变电站安全运行监控软件设计.docx
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变电站安全运行监控软件设计
中国矿业大学
本科生毕业设计
姓名：
学号：
学院：
专业：
设计题目：
变电站安全运行监控软件设计
指导教师：
职称：
2010年6月
中国矿业大学毕业设计任务书
学院专业年级学生姓名
任务下达日期：
年月日
毕业论文日期：
年月日至年月日
毕业论文题目：
毕业论文专题题目：
毕业论文主要内容和要求：
1、熟悉变电站监控软件的设计方法；
2、熟悉组态软件交互界面设计方法；
3、掌握力控组态软件的开发环境、设计方法及常用组件的功能和用途；
4、熟悉组态软件数据库和报警、曲线的设计方法；
5、利用力控组态软件开发监控软件。
院长签字：
指导教师签字：
中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
指导教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
评阅教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩：
答辩委员会主任签字：
年月日
学院领导小组综合评定成绩：
学院领导小组负责人：
年月日
摘要
变电站监控系统正在向分布式、多功能、高可靠性、大数据量管理的综合自动化方向发展，组态软件是变电站监控系统的重要组成部分，因此对组态软件的功能和性能提出了更高的要求。
用数据库来管理、处理组态软件中的数据，可以提高数据的共享度，去掉数据不合理的冗余度，使数据间联系紧密同时又具有较高的数据独立性。
数据库功能的强弱直接关系到监控组态软件的性能。
论文首先分析了监控组态软件中的数据组成，把数据分成组态数据、运行数据两大部分，给出了数据库系统的整体设计方案。
然后分别对组态数据库、实时数据库进行了设计、开发。
设计了存储组态数据的数据库结构，开发了在数据库中存、取组态数据的程序模块，并作为独立的功能模块加入到整个监控组态软件中;介绍了实时数据库技术，并应用这些技术设计、开发了监控组态软件中的实时数据库，针对实时数据的海量性设计相应的数据库结构，并设计和实现了一种快速存储海量数据的方法;最后分析了历史数据与实时数据之间的关系，设计开发了查询历史数据、运用历史数据生成曲线和报表的程序模块。
关键词：
监控组态软件；数据库；组态数据；实时数据。
ABSTRACT
Substationsystemaredistributed,function,highreliability,largeamountofdatamanagementofintegratedautomationdevelopmentdirection,substationconfigurationsoftwareisanimportantpartofmonitoringsystem,sotheconfigurationsoftwarefunctionandperformanceputforwardhigherrequest.Usingthedatabasemanagement,thedataprocessingconfigurationsoftware,canincreasethedegreeofsharingdata,removedataunreasonableredundancy,alsohasthecloserelationbetweenhighdataindependence.Databasefunctionordirectlyrelatedtocontrolconfigurationsoftwareproperties.
Thepaperfirstlyanalyzedthedatacontrolconfigurationsoftwarecomponent,thedataintoconfigurationdata,operationdata,givesthetwomostoveralldesignschemeofdatabasesystem.Thenonconfigurationdatabase,thereal-timedatabasedesignanddevelopment.Thedesignofthedatastorageconfigurationdatabasestructure,developedinthedatabaseconfigurationdata,theprogramasaseparatemodule,andthefunctionalmodulestojointheconfigurationsoftware,Real-timedatabasetechnologyisintroduced,andtheapplicationofthesetechnologies,designanddevelopmentofthecontrolconfigurationsoftwareforreal-timedatareal-timedatabase,andthedesignofthemass,anddatabasestructuredesignandimplementationofamassofdatastoragemethod,Atlast,analyzedthehistoricaldataandreal-timedata,therelationshipbetweenthehistoricaldataquerydesign,usehistoricaldatagenerationcurveandstatementsprogrammodule.
Keywords:
configurationsoftware;database;configurationdata;real-timedata.
1绪论
1.1变电站自动化系统的概述
变电站自动化系统是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科技在变电站的综合应用。
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的安全可靠、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。
变电站自动化是将变电站的二次设备经过功能的重新组合优化设计，利用先进的计算机技术、自动化技术和通信技术，实现对全变电站的主要设备和输配电线路的自动化监视、测量、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，可以方便地监视和控制变电站的各种设备的运行和操作，已具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化地显著特点。
利用先进的自动化技术，提高了供电质量、提高了电压合格率、提高了变电站的安全可靠性和系统的运行管理水平，减少了总投资、减少了维护工作量。
近年来变电站自动化技术在我国电力系统中得到了广泛的应用。
1.2选题的背景和意义
变电站是电力输配电系统中非常重要地一环，它担负着电能和电能重新分配的繁重任务，对电网地安全和经济运行起着举足轻重的作用。
传统的变电站大多数采用电磁式或晶体管式的二次设备，其结构复杂、可靠性不高，本身又没有故障自诊断能力，只能靠一年一度的整定值地校验发现问题。
另外，传统的变电站不能满足向调控中心及时提供运行参数的要求，一些遥测，通信数据无法实现送到调度中心。
由于参数采集不齐全，不准确，变电站本身又缺乏自动控制和调控手段，因此设法进行实时控制，不利于电力系统的安全、稳定的运行。
随着电子技术、计算机技术与通信技术的迅速发展和不断成熟，为解决这些问题提供了途径，计算机自动监控系统便应运而生。
变电站自动化技术是在计算机监控、远方调度控制等技术的应用基础上发展起来的，对变电站运行自动进行监视、协调和控制，提高了变电站安全管理水平，提高了运行的可靠性，改善和提高了电网的控制水平，更为重要的是变电站自动化的发展，为电网综合自动化的发展提供了广阔的前景。
自上世纪70年代变电站综合自动化的研发开始起步，到90年代日益成熟。
国内专门针对变电站配套产品生产的中小型企业也如雨后春笋般的出现。
这些小中型企业相继在自己的硬件产品中嵌入了单片机以满足智能化的市场要求。
同时这些企业急需与硬件配套地上位监控组态软件占据着市场的大部分份额，但是价格太贵，成套系统价格在几十万~几百万之间，对于那些生产变电站配套产品的中小型企业来说，单价格一项就使他们忘而却步。
同时，组态软件本身也还存在着不足之处，通用性太强，组态软件地许多功能用不上，造成极大的浪费，而且一些特殊要求又得不到满足。
国产化地组态如那件也正成为市场上地一支生力军，但存在的问题是在下位机通讯不够开放、软件地可扩充性、集成性和网络功能有一定局限性。
鉴于此，通过国内外工控组态软件尤其是工业变电站监控软件最新地发展状况，我们发现用以满足国内外中小型企业地要求，提高变电站自动化水平地这类监控组态软件将具有广阔地市场潜力和经济效益。
1.3国内外研究动态
国外从70年代末、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放和试验研究工作。
如由美国西屋电气公司和美国电力科学研究院（EPRI）联合研制地SPCS变电站保护和控制综合自动化系统，由日本关西电力公司与三菱电气公司共同研制的SDS-I、II保护和控制综合自动化系统从1977~1979年进行了现场试验及试运行，80年代初已交付商业应用。
目前，日本日立、三菱、东芝公司，德国西门子公司（SIEMENS）、AEG公司，瑞士LANDIS&GYR公司等国际著名大型电气公司均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），并取得了较为成熟地运行经验。
我国变电站综合自动化技术的起步发展虽比国外晚，但我国70年代初期便先后研制成电气集中控制和“四合一”装置（保护、控制、测量、信号）。
如南京电力自动化设备厂制造地DJK型集中控制装置，长沙湘南电气设备厂制造的WJBX型“四合一”集控台。
70年代末80年代初南京电力自动化研究院率先研制成功以MOTOROLA芯片为核心的微机RTU用于韶山灌区和郑州供电网，促进了微机技术在电力系统的广泛应用。
1987年，清华大学在山东威海望岛35KV变电站用3台微型计算机实现了全站地微机继电保护、检测和控制功能。
之后，随着1988年由华北电力学院研制地第一代微机保护（OI型）投入运行，第二代微机保护（WXB-11）1990年4月投入运行并于同年12月通过部级鉴定。
1990年，清华大学在研制鞍山公园变电站综合自动化系统时，首先提出了将监控系统和RTU合而为宜的设计思想。
1992年5月，电力部组织召开地“全国微机继电保护可靠性研讨会”指出：
微机保护与RTU，微机就地监控，微机滤波器地信息，时钟、抗干扰接地等问题应统一规划并制定统一标准，微机保护的联网势在必行。
由南京电力自动化研究院研制地第一套适用于综合自动化系统的成套微机保护装置ISA于1993年中国电机工程学会继电保护及自动化专委会在珠海召开了“变电站综合自动化分专业委员会”成立大会，这标志着对变电站综合自动化的深入研究和应用进入了一个新阶段，但是和国外相同产品地差距也是明显的。
在软件、硬件体系结构上均缺乏完整、明确的技术功能规范；在开发方法上，缺少规范的手段、技术；可靠性、自动化、智能化程度等性能及总体性能还有较大差距；软件开发工具多采用一次性开发工具，缺少国外使用化的专业性开发工具；在数据库技术特别是实时数据库技术方面相对落后，还没有较成熟的产品，实时数据库多采用小型数据库或自定义结构的线性代替，缺少统一接口，可靠性和可操作性较弱。
监控组态软件产品大约在80年代中期在国外出现，在中国也已有接近20年的历史。
早在80年代末90年代初、有些国外的组态软件如OXSPEC、PARAGOX等就开始进入中国市场。
目前国外组态软件产品仍占据大部分中国市场，主要产品包括：
美国WONGDERWARE公司的INTOUCH、德国西门子公司的WINCC、美国INTELLUTION公司的IFIX、澳大利亚CIT公司的CITECH等。
这些组态软件通过大力加强对其硬件产品的驱动支持和软件内部的各种功能，而发展成为专业化的通用组态软件。
近年来国产化的组态软件产品也正在成为市场上的一支生力军，近年来已有一定影响力的产品有组态王、力控、SYNALL、MCGS、天工、CONTMLX和虎冀等。
国内有不少单位、如一些高校、研究所、公司，甚至一些人正在积极地搞组态软件产品的开发。
目前国产化组态软件主要应用于一些小型的非重要的项目中。
1.4本论文的主要研究内容
本文首先从工业变电站监控软件的功能要求出发，在确保稳定、可靠的前提下，分析了工业变电站监控软件的数据流程，然后提出了一套以数据库系统为核心的监控软件设计方案，完成对工业变电站各保护单元数据采集、监视和控制功能；实现上位机对数据进行查询、处理、显示、保存功能；以及数据处理及记录功能、安全监视功能、事件顺序记录和事故追忆功能、远方操作和控制功能、系统单线图编辑功能、报表功能、打印功能、参数设置和维护功能及安全管理功能等。
2力控的应用
2.1力控概述
典型的计算机控制系统通常可以分为设备层、控制层、监控层、管理层四个层次结构，构成了一个分布式的工业网络控制系统，其中设备层负责将物理信号转换成数字或标准的模拟信号，控制层完成对现场工艺过程的实时监测与控制，监控层通过对多个控制设备的集中管理，以完成监控生产运行过程为目的，管理层实现对生产数据进行管理、统计和查询。
监控组态软件一般是位于监控层的专用软件，负责对下集中管理控制层，向上连接管理层，是企业生产信息化的重要组成部分。
力控监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，比如在分布式网络应用中，所有应用（例如趋势曲线、报警等）对远程数据的引用方法与引用本地数据完全相同，通过“组态”的方式可以大大缩短了自动化工程师的系统集成的时间，提高了集成效率。
力控监控组态软件能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，实现与“第三方”的软、硬件系统进行集成。
图2-1力控组态软件
2.2软件基本结构
力控监控组态软件基本的程序及组件包括：
工程管理器、人机界面VIEW、实时数据库DB、I/O驱动程序、控制策略生成器以及各种数据服务及扩展组件，其中实时数据库是系统的核心，图2-2为力控组态软件结构图：
图2-2力控组态软件结构图
主要的各种组件说明见下：
1、工程管理器（ProjectManager）
工程管理器用于工程管理包括用于创建、删除、备份、恢复、选择工程等。
2、开发系统（Draw）
开发系统是一个集成环境，可以完成创建工程画面、配置各种系统参数、脚本、动画、启动力控○R其它程序组件等功能。
3、界面运行系统（View）
界面运行系统用来运行由开发系统Draw创建的画面，脚本、动画连接等工程，操作人员通过它来实现实时监控。
4、实时数据库（DB）
实时数据库是力控○R软件系统的数据处理核心，构建分布式应用系统的基础，它负责实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等。
5、I/O驱动程序（I/OServer）
I/O驱动程序负责力控○R与控制设备的通信，它将I/O设备寄存器中的数据读出后，传送到力控○R的实时数据库，最后界面运行系统会在画面上动态显示。
6、网络通信程序（NetClient/NetServer）
网络通信程序采用TCP/IP通信协议，可利用Intranet/Internet实现不同网络节点上力控之间的数据通信，可以实现力控软件的高效率通信。
7、远程通讯服务程序（PortServer）
该通信程序支持串口、以太网、移动网络等多种通信方式，通过力控○R在两台计算机之间实现通信，使用RS232C接口，可实现一对一（1：
1方式）的通信；如果使用RS485总线，还可实现一对多台计算机（1：
N方式）的通信，同时也可以通过电台、MODEM、移动网络的方式进行通信。
8、Web服务器程序（WebServer）
Web服务器程序可为处在世界各地的远程用户实现在台式机或便携机上用标准浏览器实时监控现场生产过程。
9、控制策略生成器（StrategyBuilder）
控制策略生成器是面向控制的新一代软逻辑自动化控制软件，采用符合IEC61131-3标准的图形化编程方式，提供包括：
变量、数学运算、逻辑功能、程序控制、常规功能、控制回路、数字点处理等在内的十几类基本运算块，内置常规PID、比值控制、开关控制、斜坡控制等丰富的控制算法。
同时提供开放的算法接口，可以嵌入用户自己的控制程序。
控制策略生成器与力控的其它程序组件可以无缝连接。
2.3力控的使用
1、建立一个新工程：
在建立一个新工程时，首先通过力控的“工程管理器”指定工程的名称和工作的路径，不同的工程一定要放在不同的路径下。
开始-所有程序-力控6.0-力控6.0，启动力控的“工程管理器”：
图2-2工程管理器图
2、新建工程应用：
按“新建”按钮，出现如下对话框：
图2-3新建工程图
项目类型：
包括新建工程和模版工程。
新建工程是未经过任何处理的空白工程，需要用户自己从头开发。
模版工程已经对工程做了相应的优化，用户可以在生成的模版工程上进行修改、添加后得到自己的工程，从而缩短开发工期。
项目名称：
新建的工程的名称。
生成路径：
新建工程的路径，默认路径为：
C:
\ProgramFiles\PCAuto6\Project，可以修改。
描述信息：
对新建工程的描述文字。
点击“确定”按钮，此时在工程管理器中可以看到添加了一个名为NewApp1的工程，工程名可以修改，然后再点击“开发系统”按钮，进入力控的组态开发界面。
工程的备份和浏览：
工程备份：
在菜单上点击“备份”按钮，可将力控工程备份成PCK或PCZ格式的压缩文件，备份文件可以随意拷贝移动，任何的力控6.0组态软件都可将其恢复成原工程。
工程恢复：
恢复与备份是一对相反的操作，恢复是将工程备份生成的工程PCK或PCZ格式压缩文件解压缩并恢复成原工程。
工程搜索：
工程搜索是查找已有的工程应用。
开发：
点击开发按钮，进入选中工程的开发环境Draw。
运行：
点击运行按钮，进入选中工程的运行环境View。
3变电站监控系统的功能与结构
3.1变电站监控系统概述
变电站监控系统是指在变电站内应用自动控制技术、信息处理、传输技术和计算机软硬件等技术实现对变电站二次设备（包括测量仪表、控制系统、信号系统及远动装置等）的功能进行重新组合和优化设计，对变电站内主要电气设备的运行情况进行监视、测量、控制和协调，部分代替或取代变电站常规二次系统，减少或代替运行值班员对变电站运行情况的监视和控制操作，使变电站更加安全、稳定，可靠运行的一种综合性的自动化系统。
3.1.1常规变电站的状况及缺点
常规变电站的二次系统主要由继电保护装置、就地监控仪表、远动装置、录波装置所组成。
在实际应用中，是按继电保护、远动、就地监控、测量、录波等功能组织的，相应的就有保护屏、控制屏、录波屏、中央信号屏等。
每一个一次设备，例如一台变压器、一组电容器等的保护测控功能均与以上这些屏体有连线，对于同一个一次设备，与之相应的各二次设备（屏）之间，保护与远动之间都有许多连线。
由于各设备安装在不同的地点，因而变电站内电缆错综复杂。
正是由于常规变电站的上述情况，决定了常规变电站存在着不少缺点：
（1）安全性、可靠性不高。
传统的变电站大多数采用常规的电气设备，尤其是二次设备中继电保护和自动装置、远动装置等采用电磁型和晶体管式，结构复杂，可靠性不高，本身又没有故障自诊断能力，只能靠定期检修或保护装置发生拒动、误动之后才能发现问题。
（2）实时计算和控制性不高。
传统的变电站不能满足向调度中心及时提供运行参数的要求;一次系统的实际运行工况，由于远动功能不全，一些遥测、遥信无法实时送到调度中心;而且参数采集不完整、不准确，变电站本身又缺乏完善的自动控制和调节手段，因此无法进行实时监控，不利于变电站的安全稳定运行。
（3）维护工作量大。
常规的继电保护装置和自动装置多为电磁型或晶体管型，其工作参数易受环境温度的影响，因此其整定值必须定期停电检验每次校验定值的工作量相当大，同时也无法实现远方修改定值的功能。
（4）占地面积大。
传统的变电站，二次设备多采用电磁式或晶体管式，体积大、笨重，因此主控室、继电保护室占地面积大。
3.1.2变电站监控系统的提出及其优点
基于常规变电站的上述状况，随着计算机技术的发展，变电站的装置都开始采用微机技术而形成独立的微机型继电保护装置、微机监控、微机远动、微机录波装置等等。
这些独立的微机型装置尽管功能不一样，其硬件配置都大体相同。
除微机系统本身外，无非是对各种模拟量的数据采集，以及输入/输出接口电路，况且装置要采集的量和要控制的对象还有许多是共同的，因而设备重复、数据不共享、通道不共用、模板种类多、电缆依旧错综复杂等问题依然存在。
于是，人们自然地提出这样一个问题：
在当今的技术条件下，能否跳出历史造成的专业框框，从技术管理的综合自动化来考虑全微机化的变电站二次部分的优化设计，合理地共享软件资源和硬件资源。
这就是变电站综合自动化技术的由来。
变电站综合自动化是将变电站的二次设备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有如下优点:
（1）在线运行的可靠性高。
变配电站监控系统可以利用软件实现在线检测，具有故障诊断功能，同时对电力系统故障具有很强的综合分析和判断能力。
利用有关的硬件和软件相结合技术，可有效防止干扰进入微机系统后造成的严重后果，使变电站的一次、二次设备运行的可靠性远远超过常规变电站。
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