城轨监控技术课程设计

（封面）

XXXXXXX学院

城轨监控技术课程设计报告

题目：

院（系）：

专业班级:

学生姓名:

指导老师:

时间:年月日

课程设计

L工程概况

XX市地铁X号线工程全长26.188公里，其中线路中间段为地下线，两端为地

上线，全线共设车站22座，(其中地下站13座，高架站8座，地面站1座)，车辆

段、停车场、控制中心和综合办公楼各一座。

地铁电动车组受电方式为DC750V接触轨上部受电方式。

地铁供电系统采用集中供电方式，分别由A、B、C、D四个35/10kV主变电所向

地铁沿线AC10kV/DC750V牵引变电所及10/0.4kV降压变电所供电。全线共设主变

电所4座、牵引降压混合变电所16座、降压变电所8座、跟随式变电所2座。

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W1000m

大气压力：86〜108kpa

振动：f<10Hz,振幅为0.3mm；10HzVf<150Hz时,加速度为0.lm/s?。

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W1Q

2.2牵引、降压变电所内环境

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°C/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T0℃〜+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W1000m

地震烈度：<7度

II

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3.设计内容

3.1设计依据及范围

3.1.1设计依据

1.国家计委项目建议书批复文。

2.《XX市地下铁道X号线工程可行性研究报告》。

3.设计合同。

4.XX市市政工程局技术委员会关于对《XX市地下铁道X号线可行性研究报告》的

评审意见。

3.1.2设计范围

1.控制指挥中心内目力监控调度中心的设计，电力监控系统设计；

2.综合维修基地供弓车间复示终端设计；

3.控制站与被控站之间远动通道设计；

4.新建及改建主变习所、牵引降压混合变电所、降压变电所的监控系统被控站通

信接口设计；

5.监控系统与通信、信号、房建、电力配电等其他专业之间的接口设计。

3.2SCADA系统构成

3.2.1主要设计原则

1.电力监控系统由控制站、远动通道及被控站组成。

2.控制站采用计算机型电力集中监控装置，1：N结构。

3.问答式通讯规约，通道结构为点对点方式。

4.通道采用地铁综合通信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。

5.控制站与通信站及被控站与车站通信机械室之间为双绞线形式的RS485或RS422

接口。

6.控制站具备与其它系统的通信接口能力。

7.系统设备选型立足于国产化。

3.2.2主要设计标准

1.《远动系统和设备》(IEC870-88)

2.《地区电网数据采集与监控系统通用技术条件》(GB/T13730-92)

3.《远动终端通用技术条件》(GB/T13729-92)

4.《计算机场地技术要求》(GB/2887-89)

5.《地下铁道设计规范》(GB50157-92)

III

课程设计

牵引降压混合变电所主接线图

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摘要

城市轨道交通综合监控系统是一种大型的SCADA监控系统。它基于系统骨干网，

通过专业接口装置，在SCADA系统软件平台上实现多专业、多系统的数据采集、信

息集成和信息共享，为城市轨道交通科学和高效的运营组织和管理提供先进的技术

手段。

本文通过设计中央监控主站、变电站综合自动化系统、通信信道，对城市轨道

交通监控系统的整体概貌有一个清楚的认识。本文主要介绍中央监控系统的构成与

功能及其配制、网络采用的方案、变电站综合H动化系统的功能及其配置，网络接

线方案等。在变电站提供复示终端，为工作人员实时了解变电站的运行情况提供一

个接口。通信信道主要采用工业以太网技术，能够很好的实现多个专业的接口。工

作人员能及时了解变电站各个设备、线路以及保护设备的故障情况，保证城市轨道

交通供电系统能够安全、稳定、正常的运行，为最终实现变电站的无人值守创造条

件。

关键词SCADA系统；综合监控系统；中央监控系统；工业以太网；变电站综合自

动化系统；复示终端

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目录

城轨监控技术课程设计原始资料.............................................I

摘要..................................................................VI

第一章城轨电力监控（SCADA）系统构成..................................1

1.1城轨电力监控系统主要设计原则.......................................1

1.2城轨电力监控系统主要设计标准.......................................1

1.3城轨电力监控系统应实现的功能.......................................1

1.4城轨电力监控系统构成与配置.........................................2

第二章中央监控系统.......................................................3

2.1概述................................................................3

2.2中央监控系统功能....................................................3

2.4中央监控系统结构....................................................8

2.5中央监控系统硬件配置方案............................................9

第三章变电站综合自动化系统..............................................11

3.1概述...............................................................11

3.2系统主要功能.......................................................11

3.2.1微机继电保护的功能............................................11

3.2.2监视控制功能..................................................11

3.3变电站综合自动化系统方案设计......................................14

3.3,1系统构成.......................................................14

3.3.2变电所综合自动化系统的结构模式................................16

3.3.3变电所综合自动化系统间隔层设备组态模式.......................17

3.3.4变电所综合自动化系统网络模式..................................17

3.4系统硬件配置.......................................................18

3.5变电站综合自动化系统监控对象......................................19

3.6主要技术指标.......................................................19

第四章通信信道..............................................22

VII

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4.1工业以太网..........................................................22

4.1.1网络的通信带宽.................................................22

4.1.2网络的通信媒介.................................................22

4.1.3网络的拓扑结构.................................................22

4.2变电站的通信网络实现............................................22

4.3变电站与中央监控系统的通信接口.....................................23

4.4传输介质...........................................................23

4.5网络拓扑结构........................................................23

4.6变电所综合自动化系统国产化分析....................................26

第五章复示终端系统....................................................27

5.1概述................................................................27

5.2复示系统的组成....................................................28

5.3复示系统的功能.....................................................29

5.4复示系统的特点.....................................................30

后记...................................................................31

参考文献.................................................................32

附录一四遥对象概述表...................................................33

附录二主要工程数量表..................................................35

附录三主要设备表.......................................................36

VIII

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第一章城轨电力监控(SCADA)系统构成

1.1城轨电力监控系统主要设计原则

1.电力监控系统由控制站、远动通道及被控站组成；

2.控制站采用计算机型电力集中监控装置，1：N结构；

3.问答式通讯规约，通道结构为点对点方式；

4.通道采用地铁综合通信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；

5.控制站与通信站及被控站与车站通信机械室之间为双绞线形式的RS485

或RS422接口；

6.控制站具备与其它系统的通信接口能力；

7.系统设备选型立足于国产化；

1.2城轨电力监控系统主要设计标准

1.《远动系统和设备》(IEC870-88)

2.《地区电网数据采集与监控系统通用技术条件》(GB/T13730-92)

3.《远动终端通用技术条件》(GB/T13729-92)

4.《计算机场地技术要求》(GB/2887-89)

5.《地下铁道设计规范》(GB50157-92)

6.《地铁直流牵引供电系统设计规范》(GB/T10411-89)

7.《铁路电力牵引供电远动系统技术规范》(TB10117-98)

1.3城轨电力监控系统应实现的功能

城市轨道交通电力监控系统主要是对城市轨道交通全线各类变配电所、接触网

等电力设备运行情况进行分层分布远程实时监视和控制。调度中心及时掌握各个变

电站的运行情况，直接对设备进行操作，及时了解故障情况，处理供变配电系统的

各种异常事故及报警事件，保障系统的正常运行，提升供变配电系统调度、管理及

维修的自动化程度，提高供电质量，并且还可做到与其他白动化系统互换数据，充

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课程设计

分发挥整体优势，进行全系统的信息综合管理，保证系统安全、可靠地运行。

1.各级调度端在其管辖范围内应具备基本功能:

＞接收及处理远动终端发送的实时采集数据。

＞又寸可控电力设备进行遥控操作。

＞远动数据采集、分析处理及控制。

＞对实时采样数据进行分析与处理。

2.远动终端应具备下列基本功能:

＞实时数据采集及传送；

＞接收及执行遥控命令并向调度端发送返回信息；

＞具有当地选测、选控功能；

＞远动终端设备应具有程序自恢复功能和设备自诊断功能；

＞具有信息J面直监视功能，并可进行主用、备用通道自动切换；

3.数据通信通道应具备下列基本功能:

＞完成通信规约的转换；

＞完成调度端与远动终端之间的数据传输；

1.4城轨电力监控系统构成与配置

电力监控系统由电力调度中心中央监控系统、变电所综合自动化系统、通信信

道、供电复示综端四部分组成。调度端宜设在运营管理段的电力调度室内。远动终

端宜设在变、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。在控制中心及车站集成了电力监控系统、环境与设备监控系统(BAS)、火

灾报警系统(FAS)、PIS、PSD等系统，综合监控系统为这些不同的系统提供了一个

综合信息的平台，这些系统的主要硬件、软件均由综合监控系统来统一构建，综合

监控系统实现各系统在中心级和车站级的系统功能。系统构成图见附录一。

控制中心设备牵引供电安全监控子系统的控制中心设备以牵引供电综合调度

子系统设备为核心，经计算机网桥设备与综合安全监控系统控制中心设备联网。一方

面综合调度子系统控制中心将接收到的灾害监测等信息经数据处理后，根据控制级

别耍求，由网桥设备传输到综合安全监控系统;另一方面综合调度子系统经网桥设备

接收来自综合安全监控系统控制中心传输的有关综合灾害监测信息;同时两系统间

可实现电子邮件的互传。牵引供电综合调度子系统设备应配置灾害信息处理、显示、

打印软件,同时设置灾害信息专用数据库或数据库专用区域，提供人机交互式操作、

维护界面；变电所综合自动化系统设备主要包括控制信号盘及其内部的主监控单

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元、后台监控计算机、打印机、UPS（不间断电源），以及安装在各开关柜内的综合保

护测控设备和智能电子装置，还有网络通信设备、所内通信网络等；远动通信信道

电力监控系统使用的远动规约是车站变电所端和OCC中央调度系统端相互交流的

语言。

第二章中央监控系统

2.1概述

电力监控系统完成对城市轨道交通全线各变电所、接触网设备运行的远程实时

控制、监视及测量，处理供变电系统的各种事故及报警事件，实现供变电系统的运

行、维修调度管理自动化，提高供电质量，保证供电系统安全、可靠地运行。

从今后轨道交通企业信息网发展的全局考虑，控制中心监控系统位于承上启下

的中间环节。为此，系统设计应充分考虑其应用扩展性及与其它系统的互连性。开

放性设计是关键要素，要应用成熟的国际与工业标准。在系统构成上，采用并设计

开放式的系统支撑平台结构与应用平台结构。两平台应为分离架构。

2.2中央监控系统功能

中央监控系统，即电力调度中心主站系统，简称电力调度中心，其功能主要有

控制、数据采集处理、显示、报警、查询等。

1）控制功能

主控系统在遥控操作方面具有完善的操作手段及安全措施，保证系统的安全、

可靠、方便的控制操作，对变电所内满足联锁约束条件（如果存在）并允许遥控的

开关、刀闸进行〃分〃、〃合〃控制，或对主变分接头进行升降调节操作。并生成操作

过程的全部记荥，所有遥控联锁条件自动判定。系统配置如下遥控功能：

（a）单独控制

通过鼠标（键盘）操作对变电所内可以远方操作的开关设备、自动装置的投/

切、主变分接头、微机保护等间隔层设备的信号复归等进行控制，可进行控制前条

件校核，防止误操作。遥控过程完全按照“选择一返校一执行”的原则操作执行，

确保控制操作准确可靠。操作前需登录，有必要的安全检查、提示、口令检验、返

校、确认、撤消及防同时操作功能等，人为注铛后取消控制权。

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课程设计

(b)程序控制控

将若干个单控组合在一起，以简化操作步骤，完成供电系统所内、所间数个开

关的倒闸作业。在程序控制执行前首先自动检查各控制对象是否具备控制条件，若

不具备程控条件，列出不具备控制的控制对象，并提醒值班人员注意。在程控过程

中可以人为终止程控的执行。程控选择后，不对位开关进行预闪提示以防误操作。

程控执行方式也可分单步执行和自动执行。程控执行成功或失败均有相应的汉字提

示，任何一种程控方式均可因控制过程中事故的出现而自动中止或由调度员进行手

动中止。

2)遥信及信息处理功能

(a)遥信显示

遥信信号内容：断路器、主要的刀闸位置信号，有载调压变压器抽头位置信号,

变电所内事故信号、预告信号，通信工况异常信号、装置自检信息等。

正常运行状态时，各变电所将各种设备的运行状态和信息实时地传递到控制中

心的主控系统，实现控制中心通过监视器装置和大屏幕系统对各变电所供电设备运

行状态的监视。

当变电所设备或援触网发生故障时，把故障信息迅速地传递到控制中心显示、

打印，同时启动音响报警，操作员按〃确认键〃后，解除音响。所有异常信息分类分

颜色显示和打印，报警程度分四级，各级含义和颜色在数据库中定义。音响报警包

含事故报警和预告报警两种，以不同的级别音响报警。

(b)报警信息处理功能

＞事故报警

当事故发生时，在监视器故障窗口显示故障站名，系统自动推出故障所在的变

电所主接线画面，相应的自动变位模拟开关闪烁，同时在故障细目画面显示事故内

容。按闪光复归键后停止闪烁，模拟开关显示绿色，故障细目画面自动消失，若故

障仍存在，则保留故障细目内容。若同时有两个及以上变电所发生故障时，在监视

器故障显示窗口同时显示发生故障的站名。系统具有拓扑着色功能，故障停电的部

分自动转为灰色或其它指定的颜色。大屏幕投影显示屏上相应的站名、故障信号显

示区域变为红色闪烁、变位模拟开关闪烁。按闪光复归键后停止闪烁，开关的状态

显示与设备实际情况对应，若故障仍存在，则站名和故障信号显示为红色，否则恢

复绿色。在监视器报警画面上显示事故发生的详细内容，并在打印机上进行打印，

内容包括：故障发生地点、对象、性质、时间等，打印颜色为红色。

＞预告报警

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当某站发出预告信号时，在监视器报警画面上显示详细预告内容，并在打印机

上进行打印，包括站名、对象、性质、发生时间等。

大屏幕系统显示屏的站名、预告信号显示区域闪烁。确认、复归处理方式与事

故处理方式相同。

当控制中心接收到预告信号，发出音响报警，操作员按〃确认键〃后，解除音响。

为了避免过多的报警对操作人员的影响，系统可以定义雪崩条件，在雪崩条件下，

非关键性报警被自动抑制以免干扰操作员的事故处理注意力。雪崩条件预先定义并

可在线编辑。

系统具有模拟操作功能，运行值班人员可进行各种模拟操作而不对系统正常运

行造成任何影响。模拟操作界面与实际界面一致。

3）遥测及数据处理功能

系统对变电所主要电源、电压、功率、电度、主变温度等模拟量或脉冲电度量

和保护装置的参数设定值、保护动作值等数字量进行实时采集，并使模拟量在监视

器的主接线画面上或通过窗口、曲线、棒图等方式动态显示并打印出来。对变压器

过负荷情况和出现时间，各种模拟电量的极值和出现时间进行统计，并对越限量报

警。

4）遥调功能

主控系统可对主变电站内有载调压变压器分接头位置进行调节，遥调结果在监

视器主接线画面上显示。

5）模拟操作

开关不下位模拟对位操作；闭锁、解锁操作；挂地线操作；

6）调度事务管理功能

控制指挥中心根据从变电所采集的设备运行信息，保护、开关动作等信息，设

备异常信息，分析设备的动作次数、累计运行时间、异常或故障发生情况、为调度

决策提供依据。

7）供电系统运行情况的数据归挡和统计报表功能

分类保存操作信息、事故和报警信息的历史纪录，系统可根据调度人员需要按

时间、对象、事件性质等不同方式进行检索，以便进行查询和故障分析；实现模拟

量测量数据及开关跳闸次数等的日报、月报、年报等统计报表。报表的格式，定义

打印的时间均可以修改，已经生成的报表可以用阅读软件在其他计算机浏览。

主控系统能够提供报告模板。允许操作员〃修改、另存〃的方式来增加报告模板。在

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不重新启动服务器和操作员站的情况下，修改后的报告模板可以直接被系统使用。

报告既可以定时输出，也可以根据操作员命令输出。输出报告的格式和打印报告的

时间间隔，用户可以在线定义。

8）信息查询功能

用户可设定时间和项目在系统中查询各种实时、历史信息。被查询的信息可以

是一定时间内的变化过程，被查询的过程可以被重新演示，即过程回顾、事故重演。

9）用户画面显示功能

系统提供图/模/库一体化的作图软件包，通过使用系统提供的作图软件包和图

形显示软件包。

10）打印及画面拷贝功能

打印管理实现对系统信息打印的管理功能，提供实时运行信息打印及定时报表

打印功能。系统支持对图形、报表、曲线、报警信息、各种统计计算结果等的打印。

同时对所有监视器画面均可实现随机拷贝。画面管理支持画面的拷贝、重命名、画

面支持等功能。用户生成新画面时可拷贝系统原有画面，在此基础上进行修改，减

轻画面生成工作。画面编辑过程中提供对所有图元、数据、区域的编辑、拷贝、删

除等操作功能。所有图形自动保持全网一致。

11）大屏幕系统功能显示

主控系统控制的大屏幕支持动态显示各变电所开关位置及接触网带电状态。可

以灵活定义显示内容及显示窗口，支持多屏幕拼接显示方式。

12）对各种重要命令和操作设置超时监视，超时时间可调。

主控系统对于各种重要命令和操作可以设定超时监视，例如返校时间，操作时

间等等，超时时间可以调整。

13）系统具有防止各种误操作所造成的锁机现象的功能。

主控系统不会由于误操作锁机。对于错误操作，系统会给出提示。

14）培训功能

系统具有对操作人员、运行维护人员进行上岗培训功能，使其掌握电力监控系

统的运行管理、操作、以及日常维护、故障排除、替换故障元件等业务。

15）口令功能

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课程设计

对各等级的运行管理人员进行口令级别设置，以确定管理人员的管理范围，管

理人员在岗位交接班时用口令替换形式完成。口令级可分为操作员级、应用软件级

（包括数据库）、系统软件级等。

16）汉化功能

系统人机操作界面进行全〃汉化〃处理，系统最低应配置中华人民共和国一级汉

字库。

17）系统的维护、修改、扩展功能

系统具有对各种用户画面、数据库、系统参数等实现人机交互式在线维护、修

改、编辑、定义、扩展等功能。

18）系统自检功能

系统具有远方诊断功能，具有容错、自诊断、自恢复功能，主站设备刍检标志

达到设备级，被控站设备自检标志达到模块级，故障时能提示报警并记录和召唤打

印。当系统外部断电恢复后，系统能够自动恢复正常运行。

系统具有对各通道进行监视的功能，并能对通道误码率进行统计。

19）事件顺序记录（SOE）

全网时钟统一对时，亳秒级精度记录主要断路器和保护信号的状态、动作顺

序及动作事件。形成动作顺序表。除显示于系统画面外，并可打印（召唤和自动打

印）、存到历史数据库中，帮助调度运行人员判明系统事故起因和断路器跳闸顺序。

对采用接受系统对时方式同步的变电所综合自动化系统，可对通信线路传输

引起的时延进行校正计算；

周期性的进行时钟同步。

20）数据转发功能

实时数据可以通过网络转发；

转发界面友好、统一，用户可自行增删及修改；

转发过程可控制多路转发，用户可以实时启动、定时启动或人工启动。

2.3中央监控系统网络配置方案

中央监控系统网络配置方案主要有双冗余网络配置、单网配置和数据采集网与

应用网分别配置。三种方案比较如表3-1所示。

表3/中央监控系统网络配置方案比较

比较类别双冗余配置网络单网配置数据采集网与应用网分别配置

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课程设计

运行方式主备或同时运行单台运行两网分开运行，彼此之间无影响

可靠性可靠性高可靠性低可靠性低

经济性投资较高投资较低投资较低

适用范围标准较图工程标准较低工程标准较低工程

网络配置方案确定：通过以上比较可知，如果工程标准较低，可选用数据采集

网与应用网分别配置的方案；如果该工程标准较高，则需要采用双网冗余配置方案,

保证系统正常、高效运行。由于地铁供电系统工程标准较高，故采用双冗余网配置

方案。

2.4中央监控系统结构

基于中央监控系统设计原则所设计的一个轨道交通的电力监控和数据采集系统

(SCADA)整体网络拓扑结构如图3T所示。控制中心与被控站之间采用通信系统专

用透明以太网络通信通道。控制中心监控系统主要包括冗余SCADA服务器、冗余数

据库服务器、操作员工作站、统计报表工作站、维护工作站、网关等主要节点。其

中冗余数据库服务器采用共享磁盘阵列实现数据高度一致共享，采用RAID5逻辑磁

盘组实现磁盘冗余备份。系统采用冗余100Mbit以太网双网体系结构，网络通信协

议为TCP/IP协议。正常情况下，两个LAN网同时工作，传送不同的系统信息。当其

中一个网络发生异常或故障时，系统自动将全皆需传送的信息切换到另一个网络

±oSCADA服务器利用隔离的数据采集网，接收被控站通过通信系统专用透明以太网

络通道上传的生数据，将其处理成熟数据后，从网络服务器后端的双网提供给全系

统其它节点机使用。位于停车场的供电复示系统，通过通信系统提供的透明以太网

通道与控制中心监控系统通信。供电复示系统利用网络服务器作为路由，从采集网

经由网络服务器享受后端主网的数据服务。

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课程设计

图3-1中央监控系统结构图

2.5中央监控系统硬件配置方案

中央监控系统的硬件设备组成有以下特点:采用主备、冗余、分层、分布式c/s结

构，TCP/IP协议，具有有效的故障隔离和抗干扰措施。主要硬件设备有以太网交

换机、服务器（实时、历史及磁盘阵列）、前端处理器、各操作员工作站、打印机、

大屏幕显示器和在线式不间断电源（UPS）、紧急后备盘（IBP）等，分别分布在控制

中心和各车站、车辆段。

1.局域网络设备

控制中心局域网结构根据4.2节内容选择交换机配置数量。交换机接口的数量

根据工程实际情况选择，并预留一定数量端口。交换机应尽量选择标准配置。

选择端口类型时，需要考虑系统与通信网络的接口距离，如果双方接口距离较

大（超过100米），应选择光接口，避免增加单独的光电转换装置。

2.系统服务器

控制中心设冗余高端服务器作为全县信息中心，可将全线各车站和车辆段的必

要信息汇集到实时数据库中，支持个工作站的监管功能，支持全线SCADA功能。

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课程设计

服务器的数量可以根据工程投资条件及可靠性要求选择单台或双台，如果采用

双台服务器，则双台服务器形成双机热备用。两台服务器内存储的数据进行定时校

对，以保证系统数据的一致。

根据工程对历史数据的存储要求及工程投发条件，控制中心可以由系统服务器

兼作历史服务器，也可以配置专用的历史服务器，用于历史数据存储。

3.维护工作站、调度员工作站等

控制中心应配置维护工作站，负责仝线计算机设备的组态、维护管理，支持系

统维护工程师功能。设调度员工作站，实现电力调度员操作功能。视用户要求及工

程投资条件可设模拟培训工作站、网管工作站等，以实现员工的模拟培训，并对全

线网络进行管理，做到性能管理、配置管理和故障管理。

另外，如果与其他系统存在数据接口，宜设接口工作站，并采取软件或硬件网

络隔离措施没，保证系统的安全。

4.打印机

按照电力调度及系统维护的需求，控制中心至少需要配置两台打印机。

打印机可以配置为网络打印机或者普通打印机。网络打印机可以直接与网络内

各工作站连接，普通打印机需要通过某台工作站实现打印机共享。

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课程设计

第三章变电站综合自动化系统

3.1概述

变电站综合自动化系统是利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化

系统，代替常规的测量利监测仪表、控制屏、中央信号系统和远动屏，用微机保护

代替常规的继电保护，改变常规继电保护装置不能与外界通信的缺陷。变电站综合

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内各种设备的运行和操作。变电站综合自

动化系统具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等特征。

其出现为变电站的小型化、智能化、扩大控制范围及变电站安全可靠、优质经济运

行提供了现代化的手段和基础保证；其应用将为变电站无人值班提供强有力的现场

数据采集及控制支持。

3.2系统主要功能

3.2.1微机继电保护的功能

变电站综合自动化系统中的微机保护主要包括输电线路保护、电力变压器主保

护及后备保护、母线保护、配电线路保护、无功补偿电容器保护、小电流接地系统

自动选线、自动重合闸等功能。

3.2.2监视控制功能

3.2.2.1实时数据采集与处理

实时数据采集的主要内容有变电站运行实时数据和设备运行状态，它包括：

1.模拟量的采集

2.状态量的采集

3.脉冲量的采集

4.数字量的采集

3.2.2.2数据库的建立与维护

系统采用标准、开放并符合实时系统要求的数据库，将商用的分布式关系型数

据为库与实时系统数据库进行有机结合。系统的所有功能设计基于实时数据库和历

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课程设计

史数据库的应用设计，可实现与高级功能应用数据库的同一管理.，为系统扩充功能

提供便利。

1.实时数据处理功能。

2.历史数据处理功能

3.2.2.3故障录波和测距

故障录波和测距是在输电线路发生故障时尽快显示故障距离的长短。变电站的

故障录波和测距有两种方法实现：

1.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传进监控机存储及

打印输出，或直接送调度主站。该方法可节约投资，减少硬件设备，但故障记录的

容量有限。

2.采用专用的微机故障录波器，并且录波器应具有串行通信功能，可以与监控系统

通信。

3.2.2.4事故顺序记录与事故追忆功能

事故顺序记录对变电站的继电保护、自动装置、断路席等在事故时动作的先后

顺序自动记录。自动记录的报告可以CRT显示器上显示和打印输出，顺序记录的报

告有利于分析事故、评价继电保护以及断路器的动作情况。

3.2.2.5控制及安全操作闭锁功能

控制功能是指对设备进行操作的功能，它包括：

1.单独遥控、2.程序遥控、3.遥控试验、4.复归操作、5.模拟操作、6.闭锁、解锁

操作、7.其它安全操作。

3.2.2.6数据处理与记录功能

对遥信、遥测信息进行采集后，通过DSP等具有处理信息的功能的微矶装置进

行处理，变换成控制量，下发控制指令到下位机，上下位机与去控制设备。在这个

过程中，必然产生数据，RTU必须将每一次的数据进行记录存档，供操作人员查看。

3.2.2.7人机联系功能

变电站微机监控系统中的人机联系是通过操作计算机的犍盘和鼠标实现人机

对话。

3.2.2.8打印功能

变电站综合自动化监控系统应配备打印机

3.2.2.9画面生成与显示功能

RTU能够将运行中产生故障时的波形以动态的形式展现出来，供维护人员分析、

处理故障。

3.2.2.10谐波分析与监视功能

12

课程设计

地铁牵引供电系统是一个大的谐波源，通过整流柜将交流电压变换成直流电压,

产生了一些特征次谐波，当系统出现故障时将会产生某些不一样的谐波，通过谐波

分析功能，确定故障产生的原因，使工作人员能尽快处理故障。

3.2.2.11报警处理功能

报警分为预告报警和事故报警。

预告报警一般包括设备变位、状态信息异常、模拟量超限、监控系统部件的状

态异常、就地控制单元的状态异常及通信异常等。

事故报警主要包括非正常操作引起的断路器跳闸和保护装置动作信号。

报警主要分为四种：越限报警、变位报警、事故报警和工况报警。

3.2.2.12在线计算与制表功能

电压、电流通过压互、流互变成小信号、然后通过A/D转换成计算机能处理的

小信号，然后送往计算机中进行处理，当电压、电流变化时，计算机能够随时了解

其状态，并且通过CPU计算其幅值、有效值等数字量，这种方式称为在线计算。在

线计算的结果通过计算机中的应用软件将其处理为表格形式，供工作人员参考。

3.2.2.13运行技术管理功能

变电站综合自动化系统运行技术管理内容主要有：

1.变电站的主要设备的技术参数档案表。

2.各主要设备故障和检修记录。

3.断路器的动作次数记录。

4.继电保护和自动装置的动作记录。

5.运行需要的各种记录、统计等。

3.2.3自动装置功能

在牵引供电系统中，为提高系统的供电质量，根据牵引供电的供电方式、电

气接线等实际运行情况，广泛采用了自动重合闸、故障点位置检测、备用电源自

投等自动装置，保障城市轨道交通供电系统的正常运行。

3.2.4远动及数据通信功能

变电站综合自动化系统应具有与电力系统控制中心通信的功能，不另设独立的

远动装置，而由综合自动化系统的上位机或通信控制机执行远动功能。把变电站所

需测量的模拟量、电能量、状态信息和SOE等类信息传送至控制中心。数据通信的

最终实现，变电站不仅要向控制中心发送测量和监视信息，而且要从上级调度接收

数据和控制命令。

13

课程设计

3.3变电站综合自动化系统方案设计

1.在单元设备中，采用“免调节”的概念设计、“即插即用”的设计方法以及通用

的软、硬件平台，并采用全汉化显示/操作界面和图形化、表格化的输出界面。过

程分理处再现技术的运用，使得使用者可能通过配套提供的维护分析系统非常方便

地读取存储在单元设备中的信息，并清晰再现设备的数据和逻辑处理过程。

2.在通信网络中，系统采用网络的通信技术。利用这一技术，必须在单元设备的设

计中，在保证可靠性的同时采用大资源的硬件平台。也正是这一技术的成功应用，

使本系统的网络通信速度得到极大提升，故障信息在变电站自动化系统中得到及时

传输和响应，从而形成了从单元设备到监控系统乃至远方通信的信息快速传输和响

应系统，并取得了令人满意的使用效果。

3.在当地监控系统中，数据库采用透明化的管理方式，利用建立在COM/DCOM基础

上的32位的C#及其软件编译平台VisualStudio2008,软件功能可重新纪态，保

证系统的可扩展性和可维护性。

3.3.1系统构成

变电站综合自动化系统采用分层分布式结构，从逻辑上将变电站自动化系统划

分为两层，即变电站层（站级测控单元）和间隔层（间隔单元）。

系统的间隔层在站内按间隔分布式配置。间隔层的设备均可直接下放至开关场

就地，减少大量的二次电缆接线。各间隔设备杓对独立，仅通过通信网络互联，并

同变电站层设备通信，取消了原本引入主控室的信号、测量、保护、控制等使用的

电缆，节省投资，提高系统可靠性。

系统的变电站层没备也采用分布式、开放式的设计，组态完成站内监控功能，

全面提供设备状态监视及控制、保护信息记录与分析等功能。变电站层设备采用此

种配置模式，一方面保证了系统整体的可靠性，另一方面，也使得功能选择、配置

更灵活、更合理。

变电站综合自动化系统从功能上可以分为变电站计算机监控系统、通信子系统、

保护与控制子系统以及测控子系统等部分。

地铁牵引混合变电站综合自动化系统方案一

14

课程设计

图4-2变电站综合自动化方案一

本方案采用双网结构，正常时，双网同时运行，不分主备方式，当一条线

路出现故障时，通过切换装置，自动切换到另一条链路上，保证系统的正常运行。

此方案可靠性高，投资较大。

地铁牵引混合变电站综合自动化系统方案二

图4-3变电站综合自动化方案二

15

课程设计

本方案采用星形网络方案，投资较低，但是当交换机出现故障时，整个网络出

现瘫痪状态，不能保证系统的正常运行。由于现在科技的进步，设备的平均无故障

时间（MTBF）缩短，此方案在一些地铁供电系统也在采用。

332变电所综合自动化系统的结构模式

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我局域网

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。

1.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：变电站层（站级管理层），网络

通信层，间隔层（设各层）。采用“面向对象”即面向电气主回路间隔，间隔层设备

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。

2.方案二：集中与分层分布相结合的方案

该方案建立在分层分布式安装方案的基础上，对主变电站主变压器以及牵引变

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充分考虑，采用

集中组屏和在控制信号盘上安装，所内其余间隔层设备采用分层分布式安装。

对两方案比较见表4-1o

表4-1网络方案比较

比较内容分层分布式安装方案集中与分层分布式相结合方案

通过网络技术，较易得到系统各设通过网络技术，较易得到系统各设

备的正常、故障信息，查找工作量备的正常、故障信息，查找工作事

运营维护少，运营维护方便，但由于接触网少，运营维护方便。解决了接触网

开美在室外分布较广，不适宜分散开关集中操作问题，而且节省操作

控制。时间。

设备安装工程量少，使用控制保护设备安装工程量不大，使用控制保

施工电缆少，因此施工方便、工作量小，护电缆少，施工方便，工作量及劳

劳动强度小，工期相对较短。动强度较小，工期较短C

通过采用光纤通信，要求间隔单元

系统的抗干扰设备抗干扰性能高，并进行系统为同方案一

干扰设计，抗干扰性能大大增强

对室内设备满足要求，但间隔层设

安全可靠性高

备不适于安装在网开关机构箱内。

系统灵活性

系统灵活性好、可扩性强系统灵活性好、可扩性强

和可靠性

系统硬件设备减少，盘面少，占地

投资基本同方案一

面积小，日常设备的维护工作量很

16

课程设计

_________________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

通过以上两种方式，集中与分层分布式相结合方案在降低投资的同时考虑了一

号线工程实施的难点，系统具有良好的是可扩展性和维护性。因此，变目所综合

自动化系统结构模式推荐采用集中管理、分层分布式系统结构、集中与分散布置相

结合的模式。

333变电所综合自动化系统间隔层设备组态模式

保护、测控装置是变电所综合自动化系统的主要组成内容之一，一般来说，保

护、测控装置有两种组态方案：

1.保护、测控设备独立设置、独立联网

2.保护、测控设备一体化设置

两种方案比较见下表：

案类型

比诵咨、保护、测控设备独立设置、独立联网保护、测控设备一体化设置

功能要求保护功能与测量、控制功能独立，由保护、测量和控制功能一体化，由一

不同的设备来完成套设备来完成

软件较复杂相对简单

对网络构成的网络节点相对较多，结构相对复杂，网络节点少，结构简单

影响但网络层次清晰

可靠性保护与测控独立设置，可靠性高采用保护测控一体化装置，满足可靠

性要求

造价需设置单独的保护设备和测控设备仅需一套综合保护测控设备，造价相

对便宜

使用场合一般用于llOkV以上电压等级的变一般用于llOkV以下电压等级的中

电站压系统

从以上分析可以看出，两种方案各有特点，应根据现场实际，变电所的不同特

点选择合理的方案。本文因线路设备属于35kV及以下网络，采用保护、测控一体

化设置。

3.3.4变电所综合自动化系统网络模式

变电所综合自动化系统网络模式的选择要从组网模式、传输介质、数据传输模

式、网络拓扑结构和网络中央系统设备五方面分别进行比较，应充分考虑网络的实

时性、统一性、可靠性、高效性和合理性等因素。

17

课程设计

变电所综合自动化系统网络分为单网和双网两种组网模式，在选择过程中应根

据变电所的不同特点分别对待，合理选择。

主变电站担负着向地铁牵引降压变电所供电的任务，其安全可靠的运行是地铁系统

正常运行的前提之i;同时主变电站容量较大，数据信息处理量较多，接线复杂，

建设规模大，对网络的可靠性要求高，故主变日所采用双网结构。

牵引变电所、降压变电所负责向车站设备和区间接触网供电，牵引供电系统可

靠性高，而且通信网络数据传输量较主变电站少，网络负担较轻，根据已建成地铁

的应用经验，单网结构软、硬件简单，安装高度方便，故障率低，满足运行要求，

采用单网模式可使全线牵引、降压变电所的网络投资规模大幅降低。因此，牵引、

降压变电所采用单网结构。

3.4系统硬件配置

变电所综合自动化系统设备采用组屏安装，综控屏的数量根据系统配置方案确

定。屏内安装监控单元、局域网设备等；屏上设有音响报警装置，具有事故、预告

两种音响。

1.局域网络设备

所内通信网采用适合于城市轨道交通使用环境的抗干扰性强、阻燃、铠装通信

介质，优先选用屏蔽5类线。网络连接设备宜选用工业级产品。

2.操作员站

操作员站设置于有人值守的变电所，可以采用组屏安装方式，也可以限据工程

需要单独放置在专用值班室内。操作员站应采用工业级PC。

3.监控单元

监控单元用于实现各种类型子监控单元规约的转换，应支持与CANbus、

Lonworks、Profibus等多种现场总线的借口，支持RS-232、RS-422或RS-485等标

准接口。

4.便携式计算机

变电所综合自动化系统应该配置便携式计算机，计算机内安装调试软4,用于

现场调试。

5.系统电源及接地

变电所综合自动化系统的电源有以下两种方案：

方案一：由变电所内的交直流屏提供不间断交流、直流电源。

方案二：由变电所内的交直流屏提供交流电源，变电所综合自动化系统配置UPS为

系统提供不间断电源。

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课程设计

这两种方案都可以满足系统的电源要求，但是方案一可以实现不同系统之间的

资源共享，也简化了设备的维护管理。因此，在工程有条件的情况下优选方案一作

为系统电源方案。

变电所综合自动化系统一般为悬浮地系统，不存在工作接地。系统安全接地及

通信电源屏蔽层接地均可通过与变电所控制室内综控屏内接地母排连接实现。综控

屏内接地母排与外引综合接地网实现可靠的电气接地。

3.5变电站综合自动化系统监控对象

变电站综合自动化系统主要通过四遥功能来对设备以及线路进行监视与控制。

本设计的四遥对象概述表如附录一：表47

3.6主要技术指标

3.6.1测控精度

1.模拟量测量准确度

交流电流、电压量：±0.2/

直流电流、电压量：±0.2%

功率、电度量：±0.5/

频率：±0.01Hz

2.脉冲输入量

允许脉冲宽度：210nls

允许脉冲电平：W30V

3.事故顺序记录

事故分辨率：〈Ims

4.遥控动作成功率

遥控动作成功率：100%

3.6.2有实时数据的画面整幅调出响应时间：

画面调入：W2s

数据刷新：Wls（可设定）

3.6.3数据处理速度

从数据采集到主站显示:Wl.5s

遥调命令传输时间；Wls（可设定）

19

课程设计

遥控命令选择、执行或撤销传输时间：W1S（可设定）

3.6.4数据通信

1.站内通信

以太网结构，TCP/IP协议，网络速率：lOMbps/lOOMbps。

2.远方转发

Modem板内主备信道自动切换，切换时间<5s；

传统信道速率：300s2400bps；SDH/ATM传输；64KbpsOOMbpso

3.6.5双机自动切换

双机自动切换：<10s（可设定）

3.6.6历史数据存档

测量数据存档最小时间间隔为Imin,生存周期为2年；

保护信息、事件汜录、越限记录等，生存周期为1年。

3.6.7系统可用率

系统可用率：99.99%

3.6.8平均无故障时间

平均无故障时间（MTBF）:240000h

3.6.9环境条件

电力调度中心控制室和机房环境

环境温度：+5C〜40℃

相对湿度：10%〜90%

海拔高度WlOOOm

大气压力：86〜108kpa

振动：f<10Hz,♦幅为0.3mm；lOHzVfG50Hz时,加速度为0.lin/s?。

工作电源：两路独立的380/220V电源；波动范闱：-15%〜+10%

地震烈度：W7度

接地电阻W1Q

牵引、降压变电所内环境

控制室温度：-5C〜+45C

开关柜温度：T0C〜+55C

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课程设计

环境温度在-5c〜+40℃时，最大变化率10°C/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WIOOOm

地震烈度：W7度

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课程设计

第四章通信信道

4.1工业以太网

4.1.1网络的通信带宽

以太网的带宽高达10Mbps以上，100Mbps以太网也已广泛使用，即使用于超大

规模变电站也游刃有余。以太网的一个冲突域口可支持1024个节点，节点数小于

100时,10Mbps的以太网即使负载达到50%(500kB/s)响应时间也小于0.01秒。由

于用交换式集线器能把一个以太网络分成数个冲突域，可以把节点数大于100的变

电站分为若干个节点数小于100的子网来保证响应速率。在可见的未来，变电站自

动化系统的通信节点数不会超过200个，数据流量的峰值最多能达到100kB/s,以

太网完全能满足实时性的要求。

4.1.2网络的通信媒介

本设计选用光纤作为通信网络的媒介。

4.1.3网络的拓扑结构

网络的拓扑结构可分为总线型、星型、环状型。本设计选用总线型结沟，后文

将继续介绍。

4.2变电站的通信网络实现

经过充分论证，选用工业以太网为基础构建城市轨道交通牵引混合变电站综合

自动化系统的通信网络。由于铁路供电系统的