故障录波器数据通信网关机在核电厂的应用研究

屈龙腾，范振中，李沛兴

（1.中核霞浦核电有限公司，福建 宁德 355100；2.中国核电工程有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

核电厂是一种以核反应为热力源的热电厂，核能发电是利用反应堆中核燃料裂变产生热量，使核能转换为热能来加热水产生蒸汽，利用蒸汽推动汽轮发电机发电，使机械能转换为电能。核电站属于高效率的能源建设，是替代化石能源的清洁能源之一，能量密度远高于太阳能和风能等形式，并且没有水电占地和大量移民的问题[1]，对于温室气体和二氧化碳的排放几乎为零。随着社会发展，我国的用电总量在逐年增加，发电厂电力供应的压力越来越大，效率更高的核电厂相对于其他传统以化石能源为热力源的发电厂有着极为明显的优势，但是核电站建设成本高昂，技术需求高，养护成本也高。在控制良好且周边紧急应对系统完善的情况下，核电站是相当安全的设施，但是一旦核电厂发生重大核事故时，便会对周围环境，居民的生命财产安全造成极大地威胁，以及国家各方面的损失。因此必须对核电设施以及电力系统是否正常运行进行严密监控，及时发现设备缺陷，电力系统故障点，提出解决方案并处理，以保证核电站正常、安全地运行。故障录波器是电力系统发生故障时能够自动地、准确地记录故障前、后过程的各种电器量变化的一种装置。正常情况下不启动，发生故障时进行录波，并记录故障前后全过程的电压、电流、功率变化以及继电保护动作情况，从而供运行监视人员分析处理事故、判断保护是否正确动作提供科学依据。根据其记录的参数不仅能保存在软盘中，而且可以通过网关机通信接口，将数据远传至调度部门，为调度部门分析处理事故、提高运行水平及继电保护装置动作统计、评价提供依据。将故障录波器的数据积累下来，能够加强对电力系统规律的认识，提高核电厂电力系统的运行水平，提高核电厂的安全性。随着故障录波器的数据积累以及存在能够及时地获取故障数据以便及时排除核电厂运行中的故障，隐患的需求，能够进行实时数据采集变得十分重要。因此，数据通信网关机的应用可以有效地解决故障录波器数据的实时传递与积累的问题。

1 故障录波器

1.1 故障录波器的结构和工作原理

故障录波器是记录和储存电力系统中的电压、电流、功率变化以及继电保护动作情况的自动记录储存装置。通过监视和记录系统中电压、电流、相位、功率、功率因数、谐波、不平衡及继电保护动作情况来对系统中发生的故障事件生成故障波形，储存并发送至调度部门，通过分析软件的处理对波形进行计算和分析，从而对故障发生点的距离、性质、严重程度进行准确地判断[2]。

故障录波器可以采用上位机（后台工控机）和下位机（录波采集模块）组屏构成，上位机和下位机通过以太网连接[3]。一种故障录波器整体结构如下图1所示。

1.2 故障录波器的作用

故障录波器在核电厂中的作用有以下3种。第一种为监测、记录220kV主电源系统母线电压、线路电压和电流、发变组高压侧电压和电流，线路保护装置、母线保护装置、断路器保护装置、短引线保护装置等的动作告警信号，主开关站开关变位信号等[4]。在系统故障时快速启动，在系统振荡时，亦应可靠启动，可以分析电力系统事故及继电保护和安全自动装置在事故过程中的动作情况，为迅速判定故障点位置以及对故障事件进行顺序记录；第二种情况为监测、记录220kV辅助电源系统母线电压、线路电压和电流、辅助变高压侧电压和电流，220kV线路保护装置、母线保护装置、母联保护装置等的动作告警信号，辅助开关站开关变位信号等。在系统故障时快速启动，在系统振荡时，亦应可靠启动，可以分析电力系统事故及继电保护和安全自动装置在事故过程中的动作情况，为迅速判定故障点位置以及对故障事件进行顺序记录；第三种情况为记录发变组保护装置、10kV进线柜的保护装置及辅助变保护装置等的启动信号是否异常，在出现异常时准确完整的记录故障波形，以备事后分析故障事故时能准确无误的提供波形数据。

2 数据通信网关机

数据通信网关机是一种通信装置。实现智能核电厂与调度、生产等主站系统之间的通信，为主站系统实现信息查询、智能监视控制和远程浏览等功能提供模型、数据和图形的传输服务。智能变电站一体化监控系统主要包括监控主机，操作员站，工程师工作站，I区数据网关机，II区数据网关机，III/IV区数据网关机，综合应用服务器等[5]。II区数据网关机基于图形网关机的远程浏览方式，实现调控中心与站内监控系统图形和数据的实时交换，实现告警信号直传、远程图像浏览功能[6]。故障录波主站部署于电网调度端，变电站内所有录波器通过安全II区数据通信网关机和故障录波主站进行通信[7-8]。厂站端故障录波(II区)数据通信网关机接受故障录波器组网后的信息。数据通信网关机作为厂站内统一数据出口与调度端进行通信，增加厂站端的安全可靠性[9]，更利于调度对厂站端设备及数据信息的管理。网关机架构图如图2所示。

3 故障录波器通信网关机的应用

随着核电站调控一体化运行模式的不断推进，“大检修”和“大运行”体系建设的不断深化，核电站能够准确、及时地掌握故障信息和继电保护动作信息，判断故障情况，对核电站电力系统安全可靠运行，快速恢复供电都具有重要的意义。故障录波器数据通信网关机实现了故障录波数据远传至调度控制中心，为调度值班员及继电保护专业人员提供了故障分析与故障处理的第一手资料，提高了调度部门处理电力系统事故的快速反应能力。

为了实现核电厂主站调度中心对变电站故障录波器数据的传输与获取，以实现对电力网络的安全状态监控，使用数据通信网关机实现数据的通信。

首先由故障录波器获取并记录电力系统故障数据，通过故障录波器和数据通信网关机的交互获取故障信息，再由数据通信网关机远传至调度控制中心，如图3所示。

在设备不明原因跳闸后，通过对故障录波器准确完整记录的波形进行分析，判断保护装置的启动信号是否异常、故障发展过程和故障类型，以便能迅速排除故障和制定维修对策，及时采取维修策略，缩短停机时间。当系统由于继电保护装置误动造成无故障跳闸或系统有故障但保护装置拒动时，就要利用故障录波器中记录的开关量动作情况来判断保护的动作是否正确，并可以根据现场实际情况得出有问题的部分，对于比较复杂的故障可以通过记录下来的模拟量和开关量对故障量进行计算，从而对保护进行定量考核，及时发现设备缺陷，揭示电力系统中存在的问题。同时可以将每次故障录波器记录的数据存储下来，积累第一手原始材料，不断加强对系统规律的认识，不断提高系统运行水平。

通过故障录波器通信网关机的应用，将故障数据上传到调度控制中心，调度控制中心采集数据，并且实现站内故障录波数据的分析与处理，既可以方便调度端以一站一单元（IP）的方式日常管理，又在发生复杂故障时，可以根据分析处理结果迅速准确的判断故障情况，这种通过典型波形来确定故障性质是一种快捷、便利的方法，为事故处理、恢复供电争取了宝贵的时间，切实保证了核电站电力系统的稳定运行，为事故处理提供了有力依据[9]。通过通信网关机将数据转发与上传到控制调度中心，可以在调度中心实现数据的存储以及可视化展示。对数据的后期处理之后，可以描绘出故障出现的历史曲线，对电力网络的安全性进行评估，减少核电厂的安全风险[10]。

4 结论

随着核电厂自动化程度的逐渐加强，为了能够对电力系统进行实时监控，以及对故障的及时处理，故障录波器记录的数据需要能够及时上传到调度控制中心，并且储存下来。通过数据通信网关机的应用，可以将不同厂家的故障录波器设备的录波数据统一管理并上传到控制调度中心，方便调度以一站一单元（IP）的方式管理。控制调度中心对故障数据进行实时数据分析能够迅速的分析并找到故障的原因，并对故障进行处理，以保证核电厂的安全运作；对历史数据非实时分析，可以为故障原因以及优化故障处理对策提供科学依据及高效管理方案。对于有极高安全要求的核电厂来说故障录波器数据通信网关机有极高的应用价值。