一種基于35kV變電站故障錄波數據分析系統的研究與實現

邱艷，王鵬飛，孫云

摘要：35kV變電站是電網系統的重要組成部分，擔負著為區域供電的重大職責。建設基于35kV變電站的故障錄波數據分析系統，可以對變電站故障發生的全過程進行記錄、監測和分析，從而提升變電站的故障分析和診斷能力，為電網安全可靠運行打下堅實基礎。本文詳細介紹了某電力企業35kV變電站故障錄波數據分析系統的研究及實現情況，以期為其他電力企業的類似研究提供參考。

關鍵詞：35kV變電站;錄波數據;數據采集記錄單元;數據管理單元

中圖分類號：TP311? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）21-0156-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

電力系統[1-2]故障錄波裝置是自動記錄電力系統事故和振蕩的發生、演變以及恢復正常運行全過程的重要設備。它對保證電力系統安全運行及提高電能質量起著非常重要的作用，已經成為電力系統自動化控制與管理系統的重要組成部分。

35kV變電站是電網系統的重要組成部分，擔負著為區域供電的重大職責。35kV變電站在運行過程中，易受到人為、環境、用戶負荷等因素的影響，經常發生各類故障。目前，我國電網的110kV及以上電壓等級的變電站，均強制要求配置故障錄波裝置，并以故障錄波裝置和繼電保護裝置為節點，構建了完善的故障信息系統，故障分析和處理能力大幅提升。而絕大部分35kV變電站沒有配置故障錄波裝置，較常用的方法是采用多臺錄波便攜錄波裝置協同工作，對可能發生故障的線路進行監視和記錄，但存在以下問題：

⑴數據不全

線路或主變發生故障，對故障進行綜合分析時，錄波數據不全，是普遍存在問題。

發生故障的線路，電壓、電流量有突變或越限，開關量會有變位，能達到錄波觸發條件的定值，可啟動錄波。但其他相關間隔，其電氣量值的擾動一般不足以達到錄波啟動定值，無法啟動錄波。要使多個便攜裝置在故障時都啟動錄波，可通過減小定值的方式來實現。但帶來的后果是無效的擾動數據增多，且即使這樣，仍有可能有部分裝置無法啟動。

⑵采樣不同步

多臺便攜錄波裝置獨立工作，即使相關線路都達到啟動條件，但達到啟動條件的時間不同，因此多個錄波文件的啟動時刻不同。

錄波采樣率為5K時，每周波100點，兩個點之間的時間差為0.2毫秒，對應的角度是3.6度。各錄波裝置不同步采樣時，每偏差一個點，角度相差3.6度。雖然可以通過文件截取、移相等方法實現數據的同步，但不能保證準確性，且經移相的數據一定程度上失真。

⑶接線復雜

多臺錄波裝置協同工作時，現場須接電源線、對時線、數據傳輸的網線等。35kV變電站的保護、自動化及其他裝置均部署在一個小室，過于復雜的接線使得小室內的條件更復雜，也帶來一定的安全隱患。

上述三個問題會導致變電站發生故障時，無法對故障進行全面的分析，導致故障排查困難。本文通過對35kV變電站故障錄波數據分析系統的研究[3-5]，對35kV變電站生產全過程進行記錄、監測和分析，以期提升35kV變電站故障分析和診斷能力，從而有效促進電網故障信息系統建設，為35kV變電站安全可靠運行打下堅實的基礎。

1? 系統設計思路

⑴分布式架構

系統采用分布式架構，如圖1所示，系統由一個管理單元和多個記錄單元構成。每個記錄單元可采集24路模擬量和8路開關量，可按根據需要配置直流量通道。

⑵無線網絡

采用無線網絡進行多個記錄單元的同步，管理單元采用無線網絡連接記錄單元。

⑶聯動觸發

單個記錄單元觸發錄波時，所有在線的記錄單元全部啟動錄波，且錄波的啟動時刻是相同的。

⑷對時和同步

對于具備全站時鐘同步系統的變電站，系統能夠直接接入。不具備條件的變電站，則以某一個記錄單元為主時鐘。此時，記錄單元的絕對時標允許有偏差，但所有記錄單元仍應處于同步狀態。所有記錄單元在任意情況下，均應同步采樣。

⑸全站錄波

管理單元收集所有記錄單元的錄波文件，生成全站錄波文件。管理單元包含離線分析系統，對全站錄波進行故障分析。

⑹系統可靠性

系統不依賴于時鐘同步系統，也不依賴于任意一個記錄單元。即任一記錄單元的故障，不應影響其他記錄單元的運行、同步、采集。

⑺動態擴展

系統運行過程中，可動態加入新的記錄單元，要求系統的其他部分不需要退運，該記錄單元能夠自動加入系統，并進行聯動觸發和同步采集。

2? 數據采集記錄單元的研究

故障錄波裝置基于《DLT 553-2013 電力系統動態記錄裝置通用技術條件》《GB/T 14598.24-2017量度繼電器和保護裝置第24部分：電力系統暫態數據交換（COMTRADE）通用格式》等標準設計。目前主流技術方案的差異在于錄波單元的設計方案。有兩種較為通用的方案，一種是基于性能強大的X86架構CPU平臺，采用實時操作系統或非實時操作系統;另一種是基于嵌入式低功耗平臺，專業面向故障錄波開發，不采用操作系統。

兩種方案的技術路線示意圖如圖2：

以上兩種方案各有優缺點，傳統錄波廠家均有采用。考慮到第二種方案有大量的技術積累，設計復雜性可由此前積累的經驗或程序解決。同時從可靠性、可控性和成本方面考慮，本系統采用第二種方案。

3? 數據管理單元的研制

管理單元的主要功能為：與記錄單元通信、數據管理、數據檢索、文件拼接、參數整定和離線分析。

⑴硬件平臺

管理單元可離線運行，僅需要查看時開機即可。因而可基于工控平臺或便攜機實現。

⑵操作系統

考慮到安全性、兼容性和其他相關的問題，建議采用Linux操作系統。

⑶軟件平臺

為了增加系統的適用范圍，建議采用跨平臺的編程方法實現。系統所有軟件可運行于目前主流的桌面操作系統。

本系統的記錄單元可長期離線運行，管理單元僅在需要調取數據、分析故障時開機運行。綜合考慮便攜、性能等因素，管理單元可采用一體式計算機或筆記本電腦實現。考慮到系統安全性和相關標準及文件的要求，管理單元采用Linux操作系統，發行版為優麒麟18.10。優麒麟是由中國CCN聯合實驗室支持和主導的開源項目，其宗旨是采用平臺國際化與應用本地化融合的設計理念，通過定制本地化的桌面用戶環境以及開發滿足廣大中文用戶特定需求的應用軟件來提供細膩的中文用戶體驗。

4? 軟件的設計和實現

本系統是通用的錄波數據分析平臺，可載入COMTRADE文件，繪制波形，并可對波形進行瀏覽、變換、組合等基本操作，可進行諧波分析、矢量分析、序分量分析等基本分析，也可進行阻抗軌跡、雙端測距等高級分析。系統的主界面如圖3所示。

在實際使用時，用戶只需通過波形頁面的切換即可得到關心的波形，系統界面簡潔，使用非常方便。系統采用所見即所得的打印方式，打印的通道即為當前頁面包含的通道，打印時不需要再重新選擇通道。打印時，既可以選擇打印全部波形，也可以僅打印紅綠游標之間的波形。波形的批注、疊加等在打印時同樣有效。

參考文獻：

[1] 陳昊琳，張國慶，郭志忠.故障錄波器發展歷程及現狀分析[J].電力系統保護與控制，2010，38（5）：148-152.

[2] 徐巖，張曉明，吳卓娟，等.基于故障錄波與保護信息融合的變電站故障分析系統開發[J].電力自動化設備，2011，31（1）：118-121，125.

【通聯編輯：聞翔軍】