直流控制保護(hù)故障錄波采集及遠(yuǎn)傳研究與應(yīng)用

沈 剛，薛海平，呂 冰，曹衛(wèi)國(guó)，葉 周

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102)

隨著我國(guó)電力資源的優(yōu)化配置、遠(yuǎn)距離大容量輸電技術(shù)的發(fā)展，規(guī)劃建設(shè)的直流輸電項(xiàng)目越來(lái)越多[1]。隨著直流換流站的日益增多，調(diào)度中心對(duì)直流換流站的管理和信息采集的全面性亦愈來(lái)愈重要。尤其是當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，要求調(diào)度中心能夠盡快定位故障點(diǎn)及其關(guān)聯(lián)的控制保護(hù)系統(tǒng)，盡快獲取相應(yīng)的故障錄波信息并進(jìn)一步分析故障原因[2]。目前的直流換流站中，直流控制保護(hù)系統(tǒng)一般通過(guò)保護(hù)及故障錄波信息管理子站（簡(jiǎn)稱(chēng)保信子站）實(shí)現(xiàn)控制保護(hù)內(nèi)部故障信息的采集和遠(yuǎn)傳。已投運(yùn)的換流站中，一部分換流站的保信子站沒(méi)有采集直流控制保護(hù)系統(tǒng)的內(nèi)部故障錄波信息；一部分換流站的保信子站盡管采集了直流控制保護(hù)系統(tǒng)的內(nèi)部故障錄波信息，但其上傳的可靠性和速度較差，導(dǎo)致調(diào)度中心無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地收到所需的故障錄波信息。文中根據(jù)已投運(yùn)直流工程控制保護(hù)系統(tǒng)的現(xiàn)狀、特點(diǎn)及直流控制保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展方向，提出一種直流輸電控制保護(hù)內(nèi)部故障錄波信息采集及遠(yuǎn)傳技術(shù)，并應(yīng)用于實(shí)際工程中，提高了采集和遠(yuǎn)傳直流控制保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部故障錄波信息的可靠性和快速性。

1 方案概述

直流輸電工程換流站中，直流控制保護(hù)系統(tǒng)具有完善的內(nèi)部故障錄波功能。當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，換流站、遠(yuǎn)方調(diào)度中心需要通過(guò)這些內(nèi)部故障錄波信息分析直流故障。

早期直流工程中的直流控制保護(hù)系統(tǒng)為國(guó)外公司產(chǎn)品，不具有內(nèi)部故障錄波遠(yuǎn)傳功能。近期投運(yùn)的直流工程中，直流控制保護(hù)系統(tǒng)由國(guó)內(nèi)企業(yè)供貨，其內(nèi)部故障錄波一般通過(guò)保信子站上傳至遠(yuǎn)方調(diào)度中心，但其上傳的可靠性和速度較差。遠(yuǎn)方調(diào)度中心往往收不到直流控制保護(hù)系統(tǒng)的內(nèi)部故障錄波信息，如需查看常常要靠換流站運(yùn)維人員手動(dòng)傳輸，既不方便也影響遠(yuǎn)方調(diào)度中心分析直流故障的時(shí)效性。

直流換流站中也配置獨(dú)立的故障錄波器，不通過(guò)保信子站，而是通過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)直接上傳至遠(yuǎn)方調(diào)度中心的故障錄波主站。獨(dú)立的故障錄波器盡管也采集直流系統(tǒng)的故障錄波信息，但其信息沒(méi)有直流控制保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部故障錄波全面和完整，有時(shí)故障錄波器的信息不足以分析直流故障。

因此，在直流控制保護(hù)系統(tǒng)中配置一套直流故障錄波前置管理機(jī)是較好的方案，該前置管理機(jī)專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)直流控制保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部故障錄波信息的采集和遠(yuǎn)傳。同時(shí)，這種增加專(zhuān)用前置管理機(jī)的方式，也可以使得在對(duì)已投運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行改造時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的影響最小。直流故障錄波前置管理機(jī)在控制保護(hù)系統(tǒng)中的接入方式如圖1所示。

故障錄波前置管理機(jī)一方面通過(guò)換流站現(xiàn)有局域網(wǎng)與控制保護(hù)系統(tǒng)和存放故障錄波文件的系統(tǒng)服務(wù)器相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制保護(hù)內(nèi)部故障錄波的采集；另一方面通過(guò)遠(yuǎn)動(dòng)LAN2，經(jīng)過(guò)縱向加密裝置、路由器、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)與遠(yuǎn)方調(diào)度中心相連，實(shí)現(xiàn)直流控制保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部故障錄波的上送。上述接入方式由于不經(jīng)過(guò)規(guī)約轉(zhuǎn)換器、保信子站等中間環(huán)節(jié)，可以大大提高故障錄波信息傳送的快速性。同時(shí)，保存故障錄波文件的系統(tǒng)服務(wù)器不直接接入調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，保證了換流站局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全性。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)直流控制保護(hù)內(nèi)部故障錄波的采集和快速、穩(wěn)定地向遠(yuǎn)方調(diào)度中心傳送，需要進(jìn)行如下幾個(gè)方面的考慮：（1）直流故障錄波前置管理機(jī)方案；（2）錄波文件采集方案；（3）與遠(yuǎn)方調(diào)度中心故障錄波主站的通信方案；（4）向遠(yuǎn)方調(diào)度中心故障錄波主站及時(shí)推送故障錄波信息的方法。

2 故障錄波前置管理機(jī)

換流站現(xiàn)有的通過(guò)保信子站向遠(yuǎn)方調(diào)度中心傳送直流故障錄波時(shí)出現(xiàn)如波形上送失敗、通信中斷、傳送不穩(wěn)定等問(wèn)題，歸納其原因有如下幾點(diǎn)：（1）直流控制保護(hù)的內(nèi)部錄波文件在20～40 MB之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于交流保護(hù)產(chǎn)生的錄波文件（一般小于100 KB），保信子站采用IEC103通訊規(guī)約傳輸和處理波形文件時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)超時(shí)。（2）IEC 103規(guī)約并不適合傳輸較大的波形文件，速度相對(duì)比較慢（需要等待主站的確認(rèn)）。（3）直流控制保護(hù)會(huì)因?yàn)閿_動(dòng)頻繁啟動(dòng)，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量波形文件，有可能超出保信子站有限的處理能力。（4）目前保信子站大多數(shù)為嵌入式裝置，其本地存儲(chǔ)容量相對(duì)較小，無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)間的歷史錄波存儲(chǔ)需求。

因此，直流故障錄波前置管理機(jī)不宜采用常規(guī)的嵌入式裝置，而采用無(wú)風(fēng)扇工控機(jī)是比較好的方案，可以配置高性能的處理器、大容量的內(nèi)存和硬盤(pán)?？紤]到網(wǎng)絡(luò)安全性，直流故障錄波前置管理機(jī)不能采用Windows操作系統(tǒng)，而應(yīng)該安裝安全的Linux操作系統(tǒng)。并采用IEC 61850規(guī)約或FTP方式向遠(yuǎn)方調(diào)度中心傳送故障錄波信息。根據(jù)實(shí)際工程的需要來(lái)確定直流故障錄波前置管理機(jī)的硬件配置，并對(duì)其功能、性能進(jìn)行測(cè)試，以滿足工程應(yīng)用的要求。

3 錄波文件快速采集

換流站直流控制報(bào)保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生的內(nèi)部故障錄波文件都存放在系統(tǒng)服務(wù)器上，系統(tǒng)服務(wù)器一般為Windows操作系統(tǒng)。直流故障錄波前置管理機(jī)可以通過(guò)局域網(wǎng)與系統(tǒng)服務(wù)器通信，從系統(tǒng)服務(wù)器獲取故障錄波文件。

直流故障錄波前置管理機(jī)與系統(tǒng)服務(wù)器都接入換流站局域網(wǎng)，可以通過(guò)TCP/IP相互通信。雖然從理論上說(shuō)，直流故障錄波前置管理機(jī)可以通過(guò)多種標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)約（如：IEC 103、IEC 61850，等）與系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行通信，但系統(tǒng)服務(wù)器是換流站監(jiān)視和控制系統(tǒng)的核心，服務(wù)器上安裝和運(yùn)行有許多重要的軟件，在服務(wù)器上增加規(guī)約通信軟件，可能會(huì)對(duì)服務(wù)器的運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響。而對(duì)于已經(jīng)投運(yùn)的直流工程而言，盡量避免對(duì)已有系統(tǒng)造成影響是必須考慮的首要因素。

為此，直流故障錄波前置管理機(jī)可以考慮以下2種采集直流故障錄波信息的方案。

（1）FTP方式。系統(tǒng)服務(wù)器與直流故障錄波前置管理機(jī)都開(kāi)放FTP服務(wù)，直流故障錄波前置管理機(jī)采用FTP方式讀取文件服務(wù)器上的直流控制保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部故障錄波文件。

（2）跨平臺(tái)的磁盤(pán)映射方式。采用跨平臺(tái)的磁盤(pán)映射軟件（如Samba，等），將文件服務(wù)器上直流控制保護(hù)內(nèi)部故障錄波文件存放目錄映射到直流故障錄波前置管理機(jī)，由其直接進(jìn)行文件檢索和讀取。

部分已投運(yùn)的直流工程中，考慮到開(kāi)放FTP服務(wù)可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)服務(wù)器上運(yùn)行的其他進(jìn)程產(chǎn)生影響，不能開(kāi)放FTP服務(wù)，無(wú)法采用FTP方式讀取系統(tǒng)服務(wù)器上的直流控制保護(hù)內(nèi)部故障錄波文件。

磁盤(pán)映射方式已經(jīng)非常成熟，已在其他領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且磁盤(pán)映射方式對(duì)原有系統(tǒng)基本沒(méi)有影響[3]?？梢赃x擇跨平臺(tái)的磁盤(pán)映射技術(shù)，作為直流故障錄波前置管理機(jī)采集控制保護(hù)內(nèi)部故障錄波文件的通用方案，應(yīng)用于已投運(yùn)和待建直流工程。

同時(shí)，為了提高錄波信息傳送的效率與可靠性，在正常情況下，不需將服務(wù)器上保存的控制保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部故障錄波文件全部上傳到遠(yuǎn)方調(diào)度中心，而是只上傳故障錄波文件列表信息。在發(fā)生直流系統(tǒng)故障或有其他需要時(shí)，調(diào)度中心如需要查看某次故障錄波文件，故障錄波主站從列表中選擇需要上傳的故障錄波文件，故障錄波管理前置機(jī)再上傳相應(yīng)的錄波文件。為此需要開(kāi)發(fā)用于生成并更新故障錄波文件列表的軟件。

生成故障錄波文件列表的軟件周期性掃描系統(tǒng)服務(wù)器上相應(yīng)目錄下的故障錄波文件，檢查是否有新文件產(chǎn)生，若有則更新相應(yīng)的故障錄波文件列表信息。

文件服務(wù)器上保存有各個(gè)控制保護(hù)主機(jī)生成的故障錄波文件，它們是按子目錄分別存放的，生成故障錄波文件列表的軟件需能夠?qū)γ總€(gè)控制保護(hù)主機(jī)生成相應(yīng)的故障錄波文件列表。

生成故障錄波文件列表的軟件可以運(yùn)行在故障錄波管理前置機(jī)上，也可以運(yùn)行在系統(tǒng)服務(wù)器上。若該軟件運(yùn)行在故障錄波管理前置機(jī)上，它要掃描的是網(wǎng)絡(luò)上的系統(tǒng)服務(wù)器共享文件目錄，效率比較低，而且有可能對(duì)服務(wù)器的運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。若該程序運(yùn)行在系統(tǒng)服務(wù)器上，它要掃描的是本地的文件目錄，效率比較高，而且只是掃描是否有新文件產(chǎn)生，對(duì)服務(wù)器的運(yùn)行基本沒(méi)有影響。因此，生成故障錄波文件列表的軟件運(yùn)行在系統(tǒng)服務(wù)器上是較好的方案。

4 與調(diào)度端故障錄波主站的互聯(lián)

直流故障錄波前置管理機(jī)要上傳的故障錄波信息屬于非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)與遠(yuǎn)方調(diào)度中心故障錄波主站通信。直流工程換流站都配置非實(shí)時(shí)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)接口設(shè)備（如遠(yuǎn)動(dòng)LAN2、路由器）和相關(guān)安全防護(hù)設(shè)備（如防火墻、縱向加密裝置等），直流故障錄波前置管理機(jī)只要接入遠(yuǎn)動(dòng)LAN2，即可通過(guò)非實(shí)時(shí)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)與遠(yuǎn)方調(diào)度中心故障錄波主站進(jìn)行通信。

直流故障錄波前置管理機(jī)與調(diào)度端故障錄波主站通信的方式主要有以下3種方案：（1）采用IEC 103規(guī)約；（2）采用IEC 61850規(guī)約；（3）采用FTP方式。

由于直流控制保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部故障錄波文件數(shù)量多且單個(gè)文件較大，采用IEC 103通信規(guī)約會(huì)出現(xiàn)上送慢且易失敗、通信易中斷和通信不穩(wěn)定等問(wèn)題，IEC 103規(guī)約對(duì)傳輸直流故障錄波文件不是很適用[4]。

FTP方式傳輸文件快速且可靠，但需要換流站端的直流故障錄波前置管理機(jī)和調(diào)度端的故障錄波主站都要開(kāi)放FTP服務(wù)，容易造成網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)支持傳輸大容量的文件，其傳輸方式類(lèi)似于FTP，從而能夠保證文件傳輸?shù)目焖傩院涂煽啃?。由于是調(diào)度端和換流站端2個(gè)應(yīng)用軟件之間的規(guī)約通信，不存在網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題。因此，換流站端直流故障錄波前置管理機(jī)和調(diào)度端故障錄波主站的通信選用IEC 61850規(guī)約是較好的方案。

5 故障錄波信息向主站端的及時(shí)推送

每當(dāng)直流控制保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生新的內(nèi)部故障錄波時(shí)，系統(tǒng)服務(wù)器上都會(huì)相應(yīng)增加新的錄波文件。不僅是交直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)直流控制保護(hù)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生故障錄波，在交直流系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)直流控制保護(hù)系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生故障錄波。遠(yuǎn)方調(diào)度中心一般不需要獲取這些因擾動(dòng)產(chǎn)生的大量故障錄波信息。若將這些故障錄波文件也上傳，將極大降低錄波信息傳送的效率與可靠性。因此，為了提高錄波信息傳送的效率與可靠性，沒(méi)有必要將服務(wù)器上保存的控制保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生的所有內(nèi)部故障錄波文件都上傳遠(yuǎn)方調(diào)度中心，而是采用平時(shí)上傳故障錄波文件列表，需要時(shí)才上傳選擇的故障錄波文件的方案。正常情況下，故障錄波前置管理機(jī)從系統(tǒng)服務(wù)器只讀取故障錄波文件列表信息并將之上傳。在發(fā)生直流系統(tǒng)故障或有其他需要時(shí)，遠(yuǎn)方調(diào)度中心需要查看某次故障錄波文件，故障錄波主站從文件列表中選擇需要上傳的故障錄波文件，故障錄波管理前置機(jī)再?gòu)奈募?wù)器獲取相應(yīng)的錄波文件并上傳到遠(yuǎn)方調(diào)度中心。

6 工程應(yīng)用

采用上述方案，在錦屏至蘇南±800 kV特高壓直流輸電工程（簡(jiǎn)稱(chēng)錦蘇工程）錦屏換流站直流控制保護(hù)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了直流控制保護(hù)內(nèi)部故障錄波信息向國(guó)調(diào)中心的快速、可靠傳送。

錦蘇工程中，直流控制保護(hù)系統(tǒng)配置了1臺(tái)安裝Linux操作系統(tǒng)的無(wú)風(fēng)扇工控機(jī)作為直流故障錄波管理前置機(jī)。該前置機(jī)配置3塊網(wǎng)卡，通過(guò)雙網(wǎng)卡與換流站局域網(wǎng)相連，并采集內(nèi)部故障錄波信息；通過(guò)單網(wǎng)卡與遠(yuǎn)動(dòng)LAN2相連，經(jīng)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)向國(guó)調(diào)上送直流控制保護(hù)內(nèi)部故障錄波信息。錦蘇工程直流故障錄波上送國(guó)調(diào)方案如圖2所示。

直流控制保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部故障錄波文件保存在文件服務(wù)器中。采用跨平臺(tái)的磁盤(pán)映射方式，將文件服務(wù)器上存放內(nèi)部故障錄波文件的目錄映射到直流故障錄波前置管理機(jī)，由前置管理機(jī)直接進(jìn)行文件檢索和讀取。在文件服務(wù)器上安裝和運(yùn)行生成故障錄波文件列表的軟件，進(jìn)行錄波文件列表更新。

7 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部故障錄波采集和遠(yuǎn)傳現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了完善的解決方案，最終在實(shí)際工程中驗(yàn)證了方案的有效性和可靠性。

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