適用于智能變電站的新型數字化錄波器

摘.. 要: 介紹了數字化錄波器與傳統錄波器在設計中的不同; 介紹了數字化錄波器裝置的功能, 闡述了根據智能變電站的特點(diǎn)和建設需求采用新型數字化錄波器的數字化變電站技術(shù)及規范的特點(diǎn)。

1.. 數字化錄波器與傳統的比較

( 1) 采樣模式

與傳統錄波器相比, 數字化錄波器前端采樣的信號已經(jīng)經(jīng)過(guò)了合并單元的數字化處理, 是基于IEC61850網(wǎng)絡(luò )規約的網(wǎng)絡(luò )報文信息[ 1] , 不需要像傳統錄波器還需要進(jìn)行模數轉換獲取采樣信息。雖然沒(méi)有了模數轉換過(guò)程, 但是數字化錄波器對網(wǎng)絡(luò )芯片的處理能力提出了更高的要求, kM網(wǎng)卡和高性能的前端采樣處理芯片等都陸續應用到數字化錄波器的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)中。除了前端處理芯片, 后臺存儲和處理采樣信息也比傳統錄波裝置提出了更高的要求, 海量的采樣數據需要更大容量的硬盤(pán)存儲器, 采樣數據的實(shí)時(shí)處理需要更高性能的CPU 處理器, 硬件平臺的限制, 是現在數字化錄波器發(fā)展需要突破和解決的主要問(wèn)題。由于采樣方式的不同, 數字化錄波器在接線(xiàn)方式上比傳統錄波器更加簡(jiǎn)單, 只需要光纖信號直接引入, 節省了大量的模擬數據線(xiàn)路的接入。

( 2) 數據處理

數字化錄波器不僅要處理采樣信息, 還要處理網(wǎng)絡(luò )中海量的網(wǎng)絡(luò )報文信息[ 1] 。智能變電站中的故障分析對網(wǎng)絡(luò )信息的儲存和分析提出了更高的要求, 為此, 數字化錄波器就要完整地記錄網(wǎng)絡(luò )運行的所有信息, 并提供更加方便可快捷的分析手段, 從而快速地從海量的網(wǎng)絡(luò )數據中提取出異常的報文信息, 幫助分析者更快的定位故障發(fā)生的原因, 使故障得到更快的解決。

針對不同的網(wǎng)絡(luò )報文, 數字化故障錄波器要分別用不同的方法進(jìn)行分析, 不像傳統錄波器只有模擬量和簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量信息, C omtrade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據(如: 枚舉量、1588時(shí)鐘報文等) , 因此數字化錄波器要有一種獨立的數據記錄格式來(lái)滿(mǎn)足數字化變電站發(fā)展的要求, 記錄更加完整和有效的數據信息。

( 3) 定值整定數字化錄波器采樣數據的豐富和發(fā)展, 也必然對其定值整定帶來(lái)一定的變化。除了傳統錄波器的定值啟動(dòng)項外, 應該根據不同的報文信息, 增加網(wǎng)絡(luò )報文告警信息錄波啟動(dòng)定值的配置, 更改定值文件的配置來(lái)滿(mǎn)足不同的數字化變電站對不同的網(wǎng)絡(luò )報文采集和分析要求。具體增加項目可能需要有統一的標準, 需要具體的商討制定。

( 4) 應用范圍數字化錄波器在數字化變電站前期試驗階段的作用也更加重要。傳統錄波器采集的信號比較簡(jiǎn)單, 基本僅根據保護本身的錄波信息就可以判斷故障, 但數字化變電站保護錄波的功能有限, 只能錄到跳閘左右很少的數據, 無(wú)法完整準確的判斷網(wǎng)絡(luò )中其他信息是否正確, 給故障的分析帶來(lái)相當大的困難。數字化錄波器就可以完整的記錄網(wǎng)絡(luò )報文信息, 為故障分析提供更加豐富可靠的錄波數據, 使數字化變電站的前期調試更加簡(jiǎn)單,故障的分析更加的快捷和有效。

因此, 傳統錄波器已經(jīng)無(wú)法適應智能變電站的應用環(huán)境, 新的適用于智能變電站的新型數字化錄波器應運而生。

圖1.. 報文分析的實(shí)時(shí)監測軟件

2.. 數字化錄波器的功能

( 1) 報文記錄

數字化錄波器報文記錄的功能, 由于采樣信號的實(shí)時(shí)性, 只有完整的記錄所有的報文信息, 才能為后續的分析提供可靠的數據, 所以要求采樣報文能夠有更精確的時(shí)間記錄, 盡量能夠做到1ns甚至200 ns。處理采樣的實(shí)時(shí)性使采樣數據報文也是海量的, 以9..2報文為例, 1個(gè)合并單元, 采用4 000H z的采樣頻率, 1 s的數據可以達到0. 5M以上, 要記錄7 d以上的數據, 就需要幾Tb甚至幾十Tb的硬盤(pán)。

( 2) 報文的分析

數字化變電站有IEC61850..MMS、IEC61850..9..1、IEC61850..9..2、60044..8、GOOSE、TCP / IP 等多種網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議, 要從海量的報文中得到有用的數據就需要對報文進(jìn)行針對性的分析。結合變電站的SCD文件把報文信息對應到具體的設備的具體信息, 使報文更加具體分析更加簡(jiǎn)單; 另外,可以根據數字化變電站的規范, 制定具體的報文異常報警信息, 提取出報文中的異常信息, 實(shí)現真正的智能自動(dòng)的分析報文信息。

( 3) 采樣值和動(dòng)作信號的分析

為了更加方便地分析故障波形, 數字化錄波器需要提取出采樣和動(dòng)作信號, 轉化為com trade波形文件。根據數字化采樣值信號的特點(diǎn), 波形存儲和顯示時(shí)需要根據具體采樣點(diǎn)序號對應顯示或按時(shí)間順序顯示。除了傳統的錄波器定值啟動(dòng)外, 數字化錄波器還增加了報文異常啟動(dòng), 可以為故障的分析和處理提供更多的數據信息。

3.. 數字化錄波器的軟硬件設計特點(diǎn)

( 1) 硬件特點(diǎn)

1) 為了保證采樣信息處理的速度和實(shí)時(shí)性要求, 采用FPGA 結合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統Vx..w orks, FPGA 芯片并行的處理能力, 可以把報文時(shí)標的進(jìn)度精確到1 ..s以?xún)? 甚至到200 ns以?xún)?。嵌入式的操作系統可以保證數據的高速讀寫(xiě), 滿(mǎn)足海量報文的實(shí)時(shí)分析和保存。

2) 內網(wǎng)采用kM 設計, 可快速接收前置FP..GA 的報文采集, 采用kM PHY 直接處理IEC1588, 誤差可 80 ns。

3) 每個(gè)采集單元配有.. 160 G 的硬盤(pán)存儲數據, 集中管理單元配有320 G 硬盤(pán), 支持網(wǎng)絡(luò )存儲器以及本公司設計的磁盤(pán)箱, 可根據接入量以及用戶(hù)對數據要求的保存期限選配。分布式的存儲設計, 使數據更加安全。

( 2) 軟件特點(diǎn)

軟件設計方面除了兼容傳統錄波器的要求外, 還增加了報文分析的實(shí)時(shí)監測軟件, 見(jiàn)圖1。

報文分析的實(shí)時(shí)監測軟件增加了報文事件的實(shí)時(shí)告警、報文信號實(shí)時(shí)監測信息狀態(tài), 并可分析和查詢(xún)歷史報文信息。

分析和處理報文信息采用了插件式的設計原理, 便于報文信息的擴展和分析。不同的報文類(lèi)型采用不同的插件處理, 每個(gè)插件可以采用不同的分析手段, 根據報文的不同特點(diǎn)進(jìn)行針對性的設計, 便于軟件的擴展, 更能夠適應智能變電站不斷發(fā)展的需要。

4.. 結論

傳統錄波器已經(jīng)不能適應智能化變電站的應用環(huán)境。新型的數字化錄波裝置, 采用更加先進(jìn)的硬件平臺, 結合傳統的分析處理軟件并根據數字化變電站的需求, 綜合分析網(wǎng)絡(luò )上各種報文信息, 基本能夠適用智能化數字變電站現在發(fā)展建設的需求。

參考文獻:

[ 1] 凌.. 平, 沈.. 冰, 周.. 健. 全數字化變電站系統的檢測手段研究[ J] . 華東電力, 2009, 37( 6 ): 952..955.

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