《变电站监控技术》课程设计.docx

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《变电站监控技术》课程设计

变电站监控课程设计原始资料

1.工程概况

某电气化铁路牵引供电系统，分别由A、B、C、D四个110/27.5KV牵引变电所供电。

监控系统设电力调度中心一个，四个牵引变电所各设远程终端一个。

2.环境条件

2.1电力调度中心控制室和机房环境

环境温度：

+5℃～40℃

相对湿度：

10%～90%

海拔高度≤1000m

大气压力：

86～108kpa

振动：

f<10Hz，振幅为0.3mm；10Hz＜f<150Hz时，加速度为0.1m/s2。

工作电源：

两路独立的380/220V电源；波动范围：

-15%～+10%

地震烈度：

≤7度

接地电阻≤1Ω

2.2牵引变电所内环境

控制室温度：

-5℃～+45℃

开关柜温度：

-10℃～+55℃

环境温度在-5℃～+40℃时，最大变化率10℃/h，设备应能满足技术规格书所规定的精度要求，环境温度在-10℃～+55℃时，设备应能正常工作，不误动、不拒动。

相对湿度：

日平均值不大于95%；月平均值不大于90%（25℃）；有凝露的情况发生。

海拔高度≤1000m

地震烈度：

≤7度

3.设计内容

3.1主要设计原则

电力监控系统由控制站、远动通道及被控站组成；

控制站采用计算机型电力集中监控装置，1：

N结构；

通道采用铁路综合通用光纤网中的专用通道，并设置主用和备用通道，主备通道能实现手动及自动切换；

控制站具备与其它系统的通信接口能力；

系统设备选型立足国产化。

3.2主要设计标准

《远动系统和设备》（IEC870-88）

《远动终端通用技术条件》（GB/T13729-02）

《铁路电力牵引供电远动系统技术规范》（TB10117-98）

《铁路电力远动系统工程设计规范》（TB10064-2000）

3.3系统构成和基本配置

完成系统控制站、被控站及远动通道的构成及硬件配置设计，完成电力监控系统构成示意图。

3.4确定监控内容

根据变电所主接线图确定遥控、遥测、遥信对象，完成四遥对象概数表。

3.4系统功能设计

确定系统实现的主要功能。

3.5RTU各模块（分组完成模拟量输入模块、开关量输入模块、控制量输出模块）硬件电路设计及软件说明书

确定模块硬件方案（输入/输出路数、元器件选择、接口设计、电原理图），时间分辨率不大于10MS；

输入/输出信号列表、编码；

软件程序结构、程序框图、主要源程序设计；

软件说明。

4.附图：

牵引变电所主接线图（由于主接线图为原始设计图纸，图形较大，不便打印，查看时可在计算机中放大）。

5.课程设计时间时度安排

第1周查阅相关规范、文献资料，熟悉原始资料及设计任务，进行系统构成和配置、系统功能设计

第2、3周完成系统构成和配置、系统功能设计

第4、5周确定所在分组设计模块的硬件方案，经审查后完成电原理图绘制

第6周整理文档，准备答辩

6．主要参考文献

[1].柳永智，刘晓川.电力系统远动.北京：

中国电力出版社

[2].盛寿麟.电力系统远动原理.北京：

中国电力出版社

[3].杨爵.实用编码技术.北京：

中国铁道出版社

[4].胡道元.计算机局域网.北京：

清华大学出版社

[5].曹志刚.现代通信原理.北京：

清华大学出版社

[6].何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术.北京：

北京航空航天大学出版社

目录

课程设计任务书.......................................

变电站健康课程设计原始资料...........................

一、前言.............................................

二、设计的原则及标准...............................

2.1SCADA系统的主要设计原则...................

2.2主要设计标准...............................

2.3、变电站监控系统实现的功能..................

三、变电站监控系统的系统构成及配置..................

3.1系统构成..................................

3.2系统配置..................................

4、RTU系统构成及硬件配置........................

5、系统主要设计指标.............................

参考文献..........................................

后记..............................................

附录1.............................................

附录2............................................

附录3............................................

附录4............................................

一、前言

变电站监控技术课程是电气工程及其自动化专业电网监控技术方向的一门主干专业课。

变电站监控技术课程设计是综合运用课程所学的理论知识，通过实践进一步加深对所学知识的理解，培养学生分析问题和解决实际问题能力的重要教学实践活动。

在课程设计中，学生通过方案设计、硬件选择与接线调试，可获得计算机硬件、软件设计及其协调的基本训练。

通过结合专业的课程设计，为毕业后的实际工作打下一定的基础。

课程设计不仅可培养学生的实践能力，也可使学生逐步树立实事求是的科学态度，培养严肃认真的工作作风。

二、设计的原则及标准

2.1SCADA系统的主要设计原则

（1）高可靠性：

通信管理机应具有双机热备冗余功能，双电源冗余供电，网络采用双网结构设计。

（2）抗干扰性：

对强磁场,电磁干扰、谐波电压干扰、传导性暂态波干扰要有可靠的抗干扰措施。

（3）易扩展性：

系统组态灵活,模块标准化,功能模块可动态增减。

（4）开放性：

系统支持多种通信规则。

（5）使用方便：

操作控制应简单明了。

（6）系统连接简单：

充分利用计算机、通信技术,尽量减少电气连接。

2.2主要设计标准

《远动系统和设备》（IEC870-88）

《远动终端通用技术条件》（GB/T13729-02）

《铁路电力牵引供电远动系统技术规范》（TB10117-98）

《铁路电力远动系统工程设计规范》（TB10064-2000）

2.3、变电站监控系统实现的功能

1、数据采集及处理、控制操作功能；

2、防误操作闭锁控制功能；

3、报警及事件记录功能；

4、历史记录功能；

5、显示打印功能；

6、保护设备管理系统自诊断与自恢复功能；

7、远动功能；

8、远程监视和维护功能；

9、各种保护功能。

三、变电站监控系统的系统构成及配置

3.1系统构成：

电力监控系统应由调度端、远动终端、通信通道及信号转换装置组成。

调度端多设在运营段后电力调度室内；远动终端多设在变、配电所的控制室内、地区主要负荷供电点处及铁路沿线车站的集中供电点处（例如：

沿线主变电所，牵引降压混合变电所，降压变电所）。

远动终端主要用于完成对被控站内的远动数据的采集，信息的发送，接受和控制命令的执行；远动通道实现控制站与被控站之间信息的传输。

3.2系统配置

3.2.1控制站

SCADA系统的控制端采用计算机局域网结构、分布式控制系统、以计算机设备为核心，以功能为模块，以网络节点为单元进行配置，包括：

计算机网络、前置通信处理机、主用服务器、调度员工作站、系统维护工作站、WEB工作站等网络节点设备及相应的实时数据，文档管理报表打印机，画面拷贝机，维护用程序打印机及实时监视整个供电系统运行概况的模拟屏等外围设备，同时具备功能完善的软件资源及UPS设备。

1、计算机网络

控制站采用双以太网结构、客户机/服务器访问方式，正常情况下双网同时工作，并可根据数据需要分担不同的数据传输或平衡网络负荷，当某一网络故障时，系统给出报警信息，并由非故障网络承担全部数据传输。

网络采用交换式以太网，通信协议采用TCP/IP协议，通信介质采用光纤，通信速率为10/100Mbps自适应。

2、主服务器

系统配置两套国际通用、高性能的服务器计算机，冗余配置、对等工作方式，通过网络管理软件和网络适配器链接网上设备。

两个主服务器定时进行工作状态的在线监测，在一台主服务器故障情况下进行自动切换，切换时间小于15秒。

两套主服务器同时接收网上数据，但仅主用机具备数据流控制及管理功能，主、备服务器支持数据校验以保证完整一致的数据库。

技术数据为：

CPU字长：

不小于64位，内存：

大于256MB，主频：

500MHz，高速缓存：

不低于1MB。

每套主服务器配置操作、显示用的人机接口设备，具备安全操作口令设置功能，操作口令级别不小于3级。

主服务器具备强大而灵活高效的网络通信能力和完备的系统监测功能，采用工业控制系统广泛应用的UNIX+WINDOWS操作系统。

主服务器的功能是：

一是管理维护控制站局域网的全局配置文件，接受来自局域网内各其他接点的信息。

二是遥控、遥测、遥调、遥信处理。

三是保存并维护有关SCADA系统运行所需的全局数据和对历史数据的管理，并对调度端客户机提供数据服务。

四是完成调度文档管理、统计报表生成制作。

五是定时任务管理。

3、调度员工作站

两套调度员工作站通过网络适配器与计算机网络相连。

两个调度员工作站并行运行。

具备良好的人机界面和安全操作口令设置功能，操作口令级别不小于3级。

计算机设备为国际通用型工作站，模块及部件具有互换性，并装备外部存储设备、图形加速卡。

主要技术数据：

CPU字长：

不小于32位，内存：

不小于128MB,主频：

不小于360MHz。

每个调度员工作站配置操作、显示用的人机接口设备一套。

每一个人机界面装置包括图像显示终端一套、键盘、鼠标，显示器屏幕不小于54cm，显示的颜色不少于256种，分辨率不低于1280×1024。

调度员工作站作为控制站的人机接口设备之一，能够实现检测各被控站及接触轨上开关状态、电源线路、接触轨带点状态，可对各种故障信息进行适时多窗口报警显示，通过鼠标和键盘完成对被控站的遥控操作，并进行操作前的合理性判定，同时完成各种报表记录、曲线的检索及显示、对报表进行在线修改、打印实时数据及报表、拷贝等调度管理任务。

此外调度员工作站设备可实现对模拟屏的控制、音响实验、复归等。

4、实时数据打印机及制表打印机

实时数据打印机及制表打印机采用高性能、低噪声彩色喷墨打印机，并具有汉字打印功能，打印速度不低于260CPS，缓冲区容量不低于16KB，打印噪声不大于50dB。

具有宽\窄行打印功能。

打印机的工作方式采用假脱机方式。

实时数据打印机主要用于调度员操作记录、故障报警及时间顺序记录、遥测量越限记录等。

制表打印机主要用于对数据管理的报表打印等。

5、拷贝机

拷贝机为高性能，低噪声彩色激光或喷墨拷贝机。

拷贝速度不低于2分钟\画面，拷贝清晰度不低于600DPI，拷贝噪声不大于54dB，缓冲区容量不低于512KB，画幅不小于A4。

拷贝机的工作方式采用假脱机方式。

实时数据打印机、制表打印机、拷贝机均通过打印终端服务器与计算机网络相连，各打印机之间能互为备用。

6、大屏显示器

模拟屏设备，通过对系统各主要开关等状态的各种灯光显示，对全线系统进行直观动态显示。

模拟屏上设置数字时钟显示及安全天数显示，数字时钟应与系统时钟同步。

模拟屏控制器除通过网络对模拟屏进行控制外，还可单独对模拟屏进行各种位置及操作。

7、通信前置机

通信前置机采用基于Pentium系列的工业控制级计算机，采用实时、多任务、多用户的操作系统，作为与各被控站远动数据通道接口设备，配置只能多串口通道板来满足远程I\O容量。

完成数据的发送、接受及数据的预处理，如通信规约的变换等，减轻主服务器节点的CPU负荷，通过网络适配器与控制中心局域网络相连，并与主服务器进行数据通信。

通信处理机采用双重配置，冗余结构，主、备工作方式，主服务器实时监视主、备通信前置机的工作状态，可对其进行自动、手动切换。

两套通信前置机具备并行处理功能以支持主、备通道的状态。

8、维护工作站

系统维护工作站的结构、技术参数同调度员工作站，通过网络适配器与计算机网络相连，并配程序打印机。

系统维护工作站用于生成、维护、修改、管理系统的实时数据库、历史数据库及用户画面，并定义、修改系统运行参数及开发应用程序等，系统对数据库、用户画面和系统运行参数的修改、定义，可以在先随时进行，但不影响系统的正常运行，且实时库、历史库及画面的修改均采用无需编程的人机对话方式。

维护工作站可以与任意调度员工作站互换，成为调度员工作站设备的备用设备，以解决某些特殊情况。

维护工作站还应具备模拟培训功能。

模拟培训软件可以通过网络共享系统英语数据库，提供一个和真实环境完全一致的迷你环境。

给调度人员一个练习、使用本系统的良好平台。

在维护工作站不进行数据维护时，可进行模拟培训。

9、WEB工作站

WEB工作站与专为其提供的集线器连接，与主服务器进行通讯，运行WEB功能模块，负责向外部发布SCADA运行信息，在有用户需要时读取主服务器内监控系统的实时数据。

WEB工作站与主服务器通过专用的集线器连接，以免访问人数过多给电力监控网络带来不必要的通信负担。

两个主服务器也分别有一个网卡连接到与WEB工作站专用的集线器下。

10、GPS系统

由于控制中心内部有多个系统需要精确的时钟系统来进行同步，所以电力监控系统在主站一级可以与其他系统公用一套GPS来接收卫星的精确对时。

11、UPS装置

为了系统的可靠运行，不受外部电源停电时的影响，系统配置一套UPS装置，其容量满足当外部电源停电30分钟时，系统的正常运行。

UPS设备前盘设置运行监视界面，可提供UPS的远距离监视信号，以满足调度员对UPS设备的监视。

远距离监视信号的主要内容包括：

UPS的工作状态、蓄电池的工作状态、输入电源的工作状态等。

UPS装置满足外部输入电源的条件，工作噪声不大于55dB，且应具有一定的过负荷能力。

配电柜设两路交流输入电源，可以通过组合开关切换。

各输入、输出回路应具有过负荷自动跳闸功能。

当一路电源失压时，另一路可自动切换输入。

配电柜还具有过电压、过电流保护功能。

当两路交流电源都失压时，UPS自动投入供电。

配电柜带有各种显示表计和手动操作按钮，便于现场维护和调试

3.2.2被控站

被控端设在沿线的主变电所，牵引降压变电所内，各被控站内采用当地综合自动化系统，完成所内的控制、保护、测量及系统监控终端的功能，各被控站通过所内综合自动化系统的通信处理单元实现，与控制中心的信息交换，即遥测，遥信信息的上传和下行遥控，遥调信息的接受和执行，以实现变电所的无人值守。

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,有关信息又相互共享。

系统主要由4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、智能装置;第四部分设备层。

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,系统结构如附录

所示。

3.2.3通道

电力监控系统通道结构采用冗余结构配置方式，并能实现对主、备通道的手动及自动切换，工作可靠。

四、RTU系统构成及硬件配置

传统的远动装置是由晶体管或集成电路，通过逻辑设计构成的，称为布线逻辑远动。

自从微型计算机应用于远动以来，远动的功能设计主要由软件的设计来实现，所以又称为软件远动。

RTU结构基本框图

4、远程通信信道设计

本设计选用光纤通信信道，光纤信道用光导纤维作为信道传送光信号，可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。

光纤通信的优点在于传输容量大；损耗小；质量轻，体积小；抗电磁干扰性能好；泄露小，保密性能好；节约金属材料，有利于资源合理利用。

光纤可以分为单模光纤和多模光纤两种。

相较而言，单模光纤传输速率高，一般在140Mbit/s以上，传输距离长，可靠性好。

所以，单模光纤用于建设通信主干网;多模光纤常用于配电变压器与区域工作站间的通信。

五、系统主要设计指标

试验条件，试验大气条件下不应超出下列范围：

1.环境温度15～35℃；2.相对湿度45%～75%；3.大气压力86～106kPa。

绝缘电阻试验：

对设备用相应电压的兆欧表测量绝缘电阻，测量时间不小于5s。

在试验整机对地绝缘电阻时，应拔出装有半导体器件的印制板。

绝缘强度测试：

用击穿电压测试仪进行绝缘强度试验。

试验电压从零起始，在5s内逐渐升到规定值并保持1min，随后迅速平滑地降到零值，测试完毕断电后用接地线对被试品进行安全放电。

对额定电压为60V以下的半导体器件，在对整机进行绝缘强度试验时应采取防护措施，如拔出有关插件或短接有关电路等。

模数转换总误差测试：

在环境温度0℃和40℃时任选一路模拟量输入，调节模拟量发生器使之依次输出-5V，-4V，-3V，-2V，-1V，1V，2V，3V，4V，5V并用5

位数字电压表测量，读数记为Vi，同时在RTU的打印机上分别打印出对应的输出值，记为Si，则模数转换误差Ei可由

（1）式求出：

式中K——标度系数；

    n——模数转换二进制字长。

   当模数转换范围为-5V～+5V时，满刻度值应为5V-（-5V）=10V。

总误差取Ei的最大值。

与主机通信正确性测试：

RTU及主站计算机系统通电后，在主站图形终端上核对遥测数据及遥信状态。

遥控测试：

在主站计算机系统键盘上进行遥控操作时，遥控执行指示器应有正确指示。

事件顺序记录站内事件分辨率的测试：

在状态信号模拟器的两路输出信号接至RTU设备任意两路状态量输入端，在状态信号模拟器上设置一个时间定值，使该定值等于3.5.2f条规定的站内分辨率。

启动状态信号模拟器工作，这时除在图形终端有正确告警显示外，打印机应打印出这两个状态量的名称、状态及动作时间，其中开关动作所显示和记录的时间应符合站内分辨率的要求。

重复上述试验5次以上。

低温试验：

低温室的温度偏差不大于±2℃，设备在低温室内各表面与相应室内壁之间的最小距离不小于150mm。

低温室以不超过1℃/min变化率降温，待温度达到0℃并稳定后开始计时，保温2h，再使设备连续通电2h（交、直流电压均为额定值），检查设备的各种功能应正常。

然后将设备断电，以不超过1℃/min的变化率升温，待低温室内温度恢复到正常温度并稳定后，将设备取出低温室进行外观检查。

高温试验：

高温室的温度偏差不大于±2℃，相对湿度不超过50%（+35℃），设备在高温室内以不超过1℃/min的变化率升温，待温度达到40℃并稳定后开始计时，保温2h，再使设备连续通电2h（交、直流电压均为额定值），检查设备的各种功能应正常。

然后将设备断电，以不超1℃/min变化率降温，待高温室内温度恢复到正常温度并稳定后，将设备取出高温室进行外观检查。

 湿热试验：

 试验室的温度偏差不大于±2℃，相对湿度偏差不大于±2%，设备各表面与相应的室内壁之间最小距离不小于150mm，凝结水不得滴落到试验样品上，试验室以不超过1℃/min的变化率升温，待温度达到40℃并稳定后再加湿到90%～95%范围内，保持48h，在试验过程最后1～2h内，按3.6条规定用相应电压的兆欧表测量绝缘电阻，测量时间不小于5s。

 试验结束后，先把试验室内的相对湿度在半小时内降到75%±3%，然后在半小时内将试验室内温度恢复到正常温度并稳定后将设备取出试验室进行外观检查。

抗高频干扰试验：

1.共模干扰试验，将干扰波加在每组输入（或输出）端子与地之间；2.串模干扰试验，将干扰波加在被试回路端子之间。

参考文献

[1].柳永智，刘晓川.电力系统远动.北京：

中国电力出版社

[2].盛寿麟.电力系统远动原理.北京：

中国电力出版社

[3].杨爵.实用编码技术.北京：

中国铁道出版社

[4].胡道元.计算机局域网.北京：

清华大学出版社

[5].曹志刚.现代通信原理.北京：

清华大学出版社

[6].何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术.北京：

北京航空航天大学出版社

后记

通过此次变电站监控的课程设计，体现了同学们独立完成任务、发现问题并解决问题的能力，使自己在平时所学的知识在实际设计中得到应用和验证，通过讨论、查资料、选材、整理的过程中，进一步使我对变电站监控更加了解。

这次设计，使我对以往所学习的知识进行了一次系统的总结和复习,并且在本次设计中对以前不足的知识进行了再一次的巩固和学习。

通过这次课程设计,使我对变电站监控技术有了更全面的，更具体的理解和体会。

在设计过程中,通过相关的参考书目,我接触到了更多课本上未曾深入研究探讨的问题,并且接触了新的知识，了解了新的设计方法.相信这对于我今后的工作和学习是有必然的帮助的。

在此,还要感谢孟老师在六周的时间里对我们的帮助,为我们解答疑难问题,使我在此次课程设计过程中更有信心将设计完成的更好,更完整.

附录1：

SCADA系统构成图

附录2：

8路遥信量采集电路图

附录3：

四遥对象概数表

B牵引变电所

遥调量

主变有载分接开关调整

遥控量

110KV侧断路器、110KV侧母联隔离开关

110KV侧隔离开关、27.5KV侧断路器

变压器上的隔离开关、断路器A相馈线断路器

A相馈线隔离开关、B相馈线断路器

B相馈

线隔离开关、自用变压器隔离开关、

自动重合闸投切

遥信量

遥控量各隔离开关和断路器的开合位置信号

自动装置位置信号、母线电压信号

27.5KV馈线保护信号、自用变压器系统监视信号

主变保护信号、所内事故预告信号

并联电容补偿装置信号、27.5KV侧母线保护信号

遥测量

110KV侧A相母线电压、110KV侧A相母线电流

110KV侧B相母线电压、110KV侧B相母线电流

110KV侧C相母线电压、110KV侧C相母线电流

主变压器的电压、电流、有功、无功、电度、温度

27.5KV侧A相母线电压、27.5KV侧A相母线电流

27.5KV侧B相母线电压、27.5KV侧B相母线电流

自用电变压器电压、电流、有功、无功、电度、温度

馈线电流

附录4：

主要设备表

设备

套数

计算机网络

1套

主服务器

2套

调度员工作站

2套

实时数据打印机及制表打印机

2套

拷贝机

1套

模拟屏

1套

通信前置机

2套

系统维护工作站

1套

WEB工作站

1套

时钟同步系统

1套

不停电电源装置

1套

........忽略此处.......