35kV变电站自动化监控系统概要设计.pdf

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1、3 5 k V 变 电站 自动化监控 系统概要设计 张书旗(西藏林芝电力公司，西藏 林芝8 6 0 0 0)摘要 本文从软件工程开发的方法、软件的体系结构、功能模块等几个方面对变电站 自动化监控 系 统进行 了概要 设计。关键词 变电站 自动化监控 系统；软件；概要设计 中图分类号：T M7 6 2 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 8 4 8 3 5(2 0 0 4)0 6 0 1 3 8 一 O 4 1 概要 1 1 变电站监控系统概述 经济的快速发展必然促使对 电力能源的需求增 加，为了缓解电力供需矛盾，世界各国都大力投资增加 电力建设的规模。我国在近一段时期 内，由于经济快 速、持

2、续、稳定的发展，国家在电力建设上，也进行了大 规模的投资，并在投资建设 的过程中提出了两方面的 要求：其一是如何减少投资，提高效益，提高电力系统的 经济运行水平。其二是如何提高电力系统的安全运行水平。变电站是电力输配 电系统中非常重要 的一环，涉 及到许多安全运行及经济效益方面的问题。随着电子 技术、计算机技术与通信技术的迅速发展和不断成熟，为解决这些问题提供了途径，计算机自动监控系统便 应运而生。变电站 自动化技术是在计算机监控、远方 调度控制等技术 的应用基础上发展起来的，对变电站 运行 自动进行监视、管理、协调和控制，提高了变电站 的安全管理水平，提高了运行的可靠性，改善和提高了 电网的

3、控制水平，更为重要的是变电站 自动化的发展，为电网综合 自动化的发展和深人提供 了广阔的前景。1 2 本课题的目的和意义 西藏自治区由于经济及技术的原因，许多变电站 设备老化、技术落后，仍然采用人工手抄变电站电压、电流、功率等数据。二次部分还采用电磁型继电保护 西查j 皇 亟 鱼 Q s T cHlNA E L E CT RIC P O WE RN：)6 ,2 0 0 4 盘，对于事故及异常等信号需要人为记录，没有事故记 忆功能。这样 以来就造成变电站母线电量不平衡，线 损电量不能如实反映实际情况，给经济效益分析带来 不利因素。另外，由于故障时无准确的事故记录，给人 们分析故障带来许多困难等。

4、随着地区经济的迅速增 长，用户对电能质量和供电可靠性的要求越来越高，对 3 5 k V变电站系统的运行、维护、控制、管理 和为用户 提供优质服务提出了更高的要求，传统的技术管理手 段无法适应新的形势，必须向变 电站综合 自动化方 向 发展。为此，提出将这些变电站增加当地监控系统装 置，从而改善运行条件，提高工作效率，提高电力系统 的安全运行和经济运行水平。1 3 监控系统分析 对需求的完全理解对软件开发工作的成功至关重 要，对需求进行详尽的分析、精确的描述定义可以缩短 开发周期、降低后期开发成本，也是设计高质量、高可 靠性软件的首要的前提条件。根据变电站监控系统应具备的功能，本后台监控 系统应

5、具备的功能有：通信功能、数据处理及记录功 能、安全监视功能、事件顺序记录和事故追忆功能、控 制与调节功能、接线图编辑功能、报表功能、打印功能、参数设置和维护功能及安全管理功能等。2 监控系统的概要设计 本文从软件开发的方法、软件的体系结构、功能模 块等方面进行了概要设计。维普资讯 http:/ 本设计分析是针对 3 5 K V及以下变电站自动化系 统的。后台主机软件系统的设计主要考虑的是单机环 境。当然也考虑了现在比较流行的系统环境，如变电 站层亦采用 C l i e n t S e r v e r 方式等。2 1 监控系统软件的设计方法 2 1 1 系统 的开发 方法 采用成熟软件开发方法，

6、并且将模块化程序设计 方法和面向对象的程序设计方法结合起来。目前，程 序设计方法较多，其中最流行 的程序设计方法主要有 两种，一是以传统 的软件工程为代表的 自顶 向下 的模 块化程序设计方法，另外一种是 以面向对象为代表的 自底向上 的程序设计方法。两种程序设计方法各有 优缺点。模块化的程序设计方法，以功能为核心，所 以在满 足其两个基本前提：首先是系统功能在开发初可以被 精确定义，其次是功能可以表达系统 的主要特征的情 况下，这个方法具有简单高效的优异特征。但是由于 最初软件功能的不精确性 和不稳定性，从而使得功能 的精确表达难以实现，且该方法忽略了系统数据结构，以及随着开发的逐步深入，模

7、块的独立性也变得较差，从而使得系统整体上缺乏可重用性、可扩充性和可维 护性等质量特征。面向对象的程序设计方法，强调数据的重要性，以 对象为核心，用系统本身的结构构造整个系统，由于对 象表现出很强的独立性和通用性，使得软件具有很强 的可重用性、可扩充性和可维护性，这也是面向对象 的 程序设计方法所特别强调的。此外，面向对象构造系 统的思想使得系统的可测性大大增强，面向对象编程 语言的规范性较好，使得系统在开发后期 以至维护阶 段，故障明显降低。但是，面向对象的程序设计方法在 实践过程中也存在一些问题：(1)在设计过程中，一个完整的面向对象的设计，建立各种对象模型的过程是艰苦和漫长的，需要较专 业

8、的技术水平。相对前一方法，难度大，时间长。(2)为了使系统结构严谨清晰、完全可靠，通常包 含不少冗余成分，实现的代价高且不易把握。(3)编程语言的复杂性明显增加，对程序员的素质 要求比较高等。(4)各层对象之间的通信信息传递缓慢，且有时间 执行上的不确定性，不利于提高实时性。由于模块化的设计方法和面向对象的设计方法并 不是根本对等的，一个模块至少可以抽象成一个对象，这在现代面向对象的程序设计语言中已有了很好的体 现，因此将这两种设计方法结合起来是完全可能的。针对变电站自动化后台软件的特点，结合两种编 程方法的优点，进行系统开发。目前变 电站后台软件 应具备的基本功能已经确定，成为了事实上的标准

9、，只 是这些基本功能的完备程度不同。这些基本功能表达 了系统主要特征，且系统的这些基本功能非常稳定，因 此可以被精确定义，所以可 以采用模块化的程序设计 方法，将后台软件分割成若干个子系统，如通讯子系统(本文称数据服务器)、报表子系统、数据库 管理子系 统、数据库子系统、主控程序等。而对 于各子 系统，由 于其数据关系相对与整个系统简单，对象模型相对容 易建立，因而采用面向对象的程序设计方法，也增强了 子系统的可重用性、可扩充性和可维护性，便于根据需 要和发展以及具体的环境进一步完善各个子系统的功 能。2 1 2 采用分层的分析设计方法 根据业务处理、数据流图和控制流图可以清晰的得 到后台监控

10、软件的层次：通信层、数据处理层、数据存储 层、应用层，通过分层分析和设计，并且规定层 间的数据 接口，可以增强移植性、兼容性和降低开发的难度。2 1 3 线程技 术方法 采用基于线程的多任务实现机制并行变电站 自动 化系统监控主站，不同的任务可以用不同的线程来完 成，实时性不同的任务可 以通过安排线程 的优先级别 来保证，可以大大提高对数据处理的速度和对各项紧 急任务的响应速度。2 2 初步设计 2 2 1 开发 平 台及 开发 工具(1)系统开发平台 采用 Mi c r o s o f t 公 司 的 WI N D O WS N T 4 0或 WI ND O WS 2 0 0 0，充分利用

11、WI N D O WS N T或 WI N D O WS 2 0 0 0的良好窗 口界面技术、消息机制、动态连 接库技术 D L L、动态数据交换技术以及优秀的多进 程、多线程技术。而且这两种操作系统的多任务环境 是抢先式多任务环境，抢先式多任务操作系统一般采 用微内核设计，基于时间片的轮转来调度多个任务的 执行，采用微内核设计的时间片划分的比较小，这样就 可以较充分地利用系统的资源，有利于变电站综合 自 动化对实时性要求较高的应用。系统的微内核始终保 酉 皇 燕 鱼 Q Q 璺 勘 N。f WE S T C HI N&日 日：f r RIc p f 日 R N o 6，2 0 0 4 维普资

12、讯 http:/ 持对系统的控制，并且它给应用程序分配时间片使其 运行，在指定时间片结束之际，将控制移交给下一进 程。抢先式多任务克服了 WI N D OWS 9 8等操作系统 的协作式多任务过于依赖应用程序的弱点，提供了一 个可靠的运行环境。因此采用微内核设计的抢先式多 任务操作系统既可以分配给重要性不等的任务模块不 同的执行优先级别，提高实时性，又能提高可靠性。(2)数据库平台 对于非实时性的数据采用 Mic r o s o f t 公司数据库 服务器 MS S QL S E R V E R 7 设计存储，采用 MS S Q L S E R VE R有利于 C l i e n t S e

13、r v e r 结构 的变 电站 自动化 监控系统快速搭建。针对实时性要求高的实时数据库 采用 自行开发的内存数据库，数据库存在于内存，具有 非常快的存取速度，提高在线数据处理的实时性。(3)开发工具 首先是主要开发工具：I NP R I S E公司优秀的面向 对象快速可视化开发工具 D E L P HI 5 0。D E L P HI 具 有卓越的可视化开发环境，编译代码 的质量接近 C语 言，编译速度快；具有灵活的数据库等特性。其次是辅助开发工具：Mi c r o s o f t 公司的 O F F I C E办 公套件中的软件，具有报表设计的特 陛，并且具备 V B A 开发语言，可以对

14、E X C E L进行二次开发，形成较专业化 的通用标本处理软件，此外，与 S QL S E R V E R有着较好 的融合性，有利于增强系统软件的可靠性。2 2 2 软件 的构成 根据前面项 目分析叙述的变电站后台主机系统数 据流向，系统软件的构成如图 2 1 所示。图 1 系统应用软件的构成 但是，由于原始数据的生命周期在整个系统运行 中是非常短暂 的，且除了转发外，几乎没有被重复利 用，且变电站不需要转发功能，因此原始数据库存在的 意义不大，于是，同样根据前面叙述的变电站自动化后 台主机系统数据流向，可以将原始数据中非常有价值 的数据提取出来和应用实时数据合并成实时数据，形 成实时数据库

15、，它主要包括遥测库、遥信库、脉冲电量 库等；历史数据中分离出去应用实时数据后形成新的 历史数据库，主要包括各类统计数据和各类 曲线数据 及报警信息等。这样简化了数据之间的关系，易于整 怂 而丽 个系统的功能分解和程序设计。此时，系统应用软件 的新的构成如图 2 所示。l 壅 堕 鳖 堡 I 图 2 系统应用软件的新构成 因此，变电站 自动化后台主机软件可分外三层：底 层数据服务器(D a t e S e r v e r)；中间层数据库(D a t a b a s e S e r v e r)，包括实时数据库和数据库服务器；高层应用 程序(客户程序 C l i e n t)。前台应用程序包括若干

16、子系 统，人机界面(MMI)、报表系统(R e p o r t S y s t e m)、数据 库管理系统(D a t a b a s e Ma n a g e r)等各种功能模块，集 中在主控程序之下。具体功能结构框图如图 3。变电站后台监控系统 一 次 接 线 图 编 辑 设 计 显 睦 图 3 后台系统功能框图(1)数据服务器功,(D a t e S e r v e r)运行在底层，包 含通讯功能和数据处理功能：接受 R T U采集 的变 电 站实时运行信息，包括模拟量、状态量、时间顺序记录 等数据；转发高层主控程序向 R T U发送的控制命令；发送控制命令 的结果给高层主控程序 等；显

17、示 来 自 R TU的原码数据和下发给 R T U 的原码数据；对所采 集 的原始数据进行处理，生成实时数据，存于实时数据 库中，供前台应用软件使用，如工程值转换，设置实时 数据变化标志等。(2)中间层数据库(D a t a b a s e S e r v e r)数据库是面向应用程序的，数据分析的依据 即系 统功能分析，数据的整体集合即数据库的数据信息构 成整个系统的数据中心，为高层功能模块提供显示、计 算、分析、监测等各种数据信息。根据系统性能分析，可将数据信息分成如下几类：实时数据库：保存实时数据，有遥测、遥信、遥调 维普资讯 http:/ 等。参数数据库：厂站参数、遥测参数、遥信参数、

18、遥调 参数、遥控参数、保护模块参数、曲线配置参数等。历史数据库：曲线库(分钟库)、统计库、累计库，各 种操作登录库如越限登录库、变位登录库、遥控操作登 录库、遥调操作登录库、电容器投切库、保护登录库等。辅助数据库：图元和设备、数据关联库、通信 和打 印等相关参数配置文件。(3)高层应用功能 其一是监视功能 从实时数据库 中检测必要的实时数据变化，并根 据异常进行必要的报警、打印、入库等操作。首先是越限监视：对系统中的重要测量值和计算 值进行越限监视。其次是遥信变位监视：对系统 中的开关量进行变 位监视，对遥信变位次数监视。其二是遥控遥调功能 在接线图上实现遥控、遥调操作；遥控遥调按如下 步骤实

19、施：选点；发令；校验；校验返回；确 认或取消；将遥控、遥调、定值修改等操作存入操作(操作人，操作 内容、操作时间等)数据库。其三是数据的采样计算处理 数据的计算处理主要完成对必要 的实时数据和历 史数据的计算处理功能；主变和输电线路 的有功和无 功功率的 日、月、年最大值、最小值及平均值等；本站有 功功率总加，无功功率总加。电度量总加和电量平衡 率；母线(3 5 k V，1 0 k V)电压 日、月、年最大值、最小值、平均值及相应时间，母线的 日、月、年电压合格率；定时 在实时数据 中采样 整点数据，分钟(5 rai n ll 1 0 rai n ll 1 5 rai n)数据；断路器动作次数

20、统计；电容器投切统计，日、月、年投切次数，投切时间；变压器分接头调整统 计，日、月、年调整次数；事件顺序记录入库；事故追忆，保留相关数据等。其四是打印功能 打印功能主要完成召唤打印、定时打印和随机打 印，打印功能没有单独的模块，而是在需要合适 的打印 方式 的其它模块中完成的。其五是接线图编辑显示功能 主要完成一次接线图的编辑、设计和显示功能。其六是报表功,(R e p o r t S y s t e m)各种所需报表，如 日报、月报等的设计、预览、在线 修改及打印。其七是参数管理功(D a t a b a s e Ma n a g e r)主要进行所需的各种参数的设置维护：厂站参数 设置、遥

21、测参数设置、遥信参数设置、电度参数设置、越 限参数设置、遥调参数设置、遥控参数设置、保护模块 参数设置、曲线配置和通信参数配置等。其八是人机接口功能(监控显示 MMI)友好的人机接口可以方便用户的操作，也可以降 低程序结构的复杂度，并将更多的高层应用功能有机 的连接起来，提高程序开发的效率。其九是系统安全维护 为了保证生产，不同的用户有不同的操作内容，因 此应该设置用户权限级别管理功能。3 软件的结构 为了方便构成 C l i e n t S e r v e r 方式的后台软件，考 虑了数据功能的分散和组合。系统通讯和数据处理两 个功能都是为系统应用程序提供有效数据的，如果将 两者分开，势必会

22、增加数据传递的时间和增加较多的 事物处理过程；因此，可以将这两部分功能组合成一个 专门提供有效数据的应用模块，称作数据服务器，这样 节省了数据传递 和所增加的事物处理时间，提高了实 时性能，同时又减少了事物处理和简化了生成有效数 据的过程，减少了开发时间和降低了程序开发的复杂 性，且适合 C l i e n t S e r v e r 方式。另外，报表功能、数据 存贮功能、数据库管理功能以及远动功能之间彼此数 据联系非常少，有较强 的独立性，可以依此进行分散，尽可能使这些功能仅和应用数据(实时数据和历史数 据等)发生联系，这样形成了以应用数据为中心，功能 可以分布在不同计算机环境中的 C l

23、i e n t S e r v e r 结构。数据库体系结构：对历史数据库 的访 问采用 了双 层体系结构，后台是运行数据库服务器 MI C R OS O F T S Q L S E R V E R 7，前台是运行监控系统软件的高级应 用层。在双层体 系结构下，前 台应 用程序通 过 B D E (B o r l a n d D a t a b a s e E n g i n e，B o r l a n d数据库引擎)与后 台的数据库服务器交换数据，数据库服务器可以响应 前台应用程序的多个请求，采用两层体系结构可以方 便地升级到分布环境 中。作者简介：张书旗，(1 9 5 8-)，学士学位，总工程师，从事发电厂及电 力系统专业技术工作。收稿 日期：2 0 0 4 0 9 2 O 而 丽 面 藩 维普资讯 http:/