一種綜自變電站故障錄波器技術改造方法研究

李澤霖，賴天德，王世祥

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，社會對供電可靠性的要求越來越高。高可靠性的要求對事故（事件）快速研判分析和處理有了更高的要求。在事故（事件）處理過程中，故障信息是分析電力事故最重要的基礎，其通常由故障電流、故障電壓、故障相別、持續(xù)時間以及保護元件和斷路器的動作狀態(tài)與時間等信息組成。故障錄波裝置根據(jù)采集的故障信息進行準確快速的判斷，從而實現(xiàn)故障設備的快速復電。

目前，許多故障錄波裝置的開關量通道已滿，無法接入更多的開關量（如保護動作接點等），而且還存在多間隔發(fā)生短路故障時，故障錄波裝置無法同時記錄所有間隔故障波形的情況[1]。

1 故障錄波裝置

根據(jù)《南方電網(wǎng)故障錄波及行波測距裝置技術規(guī)范》和《南方電網(wǎng)繼電保護通用技術規(guī)范》對故障錄波裝置規(guī)定了南方電網(wǎng)公司范圍內(nèi)110 kV及以上常規(guī)廠站故障錄波裝置的技術標準和要求[2,3]。例如，220 kV主變故障錄波的模擬量需包含直流電壓、各側(cè)母線電壓UA、UB、UC、3U0（每段母線）以及各側(cè)電流IA、IB、IC、3I0（高、中壓側(cè)中性點零序電流3I0），開關量需包含高壓側(cè)斷路器每相分位、合位以及保護動作信號等。

2 故障錄波裝置運行問題

2.1 保護提供接點不足

由于南瑞繼保RCS系列的110 kV線路保護裝置僅提供TWJ、HWJ等反應開關位置的接點，故障錄波器無法實現(xiàn)保護動作、重合閘動作以及斷路器操作箱手跳動作等開關量的記錄功能，因此110 kV線路故障錄波裝置無法滿足技術規(guī)范要求。

南瑞繼保RCS系列、南電研NSA系列以及長園深瑞ISA系列的主變保護裝置僅提供了數(shù)量有限的保護跳閘信號接點，而此接點一般優(yōu)先用于測控裝置和安自裝置等，因此故障錄波裝置缺少主變保護裝置保護跳閘信號接點這一開關量，使得主變發(fā)生故障時的故障錄波信息不完全。

南瑞繼保RCS系列、北京四方CSC系列以及國電南自PSL系列的220 kV線路保護僅提供數(shù)量有限的TJR、TJF永跳接點，而且由于TJR用于母線保護失靈開入，TJF不引出用于現(xiàn)場，使得220 kV線路保護的永跳接點無法用于接入220 kV故障錄波裝置的開關量中，造成220 kV故障錄波裝置開關量的缺失。

南瑞繼保RCS系列和長園深瑞B(yǎng)P系列母線保護裝置僅提供母差保護動作接點，像需要接入公用故障錄波裝置的失靈動作、IM母差動作以及IIM母差動作接點未能提供，因此造成公用故障錄波裝置對母線保護動作分析不完善。

綜上所述，對于保護裝置提供接點不足的實例可以看出，故障錄波裝置因開關量的缺失不能按照相關規(guī)范完善回路，對發(fā)生故障后的結(jié)論造成錯誤的導向。

2.2 故障錄波無多重暫態(tài)錄波功能

對變電站內(nèi)主流廠家如雙合、山東山大以及中元華電等故障錄波裝置在設計上未考慮多重啟動錄波時的情況，當突變量啟動錄波結(jié)束后，故障錄波裝置會延時一定的時間后返回。在故障錄波裝置未復歸前會處于暫態(tài)閉鎖狀態(tài)，此時其他間隔突變量啟動錄波時會被故障錄波裝置自動屏蔽，導致其他間隔數(shù)據(jù)丟失，或者當系統(tǒng)故障情況較為復雜時，故障錄波裝置正常錄波后閉鎖時間未結(jié)束，本間隔或其他間隔再發(fā)生新故障時，故障錄波裝置無法對新故障進行錄波，從而導致系統(tǒng)發(fā)生多重故障時，故障錄波裝置錄波缺失。

根據(jù)故障錄波裝置內(nèi)部定值整定，將錄波啟動復歸時間整定為1 s時（0 s為不復歸），故障錄波裝置錄波后1 s后自動復歸。如果系統(tǒng)出現(xiàn)單純性長期低電壓，故障錄波裝置啟動并記錄，啟動量消失后錄波結(jié)束進入錄波啟動復歸時間，此時系統(tǒng)出現(xiàn)新故障，故障錄波裝置此時處于閉鎖狀態(tài)，新故障將缺失1 s內(nèi)的故障錄波情況。綜上所述，當系統(tǒng)出現(xiàn)頻繁波動和復雜故障時，故障錄波裝置將缺少對暫態(tài)故障錄波的特殊處理方法。

2.3 故障錄波裝置輔助計算分析不到位

當故障發(fā)生時，故障錄波裝置通過數(shù)字量或者模擬量突變啟動，故障錄波裝置呈現(xiàn)的報告中缺少對故障關鍵信息的描述。故障錄波報告中僅有隨時間變化的正弦波形電氣量以及0和1變位的開關量顯示，缺少最大短路電流和最小母線電壓等關鍵數(shù)據(jù)，同時也沒有顯示結(jié)論。故障錄波報告中模擬量的大小和變化需要用輔助工具進行測量讀取，不同的運維人員在測量時采用方法和工具也不同，導致讀取的數(shù)值存在主觀性誤差，使得運維人員對故障的類型判斷存在偏差。綜上所述，雖然在故障錄波裝置中接入各個間隔的模擬量和開關量，但是從故障錄波報告中卻不能得到準確的故障結(jié)論。

3 故障錄波問題優(yōu)化方法

針對保護裝置提供接點不足的問題，運維人員在現(xiàn)場改造故障錄波裝置時會放棄一些開關量，待保護裝置升級或更換后，等保護裝置提供接點完善后再進行故障錄波開關量接入。當發(fā)生故障需要故障錄波裝置提供數(shù)據(jù)時，運維人員無法在故障錄波裝置中得到數(shù)據(jù)。針對此種情況，替換故障錄波裝置無法獲取的接點，或者采用裝置之間的通信直接進行獲取。此外，故障錄波裝置對于關鍵信息的獲取可以進行信息交換，這樣不僅可以達到部分雙重化的形式，而且大大提高了故障錄波裝置的實用性[4]。

3.1 廣播采集

為了實現(xiàn)故障錄波裝置輔助判斷的功能，在故障錄波裝置內(nèi)建立一種廣播式讀取裝置接點的模型，包括故障錄波裝置和數(shù)據(jù)采集通信模塊。通過數(shù)據(jù)采集通信模塊分別與各線路保護中含有動作接點的保護裝置進行網(wǎng)絡通信，根據(jù)數(shù)據(jù)采集通信模塊所采集到各保護裝置中各動作接點的相關動作信息進行特性判斷，以啟動對故障的錄波。

故障錄波裝置采用廣播方式進行錄波數(shù)據(jù)的收集，可以通過數(shù)據(jù)采集通信模塊直接對接點進行讀取，而且故障錄波裝置可以對保護裝置的關鍵信息進行收集，保護動作接點不足的問題也可以根據(jù)故障錄波裝置所需接點的相關特點進行輔助判斷[5]。數(shù)據(jù)采集通信模塊通過廣播方式采集各保護裝置中各動作接點的相關動作信息，廣播式讀取裝置接點原理示意如圖1所示。

圖1 廣播式讀取裝置接點示意圖

故障錄波裝置還可以與其他接入間隔裝置（如直流裝置、備自投裝置及穩(wěn)控裝置等）進行網(wǎng)絡通信，通過對相關信息的整理和判斷，實現(xiàn)更強的故障錄波功能，也能彌補接點無法接入的空缺。故障錄波裝置與其他間隔信息交互原理示意如圖2所示。

圖2 錄波裝置與其他間隔信息交互示意圖

3.2 臨時存儲功能

故障錄波裝置在啟動錄波時無多重暫態(tài)錄波功能，經(jīng)常導致故障錄波缺失的情況發(fā)生，對此故障錄波裝置新增臨時儲存功能擴展，對故障錄波裝置在啟動后其他滿足錄波條件的數(shù)據(jù)進行多重暫態(tài)量儲存，并通過故障錄波裝置內(nèi)部DPS管理模塊分析數(shù)據(jù)性質(zhì)，儲存得到的有效數(shù)據(jù)。此外，臨時儲存故障發(fā)生時其他有效數(shù)據(jù)，并根據(jù)故障時的記憶管理模塊對數(shù)據(jù)進行補充，實現(xiàn)故障錄波數(shù)據(jù)的完整性[6]。故障錄波裝置臨時存儲的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 故障錄波裝置臨時存儲的結(jié)構(gòu)原理

3.3 輔助計算

在獲取故障錄波報告后，現(xiàn)場運維人員對報告進行分析時需要結(jié)合保護裝置動作信息和后臺SOE進行綜合判斷。由于故障錄波裝置不具備輔助計算功能，故障錄波報告中缺少最大短路電流和母線電壓計算數(shù)據(jù)。對此，在故障錄波裝置通信模塊的基礎上，增加輔助計算程序。輔助計算程序會對收集的其他間隔信息進行整理和計算，從而得到更加詳細的間隔動作情況[7]。

4 實現(xiàn)途徑

根據(jù)本文提出的改造方法，在故障錄波裝置增加的功能和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)上，獲取其他接入間隔的相關信息，故障錄波裝置基于變電站內(nèi)網(wǎng)絡通信模式進行信息獲取，并通過站內(nèi)交換機的數(shù)據(jù)進行收集，將獲取的信息轉(zhuǎn)化為軟報文，并對軟報文進行解讀。具體實現(xiàn)途徑主要通過站內(nèi)站控層（A、B網(wǎng)）為數(shù)據(jù)來源，以站內(nèi)交換機作為信息獲取載體，并在故障錄波裝置內(nèi)建立相關解讀軟件程序進行解碼，轉(zhuǎn)換為軟報文來代替接點動作信息以及接點的補充信息[8]。

建立如圖4所示的站內(nèi)網(wǎng)絡拓撲，并根據(jù)站內(nèi)實際情況進行模型搭建。本文提出的改造方法通過站控層（A、B網(wǎng)）進行數(shù)據(jù)和信息采集，通過專用C網(wǎng)作為故障錄波裝置本身的信號通信，各網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分工明確，實現(xiàn)各自功能。對于老舊變電站，可能站控層搭載并不規(guī)范，依然采用串口通信，但是本文提出的改造方法中故障錄波裝置可以接入串口通信進行數(shù)據(jù)和信息采集。

圖4 故障錄波裝置站內(nèi)網(wǎng)絡拓撲原理圖

根據(jù)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，本文提出的改造方法中新增輔助計算程序。輔助計算程序采用廣播形式對組網(wǎng)中的有用信息進行提取，根據(jù)變電站內(nèi)通信規(guī)約的特點進行輔助計算分析，IEC61850通信規(guī)約有固定幀長報文和可變幀長報文兩種報文格式。固定幀長報文主要用于傳送召喚、命令、確認以及應答等信息，可變幀長報文用于傳送命令和數(shù)據(jù)等信息。以報文內(nèi)信息元的標識符作為研究的重點，程序?qū)⒉捎肳ireshark抓包分析工具對報文進行解讀及自動分析。所述輔助計算程序用于通過報文解析指令對所有故障錄波數(shù)據(jù)進行解讀，并進一步自動分析來實現(xiàn)故障真實還原[9]。

通過本文提出的改造方法中站內(nèi)通信組網(wǎng)的建立，可以對保護裝置及其他裝置的報文進行解析，不僅是對無法接入接點的補充，而且對故障信息的讀取更加方便[10]。

5 結(jié) 論

近些年，故障錄波裝置的重要性越來越高，對于分析復雜和特殊保護動作情況的作用越來越大，因此對其要求也顯著提高。相對于傳統(tǒng)故障錄波器，本文提出的改造方法還設有數(shù)據(jù)采集通信模塊分別與各線路保護中含有動作接點的保護裝置進行網(wǎng)絡通信，能根據(jù)各保護裝置中各動作接點的相關動作信息進行特性判斷，以實現(xiàn)對故障判斷可靠開啟錄波，從而能滿足不同線路保護的錄波接入，避免漏錄波。另外，本文提出的改造方法還設有記憶存儲器，儲存當前錄波過程中判斷出來滿足預定錄波條件的其他數(shù)據(jù)，并在當前錄波完成后對所存儲的數(shù)據(jù)進行提取并補充錄波，實現(xiàn)所有錄波數(shù)據(jù)完整，從而能確保所有錄波數(shù)據(jù)完整。不僅如此，本文提出的改造方法還設有輔助計算模塊，通過報文解析指令可以解讀所有錄波數(shù)據(jù)并進行自動分析，從而實現(xiàn)故障的真實還原。