工厂对变电站电力监控系统设计研究

摘要

　　如今，电作为一种能源，在人们日常生活中的地位越来越重要，提高供电可靠性是供电企业面临的一大难题。变电站作为电能的集中和分散点，提高其供电的可靠性，是解决持续供电问题的关键所在。又因为各类企业对通信质量、稳定性、可靠性等提出了更高的要求，尤其是那些通过上位机对现场设备进行监控的工厂、变电所，准确可靠的监控数据对他们更为重要。本文从实际出发，以抚顺某工厂变电站为具体实施对象，对变电站电力监控系统的建立进行了研究。

　　论文针对工厂对变电站电力监控系统的要求，对整个监控系统结构进行了分析，将系统分为间隔层、通讯层和站控层三个部分，对每个部分所需设备进行选择，搭建起基本硬件结构。介绍了监控软件的选择和监控系统的设计思路，研究了监控主机、通信管理机以及保护监控单元之间的通信技术和规约。监控软件采用软件公司自己独特的编程方法，实现了后台通信与前台操作的并行性，确保了系统工作的实时性，设计出一套准确、可靠的变电站监控系统，实现变电站所需的遥控、遥信、遥测、遥调的"四遥"基本功能，并且做出跟工厂密切相关的报表，记录关键设备的历史运行数据，并画出几个数据的历史趋势曲线。然后根据监控系统的历史数据库，对相关设备经行无功补偿，实现其最优化运行。通过对监控系统功能进行测试，从监控画面测试出的数据结果可以得出结论，本监控系统可靠、准确、通用，具有结构简单、易于扩展、操作方便、人机界面友好等特点。

　　文章最后总结了在本监控系统设计过程中存在的一些问题，提出了相应的改进措施，对电力监控系统的进一步发展做出了展望。

　　关键词：变电站，监控系统，数据库系统，通讯系统，优化

abstract

　　Nowadays, as a kind of energy, electricity plays a more and more important role in people's daily life. Improving the reliability of power supply is a big problem faced by power supply enterprises. As the centralized and decentralized point of electric energy, improving the reliability of power supply is the key to solve the problem of continuous power supply. And because all kinds of enterprises put forward higher requirements for communication quality, stability, reliability, etc., especially those factories and substations that monitor the field equipment through the upper computer, accurate and reliable monitoring data is more important to them. Based on the practice, this paper studies the establishment of power monitoring system in a factory substation in Fushun.

　　According to the requirements of the factory for the substation power monitoring system, the whole monitoring system structure is analyzed. The system is pided into three parts: Bay layer, communication layer and station control layer. Each part of the equipment is selected to build the basic hardware structure. This paper introduces the selection of monitoring software and the design idea of monitoring system, and studies the communication technology and protocol among monitoring host, communication manager and protection monitoring unit. The monitoring software adopts the unique programming method of the software company, realizes the parallelism between the background communication and the front operation, ensures the real-time performance of the system, designs a set of accurate and reliable monitoring system of the substation, realizes the basic functions of remote control, remote signaling, remote measurement and remote adjustment required by the substation, and makes reports closely related to the factory and records the key settings Prepare the historical operation data and draw the historical trend curve of several data. Then, according to the historical database of the monitoring system, reactive power compensation is applied to the relevant equipment to realize its optimal operation. By testing the functions of the monitoring system, we can draw a conclusion from the data results of the monitoring screen test. The monitoring system is reliable, accurate, universal, simple in structure, easy to expand, convenient in operation, friendly in man-machine interface and so on.

　　Finally, the paper summarizes some problems in the design process of the monitoring system, puts forward corresponding improvement measures, and makes a prospect for the further development of the power monitoring system.

　　Key words: substation, monitoring system, database system, communication system, optimization

目录

　　第1章绪论

　　1.1变电站监控系统概述

　　变电站监控系统是指具有数据采集、监视、控制功能的计算机系统，是以检测控制工厂内部各个设备和仪表为主体，加上检测装置、执行机构与被检测控制的对象共同构成的整体。在这个系统中，计算机直接参与被监控对象的检测、监督和控制。以前，想知道设备或生产线某个仪表的运行参数和状态，必须到现场各个设备或仪表附近去抄录数据，这样容易延误处理时机，有可能造成不可弥补的损失。变电站监控系统，可以及时掌握设备运行的参数及状态，可以了解整个工厂甚至整个行业或更大范围所发生的一切，对于紧急情况可以根据事先设定的规则采取合适的措施，然后通过有线或者无线的手段向管理人员汇报，并产生所需的报表等。变电站监控系统有如下的主要特点：

　　（1）实时性

　　变电站监控系统是一种实时的系统，可以根据采集到的数据，立即采取相应的动作。例如，检测到滑雪反应罐的压力超限，可以立即打开减压阀，避免了爆炸的危险。

　　（2）可靠性

　　监控系统的可靠性是指系统无故障运行的能力。在监控过程中即使系统由于其他原因出现故障错误，计算机系统仍能做出实时响应并记录完整的数据。可靠性常用"平均无故障运行时间",即平均的故障间隔时间来定量地衡量。（3）可维护性可维护性是指进行维护工作的方便快捷程度。监控系统的故障会影响正常的操作，有时会大面积地影响监控过程的运行，甚至使整个过程瘫痪。因此，方便地维护监控系统的正常运行，在最短时间内排除它的故障，称为监控系统的一个重要特点。（4）数据自动采集处理自动地对检测对象进行数据采集、监视，将测量的数据进行分类处理、数学运算、误差修正及工厂单位换算等。

　　（5）人机交互

　　在监控系统中，人机交互的方式应该友好简洁，便于操作，并可以根据要求显示数据和打印相关报表。（6）通信功能这里所说的通信，主要是指在监控系统中，计算机与计算机之间、相同类型或不相同类型总线之间以及计算机网络之间的信息传输。

　　（7）信息处理和控制算法

　　在设计计算机监控系统中，信息处理和控制算法的设计、开发和调试是最为核心的内容，也是最花费时间的工作，它占据了开发调试的大部分工作量。信息处理和控制算法主要是软件工作，这些软件的开发除了和采用的操作系统、软件开发工作有关外，还和硬件（特别是接口部件）以及生产工艺要求有密切关系。同样是针对调制解调器（Modem）的操作，在此型号的Modem上测试通过的软件，换一个Modem,未必能通过。在开发软件产品时，必须反复调试，确保软件的健壮性。

　　（8）管理功能

　　大多数监控系统，建立了相应的数据库，兼有办公管理或工程管理的功能，可以根据要求统计、分析和打印各种报表，对于重要的情况，可以通过短信或邮件来通知系统管理员。（9）自动运行能按预先设计好的策略自动运行。如有特殊要求，操作人员可以通过更改程序改变自动运行的规则，然后按照新的规则运行。在自动运行状态，可以不需要人工的介入。

　　（10）自动报警

　　监控系统本身应该具有故障诊断、报警的功能，对检测对象的设备或工艺运行参数进行监视，如超过了设计规定值，能进行自动报警。报警有多种方式，如声音报警、电子邮件报警、短信报警等，并记录下相关事件。

　　（11）自动校正

　　有的监控系统，可以根据用户需要，按预先给定的标准进行自动校正，以清除某种干扰带来的影响[l].本论文讨论的监控系统基本具备以上11种功能。

　　1.2变电站监控系统

　　系统的介绍及其意义变电站监控系统是90年代发展起来的多专业综合技术，是电网运行管理中的一次伟大的变革，它以计算机为基础，实现了电网变电站现代化管理，从而改变了传统变电站控制室、保护室的主体结构和值班维护方式，充分体现了现代生产的特点，是当代电网发展的必然趋势[2].变电站监控系统是利用微机技术，将变电站的控制、测量、信号传输处理、继电保护、故障录波、远动等功能融为一体的多机共享系统。变电站监控系统所能完成的主要功能包括：数据采集、继电保护、参数监测、运行控制、事件记录、事故报警等。一般具有和图1.1相似的结构。

　　变电站监控系统有以下特点和意义：

　　（l）提高供电质量，提供电压合格率。由于在变电站监控系统中包括有电压、无功自动控制功能，故对于具备有载调压变压器和无功补偿电容器的变电站，可以大大提高电压合格率，保证电力系统主要设备和各种电器设备的安全，使无功潮流合理，降低网损，节约电能损耗。

　　（2）提高变电站的安全、可靠运行水平。变电站监控系统中的各子系统，绝大多数都是由微机组成的，它们多数具有故障诊断功能。除了微机保护能迅速发现被保护对象的故障并切除故障外，有的自控装置还兼有监视其控制对象工作是否正常的功能，发现其工作不正常及时发出告警信息。更为重要的是，微机保护装置和微机型自动装置具有故障自诊断功能，这是当今的综合自动化技术比起常规的自动装置或四遥装置突出的特点，这使得采用综合自动化系统的变电站一、二次设备的可靠性大大提高。

　　（3）提高电力系统的运行、管理水平。变电站实现自动化后，监视、测量、记录、抄表等工作都由计算机自动进行，既提高了测量的精度，又避免了人为的主观干预，运行人员只要通过观看CRT屏幕，对变电站主要设备和各输、配电线路的运行工况和运行参数便一目了然。综合自动化系统具有与上级调度通信功能，可将检测到的数据及时送往调度中心，使调度员能及时掌握各变电站的运行情况，也能对它进行必要的调节与控制，且各种操作都有事件顺序记录可供查询，大大提高运行管理水平。

　　（4）缩小变电站占地面积，降低造价，减少总投资。变电站监控系统，由于采用微计算机和通信技术，可以实现资源共享和信息共享，同时由于硬件电路多数采用大规模集成电路，结构紧凑、体积小、功能强，与常规的二次设备相比，可以大大缩小变电站的占地面积，而且随着微处理器和大规模集成电路的不断降价，微计算机性价比逐步上升，发展的趋势是综合自动化系统的造价会逐渐降低，而性能和功能会逐步提高，因而可以减少变电站的总投资。

　　（5）减少维护工作量，减少值班员劳动，实现减人增效。由于综合自动化系统中，各子系统能自检出故障部位，缩短了维修时间。微机保护和自动装置的定值可在线读出检查，节约定期核对定值的时间。监控系统的抄表、记录自动化，使值班员可不必定时抄表、记录，实现少人值班，如果配置了与上级调度的通信功能，能实现遥测、遥信、遥控、遥调，则可完全实现无人值班，达到减人增效的目的，提高劳动生产率，同时也减少了人为误操作的可能。

　　1.3国内外变电站监控系统的发展及应用状况

　　国际上对于变电站监控系统的研究，己经进行了很多年，而且已经取得了很大的进展。早在七十年代末，日本就研制出了世界上第一套综合数字式保护和控制系统SDCS一I.此后，美国、英国、法国、德国等一些发达国家也相继在此领域内取得不同程度的进展。在八十年代初，美国一家电力公司研制了IMPac模块化保护和控制系统。美国西屋公司和EPRI联合研制出了SPCS变电站保护和控制综合自动化系统。到1984年，瑞士的BBC公司首次推出了他们的变电站综合自动化系统。1985年，德国的西门子公司又推出了他们研制的第一套变电站综合自动化系统LSA678.变电站综合自动化目前在国外己得到了较普遍的应用。例如美国、德国、法国、意大利等国家，在他们所属的某些电力公司里，大多数的变电站都实现了综合自动化及无人值班方式[3].我国的变电站自动化技术起步于50年代。

　　1954年，我国从前苏联引进了RUT技术，东北安装了16套遥测/遥信装置[4].此后，国内开始了系列远动产品的研制工作。到七十年代初，便先后研制出了电气集中控制装置和集保护、控制及信号为一体的"四合一"装置。在八十年代中期，国内许多高等院校及科研单位也在这方面做了大量的工作，推出一些不同类型、功能各异的自动化系统，为国内的变电站监控技术的发展起到了卓有成效的推动作用[5一6J.

　　1.4本论文的主要工作

　　本论文主要根据抚顺某石化公司变电站的具体情况，结合变电站提出的要求和指标，完成了对整个变电站监控系统的设计，并实现了上位机对现场数据的采集、处理、显示、保存以及对现场设备的监视和控制功能等，本论文主要的工作如下：

　　（1）对变电站监控系统相关的一些概念以及变电站监控系统国内外现在的发展状况等进行说明。

　　（2）根据现场总体结构和用户对系统的需求，归类了工程需要监控的数据，分析了变电站监控系统的几个组成部分并结合现场实际进行阐述，以及将以上所述的几个部分如何设计进行了详细的解剖，如变电站监控系统几个组成部分的介绍和设计等，并对所需仪表进行了选型，

　　（3）对整个监控系统进行了设计，包括变量的分类和命名、变量的动态显示、整个数据库的建立和连接、系统的主画面以及子画面组态的过程、数据采集的方法、系统软件部分程序的编写等，并展示了所建系统运行的结果。这部分也是本论文的重点和创新点所在。

　　（4）最后依靠监控系统强大的历史数据保存功能，将所得数据分类，系统地对各个车间进行了无功优化计算，并对整个系统补偿后节约的电能进行了统计.

　　第2章监控系统的组成
　　2.1变电站监控系统的组成部分
　　2.2间隔层
　　2.2.1间隔层的功能
　　2.2.2间隔层单元硬件结构的介绍

　　2.3通讯层
　　2.3.1通讯管理机
　　2.3.2通讯介质
　　2.3.3通信协议
　　2.4站控层

　　第3章监控系统的分析与设计
　　3.1监控系统中的软件建模
　　3.2监控系统的设计框图
　　3.3系统的设计举例
　　3.3.1实时数据显示流程
　　3.3.2故障操作流程
　　3.4监控系统运行原理
　　3.4.1系统登陆过程
　　3.4.2下位机数据处理过程

　　第4章监控系统的实现
　　4.1设备数据监控的必要性
　　4.2系统监控软件的选择
　　4.3监控软件的介绍
　　4.4监控软件的显示和控制原理
　　4.5上位机与外部设备的连接

　　4.6数据的采集和显示
　　4.6.1新建画面
　　4.6.2定义外部设备
　　.6.3数据库的设计
　　4.6.4变量的动态连接
　　4.7报表的设计
　　4.8历史数据库
　　4.8.1变量记录的类型
　　4.8.2历史记录存储及文件的格式
　　4.9现场设备控制的设计

　　第5章系统运行的结果
　　5.1高压部分
　　5.2低压部分
　　5.3报表部分
　　5.4历史趋势曲线

　　第6章电力系统的优化
　　6.1现场设备的状态
　　6.2无功功率产生的原因
　　6.3无功补偿原理及其意义
　　6.4无功补偿方法

　　6.5无功补偿容量计算
　　6.5.1集中补偿和分组补偿容量计算
　　6.5.2就地补偿容量计算
　　6.6无功补偿后节约的能耗计算
　　6.7总的无功补偿容量及其节约的电能
　　6.8无功补偿容量的计算过程

　　第六章总结与展望

　　变电站监控系统是保证变电站安全、优质和经济运行的一个基本保障，它可极大的提高工厂运行管理水平。而站内监控系统的合理建立则是关系着综合自动化系统实施的实时性和可靠性的重要保证。

　　本文在通过大量的实践经验的基础上，比较详细的介绍了整个系统的设计和建造过程。最终在一实际工程中付诸实践，并成功运行，现在还在正常使用中。文章联系实际和工厂的要求对整个监控系统的设计过程进行了详细的阐述，从变量的建立到报表的设计，画面的组成，重要程序的解析等。讨论了一下系统最后运行的结果。将各个运行画面都展示出来。事实证明，变电站监控系统的应用使电力系统的运行水平得到了很大的提高，获得了显著的经济效益。

　　最后再根据需要监控系统历史数据库中的相关数据，在理论上进行了无功功率补偿的计算。但由于系统建立的比较仓促，在历史报表和控制画面等做的不是很完善，需要建立更多数据的历史报表和设备控制画面，系统才比较完美。

　　文中很多很多内容都是作者的主观思想，肯定会有不少的错误，希望读者也能给予最真诚的批评和建议，希望在以后的实践过程中一起进步，我们有理由相信，随着计算机技术和数字通信技术的进一步发展，我们的电力监控系统将会更加成熟，功能也会更加强大！

　　参考文献

　　致谢

　　本论文是在闰士杰导师的悉心指导下完成的。在两年的研究生学习、生活期间，闰老师给了我无微不至的关心、爱护、培养和教诲。本文从选题、论证、研究到最后完成，无不凝聚着导师的心血。闰老师在理论上学识渊博，独具匠心，在实践上更有相当的造诣。他诲人不倦的精神，严谨治学的态度和严格的要求深深地影响着我，使我终生难忘。学业上，他是我的授业恩师；在为人处世上，他高尚的人品更令我敬仰。他是我今后成长道路中的楷模，将永远激励我勤奋进取。

　　非常幸运，我的研究生期间是在一个充满着团结友爱的工作环境中度过的。实验室的同学关系十分融洽，无论是生活上还是工作中，他们都曾给我无私的帮助。己经毕业的于涛、修亮、高明阳、黄延龙、潘郝飞等师兄师姐给予了我大量的帮助，与他们曾共度的美好时光，我将永生难忘。

　　两年来，我还得到了实验室同学吴世勇、刘忠迪、荆艳强、姬云鹏、付振宇、盛科、孙艳、辛红等人的大力协助。管海涛、付浩、王大鹏、于森、鲍艳、李小兰等师弟师妹们的热心帮助和通力合作，也都给我留下了美好的回忆。在论文完成之际，我不禁想到了我家乡的父母和在沈阳的表哥表嫂。是他们在我遇到困难的时候给我以鼓励和安慰，在我取得成功时给我以鞭策，他们深沉的爱和无私的奉献始终是我工作的巨大动力！

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