周曉娟，王永剛，竇中山，王興安，卓懷忠

（許繼電氣股份有限公司，許昌 461000）

智能變電站是智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，是連接發(fā)電與用電的樞紐，是關(guān)系到整個電網(wǎng)安全、可靠運行的重要環(huán)節(jié)。隨著智能電網(wǎng)的迅速發(fā)展以及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的增加，電力系統(tǒng)中發(fā)生的各種故障也相應(yīng)地更加復(fù)雜和難以診斷[1-2]。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障及振蕩時，電力系統(tǒng)動態(tài)記錄裝置（故障錄波裝置）通過內(nèi)部判據(jù)啟動后，開始自動準(zhǔn)確地記錄故障前和故障過程中的電壓、電流、頻率等各種電氣量的變化情況。電網(wǎng)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)[3-5]，及時檢測到所發(fā)生的故障，有選擇地將故障元件從電力系統(tǒng)中快速、自動地切除，使其損壞程度減至最低，并保證最大限度地迅速恢復(fù)故障部分的正常運行，盡快自動恢復(fù)停電部分的供電。

常規(guī)錄波裝置以硬接線采集模擬量信號，電纜傳輸特性決定了采樣回路傳輸延遲可忽略不計，裝置可直接對這些信號進(jìn)行同步采集和處理。但是智能變電站中，智能錄波裝置采用光纖以太網(wǎng)口接收來自合并單元或交換機(jī)的SV報文采樣值數(shù)據(jù)和GOOSE報文數(shù)據(jù)，由于組網(wǎng)形式和傳輸回路長度不同，網(wǎng)絡(luò)傳輸方式不可避免地帶來傳輸延遲和時序不確定等因素[6-7]，同時智能設(shè)備處理數(shù)據(jù)時延不同，這樣最終導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)不是自然同步，為了更真實地反映設(shè)備運行情況，必須對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理[8-10]。

為此必須重新開發(fā)適用于智能變電站多種采樣信號的故障錄波數(shù)據(jù)處理方法。在此，提出基于智能變電站的故障錄波數(shù)據(jù)同步方法，適用于SV組網(wǎng)模式和點對點模式。

1 智能變電站錄波數(shù)據(jù)同步方案

1.1 SV組網(wǎng)模式

SV組網(wǎng)模式是錄波裝置采集的SV數(shù)據(jù)通過站內(nèi)的多臺SV交換機(jī)傳送，采樣值傳送過程依賴于外部時鐘，合并單元必須提供時標(biāo)對齊的數(shù)據(jù)，一旦時鐘丟失或異常，將會導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理異常。SV組網(wǎng)模式的數(shù)據(jù)同步過程如圖1所示。

圖1 SV組網(wǎng)模式同步方案Fig.1 Synchronization scheme of SV networking mode

數(shù)據(jù)同步的關(guān)鍵就是確定同步序號，數(shù)據(jù)緩存模塊把各鏈路的同步序號和對應(yīng)數(shù)據(jù)緩存到同步數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，當(dāng)錄波裝置所接入的所有鏈路的同一同步序號的數(shù)據(jù)收齊后，輸出已同步數(shù)據(jù)給后續(xù)的判據(jù)計算和存儲用。

1.2 SV點對點模式

SV點對點模式是錄波裝置采集的SV數(shù)據(jù)直接通過各間隔合并單元傳送，采樣值傳送過程無中間環(huán)節(jié)，不依賴交換機(jī)，采樣同步過程不依賴于外部時鐘。由于此種模式下合并單元無需接入對時，因此要通過計算的方法得到各個鏈路在同一時刻（即同一個同步序號）的數(shù)據(jù)，同時也要考慮每個鏈路的額定延時。SV點對點模式的數(shù)據(jù)同步過程如圖2所示。

圖2 SV點對點模式同步方案Fig.2 Synchronization scheme of SV point-to-point mode

在圖2中，首先對報文類型進(jìn)行分類，如果是SV報文，無需考慮報文中的同步標(biāo)識，只要前后兩幀的序號連續(xù)，則根據(jù)連續(xù)兩幀數(shù)據(jù)用插值方法計算出本地同步序號對應(yīng)的數(shù)據(jù)，所提方案采用的插值算法是分段線性插值算法。由于SV鏈路沒有嚴(yán)格同步，則本地同步序號計算依賴于裝置的時鐘晶振，時間久了也會產(chǎn)生累積誤差，因此需要有一定機(jī)制處理累積誤差。如果是GOOSE報文，則直接根據(jù)本地時間折算出同步序號，與SV報文同步序號對齊即可。

1.3 同步數(shù)據(jù)緩存

智能變電站錄波數(shù)據(jù)同步方案的同步數(shù)據(jù)緩存區(qū)如圖3所示，示例了裝置支持的所有采集通道的1個序號數(shù)據(jù)在緩存區(qū)存放格式。經(jīng)挑選的SV錄波通道最大支持192路，經(jīng)挑選的GOOSE錄波通道最大支持512路，可滿足現(xiàn)有最新的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，也可根據(jù)具體要求靈活擴(kuò)容。

圖3 數(shù)據(jù)緩存區(qū)Fig.3 Data buffer

2 設(shè)計方案

為同時滿足國網(wǎng)公司電力系統(tǒng)動態(tài)記錄裝置技術(shù)規(guī)范和南方電網(wǎng)智能錄波器技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的數(shù)字量輸入、混合信號輸入、模擬量輸入3種型號規(guī)格的動態(tài)記錄裝置多種信號輸入的要求，進(jìn)一步提出通過自定義協(xié)議轉(zhuǎn)換方法，將前端多種類型信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，采用同一成熟可靠的數(shù)據(jù)同步解決，可靈活應(yīng)用于智能變電站、新一代智能變電站和常規(guī)變電站。

2.1 數(shù)字量輸入同步方案

通過SV和GOOSE通信報文采集模擬量和開關(guān)量信號的為數(shù)字量輸入，電力系統(tǒng)動態(tài)記錄裝置技術(shù)規(guī)范中規(guī)定還應(yīng)具有不少于4路直流電源電壓采集回路。因此數(shù)字量輸入錄波裝置需滿足上述信息量的采集。該裝置的同步方案如圖4所示。

圖4 數(shù)字量輸入同步方案Fig.4 Digital input ynchronization scheme

在圖4中，直流采集板將采集的直流通道信息通過內(nèi)部自定義協(xié)議轉(zhuǎn)換為1組固定的SV信息傳送至數(shù)據(jù)同步模塊進(jìn)行處理。

所提方案采用的自定義協(xié)議將采集到的直流信息轉(zhuǎn)為地址固定為0xFF00的1組SV鏈路，通道個數(shù)為4個，頻率4000 Hz（與SV鏈路保持一致），同步標(biāo)識置成“同步”。轉(zhuǎn)換后，此特殊鏈路將與直接接入的數(shù)字量采集鏈路采用1.1所述同步方案，支持SV組網(wǎng)模式和SV點對點模式。經(jīng)過轉(zhuǎn)換就省去了數(shù)字量和直流模擬量的再次同步，大大降低了同步模塊的繁瑣度。

2.2 混合信號輸入同步方案

將通過電纜直接采集的模擬量信號和通過GOOSE通信報文采集的開關(guān)量信號作為混合信號輸入，其中不少于4路的直流電源電壓包含在模擬量信號采集板中，還可具有32路常規(guī)開關(guān)量采集的選配功能。因此混合信號量輸入錄波裝置需滿足上述信息量的采集。該裝置的同步方案如圖5所示。

圖中，模擬量采集板和選配的開關(guān)量采集板將采集的模擬量通道信息和開關(guān)量通道信息，通過內(nèi)部自定義協(xié)議轉(zhuǎn)換為固定的SV信息和GOOSE信息，再傳送至數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行處理。

圖5 混合信號輸入同步方案Fig.5 Synchronization scheme of analog and digital input

其中，所提方案應(yīng)用的錄波裝置最大支持4塊模擬量采集板采集，每塊板可接入24路模擬量通道，共96路。通過自定義協(xié)議將4塊模擬量采集板轉(zhuǎn)為 4組 SV，地址固定為 0xFF01—0xFF04，每組 SV的通道個數(shù)為24，頻率可設(shè)置（最大支持10000 Hz），同步標(biāo)識置成“同步”。SV工作模式固定為“組網(wǎng)”。

所提方案應(yīng)用的錄波裝置亦可選配1塊開關(guān)量板，支持32路開關(guān)量通道。通過自定義協(xié)議，將采集到的開關(guān)量信息轉(zhuǎn)為固定地址為0xEF01的1組GOOSE，條目數(shù)為32，類型為“單點”。

模擬量和選配開關(guān)量統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為SV和GOOSE，與直接接入的網(wǎng)采GOOSE采用1.1所述同步方案，即可完成錄波數(shù)據(jù)的同步處理。

2.3 模擬量輸入同步方案

把通過電纜直接采集的模擬量和開關(guān)量信號作為模擬量輸入，電力系統(tǒng)動態(tài)記錄裝置技術(shù)規(guī)范中要求模擬量輸入錄波裝置應(yīng)能接入不少于64路模擬量量信號和160路開關(guān)量信號，因此模擬量輸入錄波裝置需滿足上述信息量的采集。該裝置的同步方案如圖6所示。

在圖6中，模擬量采集板和開關(guān)量采集板將采集的模擬量通道信息和開關(guān)量通道信息，通過內(nèi)部自定義協(xié)議轉(zhuǎn)換為固定的SV信息和GOOSE信息，再傳送至數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行處理。

其中，方案所應(yīng)用的錄波裝置最大支持4塊模擬量板，每塊板可接入24路模擬量通道，共96路。通過自定義協(xié)議將4塊模擬量采集板轉(zhuǎn)為4組SV，地址固定為0xFF01—0xFF04，每組SV的通道個數(shù)為24，頻率可設(shè)置（最大支持10000 Hz），SV的同步標(biāo)識置成“同步”。SV同步模式可固定為“組網(wǎng)”。

圖6 模擬量輸入同步方案Fig.6 Analog input synchronization scheme

方案所應(yīng)用的錄波裝置最大支持6塊開關(guān)量板，每塊板可接入32路開關(guān)量通道，共192路。通過自定義協(xié)議將采集到的開關(guān)量信息轉(zhuǎn)為6組GOOSE，地址固定為0xEF01—0xEF06，每組GOOSE的條目數(shù)為32，類型為“單點”。

模擬量和開關(guān)量都轉(zhuǎn)換為SV和GOOSE，采用1.1所述同步方案，即可完成錄波數(shù)據(jù)的同步處理。

智能變電站IEC61850工程通用應(yīng)用模型[11]中，要求GOOSE的APPID范圍為0x0000—0x3FFF，SV的APPID范圍為0x4000—0x7FFF。所提方案中自定義的APPID從EF01開始，完全不會與實際工程中的APPID發(fā)生沖突。

3 方案應(yīng)用

在此提出的適用于多種信號輸入的錄波數(shù)據(jù)同步實現(xiàn)方案，已通過了國家電網(wǎng)公司2016年數(shù)字量輸入動態(tài)記錄裝置專業(yè)檢測、國家電網(wǎng)公司2017年模擬量輸入動態(tài)記錄裝置專業(yè)檢測，已實現(xiàn)批量現(xiàn)場供貨。

4 結(jié)語

準(zhǔn)確并可靠地記錄多個合并單元和智能終端的通信報文，并真實反映設(shè)備運行情況，必須對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，提出了適用于SV組網(wǎng)模式和點對點模式的智能變電站錄波數(shù)據(jù)同步方法。為同時滿足動態(tài)記錄裝置技術(shù)規(guī)范和智能錄波器技術(shù)規(guī)范中多種采樣信號模式的輸入需求，通過自定義協(xié)議方式對前端信號的輸入進(jìn)行內(nèi)部轉(zhuǎn)換，將網(wǎng)絡(luò)采樣模式和電纜采樣模式的混合采樣最終統(tǒng)一為網(wǎng)絡(luò)采集模式?；谕黄脚_及數(shù)據(jù)處理機(jī)制，不僅大大減輕了功能實現(xiàn)人員和測試人員的工作量，更重要的是提高了新產(chǎn)品的質(zhì)量保證，由于可靠性高、同一性強(qiáng)，對于后期的需求升級和功能完善都具有繼承性和可追溯性，真正實現(xiàn)了電力系統(tǒng)動態(tài)記錄裝置多種型號的軟硬件平臺最大化重復(fù)利用。