变电站在线监控系统学习总结
一、在线系统的概述：
变电站在电力系统中担负着接受和分配电能的职责，其安全、可靠运行有着至关重要的作用。随着电力系统的发展，供电系统也变得越来越复杂。这就要求变电站在运行中的可控性也要随着系统发展不断提高。
为保证变电站的安全与经济运行，在站内建有监视、测量、控制与保护系统，实现对站内的一次设备的运行管理。变电站的监控系统经历了传统电磁式继电系统与人工电话联系，远方终端自动化设备的远动技术设备监控的阶段，发展到今天的计算机监控系统。
计算机监控系统是一门综合技术的成果，它是计算机技术、自动化技术、图形显示技术、通讯技术的综合运用。根据设计思想的不同，计算机监控系统分为两种模式，面向功能与面向间隔和面向对象的分层分布式的监控系统。
为实现变电站数字化发展的趋势，根据IEC61850《变电站通讯网络和系统》的标准将变电站的自动化系统分为3层：变电站层、间隔层、过程层。变电站层设备由带数据库的计算机、操作员工作台、远方通讯接口组成，间隔层设备由每个间隔的控制、保护或监控单元组成，过程层由远方I/O智能传感器和执行器。IEC61850的发展方向是实现面向对象、自我描述、即插即用和无缝通信连接，在工业控制通信上最终实现“一个世界、一种技术、一个标准。
变电站自动化系统包括计算机监控系统、继电保护及自动装置、通信系统等设备。其中计算机监控系统是变电站自动化系统的重要组成部分，通过通信系统与站内的自动化设备相连接，完成变电运行与管理。监控系统有以下特点：
1、输入回路将各种信息转化为数字信号，并通过计算机通信网络进行数据交换，操作员通过人机对话实现在线信息共享。2、采用模数变换、数字滤波、数字处理技术、保证各种测量值的精度，采用防抖动技术、冗余技术、在线自检、自诊断技术，实现了监控的准确度和可靠性。3、变电站设备运行、故障信息、设备操作等信息采用屏幕显示技术在线显示，值班人员可以全面监视与操作，取代了常规中央信号系统、计量屏、控制屏、等设备，为值班员提供了方便直观的监控条件。4、计算机监控系统还可以提供电压无功自动调节、报表生成、故障自动记录等功能，并与其它子系统相结合实现功能综合化。(如我分厂的保护子系统、小电流选线系统、光纤测温系统等）。
二、变电站监控系统的基本功能：
1、数据采集与处理功能：用来完成模拟量、开关量、以及其它的智能电子装置数据的采集与处理，是变电站监控系统得以执行其它功能的前提与基础。
数据的采集由两种方式。其一是通过测控装置获取数据，即面向一次设备采集模拟量、开关量（如CT、PT、的电压与电流信号，变压器的油温、分接头的档位、开关的位置等）经过间隔层设备的处理，输入到实时数据库中。二是面向智能设备通过通信接口直接获得数据导入数据库。
数据采集的形式：（1）模拟量的采集：有两种形式即交流与直流两种形式。交流采样是将交流电压、电流信号直接接入采集单元，不经过变送器。直流采样是将温度、压力、交流电压、电流等外部信号，经变送器转换成适合采集单元的处理的直流信号后，在进入数据采集单元。（2）开关量的采集：有两种形式即光电隔离电路输入与硬接线点对点采集（二—十进制码即BCD码形式）计算机监控系统通过相关的设备开关量的采集、处理、判别、显示或出发相应的告警声光信号，实现对设备运行状态的显示及异常状态的告警和记录功能。开关、刀闸的位置信号，继电保护装置、自动装置的动作、报警、运行监视的状态信号都是通过光电隔离电路输入的有些重要信号如变压器的分接头的位置信号则以硬接线方式输入。（3）通过通信接口采集：通过通信接口采集各种智能设备的信息，再由监控系统进行处理。如直流系统、电能数据、以及一些子系统数据（我分厂110KV站的消弧线圈、光纤、红外线测温、小电流选线、干熄焦发电站的故障录波、低压、低频失步解列安全装置、10KV站的过压消弧装置、无功自动补偿装置等）。
2、控制操作功能：操作控制分为手动控制、自动控制两种。监控系统操作对象一般为站内一次设备、保护、自动装置、二次回路的操作控制与运行软件自动控制的设备。
手动控制包括站内遥控操作、远方操作。、就地操作三种。操作级别由低到高，相互闭锁，同一时间只能进行一级操作。自动操作包括按固化程序进行的倒闸操作和自动调节控制操作。如无功自动调节、程序化的倒闸操作。
3、报警处理功能：监控系统能反应出各列故障的“事故信号”，设备异常、缺陷的预告信号。以便值班人员根据信号的性质做出正确的判断与处理。
根据内容与性质的严重程度分为：设备事故与异常预告信号、将控系统自诊断告警信号、通讯系统故障信号。
报警输出的信息分类、分层管理，以便值班员的查阅和索检，用于监视与运行分析。
4、事件顺序记录（SOE）及事故追忆功能：SOE是带有时标的信息，记录设备状态变化的信息和动作顺序，是核对开关、保护动作的重要依据。事故追忆记录了事前1min和事故后2min时间段内的模拟量值，是进行事故分析的重要依据。
5、时钟同步功能：保证站内电网系统时钟统一，是保证安全可靠运行的前提。
6、人机对话功能：值班员通过键盘与鼠标就可以了解站内设备的运行状态和参数，并进行操作控制。同时还可以进行智能管理，实现数据的二次开发进行记录分类、各种报表、曲线、等信息记录。
7、通讯功能：通过局域网技术、现场总线技术等实现站内信息共享。
三、监控系统模式的结构：
1、面向功能设计的分布式监控系统：由后台机、总控单元、测控保护装置组成，集中组屏安装。该系统的测量采用的是交流采样技术，其中相关的一些模拟量采用数字处理技术运用数学计算获得。主要用于110KV及以下电压等级的变电站。
2、面向间隔和面向对象的分层分布式监控系统：由站控层、间隔层组成，用分层分布、开放式网络实现连接。间隔层由若干按间隔配置的测控（保护）装置组成。（保护与测控有的是分开的）集测量、控制、监控、保护功能于一体，并且面向对象设计。各个测控保护装置对应于本间隔设备实现数据采集与处理、操作控制、保护的功能。站用层由后台主机、操作员站、其它各种功能站组成。它通过计算机通讯网络完成与间隔层的通信实现间隔层设备的管理控制功能，提供站内值班员的的人机对话功能，形成全站的监控与管理。
四、变电站监控系统的基本结构：
变电站监控系统是随着电子技术、计算机技术、通讯网络技术的发展不断改变与完善的。其基本结构经历了集中式与分层分布式的过程。
1、集中式监控系统的基本结构（如图所示）：
集中式监控系统以变电站为对象，面向功能设计。即各系统功能都以整个变电站为一个对象集中设计，而不是以变电站内的某一个间隔为对象独立配置的。把整套综合自动化系统按其不同的功能将间隔层按对象划分组装成多个屏（柜），例如：变压器保护屏、线路保护屏、直流屏等。这些控制保护屏一般都安装在主控室中，又简称“分布集中式结构”。
集中结构并非指一台计算机完成全部功能，例如上图所示中的测控单元、保护单元就是由不同的计算机来完成的。多数传统变电所在改造初期都采用这种集中式结构，但这种结构有以下不足：（1）总控单元任务繁重、引线多，是一个信息‘瓶颈’，降低了整个系统的可靠性。（2）在总控单元故障情况下，将失去所有信息及功能造成监控系统无法正常工作。随着变电站监控系统的发展，集中式结构已经被淘汰不在使用了。
2、分层分布式监控系统的基本结构（如图所示）
监控系统由站控层与间隔层构成。用分层分布网络连接。站控层为全站设备监视、测控、管理中心，站控层与监控层的通讯可以通过光缆或双脚下直接连接，也可以通过前置装置（总控单元，即我们平时所说的通讯管理单元）连接。间隔层按照不同电压等级和电气间隔单元，分散安装在各自的单元继电器室上，独立完成间隔层设备的测控保护功能。由此可见每层由不同的设备与子系统构成，完成相应的功能。其功能单元有：各种高低压线路保护单元、主变压器保护单元、电容器保护单元、 备用电源自投控制单元、低频减载控制单元、电压无功综合控制单元、数据采集与处理单元、电能计量单元。 每个功能单元由一个CPU或多个CPU完成的，例如主变保护就由主保护和后备保护组成。这种按功能设计的分散模块化结构具有软件相对简单、调试维护方便、组态灵活、系统整体可靠性高的特点。
分层分布系统中的分层是指将电气设备按不同级别组织起来，是控制与被控制的关系。在监控系统中是站控层与间隔层的物理层次关系。分布是指系统的构成在资源逻辑和拓扑结构上的分布，它强调资源信息、功能、控制的全面分布。
分层分布系统的优点是：功能的分布表现在某一设备发生故障时，只影响故障单元。而不会影响整个系统，降低了危险性，提高系统安全性、可靠性。功能上相对独立，不完全依赖通信系统，减少了对通信单元的负荷，有利于通信系统的快速运行。双网运行增加了通信系统的稳定。
五、间隔层设备：
1、间隔层设备的定义、组成：间隔层设备是按变电站的电气间隔来配置的，它实现了对相应的电气间隔的测量、控制、保护、以及其它的辅助功能。分为测控装置、保护装置与测控保护合为一体的综合装置、其它一些智能装置如小电流选线装置、直流屏自动监控装置等。
2、测控装置的组成如图所示：
测控装置由模拟量输入/输出模块、开关量输入/输出模块、微型机系统模块、电源模块、通讯模块组成。
模拟量输入回路如下图所示：
变电站的模拟量主要有三种类型：（1）工频电气量如交流电压、交流电流。（2）变化缓慢的的直流电气量如直流电压、电流。（3）变化缓慢的非电气量如温度、压力。这些模拟量都是随时间连续变化的物理量，但是CPU只能识别数字量，因此模拟量信号就必须转换成数字量才能输入到CPU中进行处理。模拟量的采集分为直流采样与交流采样，目前大多采用交流采样。一般测控装置装有8路交流量输入回路（采集Ua、Ub、Uc、Uo、Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｏ）。
模拟量的交流采样就是将连续的周期信号离散化，用一定的数学算法对离散的信号进行分析。方法是将连续的时间信号的一个周期T分解成N个等分点，每隔N/T时间进行一次采样，再经模数变换后输入CPU处理，计算得到所需的数据。每３０度/１５度角采集一次，按工频周期0.02s计算，30度角采集一次的时间就是0.02/12约为1.67ms。过程为首先把时间的连续信号按一定的采样时间变换成离散的时间序列信号，称之为时间取量化，然后再将这些离散的时间信号转换成二进制的数字信号称之为幅值取量化。
模拟量输出回路：CPU、接口电路、锁存器、D/A转换器、放大电路组成。主要用于将CPU处理的模拟量由数字量转换为模拟量用于生产的过程。
开关量输入回路如下所示：
开关量输入回路：包括断路器、隔离刀闸、跳合位继电器的触点、变压器的分接头位置等。其基本原理是将来自监控对象的各种无源触点信号经过光电耦合电路隔离后变换成二进制信号输入到CPU中处理。分为（1）单位置信号如一些告警信号。（2）双位置信号如开关的状态信号，在变电站综合自动化技术中还保留着传统变电站的信号形式，传统战中开关的跳合闸位置由指示灯和机械位置指示来显示的。在监控系统中保留着这些指示信号，它通过后台显示器上的图形符号的变换域闪烁来替代。（3)BCD编码信号。
接口电路的作用：是CPU和外设信息交换的桥梁，通过接口电路计算机与外部设备进行信息交换。其作用（1）实现CPU与不同外设的速度匹配。（2）把外设的的电平信号转换成统一的TTL电平信号。（3）信号变换将模拟量信号成数字信号。（4）计算机通讯时进行串行/并行数据的转换。
开关量输出回路：其基本原理是CPU发出控制命令经逻辑出口电路输出经光电隔离后去驱动出口继电器的触点动作。实现的功能有遥控开关的操作、防误闭锁的操作等。
通讯接口（模块）的作用：将测控装置采集的数据和运算的信息输送到站控层，接受站控层的查询和控制命令。
微机型系统（CPU）作用：进行逻辑判断与运算。其处理数据的方法有定时查询、中断响应两种方式。
定时查询：CPU查询外设状态“准备好“后进行数据的存、取。
中断响应：通过硬件改变CPU程序运行方向，运行中由于CPU以外的原因必须中断当前程序，进行高级程序的执行，在完毕后再进行中断的程序。
六、站控层:
1、变电站监控系统的站用层由数据采集通信子系统、数据处理及人机联系子系统、远动通信系统、时钟同步系统组成。
（1）数据采集自系统：按应用的模式分为总控、前置机和以太网三种模式。
总控模式的数据采集通信子系统由双套总控单元组成，负责与间隔层的测控、保护、智能装置进行数据通信，完成数据的采集与通信功能，并且通过串口与站内的监控系统进行通信。（我分厂10KV站采用此模式）
前置机模式的数据采集通信子系统由双套前置机及其通讯接口设备、单套公用信息工作站及其通讯接口设备、网络通讯设备组成。其中前置机负责与间隔层进行数据通信，完成数据采集与通信功能。公用信息站负责与保护、智能装置进行数据通信，完成数据采集与通信功能。前置机和公用信息站通过以太网与站内主机、远动工作站链接实现通信功能。（我分厂110KV站结构与此模式一样）
以太网模式的数据采集通信子系统由单套公用信息站及其接口设备、网络通信设备（一般为工业交换机）组成。其中间隔层直接与网络通信设备链接，并接入站控层网络。数据采集和通信功能直接由站内主机、远动站的通信软件模块完成。公用信息站负责与保护、智能装置进行数据通信，完成数据采集与通信功能。
（2）数据处理及人机联系子系统：根据电压等级的不同、设计要求不同而不同。一般由主机、操作员工作站及打印机、工程师站、五防站及其电脑钥匙等组成。负责站内数据处理和人机联系功能。
主机一般配置两套，110KV站以下主机与操作员站合用。负责站内的数据收集、处理、存储、发送。具有图形显示、报表打印、事件记录、查询设备参数、操作控制命令下传等。通过主机（或操作员站）运行值班员实现了对全站设备运行监控与操作控制。
工程师站、五防站一般不在110KV站使用。五防站可以完成倒闸操作的操作票生成、预演、核对的工作。
（3）远方通信系统：由远动装置、电力数据网、调制解调器等组成。负责与调度中心的通信功能。
（4）时钟同步子系统：用于完成站内智能装置的时钟同步功能。
2、数据采集子系统的通信方式：分为串行通信方式与以太网通信方式两种。
（1）串行通信：指间隔单元通过串行通信接口与站控层的通信方式。串行通信方式的数据采集子系统主要由总控单元、前置机、串行接口设备、公用信息站组成。总控单元或前置机采用双机配置，公用信息站因不进行数据采集只对智能装置收集数据采用单机配置。其通信网络大多采用RS-485总线型或RS-232总线型结构。
总线型需工作在主从方式下，总控单元或前置机作为主机，通过总线连接的装置为从机。只有在主机主动查询数据时，从机才能上传数据。同一总线上的所有装置在得到主机查询报文后，验证报文的地址与本装置地址一致时，对报文进行回答和处理，否则不进行处理。
（2）、以太网通信：间隔单元通过以太网与站控层进行通信。一般以双网络组成（交换机是核心部件）。总控单元或前置机用于公用信息站，间隔层通过以太网直接与站控层连接，进行数据采集。网络中所有装置均配置双网所对应的的IP地址及其网络掩码。数据传输采用点对点和网络广播相结合的方式。变电站监控系统中一般采用的是IEC60870—5—104规约。104通信规约采用点对点通信方式，以查询的方式由站控层发出召唤报文，装置按网址确认后上传数据。
七、监控系统的数据通信：
数据通信是计算机和通信技术相结合的产物，是计算机网络的基础。在变电站综合自动化技术中，它象桥梁一样将监控系统与站内的电气设备连接起来，是监控系统重要组成部分。
监控系统的通信内容有站内传输的信息内容和上传到调度中心的信息内容。
（1）数据通信系统的组成：由数据、数据终端设备（DTE）、数据通信设备（DCE）、通信链路四部分组成。
数据：计算机网络中具有一定编码的数字信息。
数据终端设备DTE：指数据通信功能的数据源，指站内的测控、保护、智能装置、计算机等。
数据电路端接设备：指可以直接发送和接受数据的通信设备。
数据链路：通信双方之间为传输数据而建立的物理通道。
（2）网络协议：为简化计算机网络的复杂程度，国际标准化组织制定了开放系统互联参考模型作为计算机网络的标准协议。模型将网络功能分为1物理层（以二进制数据形式在物理媒体上传输数据）、2数据链路层（传输有地址的帧以及错误检测功能）、3网络层（为数据包选择路由）、4传输层（提供端对端的接口）、5会话层（解除或建立与别的接点的联系）、6表示层（数据格式化，代码转换，数据加密）、7应用层（文件传输，电子邮件，文件服务，虚拟终端）七个层次，制定了每个层次含义说明。规定了物理特性、电气特性、以及如何进行信息交换的规约。
（3）监控系统常用的通信技术：串行通信、现场总线、局域网。
串行通信：在数据通信、计算机网络以及分布式工业控制系统中，经常采用串行通信来交换数据和信息。最早的串行通信接口RS-232应用于数据通信中（数据终端设备与数据通信设备之间的通信）不属于开放式模型协议标准。通信规约各厂家也不一致。串行通信存在链接节点数少、通信方式多为查询方式，主机询问，测控单元回答，通信效率低、各厂家的规约不统一，大多用于早期的集中式结构的变电站中。
现场总线：为克服串行通信存在的缺点，出现了现场总线通信。所谓的现场总线是一种全数字的双向多站点通信系统。它按照开放式模型协议标准把分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为枢纽，把这些点连接成可以相互通信能完成自动控制的网络与控制系统。
局域网：变电站的综合自动化通信的快速发展，形成了串行通信、现场总线与局域网并存的网络结构。目前的变电站内设置局域网，不同的智能设备以不同的形式接入局域网。站内的测控、保护装置的数据信息通过现场总线以TCP/IP（计算机标准通讯协议）接入局域网，也可以使用RS485、RS232将一些智能设备接入通信装置经规约转换后接入局域网实现信息的共享。
（4）电力系统使用的通信网络的要求和规约：由于通信网络在变电站自动化中重要性，要求满足以下的要求1、快速实时的响应能力。2、可靠性、3、电磁兼容性。4、结构分层。
通信网络是变电站自动化的重要环节，它的标准化是是变电站自动化发展的关键项目，由于各厂家使用的规约不一致，使得在变电站自动化的实际工程中花费大量的人力、物力、去进行规约的转换工作。而且增加运行、维修的工作量。目前变电站根据各自的规模、网络的选择使用不同的规约。有原部颁布的循环式与问答式规约、101、102、103、104国际标准规约。
下图为104规约的功能结构分层图：
我分厂110KV站在线监控系统配置学习：
我分厂110KV站是中润公司供电系统的中心变电站，该站属于降压变电站，有两个电压等级110KV和10KV。站内一次主接线采用的是单母线分段运行的接线方式。主电源来自金银滩220KV的两路110KV出线，经站内主变（3台2用1备）直接降压为10KV后，在主变负荷侧与干熄焦发电机组并网后，输送公司的10KV1#、2#站、热力站、201开闭所、203开闭所、焦油站、苯加氢站，再输送各车间的高压电机以及各车间变电所降压后供电给各车间负荷用电。
根据我分厂的一次主接线方式按一次设备间隔配置分层分布式结构。使用南瑞RCS9600系列装置。
1、110KV系统使用集中组屏的方式：（1）主进线不设保护，保护功能由上级变电站承担。配置测控屏由测控单元、三相操作箱单元组成。完成对主进线母联开关的测量、控制、操作、防跳等功能。（2）主变配置测控屏由测控单元组成完成对主变高低压侧测量、控制、操作、防跳等功能。保护屏由变压器主保护、后备保护单元组成。完成对主变保护及事故状态下切除干熄焦小电源的功能。（3）公用信息屏由测控单元、PT并列切换单元组成，完成PT并列切换功能。
2、10KV系统使用就地组屏的方式：按10KV系统电气间隔分散安装在各自的开关柜上使用测控保护一体装置。
3、智能装置与其它厂家装置：直流屏与小电流选线装置、消弧线圈装置、10KV热力线的南自光纤差动保护装置经串口进入9794单元转换规约后，通过9882直接并入以太网将数据传送到后台。
4、110KV系统测控、保护等装置、10KV系统的测控保护装置通过现场总线通信与9698总控单元连接，经以太网完成数据传输与控制功能。
5、9698装置将接受数据通过装置内部的调制调解器，调制信号后传送到区调。
6、结构图如下图所示：
7、RCS-9600变电站自动化后台监控系统简述：
RCS-9600变电站监控系统通过测控装置、微机保护及站内智能装置采集和处理各种数据，实现对变电站的运行参数的监视，并按照值班员的指令进行操作控制，完成对站内设备的保护功能。提高了系统运行的稳定性和可靠性。
主要功能有：（1）显示一次设备状态，以及实时数据，包括接线图、地理图、数据一览表等，并可以人工打印图形。（2）显示事件信息，事件信息包括：遥测越限报警、遥测越限恢复正常、遥信正常变位、事故变位、SOE、遥调、遥控结果等。（3）显示事件列表，并提供各种查询手段。（4）进行遥调、遥控操作，人工置数操作，报警确认操作。（5）显示保护事件信息列表，并提供查询，进行保护信号复归、保护定值整定。（6）显示查询实时曲线和历史曲线功能，进行人工打印及自动打印历史报表。（7）事故追忆功能。（8）操作票的生成、执行等功能（9）权限管理，为运行人员，维护人员，系统管理员分配不同的权限。
注：上述第7.8项功能我分厂不具备。9项没有使用。