用于全景感知錄波系統的故障錄波裝置設計

李 貞，卜銀娜，宋墩文，陳玉濤，楊學濤

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.中國電力科學研究院，北京 100192）

智能電網是覆蓋發、輸、變、配、用及調度等過程的全景實時電力系統。支撐該系統得以準確、安全、實時及可靠運行的基礎是電力系統多源異構大數據的快速采集、響應和分析[1-2]。電力系統中存在大量數據記錄裝置。它們有專用型、非專用型之分，專用型的根據系統運行狀態，按照動態或暫態形式記錄系統運行的軌跡，如故障錄波器、PMU裝置；非專用型的具備一定的數據記錄能力，能夠斷電存儲或瞬時存儲[3-6]。

在電網全景感知錄波系統中，錄波數據不僅是分析電力系統運行行為以及不同設備動作行為的基礎，也是驗證事前、掌握事中、評價事后各種動態過程的基礎[7]。然而，目前數據記錄體系存在明顯缺陷：數據存儲方式固化，暫態數據文件只根據設定定值存儲擾動發生前后幾秒鐘的數據，連續數據文件也只是按照存儲時長或者固定大小進行全站數據存儲，無法存儲以事件為目標的精準數據，應對綜合事件反演能力差；數據多態并存，存在狀態值、瞬態值、動態值、穩態值多種形式，不同的采樣值及各類計算分析值混雜記錄，數據管理復雜，時序難以統一[8-9]。如果電網發生事故，受到沖擊時，由于數據跨度范圍大，各類記錄裝置不能互通，會由于一些關鍵數據因取數延遲而丟失，無法恢復，使部分事件分析因缺少數據而無法進行[10-12]。在此提出應用于全景感知錄波系統的錄波裝置。

1 全景感知錄波系統

全景感知錄波系統由分布于多個站點的多臺裝置構成，通常由1個主站、多臺故障錄波裝置、多臺系統保護裝置等設備組成，其中故障錄波裝置和系統保護裝置作為全景感知錄波系統的子站與主站連接。整個系統采用星形拓撲結構，基本架構如圖1所示。

圖1 全景感知錄波系統基本架構Fig.1 Basic architecture of panoramic perception recording system

圖中，故障錄波裝置和系統保護裝置作為全景感知錄波系統的子站，負責完成電網故障信息的采集和上送。系統主站根據子站的運行狀態及接收到的故障信息集，完成在值策略的有效性判定等功能。

電力系統正常運行時，全景感知錄波系統主站根據實時潮流對預設嚴重故障集進行在線分析，確定對應于特定嚴重故障下的關鍵數據點。當故障發生時，主站向對應子站發送調取指定元件、指定時段的故障數據文件，進而根據接收到的故障點和故障類型信息定位需要獲取的一系列數據，并對獲取到的所有數據進行整合，形成以事件為索引的全景錄波數據集。

若所發生故障超出預設故障集范圍，主站可根據當前運行工況實時仿真分析，人工指定調取，也可以通過缺省定值，冗余調取，確定需要獲取的數據點，從而實現快速準確地鎖定故障點和故障原因。

2 軟件設計

在電力系統正常運行時，全景感知錄波系統主站借助高速專網，以在線數據為輸入，針對預想事故，計算潮流、穩定、短路電流，基于計算分析結果構建數據判斷指標，挑選事發時的敏感子站，針對這些子站設備提出數據類型、數據范圍等的數據挑選要求。因此，要求用于全景感知錄波系統的故障錄波裝置，除具有傳統錄波暫態錄波和連續錄波等功能，還必須能夠根據主站對數據類型、數據范圍要求進行數據篩選、存儲并上送。

2.1 軟件系統框架

該裝置由管理單元、動態記錄單元組成。軟件系統框架結構如圖2所示。

如圖所示，各單元模塊均單獨進行編輯、編譯，在簡化各功能模塊的設計過程的同時，降低了復雜系統的設計難度，有利于提高整體可靠性。

圖2 軟件系統Fig.2 Software system

2.2 與主站通信框架

在全景感知錄波系統中，錄波裝置作為子站基于主站數據需求，構建了“中間層”事件，并由61850通信接口對事件進行響應，從存儲的連續錄波和暫態錄波數據中篩選，再上傳以事件為目標的精準數據至主站，由主站端完成數據分析和數據調用的對接。通信框架如圖3所示。

圖3 錄波裝置與主站的通信框架Fig.3 Communication frame between fault recorder device and host

如圖所示，全景感知錄波系統主站根據電網計算結果，觸發“數據召喚事件”，61850通信接口對事件觸發情況進行響應，錄波子站根據主站具體篩選要求，抽取對應的文件或數據并上送至主站。

對圖中的“中間層”事件號進行約定，主要事件定義如下：

51—dmf文件召喚事件；

52—過程數據文件召喚事件；

53—現場發生故障自動推送數據事件；

81—dmf文件推送完成事件；

82—錄波數據推送完成事件。

若后續考慮需要擴展事件時，可在該約定的基礎上進行擴充。

2.3 數據選存與上送

正常運行時，全景感知錄波系統錄波子站上送其運行狀態至主站，并存儲錄波數據包含暫態錄波數據和連續錄波數據。當主站調取數據文件時，子站按照主站下發的挑選原則篩選故障信息并上送。

2.3.1 數據篩選原則

對于連續錄波文件，主要包含3個挑選參數：①指定時間段 從連續錄波文件中抽取對應時間段內的數據形成一個文件上送；②指定采樣率 采樣率1～4 kHz，步長100；③指定通道 錄波子站先上送所有通道物理含義對應關系，主站勾選需要的通道后下發。

對于暫態錄波文件，主要是指定批次挑選數據：錄波裝置從暫態錄波文件中查找對應批次的文件并上送。

2.3.2 連續錄波按篩選原則上送數據

全景感知錄波系統主站以特性分析感知數據選取關鍵點，并將這些關鍵點的參數信息通過寫服務下發給錄波裝置，由錄波子站判斷從連續錄波或是暫態錄波篩選并上傳數據。當主站下發的參數信息需要從連續錄波文件篩選并上送時，錄波子站與主站之間的通訊交互流程如圖4所示。

圖4 連續錄波按篩選原則上送流程Fig.4 Flow chart of delivering the continuous recorded data based on screening principles

如圖所示，主站通過61850寫服務設置選存參數，在子站收到主站下發的篩選原則命令后，開始緩存下發參數，模擬量通道和開關量通道分多次下發，每次1個通道編號；若收到多次采樣頻率與時間參數，以最后1次收到的為準。參數設置后，將SelMade標識置為false，表示開始選存文件；直至主站收到選存完成命令，SelMade標識置為true，文件選存完成。主站先通過擴展的COMTRADE_SEL命令召喚列表，再根據子站上送列表中的文件名稱，召喚對應的數據文件。

2.3.3 暫態錄波按故障批次上送數據

當錄波子站收到主站調取指定故障批次的命令時，錄波裝置與主站的通訊服務交互流程如圖5所示。

如圖所示，錄波子站完成暫態錄波后，向主站主動發送錄波完成遙信，由主站根據分析結果判斷是否需要召喚本次錄波數據文件。如果召喚本次暫態錄波數據文件，先需要召喚文件列表，根據遙信中的批次號信息，下發參數為/COMTRADE/FLTNUM_XX/（其中XX為批次號），子站收到命令后，將上送批次號為XX的文件名稱，主站再按照接收到的文件名稱召喚該文件，錄波子站上送對應文件。

圖5 暫態錄波按故障批次上送流程Fig.5 Flow chart of delivering the transient recorded data based fault number

3 硬件設計

所設計的故障錄波裝置采用主從式結構設計，支持Unix，Linux和Windows系統。

3.1硬件框架

所提出的錄波裝置由管理單元和動態記錄單元2部分組成。硬件系統原理如圖6所示。

圖6 硬件系統原理Fig.6 Principle of hardware system

如圖所示，管理單元主要提供圖形顯示和人機接口，動態記錄單元作為錄波裝置的主單元，完成報文采集、分析記錄、錄波與全景感知錄波系統主站通信等主功能。

3.2 硬件實現

①管理單元 采用482.6 mm 2U機箱后出線，提供圖形顯示和人機接口。其CPU采用中科騰躍公司 Intel系列嵌入式工控機，支持 Unix，Linux和Windows系統。

②動態記錄單元 采用482.6 mm 4U機箱后出線，采集模塊支持6個千兆口或24個百兆口、單芯采集、延時可測。同時支持8個百兆光口或4個千兆光口采集，其中，百兆單口采集64字節報文線速不丟包，千兆單口采集64字節400 Mb/s任意長度報文不丟包。內含大容量數據存儲芯片和壓縮芯片，支持600 Mb/s數據持續寫入，物理容量大于2 TB。

3.3 站內組網結構

該裝置在結構上采用開放式主從結構，可根據現場需求配置為1臺管理單元管理多臺動態記錄單元的主從式結構。站內組網結構如圖7所示。

圖7 站內組網結構Fig.7 Network structure in the station

如圖所示，根據現場需求配置1臺管理單元管理多臺動態記錄單元，這種主從式結構設計大大降低了工程成本。

4 結語

提出了用于全景感知錄波系統的一體化動態記錄裝置。在正常運行時，在故障事件發生前預想可能擾動事件，根據主站數據截取要求，及時匹配并收集關鍵數據，為事件還原、反演、評估提供及時、可靠、精準的數據，避免其他因素導致的數據丟失的情況發生。同時，錄波裝置上送的數據是從裝置內預存的連續或者暫態錄波數據中經過自動篩選后重新生成的數據，改變了傳統手動挑選所需的數據的方式，更加高效、快捷、精準。在硬件結構上，采用主從式結構設計，可以根據現場需求靈活配置，大大降低了成本。

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