新型故障诊断测控一体化装置在变电站中的应用

胡燕玲 芮 平 张 静 张 可 徐 飞

（云南电网有限公司大理供电局，云南 大理 671000）

1 研究背景及意义

随着智能电网和分布式电源的迅速发展，变电站对DG接入后的安全可靠运行和电能质量的要求越来越高，传统变电站已不能满足智能电网的发展需求。目前，国内已有不同容量和电压等级的智能变电站投入运行，同时常规变电站在智能化改造升级中处于新老系统设备并轨运行阶段。因此为满足改造过程中新老设备交替期间的平滑过渡和安全可靠运行，实行分阶段的智能化改造工作对于变电站在维护管理和投入产出的经济效益方面都具有非常明显的优势。

同时，智能变电站二次系统具有测量数字化、信息交互化、控制网络化、状态可视化等特点，站内二次系统自动化程度较高，信息采集量较大且重复较多，不利于数据共享和运检维护作业的开展，不符合变电站大运行、大检修体系下的电网信息的融合发展趋势要求。

因此，有必要研究开发一套新型的故障诊断测控一体化装置，基于模块化多功能平台实现测量、保护、状态监测、故障处理、数据存储和通信等功能，既可以为常规变电站的全数字化智能改造提供局部过渡性解决方案，同时也可以采用光纤作为智能变电站数字测量主通道，满足了常规变电站和智能变电站的通用性要求，在提高设备利用率、运行效率、减少设备重复投资和运维成本方面意义重大。

2 技术研究路线

第一，首先开展包括故障录波、电能监测、故障分析诊断、安全稳定测控、主动探测及选线定位等技术的多专业应用集成融合技术研究和多功能目标任务实现方案的设计。

第二，研究建立基于间隔层设备信息的变电站二次系统故障诊断特征库，并通过仿真平台与实际运行数据对比论证的多目标任务功能实现的可靠性和故障诊断库的正确性。

第三，拟定基于模块化多功能平台的新型故障诊断测控一体化装置技术方案，完成电能质量、电压稳定性、故障选线、故障分析诊断及系统安全可靠稳定运行等协调优化工作。

第四，根据技术方案的相关功能要求进行故障诊断测控一体化装置软硬件架构、算法开发和功能测试等方面的工作。

第五，选取典型变电站作为试点，开展装置挂网应用，对装置运行数据和监测结果进行分析总结。

3 关键技术分析

3.1 多专业应用集成融合技术研究

集成化目前已经逐渐成为控制和自动化领域的发展方向之一。采用多专业应用技术集成融合，可以将对一次设备的控制保护和监测诊断集合起来，实现软硬件集成；同时实现信息数据共享，有效减少组屏时的连接线路。

针对故障诊断和测控一体化装置系统的多功能集成应用，由于故障录波、电能监测、故障分析诊断、安全稳定测控、设备状态监测及选线定位等分属不同专业，各功能单元通常有独立的数据采集分析管理系统，信息共享化不足，为实现多功能的整合，必须打通各专业数据的共享渠道，在各功能模块紧密融合的基础上，从整个系统层面出发全面考虑各专业融合后的运维管理新模式，实现模块功能独立、配置灵活、界限清晰，方便维护管理。

3.2 高性能的数据处理技术及系统配置

为了实现对变电站全方位多状态的二次测控和故障诊断，该文基于IEC61850协议机制，系统硬件配置外部采用百兆光纤接口，内部采用高速总线实现过程层设备遥控、遥测等信息数据的高速实时传输和交互。

此外，由于变电站间隔层设备的硬件及软件系统通常以嵌入式方式进行配置，二次设备各单元一般是根据自身功能特点进行硬件配置以此来节约资源和成本，但数据处理性能无法满足多功能应用融合后对大量数据处理能力的要求。该文提出了采用多CPU架构设计理念，CPU可以灵活配置实现功能上的物理隔离，方便各功能的单独维护和管理，提高了数据处理速度和处理结果的可靠性，方便满足后续功能扩展对资源配置的需求。

3.3 基于多数据源的多应用功能算法优化

多功能集成应用要求装置对暂态和稳态等多数据源进行分析计算，实现对多目标任务功能的故障诊断。在设计软件系统时，建立实现多目标任务功能的故障诊断特征库。

对变电站现有的软硬件架构及配置资源进行重新设计，该文采用软硬件相结合的集成化技术方法，把一次设备的保护、控制和监测诊断进行融合集成，不仅实现了软硬件集成和信息数据共享处理，同时能有效简化组屏线路。基于该方法，通过设计多CPU硬件架构，将数据合理分配到各功能单元独立运行处理，同时利用内部高速总线和并行算法，能够满足多应用功能的计算需求。

4 装置整体设计及功能特点

该文设计开发的新型故障诊断测控一体化装置采用模块化、分层分布式设计思想，对常规变电站的局部智能化改造以及安全稳定运行问题进行统一监控管理和解决，实现常规变电站的技术升级和监测系统协调运行。

新型故障诊断测控一体化装置的主要功能包括多数据源监测、故障保护、故障录波、数据异常记录及故障告警、故障诊断及本地孤岛检测等，满足整个变电站信息流、电力流、业务流综合一体化应用需求。

4.1 硬件设计

硬件设计上采用以FPGA、DSP和ARM为核心的一体化硬件设计方案。根据功能要求设计不同的插件，通过组合可灵活配置成不同的模块单元，包括模拟量和数字量的集中式和分布式接入。对装置核心板件象主控插件、交流采样插件、通信接口插件等进行优化设计，既可用于常规站也可用于智能站二次设备间隔层。

主控插件采用TMS320C6000系列DSP芯片，主要功能包括数据记录、分析计算、故障判别以及控制信号输出等。外部通信接口及人机交互界面信息展示通过ARM920T芯片实现。硬件设计框图如图1所示。

图1 硬件设计框图

4.2 软件设计

软件采用实时多任务嵌入式系统，引入数据库思想，软件功能模块可方便扩展或移除，整个平台设计具有良好的灵活性，可满足各功能的集成应用。该文开发的基于多点多间隔的故障分析诊断软件，能够再现故障和异常运行时，全站的电气量变化过程，并对故障特征进行分析诊断，最终确定故障设备。主程序流程图如图2所示。

4.3 功能特点

图2 软件主程序流程图

（1）数据采集监测功能：实时采集监测支路电流、电压、功率流向、电能质量（谐波值）、负载率、电压波动及闪变、设备运行状态等数据。

（2）安全测控功能：实现故障录波、故障保护、功角检测、系统稳定监测、分级卸载、选线定位等功能。

（3）保护功能：通过对多指标数据的采集和测控，实现变电站欠压、过流、过压、过负荷、过热保护。

（4）故障诊断及预警功能：实现站内设备数据异常自动记录、上传和故障自动判定、故障统计及主动预警，包括对电网电参数异常检测及预警推送。

5 结语

该文研究开发的新型故障诊断测控一体化装置，已经在笔者单位进行挂网应用。截至目前，装置各项功能运行正常，保证了电能质量、电压稳定性、故障选线及诊断、系统安全稳定性和可靠性等协调工作的顺序进行，满足整个分布式电源区域电力流、信息流、业务流一体化的需求；实现了变电站多功能集成应用和故障信息综合分析决策，有效缩短了故障处理时间，节省了运维成本。运行数据显示出了多功能一体化应用平台在常规变电站局部智能化改造以及智能变电站运行维护中的应用价值，也为智能电网的深入发展提供实践依据和技术支撑。