用于全景感知錄波系統(tǒng)的故障錄波裝置設(shè)計(jì)

李 貞，卜銀娜，宋墩文，陳玉濤，楊學(xué)濤

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

智能電網(wǎng)是覆蓋發(fā)、輸、變、配、用及調(diào)度等過程的全景實(shí)時(shí)電力系統(tǒng)。支撐該系統(tǒng)得以準(zhǔn)確、安全、實(shí)時(shí)及可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)是電力系統(tǒng)多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)的快速采集、響應(yīng)和分析[1-2]。電力系統(tǒng)中存在大量數(shù)據(jù)記錄裝置。它們有專用型、非專用型之分，專用型的根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，按照動(dòng)態(tài)或暫態(tài)形式記錄系統(tǒng)運(yùn)行的軌跡，如故障錄波器、PMU裝置；非專用型的具備一定的數(shù)據(jù)記錄能力，能夠斷電存儲(chǔ)或瞬時(shí)存儲(chǔ)[3-6]。

在電網(wǎng)全景感知錄波系統(tǒng)中，錄波數(shù)據(jù)不僅是分析電力系統(tǒng)運(yùn)行行為以及不同設(shè)備動(dòng)作行為的基礎(chǔ)，也是驗(yàn)證事前、掌握事中、評(píng)價(jià)事后各種動(dòng)態(tài)過程的基礎(chǔ)[7]。然而，目前數(shù)據(jù)記錄體系存在明顯缺陷：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式固化，暫態(tài)數(shù)據(jù)文件只根據(jù)設(shè)定定值存儲(chǔ)擾動(dòng)發(fā)生前后幾秒鐘的數(shù)據(jù)，連續(xù)數(shù)據(jù)文件也只是按照存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)或者固定大小進(jìn)行全站數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，無法存儲(chǔ)以事件為目標(biāo)的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，應(yīng)對(duì)綜合事件反演能力差；數(shù)據(jù)多態(tài)并存，存在狀態(tài)值、瞬態(tài)值、動(dòng)態(tài)值、穩(wěn)態(tài)值多種形式，不同的采樣值及各類計(jì)算分析值混雜記錄，數(shù)據(jù)管理復(fù)雜，時(shí)序難以統(tǒng)一[8-9]。如果電網(wǎng)發(fā)生事故，受到?jīng)_擊時(shí)，由于數(shù)據(jù)跨度范圍大，各類記錄裝置不能互通，會(huì)由于一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)因取數(shù)延遲而丟失，無法恢復(fù)，使部分事件分析因缺少數(shù)據(jù)而無法進(jìn)行[10-12]。在此提出應(yīng)用于全景感知錄波系統(tǒng)的錄波裝置。

1 全景感知錄波系統(tǒng)

全景感知錄波系統(tǒng)由分布于多個(gè)站點(diǎn)的多臺(tái)裝置構(gòu)成，通常由1個(gè)主站、多臺(tái)故障錄波裝置、多臺(tái)系統(tǒng)保護(hù)裝置等設(shè)備組成，其中故障錄波裝置和系統(tǒng)保護(hù)裝置作為全景感知錄波系統(tǒng)的子站與主站連接。整個(gè)系統(tǒng)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基本架構(gòu)如圖1所示。

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

圖中，故障錄波裝置和系統(tǒng)保護(hù)裝置作為全景感知錄波系統(tǒng)的子站，負(fù)責(zé)完成電網(wǎng)故障信息的采集和上送。系統(tǒng)主站根據(jù)子站的運(yùn)行狀態(tài)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(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，全景感知錄波系統(tǒng)主站根據(jù)實(shí)時(shí)潮流對(duì)預(yù)設(shè)嚴(yán)重故障集進(jìn)行在線分析，確定對(duì)應(yīng)于特定嚴(yán)重故障下的關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，主站向?qū)?yīng)子站發(fā)送調(diào)取指定元件、指定時(shí)段的故障數(shù)據(jù)文件，進(jìn)而根據(jù)接收到的故障點(diǎn)和故障類型信息定位需要獲取的一系列數(shù)據(jù)，并對(duì)獲取到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，形成以事件為索引的全景錄波數(shù)據(jù)集。

若所發(fā)生故障超出預(yù)設(shè)故障集范圍，主站可根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行工況實(shí)時(shí)仿真分析，人工指定調(diào)取，也可以通過缺省定值，冗余調(diào)取，確定需要獲取的數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地鎖定故障點(diǎn)和故障原因。

2 軟件設(shè)計(jì)

在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，全景感知錄波系統(tǒng)主站借助高速專網(wǎng)，以在線數(shù)據(jù)為輸入，針對(duì)預(yù)想事故，計(jì)算潮流、穩(wěn)定、短路電流，基于計(jì)算分析結(jié)果構(gòu)建數(shù)據(jù)判斷指標(biāo)，挑選事發(fā)時(shí)的敏感子站，針對(duì)這些子站設(shè)備提出數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)范圍等的數(shù)據(jù)挑選要求。因此，要求用于全景感知錄波系統(tǒng)的故障錄波裝置，除具有傳統(tǒng)錄波暫態(tài)錄波和連續(xù)錄波等功能，還必須能夠根據(jù)主站對(duì)數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)范圍要求進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選、存儲(chǔ)并上送。

2.1 軟件系統(tǒng)框架

該裝置由管理單元、動(dòng)態(tài)記錄單元組成。軟件系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖所示，各單元模塊均單獨(dú)進(jìn)行編輯、編譯，在簡(jiǎn)化各功能模塊的設(shè)計(jì)過程的同時(shí)，降低了復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，有利于提高整體可靠性。

圖2 軟件系統(tǒng)Fig.2 Software system

2.2 與主站通信框架

在全景感知錄波系統(tǒng)中，錄波裝置作為子站基于主站數(shù)據(jù)需求，構(gòu)建了“中間層”事件，并由61850通信接口對(duì)事件進(jìn)行響應(yīng)，從存儲(chǔ)的連續(xù)錄波和暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)中篩選，再上傳以事件為目標(biāo)的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)至主站，由主站端完成數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)調(diào)用的對(duì)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(tǒng)主站根據(jù)電網(wǎng)計(jì)算結(jié)果，觸發(fā)“數(shù)據(jù)召喚事件”，61850通信接口對(duì)事件觸發(fā)情況進(jìn)行響應(yīng)，錄波子站根據(jù)主站具體篩選要求，抽取對(duì)應(yīng)的文件或數(shù)據(jù)并上送至主站。

對(duì)圖中的“中間層”事件號(hào)進(jìn)行約定，主要事件定義如下：

51—dmf文件召喚事件；

52—過程數(shù)據(jù)文件召喚事件；

53—現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生故障自動(dòng)推送數(shù)據(jù)事件；

81—dmf文件推送完成事件；

82—錄波數(shù)據(jù)推送完成事件。

若后續(xù)考慮需要擴(kuò)展事件時(shí)，可在該約定的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充。

2.3 數(shù)據(jù)選存與上送

正常運(yùn)行時(shí)，全景感知錄波系統(tǒng)錄波子站上送其運(yùn)行狀態(tài)至主站，并存儲(chǔ)錄波數(shù)據(jù)包含暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)和連續(xù)錄波數(shù)據(jù)。當(dāng)主站調(diào)取數(shù)據(jù)文件時(shí)，子站按照主站下發(fā)的挑選原則篩選故障信息并上送。

2.3.1 數(shù)據(jù)篩選原則

對(duì)于連續(xù)錄波文件，主要包含3個(gè)挑選參數(shù)：①指定時(shí)間段 從連續(xù)錄波文件中抽取對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)形成一個(gè)文件上送；②指定采樣率 采樣率1～4 kHz，步長(zhǎng)100；③指定通道 錄波子站先上送所有通道物理含義對(duì)應(yīng)關(guān)系，主站勾選需要的通道后下發(fā)。

對(duì)于暫態(tài)錄波文件，主要是指定批次挑選數(shù)據(jù)：錄波裝置從暫態(tài)錄波文件中查找對(duì)應(yīng)批次的文件并上送。

2.3.2 連續(xù)錄波按篩選原則上送數(shù)據(jù)

全景感知錄波系統(tǒng)主站以特性分析感知數(shù)據(jù)選取關(guān)鍵點(diǎn)，并將這些關(guān)鍵點(diǎn)的參數(shù)信息通過寫服務(wù)下發(fā)給錄波裝置，由錄波子站判斷從連續(xù)錄波或是暫態(tài)錄波篩選并上傳數(shù)據(jù)。當(dāng)主站下發(fā)的參數(shù)信息需要從連續(xù)錄波文件篩選并上送時(shí)，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(xù)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(wù)設(shè)置選存參數(shù)，在子站收到主站下發(fā)的篩選原則命令后，開始緩存下發(fā)參數(shù)，模擬量通道和開關(guān)量通道分多次下發(fā)，每次1個(gè)通道編號(hào)；若收到多次采樣頻率與時(shí)間參數(shù)，以最后1次收到的為準(zhǔn)。參數(shù)設(shè)置后，將SelMade標(biāo)識(shí)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(biāo)識(shí)置為true，文件選存完成。主站先通過擴(kuò)展的COMTRADE_SEL命令召喚列表，再根據(jù)子站上送列表中的文件名稱，召喚對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。

2.3.3 暫態(tài)錄波按故障批次上送數(shù)據(jù)

當(dāng)錄波子站收到主站調(diào)取指定故障批次的命令時(shí)，錄波裝置與主站的通訊服務(wù)交互流程如圖5所示。

如圖所示，錄波子站完成暫態(tài)錄波后，向主站主動(dòng)發(fā)送錄波完成遙信，由主站根據(jù)分析結(jié)果判斷是否需要召喚本次錄波數(shù)據(jù)文件。如果召喚本次暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)文件，先需要召喚文件列表，根據(jù)遙信中的批次號(hào)信息，下發(fā)參數(shù)為/COMTRADE/FLTNUM_XX/（其中XX為批次號(hào)），子站收到命令后，將上送批次號(hào)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(duì)應(yīng)文件。

圖5 暫態(tài)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(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的故障錄波裝置采用主從式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，支持Unix，Linux和Windows系統(tǒng)。

3.1硬件框架

所提出的錄波裝置由管理單元和動(dòng)態(tài)記錄單元2部分組成。硬件系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 硬件系統(tǒng)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(jī)接口，動(dòng)態(tài)記錄單元作為錄波裝置的主單元，完成報(bào)文采集、分析記錄、錄波與全景感知錄波系統(tǒng)主站通信等主功能。

3.2 硬件實(shí)現(xiàn)

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

②動(dòng)態(tài)記錄單元 采用482.6 mm 4U機(jī)箱后出線，采集模塊支持6個(gè)千兆口或24個(gè)百兆口、單芯采集、延時(shí)可測(cè)。同時(shí)支持8個(gè)百兆光口或4個(gè)千兆光口采集，其中，百兆單口采集64字節(jié)報(bào)文線速不丟包，千兆單口采集64字節(jié)400 Mb/s任意長(zhǎng)度報(bào)文不丟包。內(nèi)含大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片和壓縮芯片，支持600 Mb/s數(shù)據(jù)持續(xù)寫入，物理容量大于2 TB。

3.3 站內(nèi)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

該裝置在結(jié)構(gòu)上采用開放式主從結(jié)構(gòu)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求配置為1臺(tái)管理單元管理多臺(tái)動(dòng)態(tài)記錄單元的主從式結(jié)構(gòu)。站內(nèi)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 站內(nèi)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.7 Network structure in the station

如圖所示，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求配置1臺(tái)管理單元管理多臺(tái)動(dòng)態(tài)記錄單元，這種主從式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大降低了工程成本。

4 結(jié)語

提出了用于全景感知錄波系統(tǒng)的一體化動(dòng)態(tài)記錄裝置。在正常運(yùn)行時(shí)，在故障事件發(fā)生前預(yù)想可能擾動(dòng)事件，根據(jù)主站數(shù)據(jù)截取要求，及時(shí)匹配并收集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為事件還原、反演、評(píng)估提供及時(shí)、可靠、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，避免其他因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失的情況發(fā)生。同時(shí)，錄波裝置上送的數(shù)據(jù)是從裝置內(nèi)預(yù)存的連續(xù)或者暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)中經(jīng)過自動(dòng)篩選后重新生成的數(shù)據(jù)，改變了傳統(tǒng)手動(dòng)挑選所需的數(shù)據(jù)的方式，更加高效、快捷、精準(zhǔn)。在硬件結(jié)構(gòu)上，采用主從式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求靈活配置，大大降低了成本。

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