李 貞，卜銀娜，宋墩文，陳玉濤，楊學濤

（1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.中國電力科學研究院，北京 100192）

智能電網(wǎng)是覆蓋發(fā)、輸、變、配、用及調(diào)度等過程的全景實時電力系統(tǒng)。支撐該系統(tǒng)得以準確、安全、實時及可靠運行的基礎(chǔ)是電力系統(tǒng)多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)的快速采集、響應和分析[1-2]。電力系統(tǒng)中存在大量數(shù)據(jù)記錄裝置。它們有專用型、非專用型之分，專用型的根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)，按照動態(tài)或暫態(tài)形式記錄系統(tǒng)運行的軌跡，如故障錄波器、PMU裝置；非專用型的具備一定的數(shù)據(jù)記錄能力，能夠斷電存儲或瞬時存儲[3-6]。

在電網(wǎng)全景感知錄波系統(tǒng)中，錄波數(shù)據(jù)不僅是分析電力系統(tǒng)運行行為以及不同設(shè)備動作行為的基礎(chǔ)，也是驗證事前、掌握事中、評價事后各種動態(tài)過程的基礎(chǔ)[7]。然而，目前數(shù)據(jù)記錄體系存在明顯缺陷：數(shù)據(jù)存儲方式固化，暫態(tài)數(shù)據(jù)文件只根據(jù)設(shè)定定值存儲擾動發(fā)生前后幾秒鐘的數(shù)據(jù)，連續(xù)數(shù)據(jù)文件也只是按照存儲時長或者固定大小進行全站數(shù)據(jù)存儲，無法存儲以事件為目標的精準數(shù)據(jù)，應對綜合事件反演能力差；數(shù)據(jù)多態(tài)并存，存在狀態(tài)值、瞬態(tài)值、動態(tài)值、穩(wěn)態(tài)值多種形式，不同的采樣值及各類計算分析值混雜記錄，數(shù)據(jù)管理復雜，時序難以統(tǒng)一[8-9]。如果電網(wǎng)發(fā)生事故，受到?jīng)_擊時，由于數(shù)據(jù)跨度范圍大，各類記錄裝置不能互通，會由于一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)因取數(shù)延遲而丟失，無法恢復，使部分事件分析因缺少數(shù)據(jù)而無法進行[10-12]。在此提出應用于全景感知錄波系統(tǒng)的錄波裝置。

1 全景感知錄波系統(tǒng)

全景感知錄波系統(tǒng)由分布于多個站點的多臺裝置構(gòu)成，通常由1個主站、多臺故障錄波裝置、多臺系統(tǒng)保護裝置等設(shè)備組成，其中故障錄波裝置和系統(tǒng)保護裝置作為全景感知錄波系統(tǒng)的子站與主站連接。整個系統(tǒng)采用星形拓撲結(jié)構(gòu)，基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 全景感知錄波系統(tǒng)基本架構(gòu)Fig.1 Basic architecture of panoramic perception recording system

圖中，故障錄波裝置和系統(tǒng)保護裝置作為全景感知錄波系統(tǒng)的子站，負責完成電網(wǎng)故障信息的采集和上送。系統(tǒng)主站根據(jù)子站的運行狀態(tài)及接收到的故障信息集，完成在值策略的有效性判定等功能。

電力系統(tǒng)正常運行時，全景感知錄波系統(tǒng)主站根據(jù)實時潮流對預設(shè)嚴重故障集進行在線分析，確定對應于特定嚴重故障下的關(guān)鍵數(shù)據(jù)點。當故障發(fā)生時，主站向?qū)诱景l(fā)送調(diào)取指定元件、指定時段的故障數(shù)據(jù)文件，進而根據(jù)接收到的故障點和故障類型信息定位需要獲取的一系列數(shù)據(jù)，并對獲取到的所有數(shù)據(jù)進行整合，形成以事件為索引的全景錄波數(shù)據(jù)集。

若所發(fā)生故障超出預設(shè)故障集范圍，主站可根據(jù)當前運行工況實時仿真分析，人工指定調(diào)取，也可以通過缺省定值，冗余調(diào)取，確定需要獲取的數(shù)據(jù)點，從而實現(xiàn)快速準確地鎖定故障點和故障原因。

2 軟件設(shè)計

在電力系統(tǒng)正常運行時，全景感知錄波系統(tǒng)主站借助高速專網(wǎng)，以在線數(shù)據(jù)為輸入，針對預想事故，計算潮流、穩(wěn)定、短路電流，基于計算分析結(jié)果構(gòu)建數(shù)據(jù)判斷指標，挑選事發(fā)時的敏感子站，針對這些子站設(shè)備提出數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)范圍等的數(shù)據(jù)挑選要求。因此，要求用于全景感知錄波系統(tǒng)的故障錄波裝置，除具有傳統(tǒng)錄波暫態(tài)錄波和連續(xù)錄波等功能，還必須能夠根據(jù)主站對數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)范圍要求進行數(shù)據(jù)篩選、存儲并上送。

2.1 軟件系統(tǒng)框架

該裝置由管理單元、動態(tài)記錄單元組成。軟件系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖所示，各單元模塊均單獨進行編輯、編譯，在簡化各功能模塊的設(shè)計過程的同時，降低了復雜系統(tǒng)的設(shè)計難度，有利于提高整體可靠性。

圖2 軟件系統(tǒng)Fig.2 Software system

2.2 與主站通信框架

在全景感知錄波系統(tǒng)中，錄波裝置作為子站基于主站數(shù)據(jù)需求，構(gòu)建了“中間層”事件，并由61850通信接口對事件進行響應，從存儲的連續(xù)錄波和暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)中篩選，再上傳以事件為目標的精準數(shù)據(jù)至主站，由主站端完成數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)調(diào)用的對接。通信框架如圖3所示。

圖3 錄波裝置與主站的通信框架Fig.3 Communication frame between fault recorder device and host

如圖所示，全景感知錄波系統(tǒng)主站根據(jù)電網(wǎng)計算結(jié)果，觸發(fā)“數(shù)據(jù)召喚事件”，61850通信接口對事件觸發(fā)情況進行響應，錄波子站根據(jù)主站具體篩選要求，抽取對應的文件或數(shù)據(jù)并上送至主站。

對圖中的“中間層”事件號進行約定，主要事件定義如下：

51—dmf文件召喚事件；

52—過程數(shù)據(jù)文件召喚事件；

53—現(xiàn)場發(fā)生故障自動推送數(shù)據(jù)事件；

81—dmf文件推送完成事件；

82—錄波數(shù)據(jù)推送完成事件。

若后續(xù)考慮需要擴展事件時，可在該約定的基礎(chǔ)上進行擴充。

2.3 數(shù)據(jù)選存與上送

正常運行時，全景感知錄波系統(tǒng)錄波子站上送其運行狀態(tài)至主站，并存儲錄波數(shù)據(jù)包含暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)和連續(xù)錄波數(shù)據(jù)。當主站調(diào)取數(shù)據(jù)文件時，子站按照主站下發(fā)的挑選原則篩選故障信息并上送。

2.3.1 數(shù)據(jù)篩選原則

對于連續(xù)錄波文件，主要包含3個挑選參數(shù)：①指定時間段 從連續(xù)錄波文件中抽取對應時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)形成一個文件上送；②指定采樣率 采樣率1～4 kHz，步長100；③指定通道 錄波子站先上送所有通道物理含義對應關(guān)系，主站勾選需要的通道后下發(fā)。

對于暫態(tài)錄波文件，主要是指定批次挑選數(shù)據(jù)：錄波裝置從暫態(tài)錄波文件中查找對應批次的文件并上送。

2.3.2 連續(xù)錄波按篩選原則上送數(shù)據(jù)

全景感知錄波系統(tǒng)主站以特性分析感知數(shù)據(jù)選取關(guān)鍵點，并將這些關(guān)鍵點的參數(shù)信息通過寫服務下發(fā)給錄波裝置，由錄波子站判斷從連續(xù)錄波或是暫態(tài)錄波篩選并上傳數(shù)據(jù)。當主站下發(fā)的參數(shù)信息需要從連續(xù)錄波文件篩選并上送時，錄波子站與主站之間的通訊交互流程如圖4所示。

圖4 連續(xù)錄波按篩選原則上送流程Fig.4 Flow chart of delivering the continuous recorded data based on screening principles

如圖所示，主站通過61850寫服務設(shè)置選存參數(shù)，在子站收到主站下發(fā)的篩選原則命令后，開始緩存下發(fā)參數(shù)，模擬量通道和開關(guān)量通道分多次下發(fā)，每次1個通道編號；若收到多次采樣頻率與時間參數(shù)，以最后1次收到的為準。參數(shù)設(shè)置后，將SelMade標識置為false，表示開始選存文件；直至主站收到選存完成命令，SelMade標識置為true，文件選存完成。主站先通過擴展的COMTRADE_SEL命令召喚列表，再根據(jù)子站上送列表中的文件名稱，召喚對應的數(shù)據(jù)文件。

2.3.3 暫態(tài)錄波按故障批次上送數(shù)據(jù)

當錄波子站收到主站調(diào)取指定故障批次的命令時，錄波裝置與主站的通訊服務交互流程如圖5所示。

如圖所示，錄波子站完成暫態(tài)錄波后，向主站主動發(fā)送錄波完成遙信，由主站根據(jù)分析結(jié)果判斷是否需要召喚本次錄波數(shù)據(jù)文件。如果召喚本次暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)文件，先需要召喚文件列表，根據(jù)遙信中的批次號信息，下發(fā)參數(shù)為/COMTRADE/FLTNUM_XX/（其中XX為批次號），子站收到命令后，將上送批次號為XX的文件名稱，主站再按照接收到的文件名稱召喚該文件，錄波子站上送對應文件。

圖5 暫態(tài)錄波按故障批次上送流程Fig.5 Flow chart of delivering the transient recorded data based fault number

3 硬件設(shè)計

所設(shè)計的故障錄波裝置采用主從式結(jié)構(gòu)設(shè)計，支持Unix，Linux和Windows系統(tǒng)。

3.1硬件框架

所提出的錄波裝置由管理單元和動態(tài)記錄單元2部分組成。硬件系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 硬件系統(tǒng)原理Fig.6 Principle of hardware system

如圖所示，管理單元主要提供圖形顯示和人機接口，動態(tài)記錄單元作為錄波裝置的主單元，完成報文采集、分析記錄、錄波與全景感知錄波系統(tǒng)主站通信等主功能。

3.2 硬件實現(xiàn)

①管理單元 采用482.6 mm 2U機箱后出線，提供圖形顯示和人機接口。其CPU采用中科騰躍公司 Intel系列嵌入式工控機，支持 Unix，Linux和Windows系統(tǒng)。

②動態(tài)記錄單元 采用482.6 mm 4U機箱后出線，采集模塊支持6個千兆口或24個百兆口、單芯采集、延時可測。同時支持8個百兆光口或4個千兆光口采集，其中，百兆單口采集64字節(jié)報文線速不丟包，千兆單口采集64字節(jié)400 Mb/s任意長度報文不丟包。內(nèi)含大容量數(shù)據(jù)存儲芯片和壓縮芯片，支持600 Mb/s數(shù)據(jù)持續(xù)寫入，物理容量大于2 TB。

3.3 站內(nèi)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

該裝置在結(jié)構(gòu)上采用開放式主從結(jié)構(gòu)，可根據(jù)現(xiàn)場需求配置為1臺管理單元管理多臺動態(tài)記錄單元的主從式結(jié)構(gòu)。站內(nèi)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 站內(nèi)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.7 Network structure in the station

如圖所示，根據(jù)現(xiàn)場需求配置1臺管理單元管理多臺動態(tài)記錄單元，這種主從式結(jié)構(gòu)設(shè)計大大降低了工程成本。

4 結(jié)語

提出了用于全景感知錄波系統(tǒng)的一體化動態(tài)記錄裝置。在正常運行時，在故障事件發(fā)生前預想可能擾動事件，根據(jù)主站數(shù)據(jù)截取要求，及時匹配并收集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為事件還原、反演、評估提供及時、可靠、精準的數(shù)據(jù)，避免其他因素導致的數(shù)據(jù)丟失的情況發(fā)生。同時，錄波裝置上送的數(shù)據(jù)是從裝置內(nèi)預存的連續(xù)或者暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)中經(jīng)過自動篩選后重新生成的數(shù)據(jù)，改變了傳統(tǒng)手動挑選所需的數(shù)據(jù)的方式，更加高效、快捷、精準。在硬件結(jié)構(gòu)上，采用主從式結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以根據(jù)現(xiàn)場需求靈活配置，大大降低了成本。

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