基于组态软件的仿真变电站监控系统的实现

 一、引 言

　　随着我国国民经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，对供电可靠性的要求越来越高。据统计，在电力系统的各种事故中，由于运行人员的误操作、误判断而造成贻误的事故约占40 %。可见，要保证电力系统的安全运行，提高运行人员的运行素质则是其中一个关键而基本的重要环节。变电站作为联系发电厂和用户的中间环节，发挥着变换和分配电能的作用，因此，变电站的安全运行则对保证电力系统的安全可靠地运行具有重要的作用。其中按综合自动化要求设计的500 kV变电站，由于采用了当前先进的自动化技术，从而对变电站运行人员的素质提出了更高的要求，因此开发与之相适应的变电站仿真培训系统就显得尤为重要。

二、变电站培训仿真模式

　　变电站仿真培训系统的研究开发已经有近10年的历史，对于以运行人员为培训对象的变电站仿真培训系统而言，目前国内存在两种类型的变电站仿真培训系统：

    （1）带硬件盘台与软件仿真相结合的变电培训仿真模式。这种模式除用常规的计算机作为仿真系统核心外，一般均设置一个与实际变电站相似的主控制室，并按1∶1模拟各电压等级的保护屏、控制屏、中央信号屏等。屏上的表计、控制开关、红绿灯、按钮、光字牌等无论是外观还是排列位置均与实际变电站相符。对保护压板、按钮、指示灯、信号掉牌等与变电站运行人员有紧密联系的设备按比例进行缩小仿真。开关、按钮、压板等操作状态以及在各种运行状态下的表计指示、声光信号、掉牌信号均由工控计算机进行实时监控，并在控制屏上实时反映出来。操作正确将得到正确的结果，而操作错误则会出现事故状态，因此能非常真实逼真地反映出学员的运行水平和事故处理能力，给培训人员留下深刻的印象，这是该仿真模式最大的优点。但是缺点也是明显的，系统硬件成本高，可靠性与可维护性较差。

    （2）纯软件的变电站培训仿真模式。这种模式完全是针对目前许多变电站按照综合自动化模式进行设计，因此上述模式传统控制室中的保护屏、控制屏、中央信号屏等物理设备均被计算机监控平台所代替，所有监控功能都通过MMI实现与培训人员的互动。省去了大量硬件设备，大大提高了可靠性，并且有利于系统更新升级。如今越来越多的变电站按综合自动化模式进行设计。综合自动化变电站与常规变电站最大的区别在于二次部分，在硬件和运行维护环境上也存在很大区别。为了适应这种形势开发综合自动化变电站的仿真培训系统成为当务之急。

    故本仿真系统500kV变电站仿真系统采用了第二种模式，并完全按照南昌500KV变电站监控平台进行模拟仿真，选择目前流行的工业组态软件作为开发平台。而其它电压等级的仿真则采用了第一种模式，以适应未采用变电站综合自动化设计模式的变电站运行人员的仿真培训，其监控平台同样采用组态软件作为开发平台。

 三、仿真系统的构建

　　1、 系统总体架构

　　系统采用了硬件模拟和软件仿真相结合的方式,硬件模拟系统包括控制屏、模拟屏、保护柜、就地一次设备可操控微缩模型（开关状态可测控）及所用电系统；软件仿真则涵盖了教练员台、学员SCADA系统、调度仿真、微机继电保护仿真、故障录波、操作票专家系统、故障多媒体演示系统。全系统采用七台工控机和八台微机构建了分布式的数据采集及控制系统,并由一台服务器负责全系统的数据通讯控制与数据处理。如图1所示：

图1：仿真系统的总体结构图

　　2、组态软件FIX32在本仿真系统中的应用架构

　　作为目前工控领域主流的工业自动化软件，FIX32集控制技术、人机界面技术、图形技术、数据库技术、网络技术于一身,包含动态显示、报警、趋势、控制策略、控制网络通信等组件,提供一个友好的用户界面,使用户在不需要编什么代码的情况下便可生成自己需要的应用软件。

　　FIX软件的核心是数据库，它是过程控制逻辑形成的一种控制策略的描述，用户通过各组态模块实现数据库的过程，也就是控制策略实现的过程，包括数据的采集、处理和输出。Dra w是FIX提供的一个功能强大的图形组态开发环境，提供丰富的作图工具和图符动态集，可设计出非常漂亮的工业监控画面，并定义各显示元件与数据库模块的连接，用以建立动态监控显示画面。而View则是FIX提供的一个实时运行的动态显示环境，用以显示由Dra w建立的图形窗口。在本仿真系统中采用由第三方DDE程序、过程数据库、系统实时数据库访问组成FIX32 DMACS软件的数据采集和管理功能（SCADA），作为Vie w在实时运行时的后台动态数据支撑系统。

　　（1）第三方DDE接口：它是采用C/S（客户/服务器模式）结构的数据双向交换的动态数据交换接口。分别完成监控画面与系统过程数据库之间的动态数据交换，以及系统实时数据库与FIX过程数据库之间的动态数据交换。
　　（2）过程数据库:它是FIX32的核心。由流程控制逻辑回路组成。描述形式是块（Block）和链（Chain）。一个块是一组被编码能实现具体任务的控制指令。一个链是一串连接在一起能创建控制回路的“块”序列。在FIX32中可通过FIX32提供的数据库建立程序功能模块（Database Builder）来创建块。用户创建一个新的块，需输入块名，规定块接收值来源，块输出值去向，报警优先权，对临界值或一般数据值的改变怎样反应等来完成一个块的创建过程。然后，把创建的块连接起来构成链，每个链实现流程规定的操作。创建链之后，SAC程序就会在规定时间内处理每个块里的指令。假如你想从输入输出设备读数据，经过计算后写回到该输入输出设备，则执行这一策略的链可以是模拟输入块（AI）、计算块（CA）一模拟输出块（AO）。

　　（3）系统实时数据库访问：采用共享内存技术实现本地通讯进程（DDE）与服务器客户端通讯程序间的数据交换。而服务器客户端通讯程序则借助多线程通讯机制与服务器之间按照TCP/IP协议及稳定的流式Socket联接,完成实时数据的动态交换，以获取系统实时数据库中的动态数据。

图2：FIX32在本仿真系统中的应用架构

　　3、监控系统的功能与设计

　　传统控制室中使用的控制屏被基于Fix平台的监控计算机所代替。监控计算机提供了许多与控制室相同的功能如：监视、报警、控制及管理、监督控制。

　　1）监控画面的设计采用了面向对象技术、模板技术及多任务技术，改变了传统的作图方式,缩短了开发周期。监控系统由静态和动态画面两部分组成。通过它们及其各种组合可以清楚直观地反映母线、变压器、开关、断路器等设备的运行状态。电压、电流和功率等重要模拟量的显示采用动态文本，画面数据根据库标签数值的变化实时地刷新。

　　2） 历史曲线显示与任意时刻的数据查阅功能。FIX可以借助动态数据交换（DDE）技术将实时数据库的动态数据按用户设定的时间间隔进行采样与保存，以保证随时可以从历史数据文件中提取出来进行历史趋势曲线显示，以便于培训人员对历史数据及事件进行分析。此外用户可以根据自己的需要定义报表的输出时间和输出周期。历史曲线可以反映出各模拟量的变化趋势，通过趋势图，操作员可以看出有功功率和无功功率的变化情况，并能够查阅任意历史时刻的电压、有功、无功。

　　3）报警管理功能。报警管理功能会在出现故障时立刻弹出故障元件信号屏画面，提醒操作人员并显示故障信息，本系统直接利用Fix的报警功能，实现有关的现场报警及各种应用报警。

　　4）系统安全管理功能。为了保证正常生产监控的需要，防止误操作造成生产停顿和大的经济损失，要明确操作人员的职责范围，同时兼顾软件本身的安全性，防止操作人员误操作。对于操作人员的职责范围，可以在设计监控程序的时候通过ID号及密码确认设定操作者的操作权限。

　　5）继电保护
　　该部分由教员台提供故障启动与故障计算，学员监控系统根据变电站继电保护的电气逻辑关系，将继电保护的启动信号输出至监控画面。
　　该系统仿真了微机与非微机不同型号的多种保护装置在各种故障故障情况下动作的状态，其中，微机保护的仿真包括母线、主变与线路以及电容电抗器等不同型号保护装置，在仿真结构方面，继电保护仿真采用了“黑箱”模式，在“黑箱”内按照不同的保护类型和不同的保护动作原理进行仿真。在“黑箱”输入端分别输入启动信号和控制信号。启动信号主要包括短路电流或短路电压信号和逻辑启动信号;控制信号则包括二次回路中的直流控制信号、保护闭锁信号、保护拒动信号等。启动信号与控制信号按照逻辑与的关系，在控制电源消失或保护回路闭锁时保护模块不能正常触发或动作输出。与定值启动信号不同，逻辑启动信号针对某种特定的故障，如二次回路故障、变压器瓦斯故障、系统振荡等，它们没有系统确定的时间定值和保护定值，故障信号完全采用纯逻辑启动信号，根据它的逻辑回路进行保护的判断和输出，其输出的各种控制信号被分类整理，开关跳闸信号、报警信号、表计信号、保护发信信号以及事故音响等信号送到系统数据库，再借助DDE接口送入FIX的过程数据库，最终动态刷新基于FIX监控平台的继电保护仿真界面中的相关光字牌及信号灯，学员通过与真实保护设备一致的操作界面，完成故障情况下保护动作的启动信息的调阅。此外，学员可以通过与真实保护设备一致的操作界面设置保护的控制字，通过DDE接口和系统数据库将保护控制信号送至继保仿真逻辑输入端。

图3：继电保护仿真

结束语

　　系统经实际运行证明，Fix在设计思想上的开放性，使得用户可以设计使用灵活、编辑简便、画面质量和表现形式丰富多样的监控系统。采用组态软件Fix所提供的诸如模板、图库以及向导等功能可以使用户组态系统所需的时间缩短，同时使系统功能得到增强。用户可以针对不同变电站的实际情况快速搭建基于Fix的仿真变电站监控系统。

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