变电站课程设计单号.docx

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变电站课程设计单号

题目：

《变电站监控技术》课程设计

院系：

电气工程系

专业：

电气工程及其自动化

年级：

2012级

姓名：

黄文东

指导教师：

孟军老师

西南交通大学峨眉校区

2015年12月15日

课程设计任务书

专业铁道电气化姓名黄文东学号20127860

开题日期：

2015年9月1日完成日期：

2015年12月15日

题目《变电站监控技术》课程设计

一、设计的目的

变电站监控课程设计是配合“变电站监控技术”理论教学而设置的一门实践性课程，主要目的是通过该课程设计使学生了解变电站监控系统的整体构成及关键性技术，进一步巩固所学知识并能够合理利用。

初步掌握变电站监控设计步骤和方法；了解变电站监控系统的整体构成，熟悉有关“规程”和“设计手册”的使用方法。

二、设计的内容及要求（原始资料附后）

1.主要设计原则和主要设计标准；

2.根据原始资料确定系统应实现的功能，包括调度中心及RTU应实现的功能；

3.变电站监控系统的系统构成及配置；

4.调度中心：

系统构成、系统网络结构、软硬件配置等；

5.RTU：

系统构成、系统通信网络结构、软硬件配置等；

6.RTU各模块（分组完成模拟量输入模块、开关量输入模块）硬件电路设计；

7.远程通信通道设计：

通信通道方案选择及实现

8.系统主要设计指标；

9.附件：

（1）主要工程数量表、

（2）主要设备表；（3）系统容量要求表、（4）四遥对象概数表、（5）电力监控系统构成示意图、（6）、各模块硬件电路原理图。

10.所有设计内容用A4纸打印成册，包括封面、前言、摘要、设计任务书、设计正文、附件、参考书目等；

三、指导教师评语

四、成绩

指导教师（签章）

年月日

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

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。

关键词：

变电所综合自动化，电网监控。

第1章SCADA系统

1.1SCADA系统的主要设计原则

1．电力监控系统由控制中心主控系统电力调度端、变电所综合自动化系统、通信信道三部分组成。

电力监控系统通过数据通道，实施对供电系统及设备运行状况的实时监控，及时掌握和处理供电系统的各种事故、警报事件、准确实施调度指挥、事故抢修和故障处理，为电力调度提供自动化管理手段，保障供电系统的安全可靠运行。

2．各变电所采用综合自动化系统，变电所综合自动化系统在车站接入主控系统，电力监控设于控制中心的主站设备和通信信道由主控制系统统一考虑。

3．电力监控系统应满足实时性、可靠性、可维护性和可扩展性的要求，并具有故障诊断、在线修改等功能。

4．变电所综合自动化系统采用分散、分层、分布式系统结构。

系统由站级管理层、网络通信层、间隔设备层三部分组成。

完成对系统控制、监视、测量、保护、自动控制、所内自动化管理及远程通信等功能。

主变电所内设置集中监控台设备，为值班员提供管理界面。

5.在车辆段供电车间内设置电力监控复示系统，通过主控系统的信息转发来监视全线供电系统设备的运行情况。

1.2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）

1.3、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。

第2章变电站综合自动化系统

2.1概念

变电站是是牵引供电系统中不可缺少的重要环节，它担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务，对供电网络的安全运行起着举足轻重的作用。

传统变电站设备，以人工操作为主，无法满足牵引供电系统安全、稳定和经济、可靠运行的要求。

因此，必须采用先进技术，提高变电站的自动化管理水平。

变电站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，完成变电站运行监视和控制任务。

变电站综合自动化替代了变电站常规二次设备，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。

2.2系统构成

国内地铁牵引降压混合变电所内设备组成分为三个层次。

（1）间隔层。

包括微机保护测控装置以及其他带有智能通信接口的设备,如变压器温度测控单元、交/直流屏充电测控装置等。

间隔层设备的最大特点是具有智能化、自律性能的微机保护单元,其基本功能的运作不依赖通信网络。

（2）网络层。

将各种间隔层智能装置通过现场通信网络进行连接,完成上位机（Workstation）和数据终端设备（测控单元）的数据和命令传输。

（3）站级层。

作为变电所自动化系统的通信控制、后台机系统,承担着变电所综合自动化系统的通信管理、人机界面（MMI）交互以及运行管理的任务。

考虑到地铁车站变电所都是以间隔为单元组屏,以及设备的向下兼容性和有关国际发展趋势,因此没有用嵌入式以太网完全替代现场总线网,而是将站内通信网设计为两层,间隔以上的用10MHz/100MHz嵌入式以太网构成站内通信的主干网络,负责网络服务器、历史数据服务器组等PC机和各间隔进行通信。

在间隔内部,用现场总线网（如Modbus、CAN、Profibus等）把各保护装置连在一起。

现场总线网上的信息由间隔层的测控单元通过通信控制器（网关）,上传到主干网上。

最底层的各种保护设备可不做任何改动,保持了向下兼容性。

这种通信网络设置形式将嵌入式以太网与现场总线技术相结合,发挥了各自的优势。

在这里,通信控制器（网关）起到了非常重要的作用,具体表现在:

·大大降低了主控单元的复杂程度和运算负载;

·将不同的通信网络转换为统一的通信接口,管理更为简单;

·使不同间隔层设备之间的相互影响降到了最低;

·将间隔层设备自身的通信网络故障隔离在通信控制器之外,不会影响到主控单元的正常工作以上方案的以太网拓扑结构实际上是带自愈功能的环形拓扑结构,网络上的节点通过CSMA/CD机制获得对通道的占有权,只有拥有通道占有权的节点可以向环上其他节点发送信息。

一般环形拓扑结构的信息在环上是单向传输的,而带自愈功能的环形拓扑结构在环网中增加控制协议,使环上的信息可以双向流动,规定一种信息流动方向为主方向、另一种流动方向为备用方向。

在正常情况下,环上信息按主方向流动;当某两个节点之间的传输介质出现断线或某个节点故障时,控制协议可以改环上的信息流动方向到备用方向,在不增加投资的情况下,网络可靠性得到大幅提高。

图3-1牵引降压混合变电所综合自动化设备组成

2.3实现的功能

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，变电站自动化系统有不同的功能。

2.3.1监控子系统的功能

监控子系统应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等等。

监控子系统功能有：

2.3.1.1数据采集

数据采集有两种。

一种是变电站原始数据采集。

原始数据直接来自一次设备，如：

电压互感器、电流互感器的电压和电流信号、变压器温度以及断路器辅助触点、一次设备状态信号。

变电站的原始数据包括模拟量和开关量。

另一种是变电站自动化系统内部数据交换或采集。

典型的如：

电能量数据、直流母线电压信号、保护动作信号等。

变电站的数据包括模拟量、开关量和电能量。

（1）模拟量的采集。

各段母线电压、母联及分段断路器的电流、线路及馈线电压、电流、有功功率、无功功率，主变压器电流、有功功率和无功功率，电容器和并联电抗器电流、直流系统电压、站用电电压、电流、无功功率以及频率、相位、功率因数等。

另外，还有少数非电量，如变压器温度保护、气体保护等。

模拟量的采集有交流和直流两种形式。

交流采样是将电压、电流信号不经过变送器，直接接人数据采集单元。

直流采样是将外部信号，如交流电压、电流，经变送器转换成适合数据采集单元处理的直流电压信号后，再接人数据采集单元。

在变电站综合自动化系统中，直流采样主要用于变压器温度、气体压力等非电量数据的采集。

（2）开关量的采集。

断路器、隔离开关和接地开关的状态，有载调压变压器分接头的位置，同期检测状态、继电保护动作信号、运行告警信号等，这些信号都以开关量的形式，通过光隔离电路输入至计算机。

（3）电能计量。

电能计量指对电能（包括有功和无功电能）的采集，并能实现分时累加、电能平衡等功能。

数据采集及处理是变电站综合自动化得以执行其他功能的基础。

2.3.1.2数据库的建立与维护

　　监控子系统建立实时数据库，存储并不断更新来自I／O单元及通信接口的全部实时数据；建立历史数据库，存储并定期更新需要保存的历史数据和运行报表数据。

2.3.1.3顺序事件记录及事故追忆

　　顺序事件记录包括：

断路器跳合闸记录，保护及自动装置的动作顺序记录，断路器、隔离开关、接地开关、变压器分接头等操作顺序记录，模拟输入信号超出正常范围等。

事故追忆功能。

事故追忆范围为事故前1min到事故后2min的所有相关模拟量值，采样周期与实时系统采样同期一致。

2.3.1.4故障记录、录波和测距功能

变电站的故障录波和测距采用两种方法，一是由微机保护装置兼作故障记录和测距，再将记录和测距的结果送监控系统存储及打印输出或直接送调度主站；另一种方法是采用专用的微机故障录波器，并且故障录波器应具有串行通信功能，可以与监控系统通信。

对35kv及以下的配电线路，很少设置专门的故障录波器，为了分析故障的方便，可设置简单故障记录功能。

对于大量中、低压变电站，没有配置专门的故障录波装置。

而对10kv出线数量大、故障率高的，在监控系统中设置了故障记录功能，这对正确判断保护的动作情况及正确分析和处理事故是非常必要的。

2.3.1.5操作控制功能

无论是无人还是少人值班的变电站，运行人员都可通过CRT屏幕对断路器、允许远方电动操作的隔离开关和接地开关进行分、合操作；对变压器及站用变压器分接头位置进行调节控制；对补偿装置进行投、切控制，同时，要能接受遥控操作命令，进行远方操作；为了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、合闸方式。

操作控制有手动和自动控制两种控制方式。

手动控制包括调度通信中心控制、站内主控制室控制和就地控制，并具备调度通信中心／站内主控室、站内主控制室／就地手动的控制切换功能；自动控制包括顺序控制和调节控制。

2.3.1.6安全监视功能

监控系统在运行过程中，对采集的电流、电压、主变压器温度、频率等量要不断进行越限监视，如发现越限，立刻发出告警信号，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，自控装置是否正常等。

2.3.1.7人机联系功能

（1）CRT显示器、鼠标和键盘是人机联系桥梁。

变电站采用微机监控系统后，无论是有人值班还是无人值班，最大的特点之一是操作人员或调度员只要面对CRT显示器的屏幕，通过操作鼠标或键盘，就可以对全站的运行工况、运行参数一目了然，可对全站断路器和隔离开关等进行分、合操作，彻底改变了传统的依靠指针式仪表和模拟屏或操作屏等进行操作。

（2）CRT显示画面。

作为变电站人机联系的主要桥梁手段的CRT显示器，不仅可以取代常规的仪器、仪表，而且可实现许多常规仪表无法完成的功能。

其可显示采样和计算的实时运行参数（U、I、P、Q、cos~v、有功电能、无功电能及主变压器温度、系统频率，等）、实时主接线图、事件顺序记录、越限报警、值班记录、历史趋势、保护定值自控装置的设定值、故障记录和设备运行状态等。

（3）输入数据。

指输入电流互感器和电压互感器变比、保护定值和越限报警定值、测控装置的设定值、运行人员密码等。

2.3.1.8打印功能

定时打印报表和运行日志；断路器、隔离开关操作记录；事件顺序记录；越限；召唤；抄屏；事故追忆等。

2.3.1.9数据处理与记录功能

在监控系统中，数据处理和记录也是很重要的环节。

历史数据的形成和存储是数据处理的主要内容。

此外，为了满足继电保护专业人员和变电站管理的需要，必须进行一些数据统计，主要有：

记录母线电压日最高值和最低值以及相应的时间；主变压器及各条线路的功率、功率因数及电能的计算和统计；计算配电电能的平衡率；统计断路器、避雷器、重合闸的动作次数；统计断路器切除故障电流和跳闸次数的累计数；记录控制操作和定值的修改；事件顺序记录及事故追忆等。

2.3.1.10谐波的分析与监视

电能质量的一个重要指标是其谐波要限制在国标规定的范围内。

随着非线性元件和设备的广泛使用，使电力系统的谐波成分明显增加，并且其影响程度越来越严重，目前，谐波“污染”已成为电力系统的公害之一。

因此，在综合自动化系统中，必须重视对谐波含量的分析和监视。

对谐波“污染”严重的变电站，要采取适当的抑制措施，降低谐波含量。

2.3.1.11报警处

报警处理内容包括：

设备状态异常、故障；测量值越限及计算机监控系统的软／硬件、通信接口及网络故障等。

2.3.1.12画面生成及显示

画面显示的信息包括：

日历时间、经编号的测点、表示该点的文字或图形、该点实时数据或历史数据、经运算或组合后的各种参数等。

由画面显示的内容包括：

全站生产运行要的电气接线图、设备配置图、运行工况图、电压棒形图、实时参数曲线图、各种信息报告、操作票、工作票及各种运行报表等。

2.3.1.13在线计算及制表功能

（1）对变电站运行的各种常规参数进行统计及计算，如：

日、月、年中的最大值、最小值及其出现的时间、电压合格率、变压器负荷率、全站负荷及电能平衡率等。

（2）对变电站主要设备的运行状况进行统计及计算，如：

断路器正常操作及事故跳闸次数、变压器分接头调节的档次、次数、停运时间等。

（3）利用以上数据生成不同格式的生产运行报表。

并按要求方式打印输出。

2.3.1.14电能量处理

电能量处理包括变电站各种方式采集到的电能量进行处理、对电能量进行分时段的统计计算以及当运行方式的改变而自动改变计算方法并在输出报表上予以说明等。

2.3.1.15远动功能

监控子系统能实现DL5002—1991《地区电网调度自动化设计技术规程》、DL5003－1991《电力系统调度自动化设计技术规程》中与变电站有关的全部功能，满足电网电能实时性、安全性和可靠性。

2.3.1.16运行管理功能

运行管理功能包括：

运行操作指导、事故记录检索、在线设备管理、操作票开列、模拟操作、运行记录及交接班记录等。

除上述功能外还具有：

时钟同步、防误闭锁、同步、系统自诊断与恢复以及与其他设备接口等功能。

2.3.2微机保护系统功能

微机保护系统功能是变电站综合自动化系统的最基本、最重要的功能，它包括变电站的主设备和输电线路的全套保护：

高压输电线路保护和后备保护；变压器的主保护、后备保护以及非电量保护；母线保护；低压配电线路保护；无功补偿装置保护；站用变保护等。

各保护单元，除应具备独立、完整的保护功能外，还应具有以下附加功能：

（1）具有事件记录功能。

事件记录包括发生故障、保护动作出口、保护设备状态等重要事项的记录。

（2）具有与系统对时功能。

以便准确记录发生事故和保护动作的时间。

（3）具有存储多种保护定值功能。

（4）具备当地人机接口功能。

不仅可显示保护单元各种信息，还可通过它修改保护定值。

　　（5）具备通信功能。

提供必要的通信接口，支持保护单元与计算机系统通信协议。

（6）具备故障自诊断功能。

通过自诊断，及时发现保护单元内部故障并报警。

对于严重故障，在报警的同时，应可靠闭锁保护出口。

（7）各保护单元满足上述功能要求的同时，还应满足保护装置的快速性、选择性和灵敏性要求。

2.3.3后备控制和紧急控制功能　　

当地后备控制和紧急控制功能包括人工操作控制、低频减负荷、备用电源自投和稳定控

2.4变电站综合自动化系统的方案设计

（1）研究系统结构模式，以保证系统的可靠性、安全性、实用性、先进性

（2）研究系统的组网方式，以保证系统网络结构的实时性、统一性、合理性、高效性

（3）研究系统设备的配置和安装型式，以保证系统的工程可实施性、可靠性

（4）研究系统运营维护管理的灵活性、方便性，以降低运营维护成本，提高工作效率。

（5）在满足系统的可靠性、实用性及先进性的前提下，研究系统造价，以保证其性能价格比达到最优

（6）考虑工程特点，结合地铁线网规划，充分研究系统设备合理配置及接口要求。

2.4.1系统结构模式

变电所综合自动化系统结构可分为在控制室进行集中监控的集中式和按局域网划分的分层分布式及集中与分层分布式相结合的系统结构进行比选。

方案一：

分层分布式

从逻辑上将变电所综合自动化系统划分为三层：

间隔设备层，网络通信层，站级管理层。

采用“面向对象”即面向电气主回路间隔，间隔设备层单元分别安装在各个开关柜内或一次设备附近，与一次设备接口，各间隔层单元的设备相互独立，并分别与站级管理层间通过所内通信网络实现信息交换，实现站级管理层的数据集中处理。

如图3-2所示

图3-2分层分布式

方案二：

集中与分层分布相结合方案

该方案建立在分层分布式方案的基础上，对主变电站变压器以及牵引变电所接触网电动隔离开关等不易进行当地监控设备安装的情况进行考虑，采用集中组屏和在控制信号盘上安装，所内其它间隔层设备采用分层分布安装。

两方案比较如表3-1

比较内容

分层分布式安装方案

集中与分层分布相结合方案

运营维护

通过网络技术，较易得到系统各设备的正常、故障信息，查线工作量小，运营维护方便。

但由于接触网开关在室外分布较广，不适宜分散控制。

通过网络技术，较易得到系统各设备的正常、故障信息，查线工作量小，运营维护方便。

解决了接触网开关集中操作问题，而且节省操作时间。

施工

设备安装工程量少，使用控制保护电缆少，因此施工方便、工作量小，劳动强度小，工期相对较短。

设备安装工程量不大，使用控制保护电缆较少，施工方便，工作量及劳动强度较小，工期较短。

系统的抗干扰性

通过采用光纤通信，要求间隔单元设备抗干扰性能高，并进行系统防干扰设计，抗干扰性能大大增强。

通过采用光纤通信，要求间隔单元设备抗干扰性能高，并进行系统防干扰设计，抗干扰性能大大增强。

安全可靠性

对室内设备满足要求，但间隔层设备不适于安装在网开关机构箱内。

高

系统灵活性和可扩展性

系统灵活性好，可扩展性强

系统灵活性好，可扩展性强

投资

系统硬件设备减少，盘面少，占地面积小，日常设备的维护工作量很少，因此系统间接投资小

系统硬件设备减少，盘面少，占地面积小，日常设备的维护工作量很少，因此系统间接投资小

适用范围

采用室内柜式开关的变电所

适用于各类变电所

表3-1两方案比较

比较以上两种方式，考虑了集中与分层分布相结合的方案在减少投资的情况下以及施工难点，系统具有良好的可扩展性和维护性。

因此，变电所综合自动化系统结构模式采用集中管理，分层分布