CN101854080A - 数字化故障录波装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种数字化故障录波装置，包括：用于采样数据分析和存储的主机、用于采集模拟量数据或数字量数据的从机。主机包括用于录波、通讯以及管理其他插件的主控CPU插件，用于接收电子式互感器发送的数据并执行保护逻辑计算与启动操作的DSP插件、用于接收来自GOOSE网络的数据并进行数据交互的GOOSE插件；从机包括用于通过合并单元采集各线路或主变的电流和电压模拟量数据的电子式互感器。数字化故障录波装置内的通讯按IEC 61850标准执行。本发明全面支持GOOSE功能，可实现GOOSE开入量的输入；并采用主、从机模式，可通过扩展从机数量来增加接入通道数，易于扩展与维护，能满足数字化变电站的要求。

Description

数字化故障录波装置

技术领域

本发明涉及变电站自动化领域，具体涉及一种数字化故障录波装置。

背景技术

数字化变电站是指变电站自动化系统采用IEC 61850国际标准，信息采集、传输、处理、输出过程全部数字化。其基本特征为设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行管理自动化。

IEC 61850国际标准中定义了通用变电站事件(GSE，即GenericSubstation Event)模型，为在全系统范围内快速可靠地输入、输出数值提供了有效的手段。其中包括了面向通用对象的变电站事件(GOOSE，即GenericObject Oriented Substation Event)。GOOSE支持由数据集组织的公共数据交换，其经表示层后直接映射至链路层和物理层，并且采用有优先级和虚拟局域网VLAN标志的交换式以太网技术，保证了报文传输的实时性，解决变电站快速通信需求。

为了保证GOOSE服务的实时性和可靠性，GOOSE报文采用与基本编码规则相关的ASN.1语法编码后，不经过TCP/IP协议，直接在以太网链路层上传输，并采用特殊的收发机制。GOOSE报文采用心跳报文和变位报文快速重发相结合的机制。在GOOSE数据集中的数据没有变化的情况下，发送时间间隔为T0的心跳报文，报文中的状态号(即stnum)不变，顺序号(即sqnum)递增。当GOOSE数据集中的数据发生变化的情况下，发送一帧变位报文后，以时间间隔T1、T1、T2、T3进行变位报文快速重发。数据变位后的报文中状态号增加，顺序号从零开始。

GOOSE接收可以根据GOOSE报文中的允许生存时间(TATL，即TimeAllow to Live)来检测链路中断。GOOSE数据接收机制可以分为单帧接收和双帧接收两种。智能操作箱使用双帧接收机制，收到两帧GOOSE数据相同的报文后更新数据。其他保护和测控装置使用单帧接收机制，接收到变位报文(即stnum变化)以后，立即更新数据。当接收报文中状态号不变的情况下，使用双帧报文确认来更新数据。

常规变电站内故障录波器的每块采集插件有8路模拟量通道和16路开关量通道或32路开关量通道，开关量输入以2k Hz的频率采样模拟量。每一路输入都装有放大器、抗混叠滤波器和一个A/D转换器，数字信号处理器以40MHz的时钟频率进行测量。这种常规变电站内的故障录波器，以常规的模拟量输入和常规电缆的开入接入来进行变电站内电力系统故障的动态过程的记录，为电力系统的故障分析提供依据。

但是由于传统变电站具备电缆回路故障无法发现的特点，使得相应的传统故障录波器的可靠性不够高。而且由于常规故障录波器不具备数字化的光纤数据接口，不能够支持IEC 61850的GOOSE的使用，使得常规故障录波器不能满足现代数字化变电站的要求。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种数字化故障录波装置，能够支持IEC 61850的GOOSE的使用并且具备较高可靠性，满足数字化变电站的要求。

本发明提出的数字化故障录波装置，包括：用于采样数据分析和存储的主机、用于采集模拟量数据或数字量数据的从机；所述主机包括主控CPU插件、DSP插件、GOOSE插件；所述从机包括电子式互感器；所述数字化故障录波装置内的通讯按IEC 61850标准执行；

主控CPU插件，用于录波、通讯以及管理其他插件；

DSP插件，通过所述DSP插件的光纤接口与电子式互感器相连接，用于接收电子式互感器发送的数据，并执行保护逻辑计算与启动操作；

GOOSE插件，分别通过GOOSE插件上的光纤接口、网络接口与GOOSE网络相连接，用于接收来自GOOSE网络的数据并进行数据交互；

电子式互感器，用于通过所述电子式互感器上的合并单元采集各线路或主变的电流和电压模拟量数据；

所述电子式互感器通过合并单元采集各线路或主变的电流和电压模拟量数据，并发送至所述DSP插件；所述DSP插件根据接收的模拟量数据启动录波，并发送录波启动触发信号至所述主控CPU插件，由该主控CPU插件对电力系统故障进行录波操作；

所述GOOSE插件从GOOSE网络实时接收GOOSE变量的变位，并发送录波启动触发信号至所述主控CPU插件，由该主控CPU插件对电力系统故障进行录波操作。

本发明的技术方案，内部各部件之间的通讯按IEC 61850标准执行，并且GOOSE插件分别通过自身的光纤接口、网络接口与GOOSE网络相连接，使得数字化故障录波装置能够支持IEC 61850的GOOSE的使用；而且主机上的DSP插件和GOOSE插件都采用光纤接口来进行光纤连接，提高了变电站内信号传输的可靠性，并且由于GOOSE本身的特点，可以通过通信不断自检，避免了传统电缆回路故障无法发现的缺点，进一步提高可靠性。

附图说明

图1为数字化故障录波装置结构图；

图2为数字化故障录波装置的故障录波示意图；

图3为数字化故障录波装置的故障录波示意图。

具体实施方式

数字化变电站中，数字化技术的应用不但能节省大量的成本，而且给管理和维护带来诸多的便利，但同时也对传统的运行管理模式带来了深刻的变革。故障录波器是用于记录数字化变电站内电力系统故障动态过程，包括系统扰动发生后的有关系统电参量的变化过程、继电保护与自动装置的动作行为。故障滤波装置具有采样数据接口，集中式录波按110kV部分、220kV部分、主变部分各组一面录波屏，从合并单元接收数字化的交流采样信号，进行交流量(即母线电压和各个间隔)的录波。

下面采用具体实施例来描述本发明的技术方案。

实施例1：

本发明提出的数字化故障录波装置，如图1所示，包括：用于采样数据分析和存储的主机、用于采集模拟量数据或数字量数据的从机。主机包括主控CPU插件、DSP插件、GOOSE插件；从机包括电子式互感器。数字化故障录波装置内的通讯按IEC 61850标准执行，即按照IEC 61850标准建立信息模型和通信接口。

各个部件的功能分别做以下介绍：

主控CPU插件，用于录波、通讯以及管理其他插件。主控CPU插件可以由高性能的嵌入式处理器、FLASH、SRAM、SDRAM、以太网控制器及其他外设组成，实现对整个装置的录波、管理、人机界面、通讯等功能。

DSP插件，通过自身的光纤接口与电子式互感器相连接，用于接收电子式互感器发送的数据，并执行保护逻辑计算与启动操作。DSP插件可以由高性能的数字信号处理器、光纤接口以及其他外设组成。当连接电子式互感器时，支持IEC 60044-8标准，通过光纤接口接收来自合并单元的模拟量数据，以及执行保护逻辑计算和启动等功能。

GOOSE插件，分别通过自身的光纤接口、网络接口与GOOSE网络相连接，用于接收来自GOOSE网络的数据并进行数据交互。GOOSE插件可以由高性能的数字信号处理器、光纤接口、网络接口以及其他外设组成。GOOSE插件通过GOOSE网络进行变电站内开入、开出信号传输时，挂接在GOOSE网络上，完成保护跳闸、站点动作、开关位置等数据交互。

电子式互感器，用于通过自身的合并单元采集各线路或主变的电流和电压模拟量数据。110kV及以上互感器采用电子式互感器，互感器由低功率铁芯线圈、空芯线圈、电容/电感分压器和数字变换器等部分组成，通过采集器转换成数字信号经光缆传输，互感器输出数字光信号。其原理是利用低功率铁芯线圈传感测量级电流，利用空芯线圈传感保护级电流，利用电容/电感分压器传感被测电压。

下面对数字化录波装置的录波功能进行描述：

电子式互感器通过合并单元采集各线路或主变的三相保护电流、测量的电流和电压模拟量采样数据，并发送至DSP插件。DSP插件根据接收的数据启动录波，并发送录波启动触发信号至主控CPU插件。由该主控CPU插件对电力系统故障进行录波操作，记录故障的整个过程，生成COMTRADE格式波形文件。

GOOSE插件从GOOSE网络实时接收GOOSE变量的变位，包括不同电压等级的智能装置的GOOSE，如保护动作、接点动作、开关位置信号的GOOSE开入等等，并发送录波启动触发信号至主控CPU插件，由该主控CPU插件对电力系统故障进行录波操作，记录故障的整个过程，生成COMTRADE格式波形文件。

虽然DSP插件和GOOSE插件都包含数字信号处理功能。但DSP插件处理的是电流、电压这类模拟量以及电压电流的量的变化，然后启动录波，完成变电站内电力系统故障的波形记录。对GOOSE插件来说，处理的是从GOOSE网络中实时接收的GOOSE变量的变位，例如开关刀闸位置变化、保护动作等此类故障记录，然后启动录波，完成相应的故障过程记录。

作为上述数字化录波装置的进一步改进，如图1所示，该装置还包含录波分析工业控制计算机。录波分析工业控制计算机的功能是，接收来自主机的波形文件并对该波形文件进行存储，然后读取该波形文件进行故障波形分析。在完成录波过程记录下故障后，会生成COMTRADE格式波形文件，然后主控CPU插件会通过通讯将波形文件发送至录波分析工业控制计算机，该录波分析工业控制计算机接收并存储该波形文件。录波分析工业控制计算机可以包含用于暂态录波数据存储的暂态录波插件和用于稳态录波数据存储的稳态录波插件，相应的存储方式包括：暂态录波数据存储、稳态数据录波存储和录波分析子站存储。

系统发生扰动后，暂态录波插件以最高4.8k Hz的采样速率进行录波，并存储在本地CF卡(容量可以为2G)上，称为暂态录波数据存储。无论是否有扰动稳态录波插件始终以1.2k Hz的采样速率不间断进行录波，并存储在本地CF卡上(容量可以为32G)，称为稳态录波数据存储。将暂态录波数据和稳态录波数据通过以太网上传至录波分析子站上进行存储，称为录波分析子站存储。在存储的CF卡或者硬盘数据存满以后，新数据可以覆盖旧数据，实现录波数据两种录波、三地存储的方式，确保了录波数据存储的安全和可靠性。

在完成对波形文件的存储后，录波分析工业控制计算机对波形文件进行分析。本技术方案也因此提出两种故障波形分析的方式，包括在线分析和离线分析。在线分析即为，启动录波后，在线进行故障类型、相别的判断，自动选择故障线路进行故障测距，相应的液晶屏上会显示相关故障分析报告。离线分析，即为通过电力系统故障分析软件进行故障录波数据的分析，该软件的功能包括波形文件操作、波形显示与打印、波形分析、公式计算以及分析结果数据显示，通过该软件可以实现更专业的分析和计算。

通过上述描述，可以看出，本发明提出的数字化故障录波装置，全面支持GOOSE功能，可以实现GOOSE开入量的输入。本发明采用主机和从机的模式，可以通过扩展从机的数量来增加接入的通道数，易于扩展与维护。并且由于采用光纤接口接收来自GOOSE网络及合并单元的输入，仅仅使用光缆即可完成故障录波全过程，相对于传统故障录波装置，节约了电缆，即降低了相应的成本。

实施例2：

本实施例采用实施例1所述的故障录波器应用于广东220kV三乡数字化改造工程。

以220kV线路间隔跳闸为例，2009年06月11日18时03分37秒，220kV旗三甲线主I和主II保护动作，线路两侧均跳开C相开关后重合成功。整个动作过程具体为：以旗三甲线保护装置启动时间2009年06月11日18:03:37MS634为起点，0ms 220kV旗三甲线发生C相接地故障，相应的故障电流单次有效值分别为：三乡站侧6.2kA、旗乐站侧10.5KA。三乡站侧旗三甲线主I电流差动保护8ms动作出口，主II纵联零序保护11ms动作出口，旗乐站侧旗三甲线主I工频变化量阻抗10ms动作出口，主II工频变化量阻抗11ms动作出口，旗三甲线线路两侧均C相开关跳闸；三乡站侧旗三甲线主I、主II保护862ms重合闸动作出口，旗乐站侧旗三甲线主I、主II保护853ms重合闸动作出口，线路两侧C相开关重合成功。本次故障跳闸，录波完好，保护动作正确。如图2和图3所示，分别为实施例2的故障录波示意图。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种数字化故障录波装置，其特征在于，包括：用于采样数据分析和存储的主机、用于采集模拟量数据或数字量数据的从机；所述主机包括主控CPU插件、DSP插件、GOOSE插件；所述从机包括电子式互感器；所述数字化故障录波装置内的通讯按IEC 61850标准执行；

主控CPU插件，用于录波、通讯以及管理其他插件；

DSP插件，通过所述DSP插件的光纤接口与电子式互感器相连接，用于接收电子式互感器发送的数据，并执行保护逻辑计算与启动操作；

GOOSE插件，分别通过GOOSE插件上的光纤接口、网络接口与GOOSE网络相连接，用于接收来自GOOSE网络的数据并进行数据交互；

电子式互感器，用于通过所述电子式互感器上的合并单元采集各线路或主变的电流和电压模拟量数据；

所述电子式互感器通过合并单元采集各线路或主变的电流和电压模拟量数据，并发送至所述DSP插件；所述DSP插件根据接收的模拟量数据启动录波，并发送录波启动触发信号至所述主控CPU插件，由该主控CPU插件对电力系统故障进行录波操作；

所述GOOSE插件从GOOSE网络实时接收GOOSE变量的变位，并发送录波启动触发信号至所述主控CPU插件，由该主控CPU插件对电力系统故障进行录波操作。

2.根据权利要求1所述的数字化故障录波装置，其特征在于，还包括：录波分析工业控制计算机，所述录波分析工业控制计算机接收来自所述主机的波形文件并存储该波形文件，读取该波形文件进行故障波形分析。

3.根据权利要求2所述的数字化故障录波装置，其特征在于，所述录波分析工业控制计算机还包含用于暂态录波数据存储的暂态录波插件和用于稳态录波数据存储的稳态录波插件。

4.根据权利要求2或3所述的数字化故障录波装置，其特征在于，所述录波分析工业控制计算机进行故障波形分析的方式包括在线分析和离线分析。

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