新型數字化變電站長錄波系統設計

摘 要:現有的錄波分析軟件多為C/S架構，兼容性較差，客戶端軟件升級與服務器維護易給用戶帶來使用不便。隨著網絡發展，電力系統運行管理趨于網絡化，本系統采用B/S架構，順應了這一趨勢。本系統服務器可通過TCP/IP協議同時接收協議轉換器轉發的常規存儲卡、基于IEC61850-9-1標準的采樣值和遵循IEC61850-8-1 標準的面向通用對象的數字化變電站事件(GOOSE)等三種數據報文，排除硬件上的差異，從而實現錄波數據的快速采集、高效啟動判斷、綜合分析處理與保存，通過Web發布以供用戶遠程瀏覽信息及波形，下載文件，很好地滿足了數字化變電站對錄波系統的新要求。關鍵詞:B/S架構; IEC61850; GOOSE; TCP/IP協議; 啟動判斷; COMTRADE格式

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)18-0192-05

System Of Newly-designed Persistent Wave Recording in Digital Substation

CHANG Xia-qin， ZHOU Yu， WANG Zi-qiang， DU Si-dan

(Department of Electronic Science and Engineering， Nanjing University， Nanjing 210093， China)

Abstract: The existing wave-recording analysis software is mostly implemented with C/S architecture， whose compatibility is poor， and client software upgrade or server maintenance is not convenient for users. As the network development， power system management tends to be networked. This system is based on B/S architecture，conforming to the trend. The innovation of this system is that server can receive three kinds of data message based on general storaging card， sample value according to standards of IEC61850-9-1 and object-oriented substation affairs (GOOSE)following standards of IEC61850-8-1 which the protocol transforming equipment transmits by the protocol of TCP/IP. It eliminates the difference of hardware， thereby implements quick acquisition， efficient start-up judgment， comprehensive processing and storage of the wave recording data， providing the customer with browsing information and wave shape over Internet， downloading files by the Telnet protocol.Keywords: B/S architecture; IEC61850; GOOSE; TCP/IP protocol; start-up judgment; COMTRADE format

0 引 言

變電站、電廠的運行狀態監視和故障定位分析關系到整個變電站、電廠的安全可靠運行及維護，而故障錄波器是電網安全可靠運行及維護的重要部分，是研究現代電網的基礎[1-3]。其主要任務是記錄系統大擾動如短路故障、系統振蕩、頻率崩潰、電壓崩潰等發生大擾動后引起的系統電壓、電流及其導出量如系統有功率、無功功率及系統頻率等電氣量的變化全過程[4]，對于工作人員正確分析設備故障性質和原因，研究反事故對策，及時處理事故，評價繼電保護動作行為和自動裝置動作的正確性提供了可靠的依據，根據故障錄波數據可以對系統的運行電量進行變化規律分析、諧波分析、故障定位、事故再現等。

目前大部分錄波器都只能進行在故障時刻進行暫態錄波數據的記錄和以有效值方式進行的常態記錄。南網、東北、浙江提出了以高速率的瞬時值方式進行的常態記錄為主，并能在故障時刻進行高速率采樣記錄暫態數據的系統，但還未見有能同時接入基于IEC61850規約和常規模擬接入量的類似產品出現，因此嚴格按照電力部頒布的標準DL/T663-1999《220~500 kV電力系統故障動態記錄技術準則》的有關規定和繼電保護及其他電力自動化裝置的要求設計了此長錄波系統，在服務器端排除硬件上的差異，靈活方便處理前方接入量的不同，實現高速10 kHz錄波和低速1 kHz安全循環記錄，性能表現良好，具有相當高的工程應用價值。

1 系統總體結構

系統聯網方案如圖1所示。協議轉換器采用PowerPC硬件平臺和VxWorks嵌入式系統，主要用于接受常規存儲卡、IEC61850-9-1模擬量、GOOSE開關量等3種數據報文，根據同步采樣合并策略，實現模擬采樣值數據和開關量數據的同步，按自定義的協議重新組合遵循TCP/IP協議發送至給服務器，同時負責掉電、故障、錄波告警，上傳發送通信與硬件工作狀態。錄波系統總體結構如圖2所示。服務器是整個系統的核心部分，是各個單元信息交換的樞紐，基于Core 2雙核E4300 1.8 GHz硬件平臺，采用Linux圖形系統，可同時連接多個協議轉換器，處理多客戶連接請求，性能表現強勁。參數配置模塊可配置常規及數字化變電站信息并存放至MYSQL數據庫。故障錄波啟動判別記錄模塊讀取數據庫參數配置信息，分析下級協議轉換器發送的各類型數據和事件以及本地產生的信息和事件，將其存入數據庫，創建穩態錄波文件和COMTRADE格式故障文件，故障文件送交綜合分析模塊進行故障選線、故障測距、諧波分析、裝置動作評判、故障診斷，形成豐富的故障報告插入數據庫。Web Server模塊提供可視化Web發布， 以滿足各種查詢和瀏覽及打印的需要。

圖1 系統聯網方案圖

圖2 系統總體結構

2 系統軟件設計

2.1 錄波啟動方式

根據不同的故障特征，暫態故障錄波采用不同的4種啟動方式。

(1) 模擬量突變啟動。主要通過計算以周期性為依托的模擬量是否發生突變[5]，一般是由短路這類突發性故障引起。下面給出交流電壓和直流電壓突變的算法，電流類似。

交流突變算法:

Δu=‖u(k)-u(k-N)|-|u(k-N)-

u(k-2N)‖(1)

直流突變算法:

ΔU=|∑k=96k=0U(k)-∑k=192k=96U(k)|(2)

N為一周波的采樣點數，u(k)為k時刻瞬時采樣值，正常運行時u(k)，u(k-N)，u(k-2N)的值相等，所以Δu=0，錄波器不會啟動。即使頻率偏離50 Hz，但由于采樣是按等時間間隔進行的，頻率變化時，u(k)和u(k-N)兩采樣值將不是相差一個周期的采樣值，于是就會出現差值，u(k-N)和u(k-2N)也會出現差值，且兩差值接近相等，所以Δu仍為零或很小到可以忽略。當系統發生故障時，u(k)將增大，u(k)-u(k-N)反映出由于故障產生的突變量，由于u(k-N)-u(k-2N)仍近似為零，從而Δu反映了故障電壓的突變量[6]，為了減少誤判，對連續4點的采樣突變量是否都超過閾值來判斷是否真的出現了誤差。

(2) 模擬量越限啟動。電壓、電流越上下限，通過計算交流傅氏基波有效值或者直流平均值來與給定的閾值做比較。傅氏算法如下:



實部:URn=2N∑Nk=0u(k)cosnk2πN(3)

虛部:UIn=2N∑Nk=0u(k)sinnk2πN(4)

有效值: Un=URn×URn+UIn×UIn2(5)



式中:N為一周波的采樣點數，n為諧波次數;u(k)為k時刻瞬時采樣值。頻率與變化率越限采用軟件測頻，算法如下:

u(k)=Umsin(ωt+θ)(6)

u(k-24)=Umsin(ωt-24ωt+θ)(7)

u(k-48)=Umsin(ωt-48ωt+θ)(8)

f=16πTarccosu(k)+u(k-24)2u(k-24)(9)

式中:u(k)為k時刻采樣值;T為采樣周期;f為待測波形頻率。

(3) 開關量啟動。任何一路開關量均可單獨整定作為啟動量，可選擇為打開啟動、閉合啟動、變位啟動。假定開關量在第k點變化，則會檢測到第k點的開關量狀態S(k)前一點的狀態S(k-1)不同，記下此時的時間但并不啟動，檢測S(k-12)至S(k-2)是否都與S(k-1)點狀態相同，如果相同則繼續檢測第S(k+1)至S(k+11)點的開關量狀態，如果都與S(k)相同，說明開關量確實是發生了變位，應立即啟動故障錄波。否則說明只是局部抖動，應不予理會。

(4) 本地手動啟動、遠方通信啟動。即便此時沒有故障，也要立刻啟動故障錄波，只是啟動類型為空。

2.2 數據記錄格式

(1) 穩態錄波數據記錄。采樣率為1 kHz，開始采用分通道文件存儲機制，但由于同時操作的文件流過多，改為依次循環寫入單個通道的數據，仍然不理想，消耗過多的系統資源，于是改進為以子站為單位類COMTRADE數據文件方式存入所有通道數據至一個文件，存儲時間為10 min，改進后存儲效率得到很大提高。

(2) 暫態錄波數據記錄。為使暫態錄波文件簡單化，本系統直接使用2段變速數據:最高采樣速率(AB段)和長錄波記錄速率(C段)。其中A段為故障前100 ms數據，采樣率為10 kHz，共100 ms。B段采樣率為10 kHz，C段采樣率為1 kHz，B，C段紀錄長度可任意設定。在啟動過程中繼續判別是否有新的啟動，若無新啟動，則根據配置的記錄時間按照A(B(C記錄，生成COMTRADE文件，同時記錄過限啟動時間、啟動所屬通道或設備、啟動類型、通道名等形成事件標識插入數據庫。當記錄位于B，C時段時，若有新啟動，則重新按B，C進行記錄，當所有故障啟動條件均不滿足或記錄時間到，則自動停止記錄。暫態數據記錄流程如圖3所示，可以看成是一個狀態機，包括正常錄波、啟動錄波、持續錄波、新啟動、錄波結束等五種狀態。

2.3 服務器軟件設計

錄波系統的主程序流程如圖4所示。由于服務器在同一時刻可能接收多個協議轉換器轉發的數據而并發通信，采用Linux提供的多線程通信[7]。網絡通信根據所采用的協議分為面向連接和面向非連接2種[8]，本系統采用的TCP/IP協議是面向連接的通信。主線程主要用來提供Web發布，系統使用了select函數以避免了對每個客戶套接字創建一個線程去處理其請求，不但節省了線程啟停以及線程上下文切換引起的額外開銷和內存，而且避免了頻繁的加鎖同步，提高了效率。它本質上是遍歷檢查一組套接字集以確定這些套接字中是否有任何一個套接字有活動[9]。如果監聽套接字可讀，表示有新客戶連接流入，創建相應的套接字并加入到套接字集中，處理該客戶請求，如果既不可讀也不可寫則關閉該客戶連接，刪除對應的套接字。允許同時連接的最大客戶數默認為FDSETSIZE宏(1 024)，過多的用戶會使服務器的負載變大，影響數據接收與存儲。

對每個子站創建一個線程專門用來處理數據接收、啟動判斷和文件存儲。這里同樣巧妙地運用了select函數，開始設置select超時為0，即非阻塞，然后不停地循環調用select函數，發現套接字可讀，立刻讀取數據包并緩存到隊列。如果套接字不可讀，則對采樣值數據進行實時計算，計算線路的電壓、電流、頻率等，根據啟動定值進行判別，當滿足故障錄波啟動條件時，進行故障前和故障后分時段變速錄波，生成的COMTRADE錄波文件送交故障分析線程依據配置的測距參數進行測距分析，形成的故障信息追加至故障報告中。對出列的數據按照1 kHz采樣存儲到穩態文件中，當發現隊列沒有數據可處理時，設置超時為20 s，在超時內如果套接字仍然不可讀，則認為發生網絡故障，關閉套接字并重新創建，然后反復嘗試重連。這里優先考慮了數據接受，因為Linux上的socket接受緩存區默認為87 380 B，即使改到最大的262 142 B，可緩存的數據包仍然有限，如果系統負載變大，必定導致處理變慢造成丟包，所以考慮用標準STL模板庫里的可自增長容器deque來存放數據指針，有效地解決了數據緩存的問題，充分利用了內存。

圖3 暫態數據記錄流程

圖4 主程序流程圖

MYSQL是Linux里使用的最多的關系型數據庫，它可以支持一個真正的多用戶、多線程SQL數據庫服務器，能處理與任何不昂貴硬件平臺上提供數據庫的廠家在一個數量級上的大型數據庫，但速度更快[10]。MYSQL是管理子站各類配置信息與錄波信息的核心，系統設計考慮了常規、數字化變電站兩者的有效兼容，滿足數據庫規范化最基本三范式[11]的約束要求，有效地解決了數據冗余和維護操作的異常問題。子站、設備(線路)、通道層層分級，相互關聯，體現了一對多的關系，保證其惟一性，當給出查詢條件時可以快速定位查詢相關信息。經測試，無論有多少條表記錄，不影響插入新記錄的速度，對查詢來說，十多萬條記錄左右表的查詢速度最快，繼續增加，速度明顯下降，因此定期刪除數據庫里過期的錄波信息記錄，保證信息檢索的效率。

2.4 Web發布

服務器具備Web發布功能。根據時間、通道或者設備(線路)等查詢條件可方便地檢索出穩態錄波文件;根據時間、啟動類型、故障類型、是否跳閘等查詢條件可以快速篩選出故障錄波文件。Web客戶可以請求實時數據即當前的常態錄波數據顯示，顯示內容包括波形、有效值、相位、正序量、負序量、諧波值(45次)等。錄波文件、故障信息、實時數據均通過SOCKET由服務器傳送至本地。

2.4.1 故障信息簡報

故障信息包括子站名，故障時間、故障設備、故障類型、擾動設備列表、擾動類型列表、變位開關量列表、跳閘開關量列表、故障距離、故障相別、是否真正故障、故障線路、故障線路號、相關電壓設備、相關電壓設備號、跳閘相別、保護動作時間、斷路器跳閘時間、斷路器重合閘時間、再次故障相別、保護再次動作時間、再次跳閘相別、再次跳閘時間、故障前一周波電流/電壓有效值、故障后一周波電流/電壓有效值、再次故障前一周波電流/電壓有效值、再次故障后一周波電流/電壓有效值等一系列豐富的內容，存放在 COMTRADE頭文件中。圖5為線路1#電流A相接地，發生突變啟動的實際波形效果，這里故障設備為1#電流，故障類型為突變啟動，故障相別為AG(A相接地)，故障前一周波電流/電壓有效值為Ia=1.810 A，Ib=0.489 A，Ic=0.492 A，I0=1.588 A，Ua=57.268 V，Ub=57.779 V，Uc=57.788 V，U0=0.032 V，故障后一周波電流/電壓有效值為Ia=5.305 A，Ib=0.488 A，Ic=0.495 A，I0=4.832 A，Ua=7.952 V，Ub=57.789 V，Uc=57.785 V，U0=0.032 V，其他項就不一一列舉了。程序測得故障距離為30.024 km，比較接近實際距離31 km。

2.4.2 波形分析

圖5的波形圖中橫軸為時間，單位為ms，有紅黃藍3條光標，紅光標代表啟動時刻，即零時刻，利用黃藍光標可方便地獲取時間差;縱軸最左邊表示通道名稱，無效的模擬通道取名為None，右邊表示該通道電壓或電流的瞬時值大小，開關量值為0或1。波形分析包括:有效值、諧波、序分量、頻率、有功功率、無功功率、阻抗、功角等。

圖5 突變故障波形顯示

圖6是對上面的波形進行分析得出的一些量值，其中圖6(a)為所有選擇顯示通道的有效值，圖6(b)為1#電壓線路A相也就是通道0的諧波分析結果，圖6(c)顯示了1#電壓線路A，B，C三相正序、負序和零序電壓值，有功、無功功率，系統頻率值，圖6(d)為1#電壓阻抗軌跡圖。

圖6 波形分析結果

3 結 語

該長錄波系統與國家電網南京自動化股份有限公司合作研發，主要有以下特點:設備之間全部采用高速網絡通信，實現高速電力連續數據記錄，數據庫管理、檢索與發布信息，通過網絡實現數據、資源的共享;完善的故障判別、事件識別記錄、故障分析、遠傳及測距功能;數據冗余技術，采用SATA硬盤設計，數據冗余備份，低速記錄數據保留30天，高速記錄數據保留2年以上，使數據的可靠性得到很大提高。本系統核心的創新點在于既可接入常規模擬量、數字量，也可基于IEC61850數字化接入、GOOSE接入，再配合已有的集中式常規接入、集中式數字接入、分布式常規接入、便攜式接入，形成系列錄波全解決方案。

該長錄波系統自投入試運行以來，在贏得用戶廣泛好評的同時，其優異的性能和較高的性價比也引起了市場的高度關注，推廣前景十分良好。嵌入式長錄波系統裝置完全能滿足現在變電站、電廠等安全可靠運行的要求，從今后幾年的應用來看，基本不存在技術問題。但是功能上仍有一些增強提高的空間，如更豐富的功能分析軟件以及文件處理系統，更強大的可編程工具和能力，更方便快捷的檢索方法，更方便快捷的程序固化方法等，可以開拓的空間是無可估量的，值得投入更多的人力與財力去研究。

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