國內外數字化錄波裝置研究現狀分析

黃丹丹 蘇顯超

（1.成都電業局繼電保護所，四川 成都 610021；2.四川省電力公司營銷運行監控中心，四川 成都610041）

1 引言

數字化變電站數字錄波裝置是基于IEC61850標準通信協議的數字化故障錄波裝置，是監視變電站運行狀況的一種輔助故障再現與分析設備。用它來記錄因各種原因引起的故障、系統崩潰、系統震蕩等擾動而導致的各種電氣量變化全過程，主要用于記錄繼護裝置和安全自動化設備的動作信息，了解暫態過程中各個電量參數的變化特點。性能優異的錄波裝置對保證變電站的安全可靠運行有重要的意義。多年來，錄波裝置已成為分析數字化變電站故障的重要參考依據[1]。

2 傳統錄波裝置與數字化錄波裝置區別

傳統故障錄波裝置主要由下位機單元、中層管理單元、下位機單元組成[2]。下位機主要完成數據采集系統，中層管理單元主要完成與上位機的通信，上位機單元主要完成人機接口以及其他系統的通信。它與數字化錄波裝置的區別主要有以下幾點[3]：

（1）采樣方式。與傳統錄波裝置相比，數字化錄波裝置前端采樣的信號已經經過了合并單元的數字化處理，是基于IEC61850網絡規約的網絡報文信息，不需要像傳統錄波器還需要進行數模轉換獲取采樣信息。雖然沒有了數模轉換過程，但是數字化錄波裝置對網絡芯片的處理能力提出了更高的要求，千兆網卡和高性能的前端采樣處理芯片等都陸續應用到數字化錄波裝置的開發和生產中。除了前端處理芯片，后臺存儲和處理采樣信息也比傳統錄波裝置提出了更高的要求，海量的采樣數據需要更大容量的硬盤存儲器，采樣數據的實時處理需要更高性能的CPU處理器。由于采樣方式的不同，數字化錄波裝置在接線方式上比傳統錄波裝置更見簡單，只需光纖信號直接引入，節省了大量的模擬數據線路的接入。

（2）數據處理

數字化錄波裝置不僅要處理采樣值信息，還要處理大量的網絡報文信息。針對不同的報文信息，錄波裝置要用不同的方法處理，不像傳統錄波裝置那樣只有模擬量和簡單的開關量信息。Comtrade文件格式簡單記錄的波形文件可能并不能完整地記錄故障分析所需的數據（如：枚舉量、1588時鐘報文等）。因此數字化錄波裝置要有一種獨立的數據記錄格式來滿足數字化變電站發展的要求，記錄更加完整和有效的數據信息。

（3）定值整定

隨著數字化錄波裝置采樣值的豐富與發展，也必然對整定值帶來一些變化。除了傳統錄波裝置啟動定值外，根據不同報文信息，應增加網絡報文告警錄波啟動定值的配置。

3 數字化錄波裝置國內外研究現狀與分析

3.1 國外數字化故障錄波裝置發展現狀

國外公司ABB、SIEMENS的故障錄波器多數采用分布式標準模塊化結構設計，可以根據需要分散安裝在開關柜里面或者保護室內，通過以太網遠傳到調度中心或者連接到一臺所級計算機。計算機一般都配有通用分析軟件包，可對數據進行集中處理。下面以西門子SIMEASR數字化錄波裝置為例進行介紹。

SIMEASR是西門子公司推出的一臺智能化故障錄波裝置，如圖1所示[4]。

圖1 SIMEASR整體結構圖

它主要用來監控發電機、變電站電能質量，記錄電網故障，幾臺不同的SIMEASR通過組屏安裝，通過LAN或V24接口連接到DAKON，最后把故障數據上傳到主控室或調度所，實現遠方控制與管理。

SIMEASR錄波裝置采用32位微機型工控板，內置電源板、選用完全模塊化的各種智能數據采集板設計。裝置的每塊采集板模擬量通道有8路和開關量通道有32路，DSP時鐘頻率為40MHz。數據采集通過高速總線跟DAKON連接，SIMEASR的CPU最低配置是8兆內存的32bit處理器，它完成如下功能：

（1）基于以太網的數據采集；（2）手動自動模式、故障判別模式的錄波啟動判別；（3）故障前、故障變化過程、故障后不同時段的過程記錄；（4）計算、記錄電氣測量值，主要包括：電壓、電流、有功、無功、功率因數等；（5）能夠記錄正負序分量、諧波量、相位和直流分量；（6）可以記錄頻率變化的主要過程，頻率通道精度±1MHz；（7）通過先進的數據壓縮與存儲技術，方便分析軟件對故障數據的使用。

西門子的故障記錄程序，有自己的自動計算算法，會自動生成COMTRADE規定的格式文件的所有信息，針對饋線，還有自動診斷。DAKON裝有故障分析軟件包，能實現高精度測距、諧波分析、電能質量分析功能。在調度端裝有OSCOPP程序包，就可實現遠方控制和管理。國外其他公司，也有類似的相關產品，數字故障錄波功能的實現上也各有千秋。

3.2 國內數字化故障錄波裝置發展現狀。

圖2 WGL-800B錄波裝置的硬件結構圖

目前，國內已有多個數字化變電站開工建設或投入運行，應用IEC61850標準的故障錄波器產品在國電南瑞，北京四方，電力科學研究院，許繼，東方電子的開發研制之中，并有符合IEC61850標準的產品面世，取得了一定的成果，但是各公司所選用的軟硬件平臺不盡相同。下面以許繼電氣WGL-800B數字錄波裝置為例來說明裝置的主要特點，其硬件結構如圖2所示[5]裝置由光纖采集卡、主CPU、網絡存儲器、打印機、液晶LCD顯示器、鍵盤、鼠標等組成。千兆光纖采集卡、高性能嵌入式CPU板卡組成采集分析機箱。裝置的模擬量通道總數可以配置0-96路，開關量通道總數可以配置0-255路，具體可以根據工程的需要靈活配置。

裝置采用新一代無風扇嵌入式計算機。主CPU采用酷睿2級芯片。主CPU板采用6層印制線路板以及表面貼裝技術，極大地提高了裝置的可靠性。有如下特點：

（1）完全嵌入式的系統結構：裝置硬件和軟件均采用一體化完全嵌入式結構。使用高性能的嵌入式無風扇工業計算機。采用國際成熟的工業級嵌入式管理操作系統（Windows XP Embedded）；（2）長時間連續存儲功能：采樣率不低于1kHz，最高可達10kHz.單文件存儲時間可指定：30-300秒?？偞鎯r間：不低于7天，跟采樣速率有關。（3）完善的通訊及組網功能：裝置既支持IEC61850間隔層通信規約也兼容標準103規約，具有遠程通信和遠程管理功能?？伸`活接入其他監控系統或信息管理系統；（4）支持多種采集協議：支持IEC61850-9-1協議，支持IEC61850-9-2LE協議，支持GOOSE協議。多種協議靈活運用，克服了大多只支持IEC61850-9-1協議的不足。（5）首家引入網絡存儲設備：支持Raid5、Raid6、Raid10等多種級別磁盤陣列，支持熱插拔，支持雙電源冗余。支持最高達4TB的存儲容量。不僅可以存儲海量數據，而且保證了數據安全，方便統一管理。

與國外產品相比，國產的故障錄波器在價格上有優勢，適合目前我國變電站綜合自動化系統整體體系結構，更符合我國實際，國內廠家在培訓、現場安裝調試和售后服務等方面比國外廠家有一定的地域優勢。但從近幾年國內數字錄波裝置的運行實踐來看，現有幾家國產微機型故障錄波器在性能上已經完成了從模擬式錄波到數字化錄波的轉換，但沒有充分發揮計算機技術的強大優勢，在數據通信、錄波方式、故障分析準確性等方面依然存在一些問題。當然，數字化錄波器裝置也必然成為故障錄波器的研究熱點和主要方向，它會引導國內越來越多的學者和專家們的關注。

[1]梁合慶.變電站綜合自動化中的故障錄波裝置.變電站綜合自動化研討會論文集[C].南京：電力自動化研究院，1995,201-202

[2]曲春輝等.變電站故障錄波器裝置的設計[J].繼電器,2003：VoL.31 No.12

[3]楊俊等.適用于智能變電站的新型數字錄波器[J].華東電力.2010：VoL.38 No.7

[4]梁煜.故障錄波信息系統的構建與實際應用[D].華南理工大學碩士學位論文.2009.12

[5]許繼電氣電網保護自動化公司.WGL-800B數字化錄波裝置技術說明書[Z].