CN110954729A - 一种电力系统连续记录装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统连续记录装置，该装置包括数据采集单元、数据处理单元、数据存储单元、数据传输单元和时钟管理单元；其中波形连续记录、相量连续记录和行波记录的数据处理单元分别采用独立的硬件，存储介质独立配置。本装置按照设定的采样率不间断采集和存储所测电气量的瞬时值、相量数据并能在电力系统有扰动发生时记录行波数据，可以为电力系统提供实时、准确、真实、完整、安全、连续的原始数据；当电网或发电机发生较大扰动时，装置能根据内置自动判据在波形连续记录数据上标记出扰动特征并生成报告。不仅能为局部继电保护的动作行为和系统扰动提供分析，还能为全系统动态行为分析提供基础数据依据。

Description

一种电力系统连续记录装置

技术领域

本发明属于电力系统运行监测设备技术领域，尤其涉及一种电力系统连续记录装置。

背景技术

近年来，随着全球能源问题日益严峻，世界各国都开展了智能电网的研究工作。支撑智能电网安全、自愈、绿色、坚强及可靠运行的基础是电网全景实时数据记录和应用。依靠终端设备采集整个电力系统的运行数据，再对采集的电力大数据进行系统的处理和分析，结合电力系统模型，可以对电网运行进行诊断、优化和预测，为电网安全、可靠、经济、高效地运行提供保障。

目前，电力系统运行数据的的采集主要通过电力系统故障录波装置、电力系统同步相量测量装置、行波数据采集装置等多种终端设备共同完成。这些终端设备功能单一、数据记录频率偏低、记录分散，各类终端设备数据不能融合应用缺乏全局协调性，可能导致关键节点数据缺失。记录数据局部有效仅能反应孤立的事件，对于复杂的、有连锁反应的电力系统扰动过程不能完整准确地提供分析数据。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力系统连续记录装置，该装置无需特定判据决定数据记录的启动和终止，上电即开始按照设定的采样率不间断采集和存储电流、电压、开关量等电气量电气量的瞬时值、相量数据，进行波形连续记录、相量连续记录，并在电力系统有扰动发生时触发行波数据记录；可以为电力系统提供实时、准确、真实、完整、安全、连续的原始数据。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种电力系统连续记录装置，该装置包括数据采集单元、数据处理单元、数据存储单元、数据传输单元和时钟管理单元；其中波形连续记录、相量连续记录和行波记录的数据处理单元分别采用独立的硬件，存储介质独立配置。

作为为本发明的进一步改进，用于常规变电站时，所述数据采集单元采用高频率模拟量采样卡和开关量采样卡实时采集用于保护和测量的电压、电流数据，并采用高速模数转换器将模拟的电压信号和电流信号进行模数转换，经过储存器缓冲后，通过ISA总线送给数据处理单元进行处理；

所述高频率模拟量采样卡和开关量采样卡进行波形连续记录，记录频率达到4 kHz以上，记录行波数据时，数据采样频率达到1 MHz以上。

作为为本发明的进一步改进，用于智能变电站时，对于SV采样数据，网络包处理线程中将收到的包根据报文同步状态进行采样，根据MU通道配置将采样点存入相应模拟量通道的缓存中；报文同步时按点号采集，异步时跟踪拟合系数，点对点模式下将样点拟合到本地。

作为为本发明的进一步改进，组网模式下不进行拟合计算，按接收时刻放到本地采样时刻；数据处理线程在20ms定时后又延迟10ms开始从模拟量通道缓存中取出上一周波的样点并存放到录波缓冲区中，同步样点时根据该周波起始时间计算起始样点位置。

作为为本发明的进一步改进，对于GOOSE采集数据，网络包处理线程将收的GOOSE包进行解析，在进行采样时有按接收时刻和按报文中的T时刻两种方式，默认是按照接收时刻进行采样；在没有变位的情况下，两种采样方式相同，均将收到的GOOSE通道值更新到goose_value临时缓存区中，之后在最小定时器中进行自采样，将goose_value中的数据存到采样缓存区。

作为为本发明的进一步改进，所述数据存储单元采用DSP嵌入式系统内嵌TCP/IP协议；所述数据存储单元记录存储波形连续记录数据、相量连续记录数据和行波记录数据。

作为为本发明的进一步改进，所述数据处理单元根据内置自动判据在波形连续记录数据上进行扰动判定并综合数据分析。

作为为本发明的进一步改进，所述扰动判定包括：

开关量扰动判定

程序中判定开关量启动是判断开关量状态变化后保持2点；

以开关量状态变化后保持2点，经过抽点后的采样点中至少有相邻两个样点值为1，则判定开关量启动；

模拟量/序分量扰动判定

上限启动：当前基波有效值>上限定值，则做出扰动标记；

下限启动：当前基波有效值<下限定值时，则做出扰动标记；

突变启动：当前有效值与向前跨三个周波的有效值做差，若差值大于设定的突变值，做出扰动标记；

零序启动：零序启动改为3U0/3I0，为屏蔽干扰，启动判定连续周波数加1，突变判定间隔加1；

谐波扰动判定

谐波启动计数器定值比模拟量越限启动计数器定值多一个周波，判谐波扰动时无门槛限制，判定算法同模拟量上限扰动算法；

电流变差扰动判定

前置机计算128个周波内电流最大/最小有效值，并做差得到变差最大值，作和得到变差启动标准值，当连续20个周波内变差值均大于0.1（1ACT）/0.5(5ACT)，且变差最大值/标准值>启动定值时，做出扰动标记；

频率越限扰动判定

当系统频率值>=频率上限定值时，频率越上限计数器值+1，当系统频率值<频率上限定值时，频率越上限计数器值清零，若频率越上限计数器值>频率越限启动计数器定值，则做出扰动标记；同理，频率下限判定逻辑同上；

频率变差故障判定

根据后台设置的频率变差判别时间计算单位时间内的频率变化率，当满足连续3周波频率变化率均超过设定值时进行频率变差故障判断，若在设定时间内频率变化率超过变差定值，做出扰动标记。

作为为本发明的进一步改进，所述数据传输单元按照DL/T860的要求建模，定义数据文件的存储目录结构和文件命名规则。

作为为本发明的进一步改进，所述时钟管理单元采用B码或分脉冲的方式与GPS对时设备实行时间同步，采用B码对时时，CPLD收到B码信号时会发一个中断，触发B码中断服务程序，读取本地时钟与B码标准时间，当B码信号无异常时，进行时间调整。

与现有技术相比，本发明所取得的有益效果如下：

本发明提出了一种电力系统连续记录装置，通过采集变电站保护电流、保护电压、测量电流、测量电压、开关量、频率等电气量的瞬时值、相量等数据，并对数据进行处理、存储和分析，为电力系统提供实时、准确、真实、完整、安全、连续的原始数据。这些原始数据最终传送到主站为全系统动态行为分析提供基础数据依据。电力系统连续记录装置同时具备波形连续记录、相量连续记录功能和行波记录的功能。波形连续记录是按照设定的采样率不间断采集和存储电压、电流、开关量等电气量瞬时值数据；相量连续记录是按照设定的采样率不间断采集和存储所测电气量的相量、频率等数据；行波记录是按照设定的触发条件、采样率和采样时长采集行波电气量数据。通过记录数据不仅能为局部继电保护的动作行为、故障判别、系统扰动提供分析，还能为全系统动态行为分析提供基础数据依据。

附图说明

附图1是本发明连续记录装置功能框图；

附图2是常规变电站连续记录装置连接示意图；

附图3是本发明数据采集示意图；

附图4是智能变电站连续记录装置连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

本发明提出了一种电力系统连续记录装置，通过采集变电站保护电流、保护电压、测量电流、测量电压、开关量、频率等电气量的瞬时值、相量等数据，并对数据进行处理、存储和分析，为电力系统提供实时、准确、真实、完整、安全、连续的原始数据。这些原始数据最终传送到主站为全系统动态行为分析提供基础数据依据。电力系统连续记录装置同时具备波形连续记录、相量连续记录功能和行波记录的功能。波形连续记录是按照设定的采样率不间断采集和存储电压、电流、开关量等电气量瞬时值数据；相量连续记录是按照设定的采样率不间断采集和存储所测电气量的相量、频率等数据；行波记录是按照设定的触发条件、采样率和采样时长采集行波电气量数据。通过记录数据不仅能为局部继电保护的动作行为、故障判别、系统扰动提供分析，还能为全系统动态行为分析提供基础数据依据。

如图1所示，

一种电力系统连续记录装置，该装置包括数据采集单元、数据处理单元、数据存储单元、数据传输单元和时钟管理单元；其中波形连续记录、相量连续记录和行波记录的数据处理单元分别采用独立的硬件，存储介质独立配置。

如图2所示，该装置用于常规变电站时，电力系统连续记录装置通过二次电缆直接与电流互感器、电压互感器的保护用绕组和测量用绕组直接连接，通过二次电缆直接与保护、测控等二次设备以及断路器直接连接以设定的频率连续记录变电站保护电流、保护电压、测量电流、测量电压、频率、开关量等电气量数据。

如图3所示，所述数据采集单元采用高频率模拟量采样卡和开关量采样卡实时采集用于保护和测量的电压、电流数据，并采用高速模数转换器将模拟的电压信号和电流信号进行模数转换，经过储存器缓冲后，通过ISA总线送给数据处理单元进行处理；

所述高频率模拟量采样卡和开关量采样卡进行波形连续记录，记录频率达到4 kHz以上，记录行波数据时，数据采样频率达到1 MHz以上。

如图4所示，该装置用于智能变电站时，电力系统连续记录装置、保护装置、测控装置、安自装置、合并单元、智能终端通过光纤与过程层网络相连结，电力系统连续记录装置通过GOOSE方式采集开关量，通过SV的方式采集保护电压、保护电流、测量电流、测量电压。另外还通过二次电缆直接与保护电流/电压互感器绕组相连，以采集行波数据。

对于SV采样数据，网络包处理线程中将收到的包根据报文同步状态进行采样，根据MU通道配置将采样点存入相应模拟量通道的缓存中；报文同步时按点号采集，异步时跟踪拟合系数，点对点模式下将样点拟合到本地。

作为为本发明的进一步改进，组网模式下不进行拟合计算，按接收时刻放到本地采样时刻；数据处理线程在20ms定时后又延迟10ms开始从模拟量通道缓存中取出上一周波的样点并存放到录波缓冲区中，同步样点时根据该周波起始时间计算起始样点位置。

作为为本发明的进一步改进，对于GOOSE采集数据，网络包处理线程将收的GOOSE包进行解析，在进行采样时有按接收时刻和按报文中的T时刻两种方式，默认是按照接收时刻进行采样；在没有变位的情况下，两种采样方式相同，均将收到的GOOSE通道值更新到goose_value临时缓存区中，之后在最小定时器中进行自采样，将goose_value中的数据存到采样缓存区。

作为为本发明的进一步改进，所述数据存储单元采用DSP嵌入式系统内嵌TCP/IP协议；所述数据存储单元记录存储波形连续记录数据、相量连续记录数据和行波记录数据。

1）波形连续记录数据：

装置上电稳定运行6个周波后开始波形连续记录，向波形连续记录缓冲区内填充周波数据头、启动标记字，根据采样间隔抽取原始样点填充波形连续记录的采样数据，当有扰动时，将周波数据头、启动标记字、计算结果存入扰动事件缓冲区中；波形连续记录和扰动事件转存注册到1S定时器中，在秒中断中实现读写缓冲区的切换，并发消息给Linux,将波形连续记录数据写入硬盘。

2）相量连续记录数据：

装置上电稳定运行6个周波后开始相量连续记录，按照装置设计算法计算出输入电流、电压的相量，依照IEEE标准1344规定的形式不低于100次/秒将正序相量、时间标记等装配成报文。并发消息给Linux,将相量连续数据写入硬盘。

3）行波记录数据

装置正常运行时，缓存的周波标记均为A段，装置上电运行后开始A段周波计数，每收到一周波计数值便加1，当A段总周波计数大于12时才可以进行录波操作，并避开前5个周波，即A段可用周波计数在A段总周波计数大于5时开始由1累加，故障结束时会将其清零。当有扰动时发生时，当前周波记为B段的第一个周波，根据参数设置的A段长度前推，得到行波记录起始位置，这之间的周波均置A段标记，启动行波记录，生成行波文件头，填充启动标记字，并获取周波时间；若参数中配置了C段，则B段记录完成后，置C段标记，转入C段行波记录。

所述数据处理单元根据内置自动判据在波形连续记录数据上进行扰动判定并综合数据分析。

所述扰动判定包括：

开关量扰动判定

程序中判定开关量启动是判断开关量状态变化后保持2点；

以开关量状态变化后保持2点，经过抽点后的采样点中至少有相邻两个样点值为1，则判定开关量启动；

模拟量/序分量扰动判定

上限启动：当前基波有效值>上限定值，则做出扰动标记；

下限启动：当前基波有效值<下限定值时，则做出扰动标记；

突变启动：当前有效值与向前跨三个周波的有效值做差，若差值大于设定的突变值，做出扰动标记；

零序启动：零序启动改为3U0/3I0，为屏蔽干扰，启动判定连续周波数加1，突变判定间隔加1；

谐波扰动判定

谐波启动计数器定值比模拟量越限启动计数器定值多一个周波，判谐波扰动时无门槛限制，判定算法同模拟量上限扰动算法；

电流变差扰动判定

前置机计算128个周波内电流最大/最小有效值，并做差得到变差最大值，作和得到变差启动标准值，当连续20个周波内变差值均大于0.1（1ACT）/0.5(5ACT)，且变差最大值/标准值>启动定值时，做出扰动标记；

频率越限扰动判定

当系统频率值>=频率上限定值时，频率越上限计数器值+1，当系统频率值<频率上限定值时，频率越上限计数器值清零，若频率越上限计数器值>频率越限启动计数器定值，则做出扰动标记；同理，频率下限判定逻辑同上；

频率变差故障判定

根据后台设置的频率变差判别时间计算单位时间内的频率变化率，当满足连续3周波频率变化率均超过设定值时进行频率变差故障判断，若在设定时间内频率变化率超过变差定值，做出扰动标记。

所述综合数据分析具体流程：当有扰动发生后，装置根据扰动发生时间，收集该时间段的波形连续记录、相量连续记录和行波记录的数据。根据设定好的算法提取所需数据信息进行电网故障分析，根据波形连续记录数据和行波记录数据进行综合故障测距分析，根据波形连续记录数据和相量连续记录数据实现故障前、故障过程中和故障结束后历史过程展示。最终并给出故障信息报告。报告中包含故障元件、跳闸相别、综合测距结果、保护动作时间、断路器跳闸时间、重合闸时间、行波信息。

所述时钟管理单元采用B码或分脉冲的方式与GPS对时设备实行时间同步，采用B码对时时，CPLD收到B码信号时会发一个中断，触发B码中断服务程序，读取本地时钟与B码标准时间，当B码信号无异常时，进行时间调整，调整方式如下：

1） B码中断发生时的标准时间与本地时间差值>最小定时器间隔、有闰秒发生时，直接将标准时间写入本地时钟。

2）其余情况下定时刷新系统时钟，

当B码信号有异常时，报出相应异常，B码异常判定方式如下：

1）B码时间与本地时间差值超过1秒报B码跳变、B码与本地时间差超过1秒；

2）本次收到的B码状态值中的Verify位非0时，判为对时信号校验错；

3）B码状态值内的质量位>后台设置的质量位，判为质量位无效；

4）B码状态值内的SBS非0，判为SBS错；

5）当收到闰秒标记，但此时的时间不是每个季度的第一天或时分位不是7时59分时，判为闰秒信息错；

采用分脉冲对时， CPLD收到分脉冲信号时触发中断服务程序，读取本地时钟，并计算两次分脉冲时间间隔，当两次分脉冲间隔小于最大允许误差时，进行时间调整，将标准时间写入本地时钟。

以上所述实例表达了本发明的优选实施例，描述内容较为详细和具体，但并不仅仅局限于本发明；特别指出的是，对于本领域的研究人员或技术人员来讲，在不脱离本发明的结构之内，系统内部的局部改进和子系统之间的改动、变换等，均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力系统连续记录装置，其特征在于：该装置无需特定判据决定数据记录的启动和终止，上电即开始按照设定的采样率不间断采集和存储电气量的瞬时值、相量数据，进行波形连续记录、相量连续记录，并在电力系统有扰动发生时触发行波数据记录；该装置包括数据采集单元、数据处理单元、数据存储单元、数据传输单元和时钟管理单元；其中波形连续记录、相量连续记录和行波记录的数据处理单元分别采用独立的硬件，存储介质独立配置。

2.根据权利要求1所述的一种电力系统连续记录装置，其特征在于：用于常规变电站时，所述数据采集单元采用高频率模拟量采样卡和开关量采样卡实时采集用于保护和测量的电压、电流数据，并采用高速模数转换器将模拟的电压信号和电流信号进行模数转换，经过储存器缓冲后，通过ISA总线送给数据处理单元进行处理；

所述高频率模拟量采样卡和开关量采样卡进行波形连续记录，记录频率达到4 kHz以上，记录行波数据时，数据采样频率达到1 MHz以上。

3.根据权利要求1所述的一种电力系统连续记录装置，其特征在于：用于智能变电站时，对于SV采样数据，网络包处理线程中将收到的包根据报文同步状态进行采样，根据MU通道配置将采样点存入相应模拟量通道的缓存中；报文同步时按点号采集，异步时跟踪拟合系数，点对点模式下将样点拟合到本地。

4.根据权利要求3所述的一种电力系统连续记录装置，其特征在于：组网模式下不进行拟合计算，按接收时刻放到本地采样时刻；数据处理线程在20ms定时后又延迟10ms开始从模拟量通道缓存中取出上一周波的样点并存放到录波缓冲区中，同步样点时根据该周波起始时间计算起始样点位置。

5.根据权利要求4所述的一种电力系统连续记录装置，其特征在于：对于GOOSE采集数据，网络包处理线程将收的GOOSE包进行解析，在进行采样时有按接收时刻和按报文中的T时刻两种方式，默认是按照接收时刻进行采样；在没有变位的情况下，两种采样方式相同，均将收到的GOOSE通道值更新到goose_value临时缓存区中，之后在最小定时器中进行自采样，将goose_value中的数据存到采样缓存区。

6.根据权利要求2或5所述的一种电力系统连续记录装置，其特征在于：所述数据存储单元采用DSP嵌入式系统内嵌TCP/IP协议；所述数据存储单元记录存储波形连续记录数据、相量连续记录数据和行波记录数据。

7.根据权利要求6所述的一种电力系统连续记录装置，其特征在于：所述数据处理单元根据内置自动判据在波形连续记录数据上进行扰动判定并综合数据分析。

8. 根据权利要求7所述的一种电力系统连续记录装置，其特征在于：所述扰动判定包括：

开关量扰动判定

程序中判定开关量启动是判断开关量状态变化后保持2点；

以开关量状态变化后保持2点，经过抽点后的采样点中至少有相邻两个样点值为1，则判定开关量启动；

模拟量/序分量扰动判定

上限启动：当前基波有效值>上限定值，则做出扰动标记；

下限启动：当前基波有效值<下限定值时，则做出扰动标记；

突变启动：当前有效值与向前跨三个周波的有效值做差，若差值大于设定的突变值，做出扰动标记；

零序启动：零序启动改为3U0/3I0，为屏蔽干扰，启动判定连续周波数加1，突变判定间隔加1；

谐波扰动判定

谐波启动计数器定值比模拟量越限启动计数器定值多一个周波，判谐波扰动时无门槛限制，判定算法同模拟量上限扰动算法；

电流变差扰动判定

前置机计算128个周波内电流最大/最小有效值，并做差得到变差最大值，作和得到变差启动标准值，当连续20个周波内变差值均大于0.1（1ACT）/0.5(5ACT)，且变差最大值/标准值>启动定值时，做出扰动标记；

频率越限扰动判定

当系统频率值>=频率上限定值时，频率越上限计数器值+1，当系统频率值<频率上限定值时，频率越上限计数器值清零，若频率越上限计数器值>频率越限启动计数器定值，则做出扰动标记；同理，频率下限判定逻辑同上；

频率变差故障判定

根据后台设置的频率变差判别时间计算单位时间内的频率变化率，当满足连续3周波频率变化率均超过设定值时进行频率变差故障判断，若在设定时间内频率变化率超过变差定值，做出扰动标记。

9.根据权利要求8所述的一种电力系统连续记录装置，其特征在于：所述数据传输单元按照DL/T860的要求建模，定义数据文件的存储目录结构和文件命名规则。

10.根据权利要求9所述的一种电力系统连续记录装置，其特征在于：所述时钟管理单元采用B码或分脉冲的方式与GPS对时设备实行时间同步，采用B码对时时，CPLD收到B码信号时会发一个中断，触发B码中断服务程序，读取本地时钟与B码标准时间，当B码信号无异常时，进行时间调整。

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