國(guó)內(nèi)外數(shù)字化錄波裝置研究現(xiàn)狀分析

黃丹丹 蘇顯超

（1.成都電業(yè)局繼電保護(hù)所，四川 成都 610021；2.四川省電力公司營(yíng)銷運(yùn)行監(jiān)控中心，四川 成都610041）

1 引言

數(shù)字化變電站數(shù)字錄波裝置是基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的數(shù)字化故障錄波裝置，是監(jiān)視變電站運(yùn)行狀況的一種輔助故障再現(xiàn)與分析設(shè)備。用它來(lái)記錄因各種原因引起的故障、系統(tǒng)崩潰、系統(tǒng)震蕩等擾動(dòng)而導(dǎo)致的各種電氣量變化全過(guò)程，主要用于記錄繼護(hù)裝置和安全自動(dòng)化設(shè)備的動(dòng)作信息，了解暫態(tài)過(guò)程中各個(gè)電量參數(shù)的變化特點(diǎn)。性能優(yōu)異的錄波裝置對(duì)保證變電站的安全可靠運(yùn)行有重要的意義。多年來(lái)，錄波裝置已成為分析數(shù)字化變電站故障的重要參考依據(jù)[1]。

2 傳統(tǒng)錄波裝置與數(shù)字化錄波裝置區(qū)別

傳統(tǒng)故障錄波裝置主要由下位機(jī)單元、中層管理單元、下位機(jī)單元組成[2]。下位機(jī)主要完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，中層管理單元主要完成與上位機(jī)的通信，上位機(jī)單元主要完成人機(jī)接口以及其他系統(tǒng)的通信。它與數(shù)字化錄波裝置的區(qū)別主要有以下幾點(diǎn)[3]：

（1）采樣方式。與傳統(tǒng)錄波裝置相比，數(shù)字化錄波裝置前端采樣的信號(hào)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了合并單元的數(shù)字化處理，是基于IEC61850網(wǎng)絡(luò)規(guī)約的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文信息，不需要像傳統(tǒng)錄波器還需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換獲取采樣信息。雖然沒(méi)有了數(shù)模轉(zhuǎn)換過(guò)程，但是數(shù)字化錄波裝置對(duì)網(wǎng)絡(luò)芯片的處理能力提出了更高的要求，千兆網(wǎng)卡和高性能的前端采樣處理芯片等都陸續(xù)應(yīng)用到數(shù)字化錄波裝置的開發(fā)和生產(chǎn)中。除了前端處理芯片，后臺(tái)存儲(chǔ)和處理采樣信息也比傳統(tǒng)錄波裝置提出了更高的要求，海量的采樣數(shù)據(jù)需要更大容量的硬盤存儲(chǔ)器，采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理需要更高性能的CPU處理器。由于采樣方式的不同，數(shù)字化錄波裝置在接線方式上比傳統(tǒng)錄波裝置更見簡(jiǎn)單，只需光纖信號(hào)直接引入，節(jié)省了大量的模擬數(shù)據(jù)線路的接入。

（2）數(shù)據(jù)處理

數(shù)字化錄波裝置不僅要處理采樣值信息，還要處理大量的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文信息。針對(duì)不同的報(bào)文信息，錄波裝置要用不同的方法處理，不像傳統(tǒng)錄波裝置那樣只有模擬量和簡(jiǎn)單的開關(guān)量信息。Comtrade文件格式簡(jiǎn)單記錄的波形文件可能并不能完整地記錄故障分析所需的數(shù)據(jù)（如：枚舉量、1588時(shí)鐘報(bào)文等）。因此數(shù)字化錄波裝置要有一種獨(dú)立的數(shù)據(jù)記錄格式來(lái)滿足數(shù)字化變電站發(fā)展的要求，記錄更加完整和有效的數(shù)據(jù)信息。

（3）定值整定

隨著數(shù)字化錄波裝置采樣值的豐富與發(fā)展，也必然對(duì)整定值帶來(lái)一些變化。除了傳統(tǒng)錄波裝置啟動(dòng)定值外，根據(jù)不同報(bào)文信息，應(yīng)增加網(wǎng)絡(luò)報(bào)文告警錄波啟動(dòng)定值的配置。

3 數(shù)字化錄波裝置國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與分析

3.1 國(guó)外數(shù)字化故障錄波裝置發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外公司ABB、SIEMENS的故障錄波器多數(shù)采用分布式標(biāo)準(zhǔn)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以根據(jù)需要分散安裝在開關(guān)柜里面或者保護(hù)室內(nèi)，通過(guò)以太網(wǎng)遠(yuǎn)傳到調(diào)度中心或者連接到一臺(tái)所級(jí)計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)一般都配有通用分析軟件包，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理。下面以西門子SIMEASR數(shù)字化錄波裝置為例進(jìn)行介紹。

SIMEASR是西門子公司推出的一臺(tái)智能化故障錄波裝置，如圖1所示[4]。

圖1 SIMEASR整體結(jié)構(gòu)圖

它主要用來(lái)監(jiān)控發(fā)電機(jī)、變電站電能質(zhì)量，記錄電網(wǎng)故障，幾臺(tái)不同的SIMEASR通過(guò)組屏安裝，通過(guò)LAN或V24接口連接到DAKON，最后把故障數(shù)據(jù)上傳到主控室或調(diào)度所，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制與管理。

SIMEASR錄波裝置采用32位微機(jī)型工控板，內(nèi)置電源板、選用完全模塊化的各種智能數(shù)據(jù)采集板設(shè)計(jì)。裝置的每塊采集板模擬量通道有8路和開關(guān)量通道有32路，DSP時(shí)鐘頻率為40MHz。數(shù)據(jù)采集通過(guò)高速總線跟DAKON連接，SIMEASR的CPU最低配置是8兆內(nèi)存的32bit處理器，它完成如下功能：

（1）基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集；（2）手動(dòng)自動(dòng)模式、故障判別模式的錄波啟動(dòng)判別；（3）故障前、故障變化過(guò)程、故障后不同時(shí)段的過(guò)程記錄；（4）計(jì)算、記錄電氣測(cè)量值，主要包括：電壓、電流、有功、無(wú)功、功率因數(shù)等；（5）能夠記錄正負(fù)序分量、諧波量、相位和直流分量；（6）可以記錄頻率變化的主要過(guò)程，頻率通道精度±1MHz；（7）通過(guò)先進(jìn)的數(shù)據(jù)壓縮與存儲(chǔ)技術(shù)，方便分析軟件對(duì)故障數(shù)據(jù)的使用。

西門子的故障記錄程序，有自己的自動(dòng)計(jì)算算法，會(huì)自動(dòng)生成COMTRADE規(guī)定的格式文件的所有信息，針對(duì)饋線，還有自動(dòng)診斷。DAKON裝有故障分析軟件包，能實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距、諧波分析、電能質(zhì)量分析功能。在調(diào)度端裝有OSCOPP程序包，就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制和管理。國(guó)外其他公司，也有類似的相關(guān)產(chǎn)品，數(shù)字故障錄波功能的實(shí)現(xiàn)上也各有千秋。

3.2 國(guó)內(nèi)數(shù)字化故障錄波裝置發(fā)展現(xiàn)狀。

圖2 WGL-800B錄波裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖

目前，國(guó)內(nèi)已有多個(gè)數(shù)字化變電站開工建設(shè)或投入運(yùn)行，應(yīng)用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的故障錄波器產(chǎn)品在國(guó)電南瑞，北京四方，電力科學(xué)研究院，許繼，東方電子的開發(fā)研制之中，并有符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品面世，取得了一定的成果，但是各公司所選用的軟硬件平臺(tái)不盡相同。下面以許繼電氣WGL-800B數(shù)字錄波裝置為例來(lái)說(shuō)明裝置的主要特點(diǎn)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]裝置由光纖采集卡、主CPU、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器、打印機(jī)、液晶LCD顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等組成。千兆光纖采集卡、高性能嵌入式CPU板卡組成采集分析機(jī)箱。裝置的模擬量通道總數(shù)可以配置0-96路，開關(guān)量通道總數(shù)可以配置0-255路，具體可以根據(jù)工程的需要靈活配置。

裝置采用新一代無(wú)風(fēng)扇嵌入式計(jì)算機(jī)。主CPU采用酷睿2級(jí)芯片。主CPU板采用6層印制線路板以及表面貼裝技術(shù)，極大地提高了裝置的可靠性。有如下特點(diǎn)：

（1）完全嵌入式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：裝置硬件和軟件均采用一體化完全嵌入式結(jié)構(gòu)。使用高性能的嵌入式無(wú)風(fēng)扇工業(yè)計(jì)算機(jī)。采用國(guó)際成熟的工業(yè)級(jí)嵌入式管理操作系統(tǒng)（Windows XP Embedded）；（2）長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)存儲(chǔ)功能：采樣率不低于1kHz，最高可達(dá)10kHz.單文件存儲(chǔ)時(shí)間可指定：30-300秒?？偞鎯?chǔ)時(shí)間：不低于7天，跟采樣速率有關(guān)。（3）完善的通訊及組網(wǎng)功能：裝置既支持IEC61850間隔層通信規(guī)約也兼容標(biāo)準(zhǔn)103規(guī)約，具有遠(yuǎn)程通信和遠(yuǎn)程管理功能?？伸`活接入其他監(jiān)控系統(tǒng)或信息管理系統(tǒng)；（4）支持多種采集協(xié)議：支持IEC61850-9-1協(xié)議，支持IEC61850-9-2LE協(xié)議，支持GOOSE協(xié)議。多種協(xié)議靈活運(yùn)用，克服了大多只支持IEC61850-9-1協(xié)議的不足。（5）首家引入網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備：支持Raid5、Raid6、Raid10等多種級(jí)別磁盤陣列，支持熱插拔，支持雙電源冗余。支持最高達(dá)4TB的存儲(chǔ)容量。不僅可以存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，而且保證了數(shù)據(jù)安全，方便統(tǒng)一管理。

與國(guó)外產(chǎn)品相比，國(guó)產(chǎn)的故障錄波器在價(jià)格上有優(yōu)勢(shì)，適合目前我國(guó)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)整體體系結(jié)構(gòu)，更符合我國(guó)實(shí)際，國(guó)內(nèi)廠家在培訓(xùn)、現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試和售后服務(wù)等方面比國(guó)外廠家有一定的地域優(yōu)勢(shì)。但從近幾年國(guó)內(nèi)數(shù)字錄波裝置的運(yùn)行實(shí)踐來(lái)看，現(xiàn)有幾家國(guó)產(chǎn)微機(jī)型故障錄波器在性能上已經(jīng)完成了從模擬式錄波到數(shù)字化錄波的轉(zhuǎn)換，但沒(méi)有充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，在數(shù)據(jù)通信、錄波方式、故障分析準(zhǔn)確性等方面依然存在一些問(wèn)題。當(dāng)然，數(shù)字化錄波器裝置也必然成為故障錄波器的研究熱點(diǎn)和主要方向，它會(huì)引導(dǎo)國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的學(xué)者和專家們的關(guān)注。

[1]梁合慶.變電站綜合自動(dòng)化中的故障錄波裝置.變電站綜合自動(dòng)化研討會(huì)論文集[C].南京：電力自動(dòng)化研究院，1995,201-202

[2]曲春輝等.變電站故障錄波器裝置的設(shè)計(jì)[J].繼電器,2003：VoL.31 No.12

[3]楊俊等.適用于智能變電站的新型數(shù)字錄波器[J].華東電力.2010：VoL.38 No.7

[4]梁煜.故障錄波信息系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)際應(yīng)用[D].華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2009.12

[5]許繼電氣電網(wǎng)保護(hù)自動(dòng)化公司.WGL-800B數(shù)字化錄波裝置技術(shù)說(shuō)明書[Z].