故障监测与诊断技术在SCADA系统中的研究与应用

摘要

SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition，数据采集与监控）系统在工业控制领域得到了广泛的应用，本文深入探究在电力系统中应用的数字化变电站系统。
　　基于以太网和现场总线技术的变电站系统层次分明，每个层次都可能产生故障信息，故障来源复杂。随着系统规模的扩大，越来越多的故障信息涌入监控站，监控人员无法及时对故障进行判断和处理;同时监控人员大多不是该领域的专家，因此容易导致误判和漏判。一个优秀的故障监测与诊断系统的设计与开发成为变电站系统发展的必然要求。
　　首先需要确定监测与诊断方法，本课题采用故障树模型分析法对数字化变电站系统故障进行深入分析，确定了四大故障来源:电网参数、硬件设备、通信媒介和驱动程序，探究了各故障发生的最底层原因及故障解释，以树形图将故障关系形象地表示出来，建树结构和分析结果与专家诊断系统进行融合。确定了中断与轮询并用的故障检测通信方式和基于故障树规则的专家系统故障诊断方法。
　　故障监测分为实时故障监测和历史故障监测，监测的概念可以细分为检测和显示，故障监测功能的实现是通过故障检测程序采取合适的通信方式采集故障信息并写入故障数据库，然后显示程序读取故障数据库进行故障显示。本课题采用BST（Binary Search Tree，二叉查找树）作为实时故障数据库，采用串行化二进制文件作为历史故障数据库，并设计数据库接口对查询、插入和删除等操作进行功能封装。采用脚本动画、列表、历史趋势曲线等显示技术进行故障显示，实现故障的快速定位。应用历史趋势曲线还可以实现对系统或设备的故障预测。
　　故障诊断采用专家系统诊断方法，将故障树的结构转化为专家系统知识表结构，故障树的子树关系转化为专家系统推理机制，故障树底事件的解释作为专家系统解释机制。应用专家诊断系统，用户可以快速对故障进行诊断和解释，实现故障的准确分析和及时处理。为了拓展系统的应用，本课题采用C/S模式和共享内存技术设计并开发远程模块，实现了故障信息的远程监测与诊断。
　　开发过程中采用VS2013作为开发工具，在Windows7系统上进行开发和测试，应用COM、多线程和异步套接字等软件开发技术进行模块开发，采用模块化的代码设计思想在功能上实现解耦，并给用户提供二次开发接口以方便用户拓展应用。
　　最后本课题以济南泺口服装城为工程实例对故障监测与诊断系统的功能和性能进行全面测试，证实了设计的可行性、实时性和可靠性。在此基础上，对系统存在的不足做出总结，对未来发展趋势做出展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 SCADA系统

1．2．1 数字化变电站系统的体系结构

1．2．2 数字化变电站系统上位机软件的体系结构

1．3 故障监测与诊断技术简介

1．4 课题的研究内容

1．5 课题的创新点

第2章 故障监测与诊断系统的工作方式

2．1 通信方式

2．1．1 轮询方式

2．1．2 中断方式

2．2 故障诊断方法

2．2．1 基于信号处理的故障诊断方法

2．2．2 基于解析模型的故障诊断方法

2．2．3 基于知识的专家系统故障诊断方法

2．3 故障监测与诊断系统的方案选择

2．4 本章小结

第3章 数字化变电站系统的故障分析

3．1 故障来源

3．1．1 电网参数

3．1．2 硬件设备

3．1．3 通信媒介

3．1．4 驱动程序

3．2 故障树分析

3．2．1 故障树基础知识

3．2．2 数字化变电站系统故障树分析

3．3 本章小结

第4章 故障监测与诊断系统的关键技术

4．1 故障信息的存储与显示

4．1．1 故障信息的存储

4．1．2 故障信息的显示

4．2 故障树与专家系统融合

4．2．1 故障树模块化

4．2．2 故障树与专家系统融合机制

4．3 远程故障监测与诊断技术

4．3．1 网络结构模式

4．3．2 共享内存

4．4 本章小结

第5章 故障监测与诊断系统的设计与开发

5．1 开发环境和开发工具

5．2 软件开发技术

5．2．1 多线程技术

5．2．2 COM技术

5．2．3 异步套接字技术

5．3 系统总体设计

5．4 故障检测方法及实现

5．4．1 通过硬件设备检测电网参数故障

5．4．2 通过软件程序检测电网参数故障

5．4．3 硬件设备状态检测

5．4．4 通信媒介状态检测

5．4．5 驱动程序工作状态检测

5．5 实时故障监测模块实现

5．5．1 实时故障监测模块结构设计

5．5．2 实时故障数据库实现

5．5．3 实时故障显示实现

5．6 历史故障监测模块实现

5．6．1 历史故障监测模块结构设计

5．6．2 历史故障数据库实现

5．6．3 历史故障显示实现

5．7 专家诊断系统模块实现

5．7．1 专家诊断系统总体设计

5．7．2 专家诊断系统知识库

5．7．3 专家诊断系统推理机制

5．7．4 专家诊断系统动态更新

5．8 远程故障监测与诊断模块实现

5．8．1 远程模块的总体结构

5．8．2 远程模块通信设计

5．9 本章小结

第6章 故障监测与诊断系统的应用实例测试

6．1 测试环境与应用实例

6．1．1 硬件配置

6．1．2 应用实例

6．2 故障人工产生方法

6．3 故障检测方法测试

6．4 实时与历史故障监测模块测试

6．5 专家诊断系统模块测试

6．6 远程故障监测与诊断模块测试

6．7 本章小结

第7章 总结与展望

参考文献

致谢