一種新型故障錄波器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

賈 小 星

(山西省黃河萬家寨水務(wù)集團有限公司，山西 太原 030012)

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一種新型故障錄波器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

賈 小 星

(山西省黃河萬家寨水務(wù)集團有限公司，山西 太原 030012)

介紹了分布式故障錄波器的主要功能，簡述了分布式故障錄波器的系統(tǒng)組成部分，并探討了其硬件與軟件的設(shè)計方法，指出分布式故障錄波器具有靈活性，可隨變電站規(guī)模的變化進行不同配置。

故障錄波器，電力系統(tǒng)，通信管理，電路

0 引言

電力系統(tǒng)發(fā)生故障等大擾動后獲得故障數(shù)據(jù)是事故分析的基礎(chǔ)，這些數(shù)據(jù)包括電流、電壓等電氣量的變化過程以及保護裝置、開關(guān)的動作行為。由于保護裝置采樣頻率和內(nèi)存容量的限制，因此需要配置專用的故障錄波器記錄電力系統(tǒng)故障動態(tài)數(shù)據(jù)。

目前故障錄波器有兩類：集中式故障錄波器和分布式故障錄波器。集中式故障錄波器是通過二次電纜將線路或電氣設(shè)備的電壓、電流等電氣量引入控制室的錄波屏上，實現(xiàn)全站的集中錄波。而分布式錄波器是由一個現(xiàn)場分析站和多個數(shù)據(jù)采集站組成，數(shù)據(jù)采集站分散地安置在各現(xiàn)場設(shè)備旁，并將現(xiàn)場設(shè)備的電氣量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后通過現(xiàn)場總線傳到控制室的現(xiàn)場分析站，從而實現(xiàn)分布錄波。

與集中式故障錄波器相比，分布式故障錄波器有以下優(yōu)點[1]：

1)分布式故障錄波器可按間隔與保護安裝在一面屏上，因此減少二次電纜的鋪設(shè)，節(jié)省了空間，利于維護。

2)集中式故障錄波器由于受到系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)的限制，不能靈活地配置和升級，而分布式故障錄波器的模塊式結(jié)構(gòu)使其可隨主件的添加而增設(shè)。

隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，采用分布式錄波技術(shù)的時機已日漸成熟，這也是適應(yīng)當前廠站二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、分布化的要求。

1 分布式故障錄波器的功能

當故障錄波器用微機實現(xiàn)的時候，由于這種新技術(shù)的采用，所形成的不應(yīng)當只是傳統(tǒng)意義上的故障記錄的翻版，因此除滿足繼電保護專業(yè)的需求，還應(yīng)服務(wù)于調(diào)度運行和系統(tǒng)分析部門，而分布式故障錄波器因其自身的特點，可以更好地為這些部門服務(wù)[2]。

分布式故障錄波器的功能應(yīng)包括：

1)為調(diào)度運行部門及時處理系統(tǒng)故障提供事故關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)發(fā)生故障等大擾動后，故障錄波器不能不管一大堆故障信息是否對即時處理系統(tǒng)事故所急需，一齊傳入數(shù)據(jù)通道，因為這樣必然造成信息泛濫和通道堵塞，使調(diào)度部門在事故發(fā)生后的一段時間內(nèi)無法判斷與處理事故，所以故障錄波器應(yīng)對故障信息進行精心挑選和處理，為調(diào)度提供如線路繼電保護的跳閘命令信號、線路故障電流與母線電壓數(shù)據(jù)、變電站母線到故障點的距離、線路電流何時開斷等與調(diào)度及時處理事故有關(guān)的信息。

2)提供隨時間變化的過程數(shù)據(jù)用于系統(tǒng)運行分析，掌握實際系統(tǒng)的暫態(tài)過程，積累運行經(jīng)驗，研究現(xiàn)有系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題，改進離線分析計算模型，以保證系統(tǒng)的安全運行，充分發(fā)揮電網(wǎng)的潛力。

3)提供電流電壓波形曲線和動態(tài)數(shù)據(jù)用于繼電保護動作行為分析。通過對電壓和電流波形分析，以及電流和電壓互感器的二次回路、繼電器動作過程，查出事故原因。

4)應(yīng)能監(jiān)視和記錄正常運行時的電氣參量。由于按間隔設(shè)置錄波器，在不過分增加硬件成本的基礎(chǔ)上，可實現(xiàn)該功能，能夠?qū)崿F(xiàn)實時、成組電氣參數(shù)的上傳并能夠在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)功角測量等功能。

綜上所述，分布式故障錄波器除應(yīng)做到在系統(tǒng)發(fā)生大擾動后記錄線路電流、母線電壓、線路功率、母線頻率等的變化過程及繼電保護與安自裝置的動作行為以外，還應(yīng)為調(diào)度人員處理事故提供相關(guān)信息，如故障線路、故障類型、母線到故障點距離等，只有這樣才能真正體現(xiàn)出故障錄波器的價值。本著這個原則，在分布式故障錄波器中加入了故障判別和故障測距等功能，并且在全站的數(shù)據(jù)采集站都啟動故障錄波的情況下優(yōu)先將故障線路對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集站得到的故障信息發(fā)往調(diào)度，這樣也保證了通道的順暢。

2 分布式故障錄波器的系統(tǒng)組成

分布式故障錄波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由一個現(xiàn)場分析站和多個數(shù)據(jù)采集站組成。

數(shù)據(jù)采集站是由采集單元和通信管理單元組成。采集單元完成模擬量、開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集，同時判斷是否啟動錄波，并把采集的實時數(shù)據(jù)(錄波數(shù)據(jù))送給雙口RAM存儲供通信管理單元讀取；通信管理單元從雙口RAM讀取錄波數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上送到現(xiàn)場分析站，并負責現(xiàn)場人機界面、數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置等等功能。

現(xiàn)場分析站采用圖形化操作界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存、分析、計算和顯示，具有檢索和導(dǎo)出錄波文件、在線查看、錄波文件編輯、諧波分析、序分量分析、矢量分析、故障的計算分析等功能。

3 分布式故障錄波器的硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集站分為采集單元和通信管理單元兩部分，如圖2所示。采集單元采用數(shù)字信號處理器(DSP)，充分發(fā)揮DSP在數(shù)字處理方面的優(yōu)勢，通信管理單元采用高集成度的單片機，具有接口豐富的特點，兩者之間通過雙口RAM進行通信。

3.1 采集單元

采集單元的CPU采用TI公司的16位定點數(shù)字信號處理器TMS320F206,采用哈佛結(jié)構(gòu)總線，具有多個并行處理單元，采用了流水線技術(shù)，大大提高了數(shù)據(jù)處理能力，非常適合于實時的數(shù)字信號處理。它具有如下特點[3]：

1)指令周期為50 ns。

2)32K×16的片內(nèi)Flash用來存儲程序；4K×16的片內(nèi)RAM用來存放數(shù)據(jù)。

3)三個外部中斷，片內(nèi)16位定時器，全雙工異步串行口和增強型同步串行口。

除CPU外，采集單元的其他電路有：

1)故障數(shù)據(jù)存儲器。

2M×16的RAM，可存儲8.5 s的故障數(shù)據(jù)；8M×16的Flash，在網(wǎng)絡(luò)堵塞和掉電的情況下保存數(shù)據(jù)，可保存34 s的故障數(shù)據(jù)。

2)模擬量輸入電路。

A/D芯片選用AD公司的AD7865，AD7865為14位4通道高速A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)帶4路采樣保持器，每一路A/D轉(zhuǎn)換只需2.5 μs,完全可以滿足本系統(tǒng)20 kHz的采樣頻率，用三片AD7865就能組成可同時進行12路A/D采樣的模擬量輸入電路。

3)GPS秒脈沖接收電路。

GPS能提供誤差在1 μs以內(nèi)的高精度時鐘信號，用GPS秒脈沖作為基準信號產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)化所需的采樣脈沖信號，就可實現(xiàn)全網(wǎng)故障錄波的同步采樣。

4)開關(guān)量輸入電路。

16路開關(guān)量先經(jīng)光電隔離后經(jīng)總線驅(qū)動進入DSP，開關(guān)量的分辨率不低于1 ms。

5)開關(guān)量輸出電路。

8路開關(guān)量輸出用于顯示狀態(tài)和告警。

6)頻率測量電路。

測量信號經(jīng)過零比較器整形成方波后輸入到DSP。

7)雙口RAM。

采集單元和通信管理單元之間通過雙口RAM實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，芯片采用IDT公司的IDT7025，為8K×16 SRAM，最快存取時間為15 ns，具有可同時對同一地址單元進行讀操作、BUSY輸入/輸出信號、中斷標志、旗語信號等特點。

3.2 通信管理單元

通信管理單元CPU采用Motorola公司的HCS12系列的MC9S12DJ256B，是一款16位單片機。它有豐富的片內(nèi)資源，只需做少量的外擴即可滿足系統(tǒng)的要求。它的片內(nèi)資源主要有高速CPU內(nèi)核，256K Flash，4K EEPROM，12K RAM三種存儲器，2個A/D轉(zhuǎn)化器，2個CAN2.0通道控制器，增強型定時器，2個異步串行通信口和3個同步串行通信口。

由于片內(nèi)存儲器已滿足系統(tǒng)要求，所以外圍只有少量的接口電路：

1)實時鐘：選用Dallas公司的DS12887，它與MC146818和DS1287引腳兼容，有114字節(jié)的用戶RAM，備用電源可供其工作10年。

2)CAN接口電路：CAN收發(fā)器選用Philips公司的PCA82C250，它經(jīng)過光電隔離電路與CPU的CAN輸入、輸出引腳相連。

3)RS232接口電路：實現(xiàn)與Modem連接至少需7根信號線，所以除異步串行口的輸入、輸出引腳和地線外還使用了CPU的4個I/O引腳作為聯(lián)絡(luò)線，再用一片MAX238把TTL電平轉(zhuǎn)化為RS232電平。

4)人機接口電路：人機接口電路包括鍵盤電路和LCD電路。使用總線驅(qū)動器74LS244將一個6鍵的鍵盤接到CPU的I/O口，然后通過查詢方式來確定哪一個鍵按下。將12根I/O引腳與LCD模塊相連，就可實現(xiàn)與LCD的通信和控制。

從上面可以看出，由于有豐富的片內(nèi)資源和I/O引腳，所以無需再加譯碼等控制電路，從而簡化了電路設(shè)計。

4 分布式故障錄波器的軟件總體設(shè)計

數(shù)據(jù)采集站中采集單元的軟件使用DSP匯編語言編制，最大限度地實現(xiàn)代碼的短小、高效。通信管理單元的軟件用C語言編制，代碼的可讀性、通用性好。分布式故障錄波器的軟件可分為：正常時電氣參數(shù)的計算、起動判斷、故障或不正常狀態(tài)的記錄、故障判別、故障測距、數(shù)據(jù)編輯。

4.1 正常時電氣參數(shù)的計算

正常狀態(tài)下需計算的電氣參數(shù)有：電流、電壓、視在功率、有功、無功、相角、頻率。

4.2 起動判斷

故障錄波器支持起動元件起動錄波和手動起動錄波，起動元件可整定。

故障錄波器在系統(tǒng)發(fā)生故障或振蕩時起動并開始錄波，在故障消除或系統(tǒng)振蕩平息后，再經(jīng)預(yù)先整定的時間停止記錄。

起動判據(jù)主要包括突變量起動、電壓越限起動、電流越限起動、開關(guān)量變位起動等。

4.3 故障或不正常狀態(tài)的記錄

故障或不正常狀態(tài)時記錄的電氣量有：三相電壓、三相電流、保護CT的三相電流、零序電壓、零序電流、線路側(cè)電壓。

4.4 故障判別

故障判別主要是判斷是相間短路還是接地短路以及故障相的判別，并且在收到跳閘信號的情況下判斷為本線路發(fā)生故障。

4.5 故障測距

故障測距是通過對故障后記錄的數(shù)據(jù)進行計算來得到母線到故障點的距離，單端故障測距的方法有很多，但是每種方法都有其弱點，所以必須采用多種方法以彌補單個算法的不足之處。

4.6 數(shù)據(jù)編輯

提供波形的顯示、迭加、組合、比較、剪輯、添加標注等分析工具，可選擇性打印，可靈活選擇特定通道的波形復(fù)制于文本文檔中，支持將錄波文件中模擬量數(shù)據(jù)直接導(dǎo)出至表格文檔中。

5 結(jié)語

分布式故障錄波器有著更大的靈活性，既可以按間隔分散安裝，也可以集中組屏，滿足了新建變電站和老變電站改造的不同要求，并可隨變電站規(guī)模的變化進行不同的配置。

[1] 駱 健.國內(nèi)外故障錄波器的比較[J].電力系統(tǒng)自動化設(shè)備，2001，21(7)：27-31.

[2] 王梅義.電網(wǎng)繼電保護應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，1999.

[3] TI公司.TMS320C2X User’s Guide[Z].1990.

[4] Motorola公司.MC9S12DP256B Device User Guide[Z].2001.

On application of new default recorder in power system

Jia Xiaoxing

(YellowRiverWanjiazhaiWaterConservancyGroupCo.,LtdinShanxi,Taiyuan030012,China)

The paper introduces the main functions of the distributing default recorder, indicates its component of the system, explores the design methods for its hardware and software, and points out the distributing default recorder is practical with various allocations according to the changes in the scales of transformer substations.

default recorder, power system, communication management, circuit

1009-6825(2016)31-0147-03

2016-08-24

賈小星(1974- )，女，助理工程師

TU852

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