《变电站监控技术》课程设计报告书终稿版.docx
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《变电站监控技术》课程设计报告书终稿版
《变电站监控技术》课程设计
题目：
院系：
专业：
年级：
姓名：
指导教师：
课程设计任务书
专业电气工程及其自动化姓名学号
开题日期：
年月日完成日期：
年月日
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.SCADA系统的构成：
（1）主要设计原则、
（2）主要设计标准、（3）系统构成和配置；
2.系统功能设计；
3.系统主要设计指标；
4.RTU各模块（分组完成模拟量输入模块、开关量输入模块）硬件电路设计及软件说明书；
5.附件：
（1）四遥对象概数表、
（2）电力监控系统构成示意图、（3）、各模块硬件电路原理图;
6.装订顺序封面、设计任务书、摘要、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）
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周完成系统构成和配置、系统功能设计
第3、4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。
确定软件设计方案；
第5周完成软件结构、程序框图及主要源程序设计；
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
摘要
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。
本程设计中，系统地介绍了变电站综合自动化系统的设计原理、设计标准、系统构成、系统基本配置、确定监控内容、系统功能设计、RTU各模块结构。
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。
关键词变电站监控技术；变电站自动化系统；运动系统
目录
第1章监控系统的组成及配置１
1.1概述１
1.2系统构成１
1.2.1控制站１
1.2.2远动装置（RTU）５
1.2.3远动通道６
1.3系统配置７
1.3.1被控站结构形式７
1.3.2系统配置方案８
第2章监控内容９
2.1遥测、遥信、遥控和遥调功能９
2.2遥信对象的采集１０
第3章监控系统的功能１２
3.1监控主站功能１２
3.2被控站功能１９
结论２０
参考文献２１
附录I２２
附录Ⅱ２３
第1章监控系统的组成及配置
1.1概述
1.监控系统主要由三大部分组成，既装设于铁路分局调度所的监控主站，装设于铁路沿线牵引变电所的远方终端装置（RTU）及从铁路通信系统中分离出来的远动通道，如图1-1所示。
图1-1监控系统示意图
监控主站和被控站以远动通道为桥梁有机配合，共同实现对牵引供电设备遥控、遥信、遥测、遥调等功能。
遥控（YK）：
对被控对象的运行状态进行远距离控制。
如断路器的分合，电抗器的投切等；
遥信（YX）：
一般对应两种状态，用二进制的“0”或“1”来表示对象的不同状态；
遥测（YC）：
对被控对象的运行参数进行远距离测量。
如线路的电压值、电流值等；
遥调（YT）：
对被控对象的运行设备参数进行远距离调节。
如改变电压器分接头的位置等。
1.2系统构成
1.2.1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。
图1-2监控主站示意图
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
1.2.2远动装置（RTU）
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。
1、系统部分
包括CPU、总线、RAM、ROM、EPROM、计数次/计时器、中断控制器、串行通信接口。
2、人机联系
包括打印机、显示器、键盘、鼠标。
3、输入输出电路（可编程接口芯片）
输入YC、YX输入YT、YK
1.2.3远动通道
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。
信道是信号传输时经过的通道。
传输远动信号的通道称为远动信道。
我国常用的远动信道有专用有线信道、复用电力线载波信道、微波信道、光纤信道、无线电信道等。
信道质量的好坏直接影响信号传输的可靠性。
采用专用有线信道时，由运动装置产生的远动信号，以直流电的幅值、极性或交流电的频率在架空明线或专用电缆中传输，这种信道常用作近距离传输。
信号在光纤信道中的传输过程是：
发端将电信号转变成光信号，让光信号沿着光纤传输，收端再将光信号还原成电信号。
光导纤维传输信号的工作频率高，光纤信道具有信道容量大，衰减小，不受外界电磁干扰，误码率低等优点，它是性能比较好的一种信道。
无线电信道由发射机、发射天线、自由空间、接收天线和接收机组成。
在无线电信道中，信号以电磁波在自由空间中传播。
因为它利用自由空间传输，不需要架设通信线路，因而可以节省大量的金属材料并减少维护人员的工作量。
这种信道在地方电力系统中应用较多。
由于牵引供电系统比较特殊，远动采用专用有线信道。
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。
1.3系统配置
1.3.1被控站结构形式
分层分布式结构：
是在结构上采用主从CPU协同工作方式，各功能模块（通常是各个CPU）之间采用网络技术或串行方式实现数据通信，多CPU系统提高了处理并行多发事件的能力，解决了集中式结构中独立CPU计算处理的瓶颈问题，方便系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块正常运行。
在分层分布式综合自动化系统中，一般将整个变电所分为：
过程层、间隔层和站控层。
过程层是指智能化电气设备的智能化部分。
过程层的主要功能分三类：
①电力运行实时的电气量检测。
主要是电流、电压、相位以及谐波分量的检测，其他电气量如有功、无功、电能量可通过间隔层的设备运算得出。
②运行设备的状态参数在线检测与统计。
变电站需要进行状态参数检测的设备主要有变压器、断路器、隔离开关、母线、电容器、电抗器以及直流电源系统。
在线检测的内容主要有温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据。
③操作控制的执行与驱动。
操作控制的执行与驱动包括变压器分接头调节控制，电容、电抗器投切控制，断路器、隔离开关合分控制，直流电源充放电控制。
间隔层设备的主要功能是：
①汇总本间隔过程层实时数据信息。
②实施对一次设备保护控制功能。
③实施本间隔操作闭锁功能。
④实施操作同期及其他控制功能。
⑤对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制。
⑥承上启下的通信功能。
必要时，上下网络接口具备双扣全双工方式，以提高信息通道的冗余度，保证网络通信的可靠性。
站控层的主要功能是：
①通过两级告诉网络汇总全站的实施数据信息，不断刷新实时数据库，按时登陆历史数据库。
②按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中心。
③接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行。
④具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能。
⑤具有（或备有）站内当地监控，人及联系功能，如显示、操作、打印、报警、甚至图像、声音等多媒体功能。
⑥具有对间隔层、过程层猪设备的在线维护、在线组态、在线修改参数的功能。
⑦具有（或备有）变电站故障自动分析和操作培训功能。
1.3.2系统配置方案
变电站综合自动化系统的配置，是依据变电站一次系统的电压等级、主变压器台数、进出线多少、变电站的重要程度等多方面考虑的。
图1-3RTU结构图
由于铁路监控系统在铁路运行系统中占据尤为重要的地位，因此对其要求十分严格，对设备软硬件配置均提出了很高的要求，一般采用双重化配置。
为了便于运行维护，需配置专用的工程师站，同时配备两台操作员站。
由于分层分布式系统结构具有可靠性、可扩展性和灵活性高；站内二次电缆大大简化，节约投资也简化维护；减轻了主控机的负担，继电保护相对独立；具有与系统控制中心通信功能。
所以本设计对牵引变电所监控系统采用分层分布式结构，可以按一次设备间隔配置，满足各个一次设备间隔的测量、监视、保护、控制、通信功能；同时，满足变电站的监控功能、AVQC、接地选线功能、远动等功能。
考虑到牵引供电系统各变电所、分区亭、开闭所是沿铁路线分布，其通讯线路呈相应的分布。
为适应电气化铁远动通道这种特点，因此本设计采用多点环型配置。
采用多点环形配置即所有站之间的通信线路形成环路，控制中心可以通过两条不同的路径于每一子站通信。
调度端设在运营管理段的电力调度室内，与RTU端距离较远。
远动终端设在变、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。
监控系统网络的结构采用1对4的集中监控、监测方式，即1个调度端监控、监测4个远动终端。
位于两个运营管理段分界处的远动终端应分别与这两个运营管理段的远动系统调度端进行数据通信。
第2章监控内容
2.1遥测、遥信、遥控和遥调功能
遥控：
对被控对象的运行状态进行远距离控制。
如断路器的分合，电抗器的投切等。
遥调：
对被控对象的运行设备参数进行远距离调节。
如改变电压器分接头的位置等。
遥测：
对被控对象的运行参数进行远距离测量。
如线路的电压值、电流值等；
遥信：
一般对应两种状态，用二进制的“0”或“1”来表示对象的不同状态；
遥测、遥信、遥控和遥调是远动系统的基本功能。
应用通信技术传送被测变量的测量值，称为远程测量，简称遥测。
应用通信技术完成对设备状态信息的监视，称为远程信号，简称遥信。
调度控制中心送给发电厂或变电所的远程命令有控制命令和调节命令等。
应用通信技术，完成改变运行设备状态的命令称为远程命令，又称遥控。
当调度控制中心需要直接抑制发电厂、变电所中的某些设备，如断路器的合闸、分间，发电机的开机、停机等，就发出相应的控制命令。
这种应用通信技术，完成对有两个确定状态的运行设备的控制称为远程切换。
在我国通常把远程切换也称为遥控。
远动系统的功能根据电力系统的实际需要还在不断地扩展，为了有助于分析电力系统的事故、保证远动装置的正常运行和便于维护，还具有自检查、自诊断等功能等。
2.2遥信对象的采集
遥信信息通常由电力设备的辅助接点提供，辅助接点的开合直接反应出该设备的工作状态。
提供给远动装置的辅助接点大多为无源接点，即空接点，这种节点无论是在“开”状态还是“合”状态下，接点两端均无电位差。
断路器和隔离开关提供的就是这一类辅助接点。
另一种辅助接点则是有源节点，有源节点在“开”状态时两端有一个直流电压，是由系统蓄电池提供的110V或220V直流电压。
一些保护提供此类接点。
2-2有源触点遥信对象
图2-1无源触点要想对象图
图2-1是断路器动作机构原理图。
当和闸线圈YC通电时，断路器闭合，辅助触点QF断开；当跳闸线圈YT通电时，短路器断开，辅助触点QF闭合。
QF为动作触点，如直接提供给远动装置，则是一无源触点。
通常情况下，二次系统都要给远动装置提供相应的空触点，但有时需要在保护回路中提取有源触点。
图2-2是断路器跳闸音响回路的一部分。
断路器在合闸位置时，控制开关SA投入合闸后位置，则SA的132321两对触点闭合，而串接在该回路中的断路器辅助接点QF在断开位置。
不论无源还是有源触点，由于他们来自强电系统，直接进入远动装置将会给干扰甚至损坏远动设备，因此必须加入信号隔离措施，如图2-3所示采用继电器隔离，当断路器在断开时，其辅助接点QF闭合使继电器K动作，其动作触点K闭合，输出的遥信信息YX为低电平“0”状态。
反之产生高电平“1”状态的遥信信息YX，同样在图2-4中采用光电耦合器隔离也有相似的过程。
当断路器断开时，QF闭合使发光二极管发光，光敏二极管导通，集电极输出低电平“0”状态。
当断路器闭合时，QF断路器使发光二极管中无电流通过，光敏三极管截止，集电极输出高电平“1”状态。
图2-4遥信信息光电耦合隔离
图2-3遥信信息继电器隔离
四遥对象概述表
B牵引变电所
遥控量
110KV侧断路器、110KV侧母联隔离开关
110KV侧隔离开关、27.
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