用于全景感知录波系统的故障录波装置设计

李 贞，卜银娜，宋墩文，陈玉涛，杨学涛

（1.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；2.中国电力科学研究院，北京 100192）

智能电网是覆盖发、输、变、配、用及调度等过程的全景实时电力系统。支撑该系统得以准确、安全、实时及可靠运行的基础是电力系统多源异构大数据的快速采集、响应和分析[1-2]。电力系统中存在大量数据记录装置。它们有专用型、非专用型之分，专用型的根据系统运行状态，按照动态或暂态形式记录系统运行的轨迹，如故障录波器、PMU装置；非专用型的具备一定的数据记录能力，能够断电存储或瞬时存储[3-6]。

在电网全景感知录波系统中，录波数据不仅是分析电力系统运行行为以及不同设备动作行为的基础，也是验证事前、掌握事中、评价事后各种动态过程的基础[7]。然而，目前数据记录体系存在明显缺陷：数据存储方式固化，暂态数据文件只根据设定定值存储扰动发生前后几秒钟的数据，连续数据文件也只是按照存储时长或者固定大小进行全站数据存储，无法存储以事件为目标的精准数据，应对综合事件反演能力差；数据多态并存，存在状态值、瞬态值、动态值、稳态值多种形式，不同的采样值及各类计算分析值混杂记录，数据管理复杂，时序难以统一[8-9]。如果电网发生事故，受到冲击时，由于数据跨度范围大，各类记录装置不能互通，会由于一些关键数据因取数延迟而丢失，无法恢复，使部分事件分析因缺少数据而无法进行[10-12]。在此提出应用于全景感知录波系统的录波装置。

1 全景感知录波系统

全景感知录波系统由分布于多个站点的多台装置构成，通常由1个主站、多台故障录波装置、多台系统保护装置等设备组成，其中故障录波装置和系统保护装置作为全景感知录波系统的子站与主站连接。整个系统采用星形拓扑结构，基本架构如图1所示。

图1 全景感知录波系统基本架构Fig.1 Basic architecture of panoramic perception recording system

图中，故障录波装置和系统保护装置作为全景感知录波系统的子站，负责完成电网故障信息的采集和上送。系统主站根据子站的运行状态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。

电力系统正常运行时，全景感知录波系统主站根据实时潮流对预设严重故障集进行在线分析，确定对应于特定严重故障下的关键数据点。当故障发生时，主站向对应子站发送调取指定元件、指定时段的故障数据文件，进而根据接收到的故障点和故障类型信息定位需要获取的一系列数据，并对获取到的所有数据进行整合，形成以事件为索引的全景录波数据集。

若所发生故障超出预设故障集范围，主站可根据当前运行工况实时仿真分析，人工指定调取，也可以通过缺省定值，冗余调取，确定需要获取的数据点，从而实现快速准确地锁定故障点和故障原因。

2 软件设计

在电力系统正常运行时，全景感知录波系统主站借助高速专网，以在线数据为输入，针对预想事故，计算潮流、稳定、短路电流，基于计算分析结果构建数据判断指标，挑选事发时的敏感子站，针对这些子站设备提出数据类型、数据范围等的数据挑选要求。因此，要求用于全景感知录波系统的故障录波装置，除具有传统录波暂态录波和连续录波等功能，还必须能够根据主站对数据类型、数据范围要求进行数据筛选、存储并上送。

2.1 软件系统框架

该装置由管理单元、动态记录单元组成。软件系统框架结构如图2所示。

如图所示，各单元模块均单独进行编辑、编译，在简化各功能模块的设计过程的同时，降低了复杂系统的设计难度，有利于提高整体可靠性。

图2 软件系统Fig.2 Software system

2.2 与主站通信框架

在全景感知录波系统中，录波装置作为子站基于主站数据需求，构建了“中间层”事件，并由61850通信接口对事件进行响应，从存储的连续录波和暂态录波数据中筛选，再上传以事件为目标的精准数据至主站，由主站端完成数据分析和数据调用的对接。通信框架如图3所示。

图3 录波装置与主站的通信框架Fig.3 Communication frame between fault recorder device and host

如图所示，全景感知录波系统主站根据电网计算结果，触发“数据召唤事件”，61850通信接口对事件触发情况进行响应，录波子站根据主站具体筛选要求，抽取对应的文件或数据并上送至主站。

对图中的“中间层”事件号进行约定，主要事件定义如下：

51—dmf文件召唤事件；

52—过程数据文件召唤事件；

53—现场发生故障自动推送数据事件；

81—dmf文件推送完成事件；

82—录波数据推送完成事件。

若后续考虑需要扩展事件时，可在该约定的基础上进行扩充。

2.3 数据选存与上送

正常运行时，全景感知录波系统录波子站上送其运行状态至主站，并存储录波数据包含暂态录波数据和连续录波数据。当主站调取数据文件时，子站按照主站下发的挑选原则筛选故障信息并上送。

2.3.1 数据筛选原则

对于连续录波文件，主要包含3个挑选参数：①指定时间段 从连续录波文件中抽取对应时间段内的数据形成一个文件上送；②指定采样率 采样率1～4 kHz，步长100；③指定通道 录波子站先上送所有通道物理含义对应关系，主站勾选需要的通道后下发。

对于暂态录波文件，主要是指定批次挑选数据：录波装置从暂态录波文件中查找对应批次的文件并上送。

2.3.2 连续录波按筛选原则上送数据

全景感知录波系统主站以特性分析感知数据选取关键点，并将这些关键点的参数信息通过写服务下发给录波装置，由录波子站判断从连续录波或是暂态录波筛选并上传数据。当主站下发的参数信息需要从连续录波文件筛选并上送时，录波子站与主站之间的通讯交互流程如图4所示。

图4 连续录波按筛选原则上送流程Fig.4 Flow chart of delivering the continuous recorded data based on screening principles

如图所示，主站通过61850写服务设置选存参数，在子站收到主站下发的筛选原则命令后，开始缓存下发参数，模拟量通道和开关量通道分多次下发，每次1个通道编号；若收到多次采样频率与时间参数，以最后1次收到的为准。参数设置后，将SelMade标识置为false，表示开始选存文件；直至主站收到选存完成命令，SelMade标识置为true，文件选存完成。主站先通过扩展的COMTRADE_SEL命令召唤列表，再根据子站上送列表中的文件名称，召唤对应的数据文件。

2.3.3 暂态录波按故障批次上送数据

当录波子站收到主站调取指定故障批次的命令时，录波装置与主站的通讯服务交互流程如图5所示。

如图所示，录波子站完成暂态录波后，向主站主动发送录波完成遥信，由主站根据分析结果判断是否需要召唤本次录波数据文件。如果召唤本次暂态录波数据文件，先需要召唤文件列表，根据遥信中的批次号信息，下发参数为/COMTRADE/FLTNUM_XX/（其中XX为批次号），子站收到命令后，将上送批次号为XX的文件名称，主站再按照接收到的文件名称召唤该文件，录波子站上送对应文件。

图5 暂态录波按故障批次上送流程Fig.5 Flow chart of delivering the transient recorded data based fault number

3 硬件设计

所设计的故障录波装置采用主从式结构设计，支持Unix，Linux和Windows系统。

3.1硬件框架

所提出的录波装置由管理单元和动态记录单元2部分组成。硬件系统原理如图6所示。

图6 硬件系统原理Fig.6 Principle of hardware system

如图所示，管理单元主要提供图形显示和人机接口，动态记录单元作为录波装置的主单元，完成报文采集、分析记录、录波与全景感知录波系统主站通信等主功能。

3.2 硬件实现

①管理单元 采用482.6 mm 2U机箱后出线，提供图形显示和人机接口。其CPU采用中科腾跃公司 Intel系列嵌入式工控机，支持 Unix，Linux和Windows系统。

②动态记录单元 采用482.6 mm 4U机箱后出线，采集模块支持6个千兆口或24个百兆口、单芯采集、延时可测。同时支持8个百兆光口或4个千兆光口采集，其中，百兆单口采集64字节报文线速不丢包，千兆单口采集64字节400 Mb/s任意长度报文不丢包。内含大容量数据存储芯片和压缩芯片，支持600 Mb/s数据持续写入，物理容量大于2 TB。

3.3 站内组网结构

该装置在结构上采用开放式主从结构，可根据现场需求配置为1台管理单元管理多台动态记录单元的主从式结构。站内组网结构如图7所示。

图7 站内组网结构Fig.7 Network structure in the station

如图所示，根据现场需求配置1台管理单元管理多台动态记录单元，这种主从式结构设计大大降低了工程成本。

4 结语

提出了用于全景感知录波系统的一体化动态记录装置。在正常运行时，在故障事件发生前预想可能扰动事件，根据主站数据截取要求，及时匹配并收集关键数据，为事件还原、反演、评估提供及时、可靠、精准的数据，避免其他因素导致的数据丢失的情况发生。同时，录波装置上送的数据是从装置内预存的连续或者暂态录波数据中经过自动筛选后重新生成的数据，改变了传统手动挑选所需的数据的方式，更加高效、快捷、精准。在硬件结构上，采用主从式结构设计，可以根据现场需求灵活配置，大大降低了成本。

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