基于MCGS组态软件的变电站监控设计毕业论文.docx
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基于MCGS组态软件的变电站监控设计毕业论文
基于MCGS组态软件的变电站监控设计毕业论文
第一章引言1
1.1变电站监控系统主要发展阶段及应用现状1
1.1.1变电站监控系统主要发展阶段1
1.1.2变电站监控系统应用现状2
1.2发展变电站监控系统的必要性2
1.3课题来源及容3
1.4论文组织结构6
第二章矿井变电站监控系统的分析8
2.1矿井变电站综合自动化对监控系统的要求8
2.2常规矿井变电站监控系统的状况及缺点9
2.3矿井变电站综合自动化监控系统的提出及其优点9
2.4矿井变电站综合自动化监控系统基本结构及组成10
2.4.1矿井变电站综合自动化监控系统基本结构10
2.4.2矿井变电站综合自动化监控系统结构11
2.5矿井变电站综合自动化监控系统的主要功能16
2.5.1数据采集与处理功能16
2.5.2控制操作功能17
2.5.3报警及处理功能18
2.5.4人一机联系与运行管理功能18
第三章组态软件20
3.1组态软件概述20
3.2组态软件的发展情况20
3.3MCGS组态软件简介21
3.3.1MCGS组态软件的系统构成22
3.3.2MCGS组态软件的功能和特点23
3.3.3MCGS组态软件的工作方式25
第四章基于MCGS组态软件的矿井变电站监控系统的实现26
4.1建立井下监控工程26
4.2井下监控工程动画连接设置28
4.2.1定义数据变量28
4.2.2设置动画连接属性30
4.2.3设置模拟设备31
4.3报警显示与报警数据32
4.3.1定义报警33
4.3.2报警数据34
4.4报表输出35
4.4.1实时报表36
4.4.2历史报表38
4.5曲线显示41
4.5.1实时曲线41
4.5.2历史曲线42
4.6安全机制43
4.6.1操作权限44
4.6.2操作权限管理44
4.6.3工程加密48
第五章基于MCGS组态软件的矿井监控系统的画面层次设计49
5.1登录界面49
5.2主界面51
5.3报警显示界面53
5.4数据报表界面54
5.5曲线显示界面57
5.6运行界面的其它功能58
第六章总结与展望60
致谢62
参考文献63
第一章引言
变电站监控系统是指在变电站应用自动控制技术、信息处理、传输技术和计算机软硬件等技术实现对变电站二次设备（包括测量仪表、控制系统、信号系统及远动装置等）的功能进行重新组合和优化设计，对变电站主要电气设备的运行情况进行监视、测量、控制和协调，减少或代替运行值班员对变电站运行情况的监视和控制操作，使变电站更加安全、稳定，可靠运行的一种综合性的自动化系统。
变电站监控系统的主要功能是对变电站所有智能电气设备的监视和控制。
它能进行变电站智能电气设备远动及遥测和遥信的功能。
保证了变电站以后的正常运行维护以及工业企业生产中电气设备的正常运行。
功能的重新组合和优化设计是其区别于常规变电站的最大特点,它以计算机技术为基础,以数据通讯为手段,以信息共享为目标。
由于监控系统比老式变电站的声光报警系统具有很大的优越性和可靠性，所以变配电站监控系统在已建变电站的应用中已经得到了充分的肯定，通过总结其使用的经验和分析存在的问题，为新建的装置变电站在综合自动化技术方面的使用提供参考，从而使该技术在变电站安稳供电工作中得到更好的应用。
1.1变电站监控系统主要发展阶段及应用现状
1.1.1变电站监控系统主要发展阶段
变电站监视、测量和控制系统的形成和发展主要经历了以下三个阶段:
（1）变电站传统的监视。
测量和控制系统阶段
由各种继电器，测量仪表，控制开关、光字牌、信号灯、警铃、喇叭及相关一次设备的辅助触点通过导线，并根据特定逻辑关系连接，构成变电站的二次回路，实现变电站的监视、测量、告警和控制功能。
变电站值班人员定时记录盘表测量值，并用告知远方调度值班人员。
（2）变电站传统的监视、测量和控制系统的改进阶段
随着电网的发展，变电站传统的监视，测量和控制系统不能满足安全稳定运行的要求。
远方传输系统（简称远动系统）应运而生。
除传统的监视，测量和控制系统外，变电站增加了一套远动终端装置（R1m）。
变电站端RTU自动采集相关的测量量，主要设备的状态量和信号量，通过电力通信网将这些量传送给远方调度端的远动装置，并在调试屏上显示，实现对变电站的遥测和遥信功能。
远方调度值班人员也可通过远动系统，将控制和调节命令传送给变电站端RTU，实现对断路器和变压器的“遥控”和“遥调”。
（3）变电站监视、测量和控制系统阶段
随着计算机技术、通信网络技术和现代控制技术的快速发展，变电站监视、测量和控制系统（简称监控系统）异军突起。
监控系统应用计算机技术、自动控制技术、信息处理和传输等技术，对变电站监控系统功能进行重新组合和优化设计，取代了传统的监控系统，而且与变电站端RTU合二为一，实现了软硬件和信息资源共享。
1.1.2变电站监控系统应用现状
随着工况企业电网结构的日趋复杂，变电站作为系统的重要组成部分，其运行的经济性、安全性和可靠性变得越来越重要。
监控软件作为变电站综合自动化系统的重要组成部分，集数据采集、显示、控制、通信等功能于一体，是变电站综合自动化监控系统的最终实现工具。
随着计算机技术和通信技术的发展，人们对电力监控系统的要求越来越高。
因此，开发专用的变电站监控组态软件成为满足变电站自动化技术发展的必然选择。
运用变电站监控组态软件，变电站工作人员只需要简单地进行相应的参数组态工作，就能够实时、直观了解和监控整个变电站设备的运行情况。
目前，国产化的变电站综合自动化监控系统在工况企业中运用的已经很多，但仍然存在障碍，其主要原因如下：
（1）由于对传统的继电器控制保护系统有长期的运行、设计和维护经验，故一般认为老系统的可靠性高；
（2）国产化的变电站综合自动化监控系统目前在国尚未普及，仅在个别地区供电部门的大力推荐下，在当地的一些变电站中开始尝试这一新技术；（3）进口的变电站综合自动化监控系统价格昂贵，只有部分大型新建的并由外资贷款的工程，由于外方对技术水平的要求，全套引进这部分的技术设备；（4）目前操作人员的素质不高，对新系统缺乏了解。
由于以上一些原因制约了变电站综合自动化监控系统在变电站的发展和运用。
1.2发展变电站监控系统的必要性
随着科学技术的不断发展，计算机已渗透到了世界每个角落。
电力系统也不可避免地进入了微机控制时代，变电站综合自动化监控系统取代传统的变电站二次系统，已成为当前电力系统发展的趋势。
在系统设计思想方面,完整的变电站综合自动化系统除在各控制保护单元保留紧急手动操作跳、合闸的手段外，其余的全部控制、监视、测量和报警功能均可通过计算机监控系统来完成。
变电站无需另设远动设备，监控系统完全满足遥信、遥测、遥控、遥调的功能以及无人值班之需要。
在系统功能方面，系统与用户之间的交互界面为视窗图形化显示，利用鼠标控制所有功能键等标准方式，使操作人员能直观地进行各种操作。
一般来说，系统应用程序菜单为树状结构，用户利用菜单可以容易到达各个控制画面，每个菜单的功能键上均有文字说明用途以及可以到达哪一个画面，每个画面都有报警显示。
把微机保护系统与传统保护系统相比较，传统的保护系统与微机保护装置系统的主要区别，在于用微机控制的多功能继电器替代了传统的电磁式继电器，并取消了传统的信号屏等装置，相应的信号都输入至计算机。
为便于集中控制，采用集中式设计——将所有的控制保护单元集中布置，整个变电站二次系统结构非常简单清晰，所有设备由微机保护屏、微机采集屏、交直流屏和监控系统组成。
屏柜的数量较传统的设计方式大量减少。
由于各种微机装置均采用网络通讯方式与当地的监控系统进行通讯而不是传统的接点输出到信号控制屏，因此二次接线大量减少。
同时由于采用了技术先进的当地监控系统来取代占地多、操作旧的模拟控制屏，使得所有的操作更加安全、可靠、方便。
总的来说，随着科学技术的不断发展，变电站综合自动化系统取代传统的变电站二次系统，已成为电力系统的发展趋势。
1.3课题来源及容
本课题来自同煤集团煤峪口矿井下变电站，研究对象为该变电站监控软件设计。
该变电站原始资料如下：
本矿井为低瓦斯矿井，矿井设计能力为年产240万吨，在册职工人数为5000人。
矿井年最大负荷利用时数为4500小时，当地电费0.5元/KW.H，基本电费按安装容量计收为5元/KVA.月。
该矿历史悠久，但是变电站的监控和保护装置相对落后，具体表现在：
1.变电站中继电保护仍然全部采用的是电磁继电器的保护，大部分继电器严重老化，保护动作不可靠，经常出现保护拒动和保护误动情况。
2.站直流系统严重老化，输出电压不稳定且波动大，无法保证变电站二次设备的直流供电的要求。
3.由于保护和直流的旧，一旦设备出现故障和损坏也无法找到合适的零部件更换，造成设备瘫痪、无法运行。
4.由于设备的信息化程度低，报警的自动化程度不完善，也带来一旦出现电力设备故障，值班人员和相关领导不能及时得知情况，不能做到故障的及时处理，严重影响电力设备的安全、正常运行。
如下图1-1、1-2为本次设计主要研究对象：
图1-1煤峪口矿井下高压供电系统图
图1-2新中央变电所供电系统图
井下负荷统计:
下列用电设备应按一级用电负荷设计，其配电装置必须由两回路或两回路以上电源线路供电。
电源线路应引自不同的变压器和母线段，且线路上不应分接任何其他负荷：
1井下主排水泵；2下山采区排水泵；3兼作矿井主排水泵的井下煤水泵；4经常升降人员的暗副立井绞车；5井下移动式瓦斯抽放泵站；6风机。
下列用电设备应按二级用电负荷设计，其配电装置宜由两回电源线路供电，并宜引自不同的变压器和母线段。
当条件受限制时，其中一回电源线路可引自本条规定的同种设备的配电点处：
1暗主井提升设备、主井装载设备、大巷强力带式输送机、主运输用的井下电机车充电及整流设备；2经常升降人员的暗副斜井提升设备、副井井底操车设备、元轨运输换装设备；3供综合机械化采煤的采区变（配）电所；4煤与瓦斯突出矿井的采区变（配）电所；5井下照明；6不兼作矿井主排水泵的井下煤水泵、井底水窝水泵；7井下运输信号系统；8井下安全监控系统分站。
论文中用到了一些基本的技术参数如图1-3、图1-4：
图1-3干式变压器主要技术参数
图1-4馈电开关主要技术参数
该矿井下的负荷资料如下表：
负荷名称
电动机额定容量/KW
设备台数
设备容量/KW
需用系数
功率因数
重要负荷率%
安装
工作
安装
工作
水泵
315/132/2.2
5
5
895
895
0.85
0.8
100
绞车
145.6/11.4
3
3
303
303
0.85
0.8
100
风机
1600
6
6
3200
1600
0.9
0.9
100
照明
500
500
0.8
0.9
100
皮带机
30/70
2
2
100
100
0.8
0.8
50
表1-6矿井下的负荷资料
本设计要根据煤峪口矿井下变电站供电系统情况及有关要求，以新中央变电所为例简单展示了分层分布式变电站综合自动化系统并利用工业组态软件MCGS来实现监控系统基本功能的设计。
由于本人专业知识很有限，且关于煤峪口矿井下变电站的资料掌握不够全面，该系统也不能实现实际的。
该监控系统只能模拟整个系统的运行及功能的演示。
本监控软件的设计目标为：
（1）通过主接线图可以清晰的看到变电站的一次接线情况，并且可以直观的监控到整个变电站供电系统的状态和运行情况。
（2）当某线路的运行不正常或操作不当时会弹出警告窗口，并对其进行事件记录。
（3）对断路器和隔离开关的操作实现闭锁功能，并且提示正确操作，以减少操作人员的失误，避免事故。
（4）设置监控屏，通过监控屏可以直观的读取一些数据。
（5）出现事故时，会弹出提示界面，告之发生意外请求处理，进行报警确认。
1.4论文组织结构
第一章一、二节简单论述了变电站监控系统的主要发展阶段及应用现状，以及今后监控系统的发展要求。
三节详细论述了课题来源和容。
第二章详细分析了矿井变电站系统，叙述了常规矿井变电站的状况和缺点、矿井变电站对监控系统的要求、矿井变电站监控系统的提出及优点，还有设备及结构。
最后一节，介绍了矿井变电站监控系统的功能。
第三章概述组态软件的发展，把MCGS与其它组态软件相比较，简述了MCGS组态软件。
第四章创建了新中央变电所的监控系统，包括建立井下监控工程、井下监控工程动画连接设置、报警显示与报警数据的设置、报表输出、曲线显示和安全机制。
第五章基于MCGS组态软件的监控系统的画面层次设计，包括登录界面、主界面、报警显示界面、数据报表界面和曲线显示界面。
第六章总结与展望。
第二章矿井变电站监控系统的分析
要对矿井变电站监控系统进行很好的分析，必须要了解整个矿井变电站监控系统是怎样的现状，而且要了解它的整个运行过程中是一个怎样的工艺流程。
对矿井变电站监控系统有一个全面的了解后，就能得到变电站综合自动化监控系统的整体需求。
本章先提出常规矿井变电站监控系统的状况及缺点，然后提出现代矿井变电站对监控系统的要求及现代矿井变电站监控系统的提出和优点。
最后两节介绍了矿井变电站的基本设备、结构和主要功能。
2.1矿井变电站综合自动化对监控系统的要求
矿井变电站对计算机监控系统的要求是有很多方面的，主要有以下几个方面：
1.先进性
基本功能应能满足现场提出的检测，控制与通信的要求。
总的原则是在技术上容许的条件下力求到先进水平（包括各项功能和技术经济指标）。
2.可靠性
对计算机监控系统来说，可靠性特别重要。
计算机要能长期连续工作，要具有较强的抗干扰能力和自检自恢复功能。
为了提高可靠性，要在硬件和软件两方面采取措施。
硬件方面要选择可靠性较高的控制机，要有一个合理的结构，尽量采用标准化的功能模块，对接口的可靠性要给予特别重视。
实践表明，在计算机系统的故障中接口的故障率是最高的。
软件方面也要有一个合理的结构，力求按模块化，构结化的要求设计程序。
在可靠性要求特别高的场合，要采用双机或双重化系统。
3.实时性
计算机监控系统对各种信息的采集和处理要满足实时性的要求，对现场各种状态要能及时响应。
在控制方面，控制信号要能及时发出。
为了达到上述要求，硬件上要采用转换速度比较快的接口及比较完善的中断申请和优先排队电路，软件上要尽量缩短处理和运算时间，对任务进行合理安排和调度，使重要任务得到优先处理等，也可提高实时性。
4.适应性
计算机要能适应系统各种运行情况。
当系统运行情况发生变化时，要求通过简单的开关操作或改变某些特征标志和整定值就能适应。
此外还有可扩充性和可维护性。
2.2常规矿井变电站监控系统的状况及缺点
常规矿井变电站的二次系统主要由继电保护装置、就地监控仪表、远动装置、录波装置所组成。
在实际应用中，是按继电保护、远动、就地监控、测量、录波等功能组织的，相应的就有保护屏、控制屏、录波屏、中央信号屏等。
每一个一次设备，例如一台变压器、一组电容器等的保护测控功能均与以上这些屏体有连线，对于同一个一次设备，与之相应的各二次设备（屏）之间，保护与远动之间都有许多连线。
由于各设备安装在不同的地点，因而变电站电缆错综复杂。
正是由于常规矿井变电站的上述情况，决定了常规矿井变电站存在着不少缺点：
（1）安全性、可靠性不高。
传统的变电站大多数采用常规的电气设备，尤其是二次设备中继电保护和自动装置、远动装置等采用电磁型和晶体管式，结构复杂，可靠性不高，本身又没有故障自诊断能力，只能靠定期检修或保护装置发生拒动、误动之后才能发现问题。
（2）实时计算和控制性不高。
传统的矿井变电站不能满足向调度中心及时提供运行参数的要求；一次系统的实际运行工况，由于远动功能不全，一些遥测、遥信无法实时送到调度中心；而且参数采集不完整、不准确，变电站本身又缺乏完善的自动控制和调节手段，因此无法进行实时监控，不利于变电站的安全稳定运行。
（3）维护工作量大。
常规的继电保护装置和自动装置多为电磁型或晶体管型，其工作参数易受环境温度的影响，因此其整定值必须定期停电检验。
（4）占地面积大。
传统的矿井变电站，二次设备多采用电磁式或晶体管式，体积大、笨重，因此主控室、继电保护室占地面积大。
2.3矿井变电站综合自动化监控系统的提出及其优点
基于常规矿井变电站的上述状况，随着计算机技术的发展，变电站的装置都开始采用微机技术而形成独立的微机型继电保护装置、微机监控、微机远动、微机录波装置等等。
这些独立的微机型装置尽管功能不一样，其硬件配置都大体相同。
除微机系统本身外，无非是对各种模拟量的数据采集，以及输脯出接口电路，况且装置要采集的量和要控制的对象还有许多是共同的，因而设备重复、数据不共享、通道不共用、模板种类多、电缆依旧错综复杂等问题依然存在。
于是，人们自然地提出这样一个问题：
在当今的技术条件下，能否跳出历史造成的专业框框，从技术管理的综合自动化来考虑全微机化的变电站二次部分的优化设计，合理地共享软件资源和硬件资源。
这就是变电站综合自动化技术的由来。
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，实现对全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。
变电站实现综合自动化有如下优点：
（1）在线运行的可靠性高。
变配电站监控系统可以利用软件实现在线检测，具有故障诊断功能，同时对电力系统故障具有很强的综合分析和判断能力。
利用有关的硬件和软件相结合技术，可有效防止干扰进入微机系统后造成的严重后果，使变电站的一次、二次设备运行的可靠性远远超过常规变电站。
（2）易于发现隐患，处理事故恢复供电快。
综合自动化系统可以收集大量的数据和信号，利用计算机高速计算和J下确判断的能力，将处理后的结果反映给值班人员，使值班人员尽快地发现问题，及时处理事故，尽早恢复供电。
（3）变电站运行管理的自动化水平高。
变电站实现综合自动化后，监视、测量、记录、抄表等工作都由计算机自动完成，既提高了精度，又避免了人为的主观干预。
综合自动化还具有与上级调度通信功能，可将检测到的数据及时送往调度中心，使调度员能及时掌握各变电站的运行情况，大大提高运行管理水平。
（4）减少控制电缆，缩小占地面积。
变配电站监控系统由于采用计算机和通信技术，可以实现数据和信息共享，从而节省大量的控制电缆。
同时由于硬件电路多采用大规模集成电路，结构紧凑、体积小、功能强，故可以缩小变电站的占地面积，减少变电站的投资。
（5）维护调试方便。
由于综合自动化系统中各子系统有故障自诊断能力，从而可以缩短维修时间。
微机保护和自动装置的定值可以在线读出和远程管理，便于定值的修改和调试。
2.4矿井变电站综合自动化监控系统基本结构及组成
2.4.1矿井变电站综合自动化监控系统基本结构
变配电所监控系统运用到矿井变电站后,其设备由带有通讯接口的采集控制模块：
多功能电力综合仪表、开关量采集模块、电流量采集模块、模拟量采集模块、继电器控制输出模块、通讯管理机、24V直流电源，低压电动机综合保护器、中压微机综合保护器以及中央监控主机等组成。
中央监控主机是本系统的集中管理中心。
一般安置在有人或无人值班的总值班室，用于整个变配电系统的实时状态显示、参数统计、数据分析、历史记录、故障报警、控制、报表打印等。
2.4.2矿井变电站综合自动化监控系统结构
变配电站综合自动化系统的结构分为集中式和分层分布式两种形式。
1、集中式综合自动化监控系统的结构及特点
1）集中式监控系统的基本概念
以变电站为对象，面向功能设计的监控系统，称之为集中式计算机监控系统。
即各系统功能都以整个为一个对象相对集中设计，而不是以部和某元件或间隔为对象独立配置的方式。
2）集中式监控系统的基本结构与特点
（a）基本结构及组成
集中式监控系统的基本架构如图2-1所示。
集中式结构并非指由一台计算机完成保护、监控等全部功能。
多数集中式结构的微机保护，计算机监控和远动通信的功能也由不同的计算机来完成，例如，数据采集、数据处理、远动、开关操作和人机联系功能可分别由不同计算机完成。
该结构形式主机出现在计算机监控系统问世初期。
图2—1集中式变电站监控系统架构
集中式监控系统构成如下：
、
（1）模拟量输入单元。
根据输入方式的不同，又分为直流采样和交流采样两种模式。
直流采样是把来自电流互感器（TA）、电压互感器（TV）的输入信号经过变送器变换为小信号的直流电压或电流之后，再输入监控系统的模拟量输入模件：
交流采样则是把TA／TV输入信号直接接入监控系统中的交流模拟量输入模件进行采样，通过模／数转换将其转换为数字量，并通过获得相应的电气量，省去了直流模拟量输入所需的电量变送器的中间环节。
无论采用哪种模式，均需在模拟量输入中进行模数转换，把模拟量变成计算机可以处理的数字量，并需满足一定的精度要求。
（2）数字量输入单元。
亦称状态量输入或开关量输入，它是把来自一、二次设备的各种打冷战信号经过光电耦合器隔离之后变为二进制信号。
判定数字量输入性能的优劣，主要视其容量大小，SOE分辨率的高低以及准确性三个方面。
（3）脉冲量输入单元。
专门针对脉冲式电能表的输出而研发的一种接口，原理上同数字量输入相同，也采用光电耦合方式，但对电能表输出脉冲有一定要求，并将逐步被智能电子电能表专用读表系统所取代。
（4）开关数字量输出单元。
亦称控制命令输出或开关量输出，它是把来自人机界面所下发的命令或来自外部（本地或远方）所下发的命令“翻译”成为一种开关量的输出，即继电器的输出以控制一次设备的断开或闭合，主变压器分接头挡位的上升与下降等。
（5）总控单元。
即主单元。
作为中央通信控制器，是整个系统核心，主要负责与各数据采集单元及当地监控之间的信息交互，接收并处理各数据采集单元送来的信息，并转发至当地监控主机和远方调度。
同时，将当地监控主机和远方调度下发的命令下达给各数据采集单元。
此外，它用于完成与微机保护、自动装置等智能电子设备的通信。
（6）人机联系。
即当地监控主机。
完成当地显示、告警、控制和制表打印等功能，彻底取代了传统的仪器、盘表等。
运行人员只需面对显示器通过键盘或鼠标，即可观察和了解全站的运行善，并可对全站的断路器等设备进行分、合闸操作。
这种集中式的结构是根据变电站的规模，配置相应容量的集中式监控主机及数据采集单元，它们安装在变电站的主控制室。
主变压器和各进出线及站所有电气设备的运行状态，由电压互感器、电流互感器的二次侧回路经过控制电缆传送到主控制室的保护装置和监控装置，再送入监控主机。
继电保护的动作信息往往是保护装置的信号继电器触点，同样通过电缆送到数据采集单元。
（b）主要特点
主要优点：
功能单元问相互独立，互不影响：
具有较为完善的人机接口功能，综合性能强；结构紧凑，体积小，可大大减少占地面积造价低，尤其对lIOKV或规模较小的变电站更为合适。
主要缺点：
运行可靠性差，每台计算机的功能较集中，如果一台计算机出故障，影响面较大；软件复杂，修改工作量大，系统调试麻烦；组态不灵活，对不同主接线或不同规模的变电站，软硬件都必须另行设计，可移植性差，不利于批量推广．但因其集保护功能、人机功能、“四遥’’功能、自检功能于一身，具有工作可靠，结构简单，性价比比较高的特点，仍适用于一些小型
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