一种综自变电站故障录波器技术改造方法研究

李泽霖，赖天德，王世祥

（深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000）

0 引 言

随着经济的不断发展，社会对供电可靠性的要求越来越高。高可靠性的要求对事故（事件）快速研判分析和处理有了更高的要求。在事故（事件）处理过程中，故障信息是分析电力事故最重要的基础，其通常由故障电流、故障电压、故障相别、持续时间以及保护元件和断路器的动作状态与时间等信息组成。故障录波装置根据采集的故障信息进行准确快速的判断，从而实现故障设备的快速复电。

目前，许多故障录波装置的开关量通道已满，无法接入更多的开关量（如保护动作接点等），而且还存在多间隔发生短路故障时，故障录波装置无法同时记录所有间隔故障波形的情况[1]。

1 故障录波装置

根据《南方电网故障录波及行波测距装置技术规范》和《南方电网继电保护通用技术规范》对故障录波装置规定了南方电网公司范围内110 kV及以上常规厂站故障录波装置的技术标准和要求[2,3]。例如，220 kV主变故障录波的模拟量需包含直流电压、各侧母线电压UA、UB、UC、3U0（每段母线）以及各侧电流IA、IB、IC、3I0（高、中压侧中性点零序电流3I0），开关量需包含高压侧断路器每相分位、合位以及保护动作信号等。

2 故障录波装置运行问题

2.1 保护提供接点不足

由于南瑞继保RCS系列的110 kV线路保护装置仅提供TWJ、HWJ等反应开关位置的接点，故障录波器无法实现保护动作、重合闸动作以及断路器操作箱手跳动作等开关量的记录功能，因此110 kV线路故障录波装置无法满足技术规范要求。

南瑞继保RCS系列、南电研NSA系列以及长园深瑞ISA系列的主变保护装置仅提供了数量有限的保护跳闸信号接点，而此接点一般优先用于测控装置和安自装置等，因此故障录波装置缺少主变保护装置保护跳闸信号接点这一开关量，使得主变发生故障时的故障录波信息不完全。

南瑞继保RCS系列、北京四方CSC系列以及国电南自PSL系列的220 kV线路保护仅提供数量有限的TJR、TJF永跳接点，而且由于TJR用于母线保护失灵开入，TJF不引出用于现场，使得220 kV线路保护的永跳接点无法用于接入220 kV故障录波装置的开关量中，造成220 kV故障录波装置开关量的缺失。

南瑞继保RCS系列和长园深瑞BP系列母线保护装置仅提供母差保护动作接点，像需要接入公用故障录波装置的失灵动作、IM母差动作以及IIM母差动作接点未能提供，因此造成公用故障录波装置对母线保护动作分析不完善。

综上所述，对于保护装置提供接点不足的实例可以看出，故障录波装置因开关量的缺失不能按照相关规范完善回路，对发生故障后的结论造成错误的导向。

2.2 故障录波无多重暂态录波功能

对变电站内主流厂家如双合、山东山大以及中元华电等故障录波装置在设计上未考虑多重启动录波时的情况，当突变量启动录波结束后，故障录波装置会延时一定的时间后返回。在故障录波装置未复归前会处于暂态闭锁状态，此时其他间隔突变量启动录波时会被故障录波装置自动屏蔽，导致其他间隔数据丢失，或者当系统故障情况较为复杂时，故障录波装置正常录波后闭锁时间未结束，本间隔或其他间隔再发生新故障时，故障录波装置无法对新故障进行录波，从而导致系统发生多重故障时，故障录波装置录波缺失。

根据故障录波装置内部定值整定，将录波启动复归时间整定为1 s时（0 s为不复归），故障录波装置录波后1 s后自动复归。如果系统出现单纯性长期低电压，故障录波装置启动并记录，启动量消失后录波结束进入录波启动复归时间，此时系统出现新故障，故障录波装置此时处于闭锁状态，新故障将缺失1 s内的故障录波情况。综上所述，当系统出现频繁波动和复杂故障时，故障录波装置将缺少对暂态故障录波的特殊处理方法。

2.3 故障录波装置辅助计算分析不到位

当故障发生时，故障录波装置通过数字量或者模拟量突变启动，故障录波装置呈现的报告中缺少对故障关键信息的描述。故障录波报告中仅有随时间变化的正弦波形电气量以及0和1变位的开关量显示，缺少最大短路电流和最小母线电压等关键数据，同时也没有显示结论。故障录波报告中模拟量的大小和变化需要用辅助工具进行测量读取，不同的运维人员在测量时采用方法和工具也不同，导致读取的数值存在主观性误差，使得运维人员对故障的类型判断存在偏差。综上所述，虽然在故障录波装置中接入各个间隔的模拟量和开关量，但是从故障录波报告中却不能得到准确的故障结论。

3 故障录波问题优化方法

针对保护装置提供接点不足的问题，运维人员在现场改造故障录波装置时会放弃一些开关量，待保护装置升级或更换后，等保护装置提供接点完善后再进行故障录波开关量接入。当发生故障需要故障录波装置提供数据时，运维人员无法在故障录波装置中得到数据。针对此种情况，替换故障录波装置无法获取的接点，或者采用装置之间的通信直接进行获取。此外，故障录波装置对于关键信息的获取可以进行信息交换，这样不仅可以达到部分双重化的形式，而且大大提高了故障录波装置的实用性[4]。

3.1 广播采集

为了实现故障录波装置辅助判断的功能，在故障录波装置内建立一种广播式读取装置接点的模型，包括故障录波装置和数据采集通信模块。通过数据采集通信模块分别与各线路保护中含有动作接点的保护装置进行网络通信，根据数据采集通信模块所采集到各保护装置中各动作接点的相关动作信息进行特性判断，以启动对故障的录波。

故障录波装置采用广播方式进行录波数据的收集，可以通过数据采集通信模块直接对接点进行读取，而且故障录波装置可以对保护装置的关键信息进行收集，保护动作接点不足的问题也可以根据故障录波装置所需接点的相关特点进行辅助判断[5]。数据采集通信模块通过广播方式采集各保护装置中各动作接点的相关动作信息，广播式读取装置接点原理示意如图1所示。

图1 广播式读取装置接点示意图

故障录波装置还可以与其他接入间隔装置（如直流装置、备自投装置及稳控装置等）进行网络通信，通过对相关信息的整理和判断，实现更强的故障录波功能，也能弥补接点无法接入的空缺。故障录波装置与其他间隔信息交互原理示意如图2所示。

图2 录波装置与其他间隔信息交互示意图

3.2 临时存储功能

故障录波装置在启动录波时无多重暂态录波功能，经常导致故障录波缺失的情况发生，对此故障录波装置新增临时储存功能扩展，对故障录波装置在启动后其他满足录波条件的数据进行多重暂态量储存，并通过故障录波装置内部DPS管理模块分析数据性质，储存得到的有效数据。此外，临时储存故障发生时其他有效数据，并根据故障时的记忆管理模块对数据进行补充，实现故障录波数据的完整性[6]。故障录波装置临时存储的结构原理如图3所示。

图3 故障录波装置临时存储的结构原理

3.3 辅助计算

在获取故障录波报告后，现场运维人员对报告进行分析时需要结合保护装置动作信息和后台SOE进行综合判断。由于故障录波装置不具备辅助计算功能，故障录波报告中缺少最大短路电流和母线电压计算数据。对此，在故障录波装置通信模块的基础上，增加辅助计算程序。辅助计算程序会对收集的其他间隔信息进行整理和计算，从而得到更加详细的间隔动作情况[7]。

4 实现途径

根据本文提出的改造方法，在故障录波装置增加的功能和优化的结构上，获取其他接入间隔的相关信息，故障录波装置基于变电站内网络通信模式进行信息获取，并通过站内交换机的数据进行收集，将获取的信息转化为软报文，并对软报文进行解读。具体实现途径主要通过站内站控层（A、B网）为数据来源，以站内交换机作为信息获取载体，并在故障录波装置内建立相关解读软件程序进行解码，转换为软报文来代替接点动作信息以及接点的补充信息[8]。

建立如图4所示的站内网络拓扑，并根据站内实际情况进行模型搭建。本文提出的改造方法通过站控层（A、B网）进行数据和信息采集，通过专用C网作为故障录波装置本身的信号通信，各网络结构分工明确，实现各自功能。对于老旧变电站，可能站控层搭载并不规范，依然采用串口通信，但是本文提出的改造方法中故障录波装置可以接入串口通信进行数据和信息采集。

图4 故障录波装置站内网络拓扑原理图

根据网络拓扑结构，本文提出的改造方法中新增辅助计算程序。辅助计算程序采用广播形式对组网中的有用信息进行提取，根据变电站内通信规约的特点进行辅助计算分析，IEC61850通信规约有固定帧长报文和可变帧长报文两种报文格式。固定帧长报文主要用于传送召唤、命令、确认以及应答等信息，可变帧长报文用于传送命令和数据等信息。以报文内信息元的标识符作为研究的重点，程序将采用Wireshark抓包分析工具对报文进行解读及自动分析。所述辅助计算程序用于通过报文解析指令对所有故障录波数据进行解读，并进一步自动分析来实现故障真实还原[9]。

通过本文提出的改造方法中站内通信组网的建立，可以对保护装置及其他装置的报文进行解析，不仅是对无法接入接点的补充，而且对故障信息的读取更加方便[10]。

5 结 论

近些年，故障录波装置的重要性越来越高，对于分析复杂和特殊保护动作情况的作用越来越大，因此对其要求也显著提高。相对于传统故障录波器，本文提出的改造方法还设有数据采集通信模块分别与各线路保护中含有动作接点的保护装置进行网络通信，能根据各保护装置中各动作接点的相关动作信息进行特性判断，以实现对故障判断可靠开启录波，从而能满足不同线路保护的录波接入，避免漏录波。另外，本文提出的改造方法还设有记忆存储器，储存当前录波过程中判断出来满足预定录波条件的其他数据，并在当前录波完成后对所存储的数据进行提取并补充录波，实现所有录波数据完整，从而能确保所有录波数据完整。不仅如此，本文提出的改造方法还设有辅助计算模块，通过报文解析指令可以解读所有录波数据并进行自动分析，从而实现故障的真实还原。