基于故障录波回放的智能变电站保护测试技术研究

李 涵 宋 宇 楚皓翔

基于故障录波回放的智能变电站保护测试技术研究

李 涵 宋 宇 楚皓翔

（国网江苏省电力有限公司检修分公司，南京 211202）

近年来，智能变电站进一步改良优化，继电保护智能化、标准化的思路应运而生。随着技术规范的不断完善和统一，智能变电站保护在测试方法和通信形式上较以往发生了很大改变，大量检测工作需要在工厂内进行，而继电保护常规检测方法无法满足工厂化大规模检测需求，这给智能变电站保护测试工作带来了新的挑战。针对上述问题，本文研究现有的智能变电站保护检测技术，分析采用故障录波文件回放的检测实验较常规动/静模检测实验的优点，设计了一套适用于不同录波装置的录波文件解析流程。此外，为了满足不同类型智能变电站保护装置采用故障录波文件回放进行检测的需求，研究了三种同步回放技术并分析其具体适用范围。

智能变电站；检测技术；故障录波；报文解析；同步回放

0 引言

随着智能变电站（以下简称智能站）的兴建，智能站保护装置也大规模投入使用，智能站保护的装置结构、安装方式、运维模式与常规继电保护存在显著差异[1]。面对数量庞大的智能站保护装置，传统的人工检测和常规的自动检测手段在检测效率和检测质量方面的弊端日益显现。本文针对智能站保护具体检测方法进行研究，分析常规的静模实验、动模实验的优缺点，并说明基于故障录波回放检测方式的优势。

1 常规动/静模实验的智能站保护测试技术分析

常规的智能站继电保护测试可以采用动模实验和静模实验两种形式。

动模实验结构示意图如图1所示，动模实验是对原始系统按比例缩放建立实际的物理模型，在建立的缩放系统中模拟各种电力系统故障来验证智能站保护装置的工作性能。动模实验能够有效地反映保护装置的实际工作性能，然而建立实际故障模型过程较为复杂，对测试人员的专业水平要求高，且动模实验需要在具备测试资质的动模实验室开展，测试成本十分高昂，因此不利于大规模开展动模实验[2-3]。

图1 动模实验结构示意图

静模实验结构示意图如图2所示，静模实验即测试人员使用继电保护测试仪进行测试，测试人员根据测试经验与理论计算对测试仪各模块的测试参数进行相应的设置，再由测试仪对待测保护装置进行实际性能测试。静模实验成本低且易于操作，是目前最为常用的测试方法。但是静模实验需要测试人员对各测试模块参数进行计算整定并录入继电保护测试仪，增加了测试人员的实际工作量，且测试参数的整定取决于测试人员的工作经验和技术水平[4-6]。

图2 静模实验结构示意图

2 故障录波回放保护测试技术研究

智能站保护装置一般具备故障录波模块，故障录波模块会记录保护装置在故障发生全过程中的相关数据[7-8]。通过筛选与整理故障录波模块中记录的故障电压、电流波形和开关量状态等数据，将整理后的故障录波文件输入继电保护测试仪，即可实现故障波形再现。相比于人工对继电保护测试仪设置故障量进行测试的方法，采用故障录波回放的方法无需设置测试故障量，可以创造相同的测试条件进行重复性实验，保证了测试条件的统一性，有利于自动测试的开展[9-10]。此外，采用故障录波回放的方法更能体现智能站保护装置对于真实故障的响应，有利于分析智能站保护装置的动作逻辑[11]。

故障录波文件的选取可以采用动模实验的仿真数据，也可以采用变电站的实际录波数据。相较于动模实验，在保证测试准确性的前提下，故障录波文件回放的测试实验操作更简单。相较于静模实验，采用故障录波文件回放的测试实验能够更为准确地反馈故障发生的全过程，可以作为常规静模实验的合理补充。因此，基于对测试难易程度和成本的权衡，本文设计的测试平台采用以静模实验为主，故障录波回放测试为辅的测试方法。

2.1 录波文件解析技术研究

由于不同型号的故障录波装置生成的故障录波文件在形式上有差异[12-13]，存在被继电保护测试仪误读或无法读取的问题。正确解析故障录波文件，精确提取故障量是故障回放的基础。因此，需要制定统一的解析方法，将不同形式的故障录波文件转化为规范标准的故障录波文件，从而满足不同智能站保护测试仪的测试需求。

IEEE COMTRADE标准为国际通用的录波文件标准，具备良好的兼容性，目前广泛应用于测试装置通信、数字故障录波、数字继电保护领域[14-15]。因此，本文设计的录波文件采用IEEE COMTRADE标准作为统一标准。

本文设计IEEE COMTRADE标准故障录波文件解析流程如图3所示，具体步骤如下。

图3 故障录波文件解析流程

1）生成配置文件

配置文件的作用是对后续生成的数据文件提供写入格式和顺序依据，配置文件包含采样频率、采样数值、采样通道类型及数量等基本采样信息，每一项信息的识别字段均按照IEEE COMTRADE标准，采用ASCII码进行编码[16]。

配置文件首先提取分析原录波文件，将采样频率、采样数值、采样通道类型及数量、开关变化反馈量等基本采样信息导入IEEE COMTRADE标准配置文件中。

2）生成数据文件

根据生成的标准配置文件，将原始故障录波文件中采样频率、采样数值、采样通道类型及数量、开关变化反馈量等信息连续地写入数据文件中。

由于原始故障录波文件中还包含未发生故障时的采样数据及数据转化出错的问题，为了剔除未发生故障时的低频冗余采样数据，节省标准故障录波文件的存储空间，保证真正发生故障时录波数据的有效性，需要设立相应规则排除不合理的数据，设立规则如下。

规则一：若检测原始故障录波文件的采样频率为50Hz或60Hz，删除该采样频率下的采样数据。

规则二：若检测原始故障录波文件的采样数值超出读取范围（-8 191～8 191），删除该采样数据，标记采样数据位置并报告“数值溢出”的警告信息供测试人员检阅。

规则三：若检测原始故障录波文件采样通道类型字段顺序与IEEE COMTRADE标准字段顺序存在顺序倒换的问题，标记具体通道字段号并报告“顺序错误”警告信息。

规则四：若检测原始故障录波文件采样通道数量超出IEEE COMTRADE标准的采样通道数量，删除溢出通道的采样数据，标记具体通道序号并报告“通道溢出”警告信息。

3）读取配置文件

对IEEE COMTRADE标准的配置文件以行为单位，按顺序写入自定义的字符型数组中，不同类型的数组元素采用逗号分隔。

4）读取数据文件

读取数据文件主要分为读取采样频率和转化采样数据。由《220kV～500kV电力系统故障动态记录技术准则》可知，故障录波时的采样频率在不同时段是不同的，因此无法使用统一的算法计算采样频率，故采用插值拟合法将不同采样频率段的采样数据统一至同一频率。本文采用三次插值法对采样数据进行插值拟合。

假设A时段和B时段的采样频率不同，但在各时段内保持恒定，A时段的采样频率为a，B时段的采样频率为b，将A时段的采样频率作为基准，对B时段的采样数据进行插值拟合，A时段的采样频率和B时段的采样频率满足

将A时段的第次录波时刻记作A(i)，将B时段的第次录波时刻记作B(i)，令满足

设A时段的第次采样时刻A(X)为0，该时刻的采样值为0，将采样的周期作为计算的步长，则A时段与B时段的等距点为

第+次采样时刻的采样值为(x)，进行三次差分牛顿向前插值计算，其中为3，具体为

故可得B时段的第次采样时刻值为

假设B时段内共有个采样点，那么对于B时段内最后三个时刻的采样点B(P-2)、B(P-1)和B(P)无法使用牛顿向前插值法，故改用牛顿向后插值法计算插值采样数据。

将A时段的第+1采样时刻A(X+1)记为z，第+1采样时刻的采样值记为y，则有

然后对插值后采样数据进行转化，配置文件中包含对应通道的采样增益系数Sample_gain和偏置系数Sample_offset，故第时刻的实际采样值real(t)为

2.2 同步回放技术研究

在智能站中，承载电压、电流和开关量的物理方式除了常规的模拟量和硬节点之外，还有数字报文形式，例如电压、电流的数字报文格式就包括DL/T 860.92、GB/T 20840.8、DL/T 282、Q/GDW 441[17]。而在进行故障录波文件回放时，不同物理形式的输出对采样频率的要求也不一样，模拟量输出为了达到较好的波形质量，一般采样频率不会小于25kHz，而数字报文应按照用户配置输出，常用采样频率包括4kHz、8kHz、12.8kHz[18]。另外，对于数字报文输出，还需要模拟合并单元的额定延时特性，因此，当故障回放的数据需要通过不同物理通道输出时，就会存在各通道延时不一致，需要独立控制对各延时相位进行设置。因此本文研究了三种同步回放方法以适应不同类型的物理输出。

1）基于增加相位控制字法的同步回放技术

基于增加相位控制字法的同步回放技术原理框图如图4所示，设置第一路为模拟量输出，设定该路的相位控制字为0，设置第二路为数字量输出，将第二路相位累加器的输出结果加上给定的相位偏置值，使第二路在寻址地址上始终有位偏移量，通过回放数据表查表后由数字报文生成器输出，即可获得相位差为的同步波形，故通过上位机修改相位控制字即可对波形相位进行调整。

图4 基于增加相位控制字法的同步回放技术原理框图

因为同步触发信号单元和相位控制字是两个独立的逻辑单元，所以改变相位控制字并不会造成采样频率的变化。输出波形的初始相位由相位控制字决定。设相位加法器的位长为位，则输出波形的初始相位start为

可调节相位的精度pre为

增加相位控制字法的相位调节范围很广，可以实现0°到360°相位差的同步回放，当使用8位的相位加法器时，可调节相位精度pre达到1.4°。因此该方法适合用于大范围的粗调同步回放。

2）基于调节通道间采样时钟延迟法的同步回放技术

由于各逻辑单元均工作在采样时钟信号的上升沿，所以当通道2的触发时钟信号延迟于通道1的触发时钟信号时，该通道的输出信号也会产生滞后。故可将时钟生成单元产生的信号作为通道1采样时钟信号，将时钟生成单元经过延时控制单元的信号作为通道2的信号。调节通道间采样时钟延迟法的同步回放技术原理框图如图5所示。

图5 调节通道间采样时钟延迟法的同步回放技术原理框图

设tri为触发时钟信号的频率，out为输出信号的频率，Dpre为可调节延迟的精度，那么可实现的最大同步回放的相位差Dqmax为

可调节相位的精度pre为

由上述分析可知，基于调节通道间采样时钟延迟法的同步回放技术的波形相位调节能力受触发时钟信号的频率tri及输出信号的频率out控制，而相位输出的精度pre则主要受可调节延迟的精度Dpre影响，理论调节相位精度pre可以达到0.1°，因此该方法适合用于小范围的精调同步回放。

3）基于同步先进先出波形数据延时法的同步回放技术

在数字电路上对波形数据增加延时也可以实现对输出波形的延迟控制，同步先进先出（first input first output, FIFO）含有一个波形表堆栈，记录的波形数据按照先进先出的顺序经过堆栈。

同步FIFO法原理图和时序图如图6所示，当设置的控制写使能时钟上升沿到来时，FIFO堆栈开始工作，对波形数据进行缓存并计数。FIFO读使能时钟上升沿由计数值设定值决定，计数达到时将FIFO缓存波形输出。同步FIFO法控制灵活，无需修改逻辑代码即可对波形进行延迟输出控制。因此该方法适合用于对一段波形重复同步回放。

图6 同步FIFO法原理框图和时序图

3 录波回放技术测试实验

本文以南瑞继保PCS—931的实际故障录波文件进行实验，该波形采样频率为4kHz，波形频率为50Hz的录波数据进行同步回放测试用以验证平台录波回放的功能。为了便于观测回放波形效果，将录波波形和同步回放波形通过数字信号处理器（digital signal processor, DSP）的D-A模块进行输出。

基于增加相位控制字法的同步回放波形如图7所示，其中Areal1为录波数据的D-A输出波形，Arelay1为同步回放D-A输出波形。图7（a）为延迟相位设置为0°的实验波形，从图中可以看出，Arelay1波形相位与Areal1波形相位一致。图7（b）为延迟相位设置为180°的实验波形，从图中可以看出，Arelay1波形相位与Areal1波形相位相差180°。

基于调节通道间采样时钟延迟法的同步回放波形如图8所示，其中Areal2为录波数据的D-A输出波形，Arelay2为同步回放D-A输出波形。由式（11）可知，调节通道间采样时钟延迟法延迟输出相位的最大值由采样频率和波形频率决定，所以当采样频率为4kHz，波形频率为50Hz时，最大延迟相位为4.5°。图8（a）为延迟相位设置为0°的实验波形，从图中可以看出，Arelay2波形相位与Areal2波形相位一致。图8（b）为延迟相位设置为4°的实验波形，从图中可以看出，Arelay2波形与Areal2波形在时间上相差约0.22ms，对应相位差为4°，与设置延迟相位一致。

图7 基于增加相位控制字法的同步回放波形

图8 基于调节通道间采样时钟延迟法的同步回放波形

基于同步FIFO波形数据延时法的同步回放波形如图9所示，采用同步FIFO波形数据延时法对一段故障波形进行重复回放，其中Areal3为录波数据的D-A输出波形，Arepeat为同步重复回放D-A输出波形。由图中可以看出，Arepeat可以对Areal3进行同相位、无失真的重复回放。

图9 基于同步FIFO波形数据延时法的同步回放波形

4 结论

本文分析了继电保护测试仪采用故障录波文件回放检测方法较动模、静模实验的优点，设计了用于IEEE COMTRADE录波文件解析的具体流程，并对三种同步回放技术进行研究，表明基于增加相位控制字法的同步回放技术适用于大范围的相位粗调节回放，基于调节通道间采样时钟延迟法的同步回放技术适用于小范围的相位精调节回放，基于同步FIFO波形数据延时法的同步回放技术适用于重复性回放。

目前本文仅对一种厂家型号的智能站保护装置进行了测试，验证了基于录波回放技术检测的可行性，下一步将针对不同厂家、不同类型的智能站保护装置在信息通信、功能实现等方面存在差异性的问题，以及完善整站测试环境还原及整站测试方法等方面，继续开展研究工作。

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Research on intelligent substation protection test technology based on fault recording and playback

LI Han SONG Yu CHU Haoxiang

(State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd Maintenance Branch Company, Nanjing 211202)

In recent years, the intelligent substation is further improved and optimized. The idea of intelligent and standard relay protection has emerged. With the continuous improvement and unification of technical specifications, the testing methods and communication forms of intelligent substation protection devices have changed a lot. A large amount of testing work needs to be carried out in the factory, and the conventional testing methods of relay protection cannot meet the large-scale testing requirements of the factory. The above problems bring new challenges to the testing of intelligent substation protection. In order to solve the problems above and meet the on-site maintenance-free requirements, this paper researches the existing protection detection technology and analyzes the advantages of the detection experiment using the playback of the fault recording file compared with the conventional dynamic/static mode detection experiment. A set of standard analyzing procedure suitable for different fault recording devices is designed. In addition, in order to meet the needs of different types of intelligent substation protection devices using fault recording file playback detection, three kinds of synchronous playback technologies are studied and the specific application scope of each synchronous playback technology is analyzed.

intelligent substation; detection technology; fault recording; message analysis; synchronous playback

2021-07-08

2021-08-11

李 涵（1990—），男，江苏省南京市人，硕士，主要从事电力系统继电保护方面的研究工作。