胡燕玲 芮 平 張 靜 張 可 徐 飛

（云南電網(wǎng)有限公司大理供電局，云南 大理 671000）

1 研究背景及意義

隨著智能電網(wǎng)和分布式電源的迅速發(fā)展，變電站對(duì)DG接入后的安全可靠運(yùn)行和電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)變電站已不能滿足智能電網(wǎng)的發(fā)展需求。目前，國(guó)內(nèi)已有不同容量和電壓等級(jí)的智能變電站投入運(yùn)行，同時(shí)常規(guī)變電站在智能化改造升級(jí)中處于新老系統(tǒng)設(shè)備并軌運(yùn)行階段。因此為滿足改造過(guò)程中新老設(shè)備交替期間的平滑過(guò)渡和安全可靠運(yùn)行，實(shí)行分階段的智能化改造工作對(duì)于變電站在維護(hù)管理和投入產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)效益方面都具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，智能變電站二次系統(tǒng)具有測(cè)量數(shù)字化、信息交互化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化等特點(diǎn)，站內(nèi)二次系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，信息采集量較大且重復(fù)較多，不利于數(shù)據(jù)共享和運(yùn)檢維護(hù)作業(yè)的開展，不符合變電站大運(yùn)行、大檢修體系下的電網(wǎng)信息的融合發(fā)展趨勢(shì)要求。

因此，有必要研究開發(fā)一套新型的故障診斷測(cè)控一體化裝置，基于模塊化多功能平臺(tái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量、保護(hù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信等功能，既可以為常規(guī)變電站的全數(shù)字化智能改造提供局部過(guò)渡性解決方案，同時(shí)也可以采用光纖作為智能變電站數(shù)字測(cè)量主通道，滿足了常規(guī)變電站和智能變電站的通用性要求，在提高設(shè)備利用率、運(yùn)行效率、減少設(shè)備重復(fù)投資和運(yùn)維成本方面意義重大。

2 技術(shù)研究路線

第一，首先開展包括故障錄波、電能監(jiān)測(cè)、故障分析診斷、安全穩(wěn)定測(cè)控、主動(dòng)探測(cè)及選線定位等技術(shù)的多專業(yè)應(yīng)用集成融合技術(shù)研究和多功能目標(biāo)任務(wù)實(shí)現(xiàn)方案的設(shè)計(jì)。

第二，研究建立基于間隔層設(shè)備信息的變電站二次系統(tǒng)故障診斷特征庫(kù)，并通過(guò)仿真平臺(tái)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比論證的多目標(biāo)任務(wù)功能實(shí)現(xiàn)的可靠性和故障診斷庫(kù)的正確性。

第三，擬定基于模塊化多功能平臺(tái)的新型故障診斷測(cè)控一體化裝置技術(shù)方案，完成電能質(zhì)量、電壓穩(wěn)定性、故障選線、故障分析診斷及系統(tǒng)安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行等協(xié)調(diào)優(yōu)化工作。

第四，根據(jù)技術(shù)方案的相關(guān)功能要求進(jìn)行故障診斷測(cè)控一體化裝置軟硬件架構(gòu)、算法開發(fā)和功能測(cè)試等方面的工作。

第五，選取典型變電站作為試點(diǎn)，開展裝置掛網(wǎng)應(yīng)用，對(duì)裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 多專業(yè)應(yīng)用集成融合技術(shù)研究

集成化目前已經(jīng)逐漸成為控制和自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。采用多專業(yè)應(yīng)用技術(shù)集成融合，可以將對(duì)一次設(shè)備的控制保護(hù)和監(jiān)測(cè)診斷集合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)軟硬件集成；同時(shí)實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)共享，有效減少組屏?xí)r的連接線路。

針對(duì)故障診斷和測(cè)控一體化裝置系統(tǒng)的多功能集成應(yīng)用，由于故障錄波、電能監(jiān)測(cè)、故障分析診斷、安全穩(wěn)定測(cè)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及選線定位等分屬不同專業(yè)，各功能單元通常有獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集分析管理系統(tǒng)，信息共享化不足，為實(shí)現(xiàn)多功能的整合，必須打通各專業(yè)數(shù)據(jù)的共享渠道，在各功能模塊緊密融合的基礎(chǔ)上，從整個(gè)系統(tǒng)層面出發(fā)全面考慮各專業(yè)融合后的運(yùn)維管理新模式，實(shí)現(xiàn)模塊功能獨(dú)立、配置靈活、界限清晰，方便維護(hù)管理。

3.2 高性能的數(shù)據(jù)處理技術(shù)及系統(tǒng)配置

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站全方位多狀態(tài)的二次測(cè)控和故障診斷，該文基于IEC61850協(xié)議機(jī)制，系統(tǒng)硬件配置外部采用百兆光纖接口，內(nèi)部采用高速總線實(shí)現(xiàn)過(guò)程層設(shè)備遙控、遙測(cè)等信息數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)傳輸和交互。

此外，由于變電站間隔層設(shè)備的硬件及軟件系統(tǒng)通常以嵌入式方式進(jìn)行配置，二次設(shè)備各單元一般是根據(jù)自身功能特點(diǎn)進(jìn)行硬件配置以此來(lái)節(jié)約資源和成本，但數(shù)據(jù)處理性能無(wú)法滿足多功能應(yīng)用融合后對(duì)大量數(shù)據(jù)處理能力的要求。該文提出了采用多CPU架構(gòu)設(shè)計(jì)理念，CPU可以靈活配置實(shí)現(xiàn)功能上的物理隔離，方便各功能的單獨(dú)維護(hù)和管理，提高了數(shù)據(jù)處理速度和處理結(jié)果的可靠性，方便滿足后續(xù)功能擴(kuò)展對(duì)資源配置的需求。

3.3 基于多數(shù)據(jù)源的多應(yīng)用功能算法優(yōu)化

多功能集成應(yīng)用要求裝置對(duì)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)等多數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)任務(wù)功能的故障診斷。在設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)時(shí)，建立實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)任務(wù)功能的故障診斷特征庫(kù)。

對(duì)變電站現(xiàn)有的軟硬件架構(gòu)及配置資源進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，該文采用軟硬件相結(jié)合的集成化技術(shù)方法，把一次設(shè)備的保護(hù)、控制和監(jiān)測(cè)診斷進(jìn)行融合集成，不僅實(shí)現(xiàn)了軟硬件集成和信息數(shù)據(jù)共享處理，同時(shí)能有效簡(jiǎn)化組屏線路。基于該方法，通過(guò)設(shè)計(jì)多CPU硬件架構(gòu)，將數(shù)據(jù)合理分配到各功能單元獨(dú)立運(yùn)行處理，同時(shí)利用內(nèi)部高速總線和并行算法，能夠滿足多應(yīng)用功能的計(jì)算需求。

4 裝置整體設(shè)計(jì)及功能特點(diǎn)

該文設(shè)計(jì)開發(fā)的新型故障診斷測(cè)控一體化裝置采用模塊化、分層分布式設(shè)計(jì)思想，對(duì)常規(guī)變電站的局部智能化改造以及安全穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控管理和解決，實(shí)現(xiàn)常規(guī)變電站的技術(shù)升級(jí)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。

新型故障診斷測(cè)控一體化裝置的主要功能包括多數(shù)據(jù)源監(jiān)測(cè)、故障保護(hù)、故障錄波、數(shù)據(jù)異常記錄及故障告警、故障診斷及本地孤島檢測(cè)等，滿足整個(gè)變電站信息流、電力流、業(yè)務(wù)流綜合一體化應(yīng)用需求。

4.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)上采用以FPGA、DSP和ARM為核心的一體化硬件設(shè)計(jì)方案。根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)不同的插件，通過(guò)組合可靈活配置成不同的模塊單元，包括模擬量和數(shù)字量的集中式和分布式接入。對(duì)裝置核心板件象主控插件、交流采樣插件、通信接口插件等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，既可用于常規(guī)站也可用于智能站二次設(shè)備間隔層。

主控插件采用TMS320C6000系列DSP芯片，主要功能包括數(shù)據(jù)記錄、分析計(jì)算、故障判別以及控制信號(hào)輸出等。外部通信接口及人機(jī)交互界面信息展示通過(guò)ARM920T芯片實(shí)現(xiàn)。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)框圖

4.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)，引入數(shù)據(jù)庫(kù)思想，軟件功能模塊可方便擴(kuò)展或移除，整個(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)具有良好的靈活性，可滿足各功能的集成應(yīng)用。該文開發(fā)的基于多點(diǎn)多間隔的故障分析診斷軟件，能夠再現(xiàn)故障和異常運(yùn)行時(shí)，全站的電氣量變化過(guò)程，并對(duì)故障特征進(jìn)行分析診斷，最終確定故障設(shè)備。主程序流程圖如圖2所示。

4.3 功能特點(diǎn)

圖2 軟件主程序流程圖

（1）數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)功能：實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)支路電流、電壓、功率流向、電能質(zhì)量（諧波值）、負(fù)載率、電壓波動(dòng)及閃變、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

（2）安全測(cè)控功能：實(shí)現(xiàn)故障錄波、故障保護(hù)、功角檢測(cè)、系統(tǒng)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)、分級(jí)卸載、選線定位等功能。

（3）保護(hù)功能：通過(guò)對(duì)多指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集和測(cè)控，實(shí)現(xiàn)變電站欠壓、過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)負(fù)荷、過(guò)熱保護(hù)。

（4）故障診斷及預(yù)警功能：實(shí)現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)異常自動(dòng)記錄、上傳和故障自動(dòng)判定、故障統(tǒng)計(jì)及主動(dòng)預(yù)警，包括對(duì)電網(wǎng)電參數(shù)異常檢測(cè)及預(yù)警推送。

5 結(jié)語(yǔ)

該文研究開發(fā)的新型故障診斷測(cè)控一體化裝置，已經(jīng)在筆者單位進(jìn)行掛網(wǎng)應(yīng)用。截至目前，裝置各項(xiàng)功能運(yùn)行正常，保證了電能質(zhì)量、電壓穩(wěn)定性、故障選線及診斷、系統(tǒng)安全穩(wěn)定性和可靠性等協(xié)調(diào)工作的順序進(jìn)行，滿足整個(gè)分布式電源區(qū)域電力流、信息流、業(yè)務(wù)流一體化的需求；實(shí)現(xiàn)了變電站多功能集成應(yīng)用和故障信息綜合分析決策，有效縮短了故障處理時(shí)間，節(jié)省了運(yùn)維成本。運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示出了多功能一體化應(yīng)用平臺(tái)在常規(guī)變電站局部智能化改造以及智能變電站運(yùn)行維護(hù)中的應(yīng)用價(jià)值，也為智能電網(wǎng)的深入發(fā)展提供實(shí)踐依據(jù)和技術(shù)支撐。