是从它派生出一个满足需要的新类。
继承机制使得子类不仅可以重复其父类的数据结构和数据代码，而且可以在父类的基础之上方便地修改和扩充，这种修改并不影响对
原类的使用。
（４１可维护性好
在客观世界以及作为它的映射的软件系统中，实体的结构是相对稳定的。
面向对象方法通过把属性和服务封装在“对象”中，当外部功能发生变化时，
保持对象结构的相对稳定，使改动局限于一个对象的内部，减少了改动所引起
的系统波动效应。
它的维护主要从已有类派生出来的子类进行。
类是独立性很强的模块，向
８
类的实例发消息即可运行它，观察它是否能正确地
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