变 电 所 监 控 及 其 网 络 系 统 的 设 计.docx
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变电所监控及其网络系统的设计
目录
1绪论1
1.1课题研究的背景及意义1
1.2变电站综合自动化技术的发展概况【1】【2】1
1.3变电站综合自动化技术的特点【1】【3】【4】3
1.4变电站综合自动化技术的优越性3
1.5本系统的特点3
1.6本课题主要研究内容4
2系统简介5
2.1变电所系统配置及主要受监控单元【1】【5】5
2.1.1变电所系统配置5
2.1.2系统一次主方案6
2.2系统结构综述6
2.3电力系统故障简要分析及智能保护、监测【1】【3】【32】【33】【34】8
2.3.1电力系统简单不对称故障分析8
2.3.2终端主要功能配置及保护原理【34】【35】11
2.3.3智能保护硬件框图14
2.4系统二次原理【4】【6】15
2.5直流电源设计16
2.6功率因数角检测的实现方法16
2.7故障跳闸电路20
3下位机硬件电路的设计21
3.187C552单片机简介【6】【7】【8】21
3.1.1端口线(8x6=48条)21
3.1.2电源线(10条)23
3.1.3控制线(10条)24
3.1.4定时器/计数器24
3.1.5A/D转换器25
3.2开机预告及故障报警信号的硬件实现26
3.3对所要监测信号的采集【3】【5】【21】27
3.4串行点阵液晶显示器的设计29
3.4.1显示特性29
3.4.2机械特性29
3.4.3引脚特性29
3.4.4键盘、显示器的硬件电路设计【8】【9】31
3.5串行E2PROM的扩展电路31
3.6变电所监控系统中单片机的抗干扰设计【7】【8】【9】【26】32
3.6.1概述32
3.6.2各种抗干扰设计32
4系统通信网络结构35
4.1概述【4】【5】【10】【11】【23】35
4.1.1监控系统内部的信息交换35
4.1.2变电所监控层系统与其他监控站之间的通信36
4.2数据通信的特点与要求【10】【11】【12】【24】37
4.3数据通信的传输方式【7】【11】【12】【22】【25】37
4.3.1串行通信基本概念38
4.3.2组网的硬件设计【10】【17】【18】40
4.4上位机与智能终端间的通信协议【7】44
4.5RS-485总线网络的安全性【12】【13】45
4.5.1接地45
4.5.2瞬态保护和抗静电放电(ESD)冲击45
4.6RS-485总线网络通信的可靠性【13】46
4.6.1传输线阻抗匹配46
4.6.2网络失效保护46
5上位机软件功能概述48
5.1软件技术要求【14】【15】48
5.2软件系统设计【14】【16】48
5.3VB语言及系统用主要控件简介49
5.3.1VisualBasic语言简介【15】【16】49
5.3.2MSComm控件简介【11】【15】50
5.3.3ADO简介【17】【27】【28】【29】52
5.3.4HFlexGrid控件55
5.4软件功能概述【17】【18】【19】【20】【27】56
5.5软件主要结构模块概述56
6系统实验部分59
6.1软件的调试59
6.1.1通信部分的调试59
6.1.2数据库的调试59
6.2智能终端部分的调试61
6.2.1液晶显示器61
6.2.2开关键盘61
6.2.3红外遥控器【31】61
7结论63
致谢64
参考文献65
附图67
附图1功率因数检测电路图67
附图2人机接口部分硬件连接图67
1绪论
1.1课题研究的背景及意义
变电站是电力网中线路的连接点,其作用是变换电压、变换功率、分配电能等。
因此,变电站的安全、经济运行是电力系统安全、经济运行不可分割的重要组成部分。
常规变电所的二次部分主要由继电保护、就地监控和远动装置组成。
80年代中期,由于微处理器这些微机型的装置尽管功能不同,其硬件配置却都大体相同。
除了微机系统本身,是对无非各种模拟量的采集,以及输入、输出接口电路,而且装置所要采集的量和要控制的对象还有许多是相同的,因而设备重复,结构复杂。
于是人们就提出了一种从技术管理和综合自动化的角度来考虑全微机化的变电所二次部分的优化设计。
这就诞生了变电站综合自动化技术。
变电站综合自动化是80年代才开始在电力系统中受到广泛地重视和应用的。
而在西方工业发达国家,早在60年代初期,变电所的远方集中控制的概念就已提出,70年代已普遍开始了变电站综合自动化技术的研究,并在80年代初期得到广泛地应用。
本文介绍的变电所监控及其网络系统的设计就是属于变电站综合自动化系统开发和研究的内容。
1.2变电站综合自动化技术的发展概况【1】【2】
1.国外变电站综合自动化系统概况
国外从七、八十年代就开始进行保护和控制综合自动化系统的新技术开发和试验研究工作。
目前,日本日立、德国西门子、瑞士Landis&Gyr等国际著名大型电气公司均开发、生产了变电站综合自动化系统,并取得了较为成熟的运行经验。
这些系统的主要特点是:
采用分层分布式,由站控级和元件/间隔级组成,在站控级和元件/间隔级的通信采用星形光纤连接,继电保护装置下放到就地,主控制室与各级电压配电装置之间仅有光缆联系,而没有强电控制电缆进入主控制室。
这种系统既节约了大量控制电缆,又大大减少了对主控制室内计算机系统及其它电子元器件的干扰,提高了系统的运行水平和安全可靠性。
同时,国外变电站综合自动化系统发展迅速,制造商很多。
为了避免各自为政造成不良后果,同时也为了便于这门新技术能够得到迅速发展和更广泛地应用。
许多国际性组织和权威机构都制定了系统的技术规范和标准。
2.国内变电站综合自动化系统概况
我国变电站综合自动化的研究工作开始于80年代中期。
1987年,清华大学电机工程系研制成功我国第一个符合国情的变电站综合自动化系统,在山东威海望岛变电站成功投入运行。
该变电站的综合自动化系统主要由三台微机组成,分成三个子系统,担负了变电站安全监控、微机保护、电压无功控制、中央信号等全部任务。
1988年通过技术鉴定,填补了国内一项空白,并达到了国际80年代先进水平。
它的运行结果表明:
微机技术可以全面、系统、可靠地应用于变电站的自动化工程中,同时也证明了变电站综合自动化对提高变电站的运行、管理水平及技术水平、缩小占地面积、减少值班员抄表、记录以及减少维修工作量等方面有显著的优越性。
它的运行成功,也证明了中国完全可以自行研究、制造出符合国情的综合自动化系统。
因此,80年代后期,变电站综合自动化已成为热门话题,研究单位和产品雨后春笋般地蓬勃发展起来。
规模比较大的有南瑞公司、四方公司等。
当前,我国在变电站综合自动化技术领域上主要存有两种技术观点。
第一种观点认为:
变电站综合自动化系统主要考虑“四遥量”的采集,以点为对象,面向“功能设计”,故变电站综合自动化系统应以传统的RTU装置或在其基础上发展起来的数据采集装置、主控单元、遥控执行等装置组成的监控为基础组成。
它与微机保护的联系只要通过装置上的串行口收集信息即可,并且特别强调保护的独立性,即两者不能有任何硬件上的融合。
这种观点曾一度流行。
而第二种技术观点认为:
综合自动化技术是以先进可靠的微机保护为核心,以成熟可靠的网络通信技术将测量控制与继电保护融为一体,共享数据资源,并十分强调系统的总体结构优化以及系统的可靠性。
系统是以对应的一次设备为对象,面向“对象设计”。
当然,它也强调保护的相对独立性,主张在决不降低保护可靠性和功能的前提下,目前至少可以在低压上采用保护与测控合一的综合装置。
该技术观点是在微机保护技术逐步成熟并向网络化发展的基础上形成的。
随着技术的发展和按这一新思想设计的变电站综合自动化系统的成功投运,并且这种技术观点与国际上先进的设计思想及推出的高品质系统如出一脉。
因而,第二种技术观点正逐步成为大家的共识,也成为目前综合自动化技术发展的趋势和潮流。
变电站综合自动化系统的研究和生产工作之所以引起这么多的科技工作者和生产厂家的注意,根本原因在于变电站实现综合自动化,能够全面提高变电站的技术水平,提高变电站运行的可靠性和管理水平。
近几年来,大规模集成电路技术和通信技术的迅猛发展给变电站综合自动化技术水平的提高注入了新的活力。
新的单片机及微处理器的问世,活跃了计算机市场;网络技术、现场总线等的出现,给广大科技工作者创造了大显才能的条件。
因此,近几年来研究变电站综合自动化进入了高潮,其功能和性能也在不断地完善。
变电站综合自动化将成为今后新建变电站的主导技术。
综上所述,我国与发达国家在变电站综合自动化技术的发展上还存在较大的差距,但近几年来发展相当迅速,是我国变电站技术的主流方向。
因此,大力开展这方面的研究工作具有重要的理论意义和广阔的应用前景。
1.3变电站综合自动化技术的特点【1】【3】【4】
变电站综合自动化是一个广泛采用微机保护和微机远动技术,并对变电所的模拟量、脉冲量、开关状态量及一些非电量信号分别进行采集,经过功能的重新组合,并按照预定的程序和要求对变电所实现自动化监视、测量、控制的集合体和全过程。
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,实现对整个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。
变电站综合自动化系统,即利用单台或多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化系统,代替常规的测量和监视仪表,代替常规控制屏、中央信号系统和远动屏,用微机保护代替常规的继电保护屏,改变常规的继电保护装置不能与外界通信的缺陷。
因此,变电站综合自动化是自动化技术、计算机技术、通信技术等高科技在变电站领域的综合应用。
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。
变电站综合自动化技术最明显的特点表现在以下几个方面:
1.功能综合化;
2.结构微机化;
3.操作监视屏幕化;
4.运行管理智能化。
1.4变电站综合自动化技术的优越性
1.提高供电质量的同时提高了电压合格率;
2.提高了变电站的安全、可靠运行水平;
3.提高了电力系统的运行及管理水平;
4.缩小了变电站占地面积,降低造价,减少了总投资;
5.减少了维护工作量,减少了值班人员的劳动量,实现了减人增效的目的,提高了劳动生产率,同时也减少了人为误操作的可能。
1.5本系统的特点
该系统采用模块化、分层分布式开放系统。
本着分散控制、集中监视的原则,按间隔划分、单元化设计、分布式处理,实现设备分层和网络分层的解决方案,整个系统分为三层:
站级控制层、通讯层、现场保护测控层。
本系统的站级控制层用一台上位机作为主机,上位机系统软件采用VisualBasic编程,利用VB中的MSCOMM通信控件及VB自带的其他控件给用户提供美观﹑实时﹑直观﹑友好的人机界面,而且可以实现与强大的数据库连接对变电所设备的状态进行管理﹑监控﹑数据记录和报表输出等。
上位机留有以太网接口,系统可通过该接口与其他各工作站主机交换信息。
同时,该系统站级控制层还可以利用公用电话网接入广域网构成多主机构成的广域网系统以实现远程诊断和远程维护。
每台下位机都带有红外遥控键盘和4行点阵液晶显示器,在现场就可以通过遥控键盘和显示器对参数进行整定。
由于本系统要实现较远距离的通信,并且要在变电站形成底层网络以完成现场自动化设备之间及底层现场设备与上位机等外界的信息交换,所以通信总线采用RS-485总线。
1.6本课题主要研究内容
课题所设计的变电站监控及其网络系统的内容主要包括以下三个方面:
1.开发了SQLServer7.0数据库,通过该数据库及VB中一些必要的数据控件如ADO、MSHFlexGrid等使数据的存储量更大,速度更快,系统的运行也更加稳定。
能够实现数据每隔15分钟进库保存。
当系统出现报警时,故障信息也能存进数据库以利于检修人员迅速查找故障原因并尽快排除故障。
使用了通信控件MSComm,通过对该控件属性的设置及对相应应用程序的编程,实现了上位PC机与智能终端之间的通信。
再使用其它一些普通控件,如标签、文本框、图像框、命令按钮、记时器、图片框、形状等来美化界面,实现了更加强大的软件功能。
2.智能终端的显示,由原来的两行点阵液晶显示升级为四行点阵液晶显示。
3.通信网络的设计更加健全,可扩展性更好,可与多种智能终端进行通信。
2系统简介
2.1变电所系统配置及主要受监控单元【1】【5】
2.1.1变电所系统配置
在叙及系统设计之前,我们先来了解一下本系统受监控的变电所内部的结构,如图2-1所示:
对于一般变电所,需要进行监测的量以及需要保护的地方有很多,而对变电所里各个开关柜中各量的监测及对输出线路的保护也会因为该线路所带负载的不同而不同。
如下图所示:
对进线、出线要进行保护,同时要对各个带有不同负载线路上的模拟量如电压、电流、功率、功率因数、频率进行监测,对开关量如开关位置、手车位置、弹簧储能状态等进行控制。
图2-1变电所系统配置图
2.1.2系统一次主方案
本文设计的主要目的是对带感性负载的线路及其设备进行监测、监控和保护。
因此,本设计就以出线所带负载为感性负载作为前提,对该线路的各个单元进行监测、监控及保护。
系统一次主方案如图2-2所示:
图2-2系统一次主方案图
从以上方案可以看出,监测电量分别取自电压互感器PT、电流互感器CT,在本系统中电流互感器用三组CT1、CT2、CT3,各互感器二次侧电量经整流及分压装置后被整定成为单片机可以采集的量,供单片机采集及处理。
电流互感器CT1作为测量三相电流用,因此它的精度要求较高,电流互感器CT2作为保护用,精度要求较CT1低。
CT3为零序电流互感器,主要用于检测线路的三相不平衡电流,也作为保护用。
电压互感器PT采用内部为三线五柱式的结构形式,既可以对三相电压进行监测又可以监测三相电压是否平衡。
2.2系统结构综述
系统采用模块化、分层分布式开放系统。
本着分散监测监控、集中监视的原则,按间隔划分、单元化设计、分布式处理,实现设备分层和网络分层的解决方案。
一般系统结构的典型配置方案如图2-3所示:
图2-3系统结构典型配置方案
这样一个监控系统包括三个层次:
最上层为数据处理和显示层,也就是上位机;中间为负责通信的通信网络层;最底层是分布式的智能监控单元,即通常所说的下位机或智能终端。
下位机指硬件层上的设备,即各种数据采集设备和各种智能控制设备等。
下位机与变电站中各种电器设备相结合,感知电器设备各种参数和状态,并将这些数据转换成数字信号,通过数字通信网络传递到上位机系统或经过简单处理后就地显示在终端四行液晶显示器上,也可以向设备发送控制信号。
每个下位机也叫一个单元,它还具有继电保护功能,能对采集到的设备状态进行分析,当发现满足一定条件时自动向设备发送控制信号,例如发现电流过高时向断路器发送跳闸信号,就可以在发生事故之前切断电源,从而实现对电器设备的保护。
出于这种保护功能对实时性的要求极高,通过上位机完成难以达到实时性要求,因此一般都是由下位机来实现。
上位机负责对数据的显示、处理、保存以及给工程师和操作人员提供友好的人机界面,以适当的形式将采集到的数据信息显示给用户,以达到监视的目的。
同时接受操作人员的指示,将控制信号发送到下位机以达到控制的目的。
通讯层是下位机与上位机之间的桥梁。
上位机与下位机之间需要交换数据来实现监控功能。
系统采用串行通信,物理层协议多种多样,有的采用RS-232协议,有的采用RS-422或RS-485协议,本系统采用了RS-485协议。
因为在这种协议下信息传输距离较远,而且可以将多个下位机的通信线并接构成总线结构,但PC机串行通信口只支持RS-232协议,因此系统需要将RS-232的串行通信方式通过转换设备转换成RS-485信号。
本系统采用的转换设备为MWE485-C转换器,同时下位单片机也要使用一种转换芯片连接到RS-485总线上,本系统采用Max485芯片。
由于受实验条件的限制,我们所设计的系统采用单主机运行方式,其系统结构如图2-4所示:
图2-4单主机运行监控网络图
在该系统中,上位机由一台PC机组成,通过MWE485-C转换器(该器件的详细说明及在本系统中的用法见4.3.2)将RS-232信号转换为RS-485信号或将RS-485信号转换为RS-232信号;同时下位单片机使用的是MAX-485芯片(见4.3.2)连接到RS-485总线上进行RS-485与TTL电平之间的转换;通信电缆采用屏蔽双绞线,抗干扰能力强,提高了系统运行的安全、可靠性。
2.3电力系统故障简要分析及智能保护、监测【1】【3】【32】【33】【34】
2.3.1电力系统简单不对称故障分析
短路故障中的三相短路为对称短路,分析较为简单。
而实际的电力系统中的故障大多数是不对称的,为了保证电力系统和它的各种电气设备的安全运行,必须进行各种不对称故障的分析。
简单不对称故障,是仅在电力系统中的一处发生不对称短路或断相的故障。
对称分量法是分析计算不对称故障常用的方法。
对称分量法分析计算的主要思路是:
当电力系统k点发生不对称故障时,相当于在该点接上三相阻抗不对称的故障电路。
这时整个电力系统由两部分性质不同的电路组成,一部分是未发生故障前原来的三相阻抗对称的系统,另一部分就是三相阻抗不对称的故障电路。
由于在应用对称分量法时,只有在三相阻抗相等的条件下才可以建立各序的独立序网络,因此可在k点把这两部分电路分开处理。
对原来的三相对称系统,从k点看可以得到三个相互独立的对称分量序网和序网方程。
从k点看故障电路可以得到三个故障条件,也就是对称分量之间的关系方程式,联解这六个方程式,就可以求出故障处的对称分量电压和电流。
应用对称分量法分析不对称故障,求解故障时各序电压和电流可分别用三个序网描述,它们的电压方程式如下:
(2-1)
式中省去下标a,只要指明以a相为基准即可。
分析简单故障时,取特殊相为基准最为方便。
单相故障时,故障相为特殊相;两相故障时,非故障相为特殊相。
各种不对称短路的边界条件如表2-1所示,用对称分量表示的边界条件均以特殊相为基准。
表2-1各种不对称短路的边界条件
短路类型
实际电压,电流关系
各序电流关系
各序电压关系
单相接
地短路
两相
短路
两相接地短路
各种不对称短路的故障点正序电流和电压的计算公式可以统一用下式表示:
(2-2)
(2-3)
式中,
如表2-2所示。
和
确定后,即可根据边界条件及式2-1或复合序网得
。
各种短路的故障点短路电流有效值也可统一表示为:
式中,系数M如表2-2所示,表中两相接地短路的系数是指金属性短路。
表2-2各种短路的
和
短路种类
单相短路
3
两相短路
两相接地
短路
三相短路
0
1
式2-2表示,电力网中某点发生不对称短路时,故障点的正序电流与在同一点经阻抗发生三相短路电流相等,如图2-5所示。
这一规律称为正序等效定则,图2-5所示称为正序增广网络。
因此,可以应用计算三相短路电流(周期分量)的方法来计算不对称短路的正序电流和电压。
图2-5正序增广网络
对称分量法实质上是将abc三相不对称的电压或电流变换成三相分别对称的正序、负序、零序分量。
三相abc分量与正序、负序、零序分量的关系如下矩阵所示:
(2-4)
式中:
上式表明三组对称分量可以合成为三个不对称相量,即
(2-5)
上式表明三个不对称相量可以唯一地分解成三组对称分量。
应用对称分量法可以将原有电力系统分解为三个分别对称的正序系统、负序系统和零序系统,这样三个对称系统的分析计算只需要分析计算一相即可,即把一个不对称系统转化为三个对称系统来解决问题。
2.3.2终端主要功能配置及保护原理【34】【35】
在电力系统中就保护而言有很多,下面主要介绍电流保护、电压保护、负序及零序保护。
1.电流保护
电流保护是根据电力系统运行电流的变化而动作的保护,按照保护整定原则,保护范围和原理特点可分为:
1)过负荷保护。
电力系统中的重要电气设备要安装防止过负荷运行的安全保护装置,发电机、变压器的过负荷保护,是按照发电机和变压器的额定电流或限定的最大负荷电流来整定。
当电气设备的负荷电流超过额定电流达到保护的整定电流时,在整定的时间内动作,发出信号。
2)过电流保护。
是电力系统中的变压器和电力线路的重要保护。
它能保护电气设备的全部和电力线路的全长,并作为相邻开关和电流速断保护的后备保护,是按躲开可能发生的最大负荷电流来整定(保护整定值要大于系统的负荷电流及最大电动机的启动电流和穿越性短路故障发生流过本线路的电流)。
当保护装置中流过的电流达到保护的整定电流值时,继电器动作在整定时间内作用于断路器掉闸,切除故障,使系统中非故障部分继续运行。
3)电流速断保护。
电流速断保护是电力系统和变压器的主要保护,当电力系统中被保护的线路和变压器发生严重短路故障时,以最短的动作时限迅速切除故障点。
电流速断保护是最大运行方式条件下,躲开线路末端或变压器二次侧发生三相金属性短路时的短路电流来整定,当电流速断保护动作时,以零秒的时限使断路器掉闸切除故障,上下级开关用短路电流绝对值动作配合,来满足对故障电流的选择性。
2.电压保护
电压保护是电力系统发生故障异常运行时,根据电压变化而动作的保护,电压保护按其在电力系统中的作用和整定值不同可分为:
1)过电压保护。
它是为了防止电力系统中出现过电压而使电气设备或线路损坏的一种保护。
2)低电压保护。
它是为了防止电力系统中出现电压降低而使电气设备正常运行遭受破坏损失的保护。
3)零序电压保护。
它是一种用于三相三线中性点绝缘的电力系统中为防止一相绝缘损坏造成单相接地故障的一种保护。
3.负序及零序保护
负序及零序保护是作为三相电力系统中发生不对称短路故障和接地故障的一种主要保护。
此外,还有温度保护、差动保护、方向保护、平衡保护、瓦斯保护、距离保护等各种保护。
就本系统设计的智能终端的主要保护和测控功能配置如下:
一、功能配置
1.主要保护功能配置
1)过负荷保护;2)低电压保护;3)过电压保护;4)零序电流保护;5)断路器控制回路监测。
2.主要测控功能设置
1)本地或遥控断路器分合闸;2)开入信号量的采集;3)相电压:
Ua,Ub,Uc;线电压:
Uab,Ubc,Uca;计量电流:
Ia,Ib,Ic;保护电流:
IaB,IbB,IcB;零序电流:
I0B;零序电压:
U0;功率因数:
COSφ;频率:
f;脉冲电度Pwh、Qvh等;4)信号量的输出;
外部电流及电压输入经隔离互感器隔离变换后,输入至87C552的P5口,转换成的数字量经CPU进行保护逻辑运算,构成各种保护,同时计算出各种遥测量显示在LCD上并能通过通讯线传送给上位机。
Ia、Ib、Ic为测量用CT输入,IaB、IbB、IcB、I0B为保护用CT输入,保护和测量输入量分开,从而保证了足够的测量精度。
零序电流和零序电压由专用的零序电流互感器和零序电压互感器接入。
二、主要保护功能
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