（电气工程专业论文）高电压等级变电站自动化监控系统设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 电力工业是国民经济的基础和命脉，我国对电力工业的发展一直非常重 视。目前，两网改造已经结束，取得了显著的效果；已经启动的为西部大开 发和东部经济建设服务的“西电东送 ，西部能源点的建设也已经具备相当 规模；以2 2 0 k v 5 0 0 k v 为主网架的大区电网已经形成，随着国网公司“坚强 智能电网建设 理念的普及，以更高电压等级的交直流输电网络建设也已经 全面铺开，全国联网已经开始全面实施。其中，高电压( 2 2 0 k v 5 0 0 k v 1 0 0 0 k v ) 等级变电站自动化系统占有重要的地位。 超高电压等级变电站自动化系统应用也日益广泛。随着新技术的发展、 开展新的面向高电压等级变电站高压监控的主站系统结构模式的探索与实 践研究都有着十分重要的意义。 本文在分析和对比国内外自动化监控系统实现模式的基础上，研究了高 压监控s c a d a 应用系统平台的理论、方法和技术，结合作者在公司开发的平 台产品及应用实例，详细介绍了高压监控s c a d a 应用系统平台的原理、方法 和实现 本论文第一章主要描述了国内目前高电压等级监控系统发展的历史和 现状，根据现场的要求和技术的发展，提出超高压监控系统应具备的系统功 能。 在此基础上，本文的第二章到第三章从高压监控系统的系统需求分析， 系统的设计原则和规范，系统功能实现的技术关键和监控系统的软件、硬件 设计，以及系统的数据通信、人机界面等子模块的设计和功能进行了详细的 阐述。特别是针对系统中的设计重点，包括面向电网对象的模型描述；跨平 台的软硬件系统设计；图模库一体化设计；系统的人性化界面操作和安全防 护等方面进行了详细的描述。 第四章结合系统的工程实例，介绍了高压监控系统的现场使用案例和用 途。近十套该模式的超高压变电站自动化系统已经在现场推广运行，其构成 系统的灵活性、健壮性、易于维护性得到用户的好评。 关键词：自动化变电站高电压 a b s t r a c t 山东大学硕士学位论文 t h ep o w e ri n d u s t r yi st h ef o u n d a t i o na n d1i f e b l o o do ft h en a t i o n a l e c o n o m y ；a n dc h i n aa l w a y st a k e sm u c he m p h a s i so nt h ed e v e l o p m e n to ft h e e l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y a tp r e s e n t ，t h et w o n e t w o r kr e c o n s t r u c ti o nh a s e n d e d ，a n di th a sa c h i e v e dr e m a r k a b l er e s u l t s ：t h ew e s t e a s te l e c t r i c i t y t r a n s m i s s i o np r o j e c th a sb e e ni n i t i a t e df o rs e r v i n gw e s td e v e l o p m e n ta n d e c o n o m i cd e v e l o p m e n ti ne a s t e r nc h i n a t h ec o n s t r u c t i o no ft h ew e s t e r n e n e r g yp o i n t sh a sa l r e a d yh a dac o n s i d e r a b l es c a l e ；r e g i o np o w e rg r i do n b a s i so f2 2 0 k v 5 0 0 k va st h em a i ng r i dh a sb e e nf o r m e d w i t hp o p u l a r i z a t i o n o ft h ec o n c e p t “t os t r e n g t h e nt h eb u i l d i n go fs m a r tg r i d p u tf o r w a r d b ys t a t eg r i d ，a n dw i t hf u l ld e v e l o p m e n to fa c d ct r a n s m i s s i o nn e t w o r k c o n s t r u c t i o ni nh i g h e rv o l t a g el e v e l ，n a t i o n w i d ei n t e r c o n n e c t i o no f p o w e rg r i dh a sb e e nf u l l yi m p l e m e n t e d ，w h e r e ，s u b s t a t i o ns y s t e mo f u l t r a - h i g hv o l t a g el e v e l ( 2 2 0 k v 5 0 0 k v l o o o k v ) o c c u p i e sa ni m p o r t a n t p o s i t i o n t h ea p p l i c a t i o n so fs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mw i t hu l t r a - h i g h v o l t a g el e v e la r ei n c r e a s i n g l yw i d e s p r e a d w i t hd e v e l o p m e n to fn e w t e c h n o l o g i e s ，t h ee x p l o r a t i o na n dp r a c t i c e so nm a s t e rs t a t i o ns y s t e m a r c h i t e c t u r em o d e lf o rh i g h - v o l t a g es u b s t a t i o nm o n i t o r i n gi so fg r e a t s i g n i f i c a n c e b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fi m p l e m e n t a t i o nm o d ef o r h i g h - v o l t a g em o n i t o r i n gm a s t e rs u b s t a t i o nb e t w e e nc h i n a a n da b r o a d ，t h i s a s s a ys t u d i e st h et h e o r y ，a p p r o a c h e sa n dt e c h n i q u e so fh i g h v o l t a g e m o n i t o r i n gs c a d aa p p l i c a t i o ns y s t e mp l a t f o r m ，a n dc o m b i n e dw i t hp l a t f o r m p r o d u c t sa n da p p l i c a t i o ne x a m p l e sd e v e l o p e db yt h ea u t h o ri nt h ec o m p a n y ， i ti n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e s ，a p p r o a c h e sa n di m p l e m e n t a t i o no f h i g h v o l t a g em o n i t o r i n gs c a d aa p p l i c a t i o ns y s t e mp l a t f o r m t h ep a p e rm a i n l yd e s c r i b e sh i s t o r ya n ds t a t u so fn a t i o n a l s u p e r v o l t a g es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mi nt h ef i r s tc h a p t e r a n di t b r i n g sf u n c t i o n so fs u p e r v o l t a g es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mf o r w a r d a c c o r d i n gs p o tr e q u i r e m e n ta n dt e c h n i c a ld e v e l o p m e n t t h es e c o n dc h a p t e ra n dt h i r dc h a p t e rm a i n l yd i s c u s sd e m a n da n a l y s i s ， 山东大学硕士学位论文 d e s i g np r i n c i p l e sa n ds t a n d a r d s ，k e yt e c h n i q u ea b o u ts y s t e mf u n c t i o r l r e a l i z a t i o n ， s o f t w a r ed e s i g n ，h a r d w a r ed e s i g n ，d a t ac o m m u n i c a t i o n s u b m o d u l ed e s i g na n dh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e s u b - m o d u l ed e s i g n a n dt h e p a p e re s p e c i a l l yd e s c r i b e sp o w e rg r i do b j e c t sm o d e ld e f i n i t i o n ，c r o s s p l a t f o r md e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，g r a p h m o d e l d a t a b a s e i n t e g r a t i v ed e s i g na n ds a f eg u a r d i n gi nd e t a i l s t h ef o r t hc h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e st h es p o t u s ee x a m p l eo f s u p e r v o l t a g es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m a l m o s tt e ns e t ss y s t e mh a sr u n i ns u p e r v o l t a g es u b s t a t i o n s t h eu s e r sg a v eg o o dr e m a r kt ot h es y s t e mi n a g ilit y ，h a l e n e s sa n de a s ym a i n t e n a n c e k e yw o r d s ：a u t o m a t i o n ，s u b s t a t i o n ，s u p e r v o l t a g e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：羟益 e l期：型! ：篓! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：拯强 导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 电力工业是国民经济的基础和命脉，我国对电力工业的发展一直非常重视。 目前，两网改造已经结束，取得了显著的效果；已经启动的为西部大开发和东 部经济建设服务的“西电东送 ，西部能源点的建设也已经具备相当规模；以 2 2 0 k v 5 0 0 k v 为主网架的大区电网已经形成，随着国网公司“坚强的智能电网 建设”理念的普及，以更高电压等级的交直流输电网络建设也已经全面铺开， 全国联网已经开始全面实施。其中，超高电压等级( 5 0 0 k v 7 5 0 k v l o o o k v ) 变 电站自动化系统占有重要的地位1 。 超高电压等级变电站自动化系统应用也日益广泛。随着新技术的发展、开 展新的面向高电压等级的变电站监控的主站系统结构模式的探索与实践研究 都有着十分重要的意义。 1 1 变电站自动化监控系统的发展过程 变电站自动化监控主站系统的结构模式先后采用过分立元件设计、i c c p u 板级设计、集中式计算机系统机设计，发展到今天的计算机网络分布式设计。 从单机监控系统，发展到现在的基于网络的分布式监控系统，经历了一个探索、 改进和完善提高的过程，也反映了监控自动化应用和系统功能发展的需要圆。 在国内，早期的远动系统大都是建立在分立元件的基础上的，这些系统和 设备在我国直到8 0 年代中期还有单位在使用。但由于系统完全由硬件构成， 结构复杂，功能单一，一般只有数据采集功能，支持少量数据的模拟屏数码管 显示。系统可靠性低，经常出故障。 随着对变电站自动化系统后台主站的功能要求日益增加，集中式系统越来 越暴露出不足之处。由于将数据库、数据处理、人机会话等几乎所有功能都集 中于一台机器上，很容易造成计算机负荷过载，因而需要更大、更快的机器， 而机器的性能与价格并非简单的线性关系，这导致系统造价昂贵。同时，由于 许多功能模块装在一台机器上，模块间耦合紧密，相互影响，如果修改一个功 能模块，其它模块往往也需要修改，因此系统功能很难扩充。在后台主站现场， 一般需要多个人机会话席位，这种集中式设计很难满足超过4 个以上操作台的 山东大学硕士学位论文 要求。随着接入装置数目的增多，信息量的增加，集中式系统也无法满足不断 扩充的容量要求。 随着网络技术的普及，国内从9 0 年代开始出现的基于局域网的变电站自动 化系统的后台主站。由于结构灵活，功能强大，扩充性好，性能价格比高，很 快成为主站系统的主流技术。这类系统也称为网络分布式系统。同样是网络分 布式系统，由于软件体系结构的不断进步，又从对等式系统发展到客户服务 器方式的系统，现在又逐步向i n t r a n e t 模式发展口1 。 1 2 超高压变电站自动化监控系统的几种模式 2 超高压变电站自动化系统的结构模式从早期的以集中为主，发展到现在的 以相对分散和分层分布分散为主，经历了一个探索、改进和完善提高的过程， 在模式设计和实际的工程建设中都有应用。变电站自动化系统从起步发展至 今，生产厂商、系统用户、科研院校都作了不少研究和尝试。不同的系统、不 同的地区可能会存在不同的配置方式，归纳起来有以下几种典型模式： l 模式一( 集中式) 模式一是变电站自动化系统发展初期所普遍采用的方式，它将所有保护设 备、自动装置、r t u 、数据采集、遥控执行设备及其它电子设备集中组柜放置 于变电站的中央控制室内，现场设备通过电缆与之联络。其配置框图如图卜1 所示。 图i - i 中，数据采集系统可以是直流采样或交流采样( 发展主流) 方式； r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 负责将数据采集结果、保护信息及站内设备信号 收集处理后送至当地监控系统和远方调度所，此可称为上行；同时，远方调度 所再通过r t u 下发调度命令，如遥控开关、召取保护定值等，此可称为下行。 保护设备可以是微机型保护，这样可以将保护信息以通信的方式送至r t u ，利 用计算机技术，r t u 与保护设备之间的信息交换可以达到较高的水平；也可以 是常规保护设备，但保护动作信息只能通过保护装置输出的动作接点送至r t u ， r t u 获取的保护信息相对较少问。 山东大学硕士学位论文 线 路 保 护 母 线 保 护 主 变 保 护 馈 线 保 护 电 容 保 护 保护设备 自 动 装 置骄 数 采 系 统 现场 设备 图1 1模式一 上述模式的变电站自动化系统普遍应用于老变电站的改造。它的特点 是投资规模小、实施方便、易于维护、运行环境好。 2 模式二( 分层分布式) 分层分布结构是指按照变电站的控制层次和对象，设置全所控制级及现场 就地单元控制级的二层式分布式结构。此模式在一定程度上吸收了国外某些大 公司的配置模式，其配置框图如图卜2 所示。 变电站级 单元级 设备级 图1 - 2模式二 图1 - 2 中，变电站层总线( 或设局域网) 供各主机间和主机与各单元级设备 3 山东大学硕士学位论文 4 间交换信息；变电站层设备装设于控制室内，单元层的保护及测控设备可装设 于开关的小室内，以减少连接电缆的长度和引入线的电磁干扰。 对于它的保护测控设备，在工程应用中有两种方式：一是独立保护装置加 独立i o 测控单元的方式，此方式可靠性高，可维护性强；二是保护测控装置 合二为一的方式，此方式结构简单，经济实惠，对于城网、农网改造工程非常 适合；而且从资源共享的角度讲，保护与测控装置合二为一，避免了以往保护 装置与测控装置中某些功能的重复设置。 此模式在国内一些高电压等级变电站自动化系统中已得到采用，较之模式 一，在安全性、灵活性和可扩展性等方面均提高了不少。 3模式三( 分散式) 分散式结构是指将单元级( 间隔级) 的某些保护测控设备直接下放安装于 现场开关柜中；对于下放安装的保护测控设备，应特别注意其抗恶劣运行环境 等问题，如电磁干扰、震动、温度等。当然，在目前运行条件下，分散安装的 保护测控设备仅针对于馈电线路和补偿电容器组。其配置框图如图卜3 所示。 站 控 级 现 场 级 调度系统当地监控工程师主机 害害 善 害 善 前置机1双向切换前置机2 害善 0善善 i 通信管理机l 通信管理机r l主母高压 今害 变线线路 微机保护测控微机保护测控 保保保护 i ，o 单元y o 单元 护护 开关柜1开关柜n 高压设备、c 1 、p t 等 图1 3模式三 从图1 - 3 可以看出，前置机( 或称为总控单元) 是整个系统的核心，故应选 用高档可靠的工业计算机或选用高性能单片机：它应能完成信息采集功能。 2 6 山东大学硕士学位论文 模式三和模式二的基本系统配置严格来讲并无太大差别，通信网络的设置 也可为工业现场总线或局域网方式。模式二强调从计算机结构的角度来研究物 理上的分布；而分散式则强调地理位置上的分布。 随着新技术的发展、新标准的制订、新应用需求的提出，还会出现与之相 适应的新的系统结构模式。 1 3 超高压变电站自动化监控系统的现状 随着电力系统的发展和电网商业化运营的深入开展，对电力系统的运行进行 调度和控制变得越来越复杂。为提高电网安全、稳定、优质和经济运行水平，国 内许多厂商的高压监控系统已经在实际的电力系统中得到了广泛的推广应用。 由于历史原因，国内以往的监控系统往往是不同的科研项目，分别独立进行 研制开发。用户使用时，需要掌握和维护多套系统，人机界面风格不一致，分析 计算结果不尽相同，使用维护十分不便，严重影响了系统的实用性。国外公司如 a b b ，s i e m e n s 等的产品尽管技术领先，特别是支撑平台技术先进，但是价格昂 贵、产品汉化和本地化程度较差、不完全适合中国国情。 总体来说，目前运行的高压监控系统往往存在以下的不足： 1 系统结构简单，扩展性差，不能够根据实际需要的发展，提供良好的 支持。 2 网络通信采用广播信息发送，传送的可靠性低，无法杜绝网络传送过 程中重要事件信息的丢失。 3 人机界面用户界面设计单一，不能够满足调度、维护、保护等多种不 同管理人员定制界面，快速查询数据服务的要求。 4 没有良好的防病毒和防攻击设计。 1 4 超高压变电站自动化监控系统的发展方向 随着微电子技术、计算机软硬件技术的发展，近年来超高压变电站自动化系 统在以下几个方面都有不同程度的进展。 系统体系结构：由传统的单一的集中模式向与相对分散式、分层分布分散式 多种体系结构模式转变，由传统的面向单个测量、控制对象向面向电网元件( 如 进线、出线、变压器、母线、电容器等) 转变，由各功能单独考虑向系统功能综 合考虑转变，由一味强调功能全面向更强调功能实用和高可靠性转变嘲。 山东大学硕士学位论文 总线结构：无论是模块级、间隔级还是站级，均由专用、低速向通用、标准 化、高速转变，原来采用的位总线、l o n w o r k s 、c a n 、f f 等现场总线统一向以太 网转变，这从国际电工委员会( i e c ) 已经推出的i e c 6 1 8 5 0 系列正式标准 7 - 1 5 中也可看到这个趋势。传统的p l c 技术不能满足日趋增长的对分布式实时控制性 能的要求，传统现场总线技术也是如此1 。经长期实践证明，在所有的网络技术 中，以太网技术是至今最理想的选择，主要原因是： 它充分考虑了今后的发展需要，具有高传输速率和自适应，目前能达到l o m b 1 0 0 岫1 g b 的速率，i o g b 以太网也在部分重要变电站通讯中使用； 高传输安全性和可靠性以及集线器技术的完善和确定性； 1 几乎不需考虑网络的拓扑结构，非常灵活； 2 传输物理介质多样：双绞线、光纤、同轴电缆甚至无线通道都可容纳； 3 集线器的应用可不需考虑网络的扩展； 4 以太网的应用已经建立起一种业界的标准，亦即一个新的工控总线标 准，对应的数据网的建设为使用打下良好的基础； 5 全面与最前沿的i t 技术接轨，被称之为“世界标准 的t c p i p 技术 的全面应用； 6 能满足低成本高性能面向未来的开发需要的软硬件的发展进步。 信息共享度：保护监控功能以及数据共享从逻辑上的结合越来越紧密，物理 上的结合也将随着光电传感技术的不断发展和完善而更加紧密。 防误功能：逐步走向不再配备专门的“五防”闭锁硬件系统，而是把范围更 广的综合防误操作功能结合在系统中，利用监控设备的智能逻辑来灵活实现网络 级的防误操作。 安全性：随着技术开放度的提高、网络功能的渗透、以及国内外形势的复杂 化，系统的安全性更显得特别重要。因此，除加强传统的安全机制外，还应专门 配置变电站自动化系统“黑盒子 来记录自动化系统中的所有操作与通信的状 况，该模块与飞机上的黑盒子类似，具有极大的存贮容量和极强的物理性能，能 忠实地记录下一定时间的所有内外部操作记录。为防止黑客攻击和人为的破坏， 必须与其它网络从物理上隔离，数据单向传输。如果采用网络数据传输，还须考 虑适当的防火墙、物理隔离、数据加密、数据备份、数字认证、多级网管等网络 安全措施。 6 山东大学硕士学位论文 1 5 立题背景和本文主要研究内容 考虑到目前电力系统的蓬勃发展和运行电压等级的不断提高，需要从实际出 发，进一步研究和开发符合市场要求的、技术先进的高压监控产品，特别是高压 监控s c a d a 应用系统的支撑平台。 高压监控s c a d a 应用系统平台是为提高计算机自动化系统的水平，加快高压 监控应用系统的开发速度，使应用系统的使用、维护更加方便而设计的一套应用 支撑系统，系统包括数据采集、数据处理和用户界面三部分，解决了目前高电压 等级变电站监控系统结构简单，系统僵化，扩展性差，适用性单一，兼容性低， 安全稳定性较低的问题。 本文研究了高压监控应用系统平台的理论、方法和技术，结合作者在公司开 发的平台产品，详细介绍了高压监控应用系统平台的原理、方法和实现。主要针 对： 如何构建和实现一个开放的，可扩展的高压监控应用系统平台，完成 系统管理、进程间的数据通信和网络管理服务。 如何构建和实现一个图模库一体化的系统平台，提供更加直观和简洁 易用的用户界面。 具体章节安排如下： 第一章：绪论。综述高压监控应用系统、国内外系统研究和应用的现状，说 明立题背景及本文主要研究内容。 第二章：整体描述高压监控系统的方案设计，包括系统的设计原则，系统的 体系结构、硬件结构设计、软件结构设计。 第三章：高压监控系统的方案详细设计，重点说明本系统实现技术关键，软 件设计包括应用中间件构筑分布式服务平台的设计和实现，图模库一体化的电网 设计，硬件设计包括前置通信系统的实现设计和物理隔离装置在系统中的应用。 说明系统设计的特点。 第四章：根据高压监控系统的一个典型应用画面的实例方案，说明在实际应 用和设计中系统的使用价值。 第五章：总结结论。总结本文工作和主要研究成果，分析尚需解决的问题并 提出进一步的研究方向 7 山东大学硕士学位论文 第二章高电压等级自动化监控系统方案设计 2 1 自动化监控系统的整体概述 近几年实施的数据网工程实现了各省市局主干通道光纤化、信息传输网络 化、电网调度智能化、运行指标国际化、管理手段现代化的目标。在此基础上国 家电网公司“十一五”电网发展重点将是：一要加快建设1000 千伏交流试验 示范工程，不失时机地开工建设800 干伏直流输电工程；在此总的要求下， 进一步研究和开发符合市场要求的、技术先进的高压监控产品，特别是高压监控 s c a d a 应用系统的支撑平台也成为急需解决的课题。 本文研究和构建的超高压变电站自动化系统的实现方案，其结构见下图2 - 1 。 jn“hnn “i i _ 】_ | 、j1 _ 】r m i ： n ；： 图2 - 1系统物理结构示意图 整个系统是分布分散或相对分散，即低压侧的测控保护可按设备间隔或电压 等级分散安装，当然也可以集中布置。系统的设计目标是最大限度地提高抗干扰 能力，尤其是防止由传导引起的干扰。 山东大学硕士学位论文 2 1 1 站级控制层 站级控制层为全所设备监视、测量、控制、管理的中心，通过光纤传输，接 受现场采集的开关量、模拟量与电度量信息，以及向现场发布控制命令，通过 远动通信工作站与调度通信中心进行远方数据通讯。 系统采用三级总线结构。站级总线采用标准高速以太网络，l o 1 0 0 1 0 0 0 肥 自适应以太网总线结构，提供了高速的当地人机交互手段和完善的s c a d a 功能； 设备级采用标准i 0 0 m l b 以太网，比传统的现场总线从传输速率上提高了几个数量 级，为模块间提供了通畅的数据高速公路，为多个上级调度中心提供了充裕的数 据通道，且为直接接入广域网提供了便利手段。各级总线网络通信协议均采用 t c p i p 。 2 1 2 间隔级控制层 间隔级控制层采集各种实时信息，监测和控制间隔内一次设备的运行，自 动协调就地操作与变电站层的操作要求，保证设备安全运行，并具有就地远方 切换开关，在站控层及网络失效的情况下，仍能独立完成间隔层的监测和控制 功能。间隔级控制层设备包括测控单元、智能接口设备、g p s 对时装置、输入 输出继电器、保护及网络接口设备等。测控单元必须按电气安装单位一对一配置。 一般来说包括以下部分： 测控单元 间隔层内每个断路器单元对应一个测控单元，一台主变设置三个测控单元， 主要完成变电站各间隔设备状态的测量、控制、监视，上传间隔设备的运行状态， 接受后台监控系统、调度端、巡检中心下达的指令，具有断路器同期合闸功能， 涉及本间隔开关和刀闸的联闭锁需在间隔层完成。 测控单元应提供在站控层设备停运或其他紧急情况下的手动操作，并能与正 常状态下的计算机操作性户切换。 通讯网络 网络拓扑应采用分层、分段方式，变电层和间隔层的网络有物理隔离，提高 网络安全性和网络性能。网络通讯设备符合工业级标准，不使用商用设备。和其 它网络系统互联要有硬件隔离措施，提高系统互联的安全性。 9 山东大学硕士学位论文 2 2 自动化监控系统的设计原则 系统的总体设计目标是：采用最新的计算机软、硬件技术，建立一个集电网 监控、分析研究功能于一体的高压监控系统。系统设计时遵从下述原则： 1 先进性 采用九十年代以来技术最先进、应用最广泛的c l i e n t s e r v e r 主从分布式体 系结构。系统可选用统一的软件平台u n i x w i n d o w s 操作系统，也可以混合使用， 不影响系统功能和性能指标，还可以使系统的性能得到优化。 2 伸缩性 根据用户应用系统的实际需要和投资状况，可灵活选择系统的软、硬件配置。 系统具有跨多硬件平台的特点，可选c i s c 或r i s c 多种工作站、服务器、高档微 机以及对称多处理器机( s 肝) 等硬件平台。系统的规模可任意选择从单台机器 到多台机器、单种机型到混合机型进行配置。 3 扩充性 在系统的生命周期中，系统的功能有可能不断地增加。因此，系统的体系结 构必须适应这一需要。系统的应用软件采用模块组装式结构，可方便地对应用模 块进行扩充。便于系统的二次开发。 4 灵活性 系统中应用软件各功能模块，以数据库( 包括静态数据库和实时数据库) 为核心灵活分布在网络的各个节点上，并且能在任意节点机上运行，做到“即 装即用 。 5 安全性 系统硬件可采用双机、双网、双电源、可接入双通道等冗余设计结构，发生 故障时可自动切换，保证系统的不间断可靠运行。操作系统和数据库满足c 2 级 安全性要求，并配合系统设计不同节点不同操作权限、不同用户不同操作权限， 可保证系统满足严格的安全要求。对于系统的互联( i 、区之间的安全隔离) ， 可以采用国家经贸委推荐的物理隔离装置通信，同时保证系统的实时性。必要的 情况下可以增加防火墙等设备。上述方案的采用可以防止黑客或者病毒的侵犯， 保证系统的安全。 6 实用性 变电站自动化系统作为电网调度自动化的一个子系统，应服从电网调度自动 1 0 山东大学硕士学位论文 化的总体设计，其配置、功能包括设备的布置应满足电网安全、优质、经济运行 以及信息分层传输、资源共享的原贝i j 。 分散式系统的功能配置宜采用下放的原则，凡可以在间隔层就完成的功能如 保护、备用电源自投、电压控制等，无须通过网络和上位机去完成。2 2 0 k v 枢纽 站及2 2 0 k v 电压等级以上的变电站，其网络层和站级层宜采用双重化、冗余配置， 以提高系统可靠性。 7 无人值班的设计 按我国的实际情况，目前超高压变电站还不大可能完全无人值守，即使是无 人值守，也有一个现场维护、调试和应急处理的问题，因此设计时应考虑远方与 就地控制操作并存的模式。同样，保护单元亦应具有远方、就地投切和在线修改 整定值的功能，以远方为主，就地为铺，并应从设计、制造上保证同一时间只允 许其中一种控制方式有效。 8 通信安全的设计 目前无论国内还是国外的分散式变电站自动化系统各部件之间的联系大部 分采用串行口通信方式( r s 2 3 2 c ，r s 4 2 2 ，r s 4 8 5 总线等) ，其通信速率和资源共享 程度均受到限制，故建议采用局域网( l a n ) 通信方式，尤其是平等( p e e r - t o p e e r ) 网络，如总线型网( 介质共享型) ，即网上每个节点都可与网上其他节点直接通信， 例c s c - - 2 0 0 0 型采用的l o n w o r k s 网，d i s a 一2 ，d i s a 一3 型采用的c a n n e t ( c o n t r o l a r e an e t w o r k ) 网等 3 。 2 3 自动化监控系统主站的硬件设计 高压监控系统具有跨多硬件平台的特点，系统投资规模可依计算机机型不同 有很大选择余地。 2 3 1 双倍冗余结构 为适应变电站自动化系统的高可靠性要求，高压监控系统的前置机和其它有 特殊要求的关键设备，均设计为双倍冗余结构，在故障情况下可以自动切换。冗 余配置的各个子系统满足以下要求： 在任何时刻保证冗余配置的设备之间可完全相互切换，作为值班设备或备用 设备运行。 山东大学硕士学位论文 保持主备设备之间数据的一致性，使备用设备可随时接替值班设备投入在线 运行。 备用设备采用最近的实时数据断面，接替主机运行。 冗余配置的设备，切换方式分手动和自动。 冗余热备用设备之间实现无扰动切换，热备用设备接替值班设备的切换时间 小于5 s 。如果具有离线备用设备，一般的离线备用设备接替值班设备的切换时 间小于5 m i n 。高压监控系统的软件功能模块具有“即装即用”特性，每一功能 模块可以备份安装在多个节点机上，互为热备用。当某一节点机出现故障时，系 统功能可自动切换到其它节点机，保证系统的可靠运行。这突破了传统的冗余必 须与具体硬件直接相关的约束。 2 3 2 网络结构 为进一步确保数据通讯的可靠性，采用双重网络结构。系统采用交换网络技 术，其网络传输速率可达i o o m b 。双网络同时工作，负载自动平衡，故障时可以 实现自动切换，单一网络故障不影响整个系统的正常工作。 2 3 3 数据服务器 系统采用了c l i e n t s e r v e r ( 客户服务器) 分布式体系结构，服务器是系 统的历史数据库和描述数据库的管理中心，历史数据库和描述数据库以及历史数 据和描述数据的处理模块均在其上运行。 s c a d a 服务器用来实现实时通讯的处理和实时数据库的处理。终端服务器直 接接入该服务器以实现前置通讯部份的网络接入与s c a d a 实时网段有效隔离。 2 3 4w e b 服务器 w e b 服务器用来实现s c a d a 与外部系统共享实时历史数据、图形、报表等， 为其它系统的访问、共享提供多种方式和工具，同时实现了与其它系统的有效隔 离( 网段物理隔离) ，可防止其它系统的侵入和无理访问，为实时系统的安全、 可靠运行提供了保障。 w e b 服务器提供与主服务器完全一致的数据库备份，实时数据库映射在其内 存中，提供作为s c a d a 与m i s 共享服务器的实时数据发布机制和数据库访问的标 准接口，并提供供浏览器访问的标准格式的所有图形、报表等信息。 1 2 山东大学硕士学位论文 w 二8 服务器同时可以作为远程联网服务器，提供远程访问的管理及信息共享， 为异地维护和远程值班提供拨号登入服务。 2 3 5 值班员工作站 主要供值班员监视电网运行状态、处理电网事故等。配置两台图形工作站， 维护工作站用于远动维护等工作。 2 3 6 五防工作站 提供和五防系统的通信。配置一台图形工作站，用于远动维护等工作。 2 3 7 时钟系统 g p s 卫星同步时钟提供高精度的标准时间，可作为高压监控系统的基准时钟， 精度为1 0 - 6 秒，并可通过与r t u 的通信同步全网r t u 时间。 g p s 时钟面板可以显示年、月、日、时、分、秒。 g p s 时钟装置提供4 个串行口，可同时对4 套系统校时。 2 3 8 打印设备及其它外设 系统可配备多种型号的激光、针式、喷墨打印机，扫描仪，数字化仪，数字 照相机等。打印机可分别挂接在不同节点机上，每台打印机均可设定为网络共享， 供任一网络节点机使用。这种方式比集中配置的工作方式具有更高的可靠性和利 用率。 1 3 山东大学硕士学位论文 2 4 自动化监控系统主站的软件设计 系统软件体系结构的一个重要特点是广泛采用了客户服务器工作方式。不 仅对数据库的访问是客户月艮务器的方式，而且对系统实时库的访问以及各软件 模块之间数据的交互也都是客户服务器的方式。这种工作方式优化了系统结构， 化解了系统复杂性，提高了系统效率。 系统的支撑平台采用多层结构，主要包括数据库管理、网络管理。分布式管 理层是以应用中间件和软总线实现的。 应用中间件和软总线：系统实现分布式系统的协调运行，采用软总线技术， 提供位置透明的通信手段，隔离操作系统和硬件平台的相关性，保证系统的灵活 扩充性。为应用和用户提供良好的管理、运行、开发环境。 数据库管理设计：采用分布式系统管理的思想，建立包括实时数据库、历史 数据库和应用数据库的管理。实现分布式数据库的建立、查询、更新、复制、维 护等功能，保证分布式数据库的共享性、可靠性、安全性、完整性、一致性、分 布透明性等方面的功能，具备并发控制机制，实现全局一致性，保证分布式数据 库同步更新和故障恢复。 网络管理：系统管理实现对整个系统中的设备、功能及权限等进行分布化管 理，以维护系统的完整性和可用性，提高系统运行效率。 1 4 山东大学硕士学位论文 监控系统软件的系统结构如图2 2 所示： 图2 - 2系统软件结构示意图 主站的软件采用标准的三层结构，由下至上为：平台层( 操作系统等支撑平 台) 、中间层( 业务逻辑、服务器层) 、应用层。 平台层：操作系统：a i x ；h p - u x ；l i n u x ；t r u 6 4u n i x ；w i n d o w s ：s o l a r i s ：s c o u n i x ；数据库：商用数据库o r a c l e9 i ，s q ls e r v e r2 0 0 3 ；t c p i p 各种网络协 议等。 服务器层：各种专用功能的服务器模块构成系统逻辑处理的核心。该部分利 用数据库资源，将系统需处理的信息有效地组织，并进行分析，为后台各种应用 提供支持。关键服务模块可以网内主辅运行，达到最大限度的安全性，即能实现 软件冗余功能。 应用层：为各部门的各种应用提供人机交互的界面。完成对服务器数据的再 组织和多种方式的展示，提供系统所有和调度员相关的操作。图中所示应用层软 山东大学硕士学位论文 件模块可以根据需要安装，亦可随着发展增加其他新的模块。 系统三层结构通过专用通讯支撑软件s b 软总线实现各层模块之间的数据传 送，网络内每个运行软总线的机器都被认为成个节点，节点机之间可以通过软 总线通信，各个节点机之间建立对等的关系，在一台机器上可以查看网络内其他 和本节点机的模块运行情况、数据通讯情况、主辅情况，并可对运行的模块进行 管理。 三层结构的系统主要是以下软件模块构成： 软总线( s b ) ：s b 负责系统软件功能模块管理和模块间的互相通信，系统中所有的节点都 运行有s b ，所有节点的s b 互相协作在全系统范围中建立起一个分布式软件应用 环境。 通信服务器( c c l d ) 主要功能有建立并维护通信服务器的数据库表，接收终端设备发送的实时数 据、发送终端控制命令，控制系统的实时数据与其它系统的传输。支持智能通信 卡和终端服务器两种方式； 事项服务器( e v t s e r v e r ) 主要负责系统中各类事项的管理，系统中各服务器产生的事项全部由事项服 务器来集中管理和处理。事项服务器同时负责向人机界面传送事项内容，通过人 机界面展示给用户； 实时服务器( r t s e r v e r ) 实时服务器是系统数据处理的中枢，负责接收从通信服务器传递来的实时电 网数据、对实时数据的处理、控制其他模块对实时数据的访问和使用；该模块同 时还负责历史数据、运行数据的缓存及历史数据的入库处理； 数据库编辑器( d e d i t ) 数据库编辑器是系统构建的基础，数据库编辑器是测试服务器上的基本模块 之一，它与建模工具配合实现绘图填库和设置数据参数。主要功能有：创建测试 服务器的o d b c 数据源；创建和管理主服务器、第三服务器、测试服务器的数据 库；管理系统实时信息如遥测、遥信和电量等参数的设置等； 图库一体化建模工具( 1 e s d r a w ) 系统电网对象模型的建立工具，采用图库一体化的方式，在绘图的同时完成 1 6 山东大学硕士学位论文 数据库的录入。建模工具不仅描述了各种电网设备，而且还描述了他们之间的连 接关系。绘图工具还要负责系统中一般电气接线图、棒图、曲线图等图形的绘制 与维护； 人机操作界面( e s 5 0 0 m m i ) 系统与操作使用人员进行信息交互的接口，系统通过人机操作界面把各种运 行数据和信息展示给用户，并接受用户在权限范围内发出的各种操作命令； 报表( t a b s e r v e r ) 定时、人工生成报表，实时召唤报表并可实现报表的定时、召唤打印。对报 表的格式可根据需要方便的定制和修改； 实时w e b 发布( r t w e b s v r ) 采用i n t e r n e t i n t r a n e t 模式向m i s 网实时发布配电网信息。w e b 发布采用 系统内m m i 完全相同的图形，无须重新绘制专门的图形或图形转换，浏览器界面 显示效果与m m i 完全相同，在浏览器界面上支持缩放、漫游、设备定位等功能。 2 5 小结 本节对高压监控系统的整体结构进行了描述，重点说明了目前高压监控系统 所处的运行环境和监控对象，论述了系统的软件结构和硬件结构，提出了以以可 扩展性，可靠性，可维护性为核心的系统设计原则。描述了采用最新的计算机软、 硬件技术，建立一个集电网监控、分析研究功能于一体的高压监控系统的技术思 路。 1 7 山东大学硕士学位论文 第三章高电压等级自动化监控系统关键技术设计 3 1 前置通讯方案设计 对应于电力系统安全生产的要求，数据的接入和处理要充分考虑连续性和冗 余性的要求，所以系统设计的重点就是不能存在单点故障，即不能由于单点的故 障影响数据和监控的连续性纠。 为了达到这个目标，系统提供面向通信通道和终端( p o r t ) 的描述，而不是