一種基于35kV變電站故障錄波數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

邱艷，王鵬飛，孫云

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

關(guān)鍵詞：35kV變電站;錄波數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)采集記錄單元;數(shù)據(jù)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(wù)）標識碼（OSID）：

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

35kV變電站是電網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，擔負著為區(qū)域供電的重大職責。35kV變電站在運行過程中，易受到人為、環(huán)境、用戶負荷等因素的影響，經(jīng)常發(fā)生各類故障。目前，我國電網(wǎng)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(jié)點，構(gòu)建了完善的故障信息系統(tǒng)，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(xié)同工作，對可能發(fā)生故障的線路進行監(jiān)視和記錄，但存在以下問題：

⑴數(shù)據(jù)不全

線路或主變發(fā)生故障，對故障進行綜合分析時，錄波數(shù)據(jù)不全，是普遍存在問題。

發(fā)生故障的線路，電壓、電流量有突變或越限，開關(guān)量會有變位，能達到錄波觸發(fā)條件的定值，可啟動錄波。但其他相關(guān)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(xiàn)。但帶來的后果是無效的擾動數(shù)據(jù)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(guān)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(xiàn)數(shù)據(jù)的同步，但不能保證準確性，且經(jīng)移相的數(shù)據(jù)一定程度上失真。

⑶接線復雜

多臺錄波裝置協(xié)同工作時，現(xiàn)場須接電源線、對時線、數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)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(nèi)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(fā)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(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的研究[3-5]，對35kV變電站生產(chǎn)全過程進行記錄、監(jiān)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(wǎng)故障信息系統(tǒng)建設(shè)，為35kV變電站安全可靠運行打下堅實的基礎(chǔ)。

1? 系統(tǒng)設(shè)計思路

⑴分布式架構(gòu)

系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，如圖1所示，系統(tǒng)由一個管理單元和多個記錄單元構(gòu)成。每個記錄單元可采集24路模擬量和8路開關(guān)量，可按根據(jù)需要配置直流量通道。

⑵無線網(wǎng)絡(luò)

采用無線網(wǎng)絡(luò)進行多個記錄單元的同步，管理單元采用無線網(wǎng)絡(luò)連接記錄單元。

⑶聯(lián)動觸發(fā)

單個記錄單元觸發(fā)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(tǒng)的變電站，系統(tǒng)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(tài)。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(tǒng)，對全站錄波進行故障分析。

⑹系統(tǒng)可靠性

系統(tǒng)不依賴于時鐘同步系統(tǒng)，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(tài)擴展

系統(tǒng)運行過程中，可動態(tài)加入新的記錄單元，要求系統(tǒng)的其他部分不需要退運，該記錄單元能夠自動加入系統(tǒng)，并進行聯(lián)動觸發(fā)和同步采集。

2? 數(shù)據(jù)采集記錄單元的研究

故障錄波裝置基于《DLT 553-2013 電力系統(tǒng)動態(tài)記錄裝置通用技術(shù)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(tǒng)暫態(tài)數(shù)據(jù)交換（COMTRADE）通用格式》等標準設(shè)計。目前主流技術(shù)方案的差異在于錄波單元的設(shè)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(gòu)CPU平臺，采用實時操作系統(tǒng)或非實時操作系統(tǒng);另一種是基于嵌入式低功耗平臺，專業(yè)面向故障錄波開發(fā)，不采用操作系統(tǒng)。

兩種方案的技術(shù)路線示意圖如圖2：

以上兩種方案各有優(yōu)缺點，傳統(tǒng)錄波廠家均有采用。考慮到第二種方案有大量的技術(shù)積累，設(shè)計復雜性可由此前積累的經(jīng)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(tǒng)采用第二種方案。

3? 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)檢索、文件拼接、參數(shù)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(xiàn)。

⑵操作系統(tǒng)

考慮到安全性、兼容性和其他相關(guān)的問題，建議采用Linux操作系統(tǒng)。

⑶軟件平臺

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

本系統(tǒng)的記錄單元可長期離線運行，管理單元僅在需要調(diào)取數(shù)據(jù)、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(xiàn)。考慮到系統(tǒng)安全性和相關(guān)標準及文件的要求，管理單元采用Linux操作系統(tǒng)，發(fā)行版為優(yōu)麒麟18.10。優(yōu)麒麟是由中國CCN聯(lián)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(shè)計理念，通過定制本地化的桌面用戶環(huán)境以及開發(fā)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(shè)計和實現(xiàn)

本系統(tǒng)是通用的錄波數(shù)據(jù)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(tǒng)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(guān)心的波形，系統(tǒng)界面簡潔，使用非常方便。系統(tǒng)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(fā)展歷程及現(xiàn)狀分析[J].電力系統(tǒng)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(tǒng)開發(fā)[J].電力自動化設(shè)備，2011，31（1）：118-121，125.

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