（电力系统及其自动化专业论文）通用型微机监录系统的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t f a u l tl _ e c o r d e ri sak i n do f e q u i p m e n tw h i c h c a r lr e c o r dc o r r e l a t e dd a t aa u t o m a t i c a l l y w h e np o w e rs y s t e mo c c u r sf a u l t so rs u r g e s i ti sm o s t l yu s e dt oc h e c ku pt h eb e h a v i o ro f r e l a yp r o t e c t i o na n da u t o m a t i cd e v i c e sa n df i n do u tt h ev a r i e t yr u l eo fe l e c t r i cp a r a m e t e r d u r i n gt h et r a n s i e n tp r o c e s s f a u l tr e c o r d e rh a sb e c o m e t h ei m p o r t a n tg i s to ff a u l ta n a l y s i s f o rm a n y y e a r s t l l i sp a p e rs u r v e y st h eh i s t o r yo fp o w e rs y s t e mf a u l tr e c o r d e ra n di t sa p p l ya c t u a l i t y b a s e do nt h er e q u i r e m e n t so ff a u l tr e c o r d e rf o rs u b s t a t i o na n dg e n e r a t o r - t r a n s f o r m e ru n i t s ， t h i s p a p e r d i s c u s s e st h es c h e m eo ft h e g e n e r a l f a u l tr e c o r d e ra n d a n a l y z e r t h e c h a r a c t e r i s t i co f d e s i g na n d b a s i ch a r d w a r ec o n s t r u c t i o ni sp r e s e n t e da sw e l l 船i t ss o f t w a r e f u n c t i o n n 地m a i na b n o r m i t ys t a t ea n df a u l tf o r mo fg e n e r a t o r - t r a n s f o n n e ra n dt r a n s m i s s i o n l i n e si sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ev a r i e t yc h a r a c t e r i s t i co fc o r r e l a t e de l e c t r i cp a r a m e t e r , t h i sp a p e r b r i n g sf o r w a r dc o r r e s p o n d i n g f a u l td e t e c t i o nm e t h o da n d s t a r t - u pm a n n e r n l eb a s i ct a s ko ff a u l tr e c o r d e rf o rs u b s t a t i o ni st ol o c a t et h ef a u l tt r a n s m i s s i o nl i n e n i c e t y t h ep a p e re x p a t i a t e s t h eb a s i c p r i n c i p l e o ft h el a t e - m o d e la l g o r i t h mf o rf a u l t l o c a t i o n t h ee f f e c to nt h ep r e c i s i o ni nc a l c u l a t i o nb r o u g h tb ym e a s u r ee r r o ri sa n a l y z e d h o m ea n ds i m u l a t e d n 伦nav a l i dm e t h o df o r i ti sb r o u g h tf o r w a r d t h es o f t w a r eo f t h eg e n e r a lf a u l tr e c o r d e rs y s t e mi sp o w e r f u l i th a sas 仃o n ga b i l i t yo f d a t ap r o c e s sa n dar i g o rr e q u e = f o rr e a lt i m e m o r eh i g h e rr e q u e s t sa r ea d d e do nt h es y s t e m 私t h en e wc d t e d o nf o rg e m e r a t o r - t r a n s f o r m e ru i l i t s i s b r o u g h tf o r w a r d t h ep a p e r i n t r o d u c e st h ef u n c t i o n so ft h es o 丘w a r c ，e s p e c i a l l yt h ed a t a - a c q u i s i t i o ns o r w a r ef l o wa n d i t sr e a l i z a t i o n m e a n s ，i n c l u d i n g t h em e m o r ya n dm a n a g e m e n tf o rs u b s t a n t i v ed a t a , c o o p e r a t i o n o fs e v e r a lc p u s p a r a l l e l w o r k ，t i m e s h a r i n g , m e a s u r e s o f a v o i d i n g r e a l - o p e r a t ea n ds oo n t h e s en e w m e t h o d sp u taa c t i v ee f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m f o rt h es a k eo f c h e c k i n gu pt h er e l i a b i l i t yo f t h e h a r d w a r ea n dt h er e a l i z a t i o ns t a t u so f t h es o f t w a r ef u n c t i o n s ，f u l l s c a l et e s tf o rt h es y s t e mi sn e c e s s a r y t h ee n do f t h es t a t i ct e s t v e r i f i e st h er e a s o n a b i l i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h ee q u i p m e n t k e y w o r d s ：f a u l tr e c o r d g e n e r a t o r - t r a n s f o r m e ru n i t s s u b s t a t i o nf a u l tl o c a t i o n 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 【摘要 电力系统的发展对微机型故障监录与分析装置提出了越来越高的要求。本章论 述了通用型故障录波与分析系统的主要作用，对目前电力系统中所使用的故障录波与 分析装置的研究现状和发展趋势进行了分析和讨论。对论文工作的主要内容作了简要 介绍。 1 1 故障录波装置在电力系统中的作用 随着电力系统的不断发展，区域电网互连趋势的到来，电力系统的行为越来越复 杂。因此，丰富详尽的现场数据，特别是故障数据，具有十分重要的意义。它们反映 了系统故障时的真实状况，进而能够对故障原因作出正确分析。并检验相应保护与自 动装置的动作行为【l 。因此，监录系统作为电力系统暂态过程的记录装置，愈来愈 凸显其重要性。 微机监录系统的作用是多方面的，主要体现在： 1 为电力系统的事故分析提供基本依据 电力系统规模庞大，故障机理复杂，同时配备有为数众多的保护与自动控制装置， 因此，一旦系统发生故障，如何快速、准确地确定故障原因是运行现场面临的一个突 出问题。微机监录系统可真实记录系统在故障期间各电气量的变化过程以及相关控制 设备的动作行为，从而为事故分析和保护与安全自动装置的动作行为分析提供基本依 据。 2 改进保护与控制原理 由于电力系统的复杂性和故障因素的多样化，以及人们对故障机理认识的局限性， 现有的继电保护和自动控制装置虽经过认真细致的研究，但仍可能存在原理缺陷。当 系统发生事故时，可能造成装置的误动或拒动。借助监录系统所记录的故障数据，有 助于深化对系统故障机理的认识，进一步改善和提高保护和自动控制装置的性能。 3 发现一次设备缺陷，及时消除隐患 在超高压电力系统中，有的一次设备如高压断路器存在缺陷，平时难以发现，而 这些缺陷将在不同程度上危及电力系统的安全运行。例如，在我国电力系统中，曾从 华中科技大学硕士学位论文 故障录波图中发现有的断路器合闸时多次跳跃。通过对录波图的分析，即可发现这些 隐患，并及时予以消除，保证电力系统安全运行。 4 完善实验手段，提高实验效率 继电保护与安全控制装置的研究与开发是一项实践性很强的工作。目前所采样的 实验手段般为静态测试和动模试验，而在原理性的研究方面，主要依赖于数字仿真 方法。显然，上述研究和实验方法与真实系统的实际情况存在差异，监录系统所记录 的故障录波数据可以弥补这方面的不足。随着故障记录数据的不断积累，直接利用录 波数据对保护和自动控制装置进行实验研究和测试将逐步引起研发和运行人员的重 视，有助于提高实验结果的准确性和实验效率。 1 2 监录系统的发展与研究现状 1 2 1 故障录波与分析装置的历史与发展 我国早期的故障录波装置，除有少量的进口设备和部分国产笔录式装置外，绝大 多数是利用实验室用光线式录波器改制成的。6 0 年代末f 引，我国电力系统开始应用以 光电转换为原理、1 2 0 胶片为记录载体的故障录波器。它通过感光胶片记录各电气量 变化，经过冲洗后供分析人员进行分析。它的出现，在一定程度上为分析系统故障原 因及继电保护动作行为提供了依据。然而胶卷质量、冲洗水平以及测量精度不足等问 题为系统故障和异常运行的分析带来了诸多不便。据国家电力调度通讯中心9 3 、9 4 年的统计表明：当时尚在电力系统中运行的光线式录波器，由于胶卷问题及冲洗不良 等问题造成录波不成功的多达j 】7 次。7 0 年代末期，电力工业部研制成功p g l 型成 套故障录波器，并大量生产。8 0 年代中期以来，随着微机技术的迅猛发展并被引入继 电保护领域，微机型故障录波装置成为电网故障信息记录的主力，在事故的调查和分 析中发挥着重大作用。国内各大专院校和科研单位先后研制和生产了多种性能不同的 微机化的电力系统故障录波装置，而生产微机录波装置的厂家多达数十家。经过多年 的开发、应用，微机型故障录波器在数据记录性能以及分析功能等方面有了长足进步， 具有记忆功能强、存储容量大、能进行故障计时、故障类型判别、故障参数和时间顺 序记录、能实现数据远传和便于进行后台分析等特点，在电力系统中的应用也臼趋广 泛，传统的光电式录波装置已逐步被取代。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 故障录波装置的分类及应用现状 根据国家电力系统行业标准【5 】，我国常用的故障记录设备可以分为三类：用于暂态 过程，用于动态过程，和用于长过程动态的故障记录装置。目前在电力系统中普遍采 用的故障录波器及事件顺序记录仪均属于故障动态过程记录装置，它要求记录因短 路、振荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰动引起的系统电流、电压及其导出量的全过程 变化现象。现有的故障录波装置按照装设地点和应用对象的不问，可以分为两种：用 于变电站、线路的电网故障录波装置和用于发变组( 发电机一变压器组的简称) 的发 变组故障录波装置。 从应用情况看，经过多年的发展，变电站微机故障录波装置已基本能满足变电站 故障记录与分析的要求。现有的故障录波装置可以监测线路的电压、电流、有功潮流、 母线电匿及频率，记录故障时线路的电压、电流和高频通道信号的变化情况以及变压 器分接头位置及保护与自动装置的动作行为等：分析功能也在逐步拓展中，除可完成 故障测距、谐波计算以及波形显示和编辑外，某些装置也增加了保护动作特性分析等 功能。 变电站微机故障录波装置在应用中存在的突出问题是，故障定位精度受接地电阻、 系统运行方式以及线路分布电容的影响较大，在许多情况下，定位精度难以满足工程 应用要求。其次，故障录波装置大多采用就地一对一的独立管理模式，与变电站的综 合自动化系统联系较弱，难以实现集中管理和数据共享。此外，各厂家的故障录波装 置尚未形成统一的通信规约，使得上级调度部门难以对各变电站的录波装置进行统一 管理和数据分析这些需要在今后的研发工作中逐步加以解决。 对于装设于发电厂的发变组故障录波装置而言，由于机组的运行工况复杂，故障 类型多，需要检测的电气量涉及面广，特性差异大，因此，对发变组录波装置的研究 和开发提出了更高要求。我国发变组录波装置的研制始于9 0 年代中期，现有的发变 组故障录波装置多是第一代产品，虽然对机组的安全运行发挥过积极作用，但其功能 配置主要由各生产厂家自行决定，缺乏统一规范的标准，给录波装置的使用和管理造 成了许多困难。有鉴于此，2 0 0 2 年电力部有关技术管理部门根据机组故障特点和事故 分析的实际需要，制定了发电机变压器组微机故障录波装置技术准则。如何依据新的 技术标准，研制开发新型机组录波装置是科研和生产厂家广为关注的重要研究课题。 综上所述，尽管目前电力系统故障录波装置在开发和应用方面已取得了长足进 华中科技大学硕士学位论文 步，但也存在许多问题有待解决。此外，变电站录波和发变组录波虽应用对象不同， 但两者在硬件结构以及功能需求方面存在许多相似之处，因此，如何综合考虑机组录 波和变电站录波的应用要求，从通用性的角度研制开发新一代微机监录系统，无疑具 有重要的现实意义和广阔的应用前景。 1 3 论文的主要工作和章节安排 论文工作围绕通用型微机监录与分析系统的研制这一课题展开。在对现有变电站 故障录波装置和机组故障录波装置分析和研究的基础上，根据二者的要求及特点，对 通用型微机监录与分析系统进行了总体方案设计。以此为基础，重点对监录系统中的 关键部分下层数据采集系统及故障定位部分进行了研究、开发，并对整个系统进 行了全面的性能测试。论文章节安排和主要内容如下： 论文第一章对国内故障录波器的研究现状和存在的主要问题进行了分析、评述， 对变电站和发变组两种微机型故障录波与分析装置的性能特点进行了分析。 论文第二章介绍了通用型微机监录系统的设计原则和设计方案，包括装置的总体 硬件结构和软件基本功能。 论文第三章对对发电机、变压器及线路的主要异常运行状态和故障形式进行了分 析，根据相关电气量的变化特点，从实用化的角度，提出了相应的检测计算方法和录 波启动方式。此外，从实用化的角度，对故障定位算法进行了分析、研究。阐述了新 型故障定位算法的基本原理，并对其进行了仿真计算。 论文第四章中详细论述了监录系统中各层软件的主要功能及实现方法。重点对下 层数据采集系统的软件设计特点和主要流程进行了说明，并对在软件开发中所采用的 主要实现技术进行了讨论。 论文第五章介绍了通用型微机监录与分析系统的静态试验，给出了实验项目和结 果，并对实验情况进行了分析和总结。 论文第六章对论文工作进行了总结和展望。 4 华中科技大学项士学位论文 2 通用型微机监录系统总体方案设计 【摘要 在对机组监录系统和变电站监录系统进行比较和分析的基础上，提出了通用型 微机监录与分析系统的主要设计原则。阐述了该系统所要达到的设计目标和功能配置 特点，并对管理层、数据采集层和隔离变换层的硬件结构进行了讨论。 根据应用对象的不同，故障录波主要分为线路( 变电站) 录波和发电机变压器组 录波两种。迄今，机组录波和变电站录波的开发和应用大多相对独立，事实上，两者 在硬件结构以及功能需求方面存在许多相似之处，因此，深入分析机组录波和变电站 录波的应用特点，从通用性的角度研制开发新一代微机监录系统，对降低开发和应用 成本无疑具有十分重要的作用。 2 1发电机变压器组微机故障录波装置技术准则要点 2 0 0 2 年电力部有关技术管理部门根据机组故障特点和事故分析的实际需要，结合 机组录波和线路录波的开发、运行经验，制定了发电机变压器组微机故障录波装置技 术准则。通用性微机监录系统的研制必须遵循该技术标准。 发电机变压器组微机故障录波装置技术准则涉及功能配置、数据记录格式、录波 启动方式、录波通道容量以及抗干扰性能等诸多方面，其要点主要包括： ( a ) 装置应能满足对1 0 0 m w 及以上机组中发电机、主变压器、高压厂用变压器、 励磁系统等设备主要电气量的连续监视和异常情况下故障录波的要求。装置记录量应 达到如下要求： a ) 交流电压量：不少于2 8 路，用于记录发电机端中性点电压、主变压器各侧电压、 高压厂用变压器低压侧各分支电压、主励磁机机端电压等。 b ) 交流电流量：不少于3 2 路，用于记录发电机定子电流、主变压器各侧电流、主变 压器中性点间隙电流、厂用变压器高压便4 低压侧各分支电流、主励磁机电流等。 c ) 直流量：不少于6 路，用于记录发电机转子电压电流、主励磁机转子电压电流、 保护，控制用直流电源等。 开关量；不少于1 2 8 路，用于记录发电机组继电保护装置的跳闸接点、热工保护 装置的跳闸接点、主开关辅助接点、灭磁开关辅助接点及其他影响机组运行的重要接 华中科技大学硕士学位论文 点等。 0 3 ) 装置除具有机组故障时的暂态数据记录功能外，还应具有稳态记录功能，即对电 压、电流、有功功率、无功功率、频率等电气量自装置投入运行后进行非故障启动的 连续记录。 ( c ) 装置对稳态数据记录和暂态数据记录采用不同的记录方式。两种记录形成的数据 文件可分别命名存储，但后台分析软件应能统一进行分析。稳态数据的记录间隔可设 定，最小间隔不大于o 0 2 s 。稳态数据存储时间应大于1 0 天。当发电机组或电网有大 扰动，装置应能自动启动进入暂态数据记录过程，采用分段记录方式： a 时段：大扰动开始前的状态数据，输出原始记录波形。记录时间可由用户设定， 最短应不小于0 1 s 。 b 时段：大扰动后的状态数据，输出原始记录波形。记录时间可由用户设定，最 短应不小于3 s 。a 、b 段数据记录采用相同的速率，速率应不小于5 k h z 。 ( d ) 暂态记录的启动方式除传统的突变量启动方式和稳态量启动方式外，根据机组的 运行特点还应包含过激磁启动、逆功率启动等特殊启动方式。为提高装置性能，针对 发电机低励失磁工况设置无功功率反向判据，针对发电机组启动过程中的短路故障宜 设置低频过流判据。 从上述机组监录系统的技术准则可以看出，其要求较传统的线路录波而言有较大 提高，特别是在稳态数据记录以及高采样频率的实现等方面对研发工作提出了新的更 高要求。 2 2 变电站与发变组故障录波装置通用型设计的可能性 变电站故障录波装置和发变组故障录波装置的应用对象不同，原则上对它们的性 能要求也存在一定差异。但进一步的研究分析表明，两者在硬件结构以及功能需求方 面存在许多相似之处。因此，综合两者的应用特点，研制通用型的录波装置是可能的。 1 硬件的通用性 发变组故障录波装置记录量的配置有交流电压电流、直流量和开关量，相应的硬 件为交流插件、直流插件、开关量板。 变电站故障录波装置记录量的配置有交流电压电流、开关量、直流量( 用于非电 气信号) ，这些都是与发变组录波相同的。另外，变电站录波还要求记录高频量。高 6 华中科技大学硕士学位论文 频信号的检测主要可采用两种方式，一种是通过停发讯接点信号进行检测，另一种是 高频量经交一直隔离变换器变换后，经整流处理，最终也可转换为直流量进行处理。 因此，变电站和发变组故障录波装置从硬件结构和应用要求上来说是相似的，原则上， 可采用同一套硬件系统。 2 启动方式的通用性 对照变电站故障录波技术标准和发变组录波的新标准，可以看出，二者有如下相 同的启动方式：电压电流突变量启动、电压电流越限启动、负，零序量越限启动、频 率启动、开关量变位启动、手动启动、远方启动。对于发电机组来说，由于其本体结 构复杂、辅助设备众多以及运行工况的特殊性，需要采用更加全面和可靠的故障启动 方式，如针对主汽门突然关闭的逆功率启动：针对发电机低励，失磁工况设置无功进相 判据以及针对发电机转子接地而设的转子接地启动判据等。因此，就录波启动方式而 言，变电站故障录波可看成是发变组故障录波的一个子系统。如果在系统软件中，故 障检测采用模块化设计，且启动方式可根据需要灵活投退，则发变组和变电站故障录 波装置的启动方式也具有通用性。 3 数据记录方式的通用性 传统的变电站录波装置一般采用a b c d e 分段记录方式： a 时段：系统大扰动开始前的状态数据，输出原始记录波形及有效值，记录时间 0 0 4 s 。 b 时段：系统大扰动后初期的状态数据，可直接输出原始记录波形，可观察到5 次谐 波，同时也可输出每一周波的工频有效值及直流分量值，记录时间0 1 s a c 时段：系统大扰动后的中期状态数据，输出连续的工频有效值，记录时间1 o s 。 d 时段：系统动态过程数据，每o 1 s 输出一个工频有效值，记录时间 一2 0 s 。 e 时段：系统长过程的动态数据，每l s 输出一个工频有效值，记录时间 1 0 r a i n 。 在上述数据记录方式中，只对故障暂态过程短时采用采样值记录。其它时段辅之 以有效值记录，以降低对数据存储容量和通信能力的要求，这种方式存在的主要问题 是有效值记录只能反映工频电量的大小，记录信息不完整。 对发变组故障录波装置来说，新制定的技术标准将数据记录分成两种基本方式， 即稳态数据记录和暂态数据记录。当机组发生大扰动时，扰动前后均采用采样值记录 方式。而稳态数据记录在装置上电运行之后就持续进行，最小记录间隔不大于o 0 2 s ， 华中科技大学硕士学位论文 且大扰动时不停止记录。采用上述记录方式的一个基本出发点是，扰动中、后期的动 态数据可依靠稳态记录数据弥补，以保证故障全过程记录信息的完整性。但需要指出 的是，上述记录方式中，稳态量记录由于持续时间长，而为保证故障动态数据记录的 完整性。其记录时间间隔不宣超过o 0 2 s 秒，从而导致稳态量记录数据容量十分庞大， 给数据存储管理和通信传送造成了极大困难。事实上，除机组发生故障或出现异常运 行工况外，在常规正常运行情况下，由于机组电气参数的变化较为缓慢，快速的数据 记录并无必要。因此，一种适宜的处理方式是，将稳态数据记录局限于只记录机组的 正常运行工况，且记录时间间隔延长，同时对机组故障暂态过程的记录方式进行调整， 采用变电站录波装置的分段记录方式，这样可以在保证故障记录信息完整的前提下， 大幅减少稳态数据的存储容量。基于以上考虑，变电站录波和机组录波采用统一的数 据记录方式是可行的。 4 故障分析软件的通用性 故障分析软件的主要目的是为事故分析和继电保护与安全自动装置动作行为分 析提供基础性的计算和分析结果，主要内容包括：波形分析、相量分析、序量分析、 谐波分析、有功和无功功率分析、频率分析、机端测量阻抗分析、差流分析等。虽然 变电站录波和发变组故障录波在故障分析软件的功能方面存在一定差异，如变电站故 障录波需完成故障测距计算等，但大部分的分析内容和要求是相似的。因此，在故障 分析软件开发中，采用面向对象的编程方法，各种分析功能封装成一个类，各自独立， 进行模块化设计，根据需要灵活配置，变电站和发变组故障录波装置的故障分析也可 以傲到通用性。 综上所述，变电站和发变组故障录波装置在硬件配置、启动方式、数据记录格式、 故障分析等几个主要方面都可做到相互兼容，因此，通用型的故障录波装置的开发是 可行的。 2 3 设计基本原则与特点 通用型微机监录与分析系统的设计借鉴了以往微机保护及录波装置的研发经验 1 1 3 - 2 6 ，以微机故障录波装置新的技术准则为基础，全面考虑了发变组和变电站对故障 记录与分析的要求，在系统设计中，主要遵循以下基本设计原则。 ( 1 ) 采用通用型的硬件平台 华中科技大学硕士学位论文 从通用性出发，装置采用同一套硬件，录波容量的最大配置按6 4 路模拟量 和1 2 8 路开关量设计，p - i n 时满足大型发变组和变电站运行监测和故障记录的要求。 装置除可对交流电压、电流信号进行检测记录外，还可对机组励磁系统中的直流电压、 电流进行测量记录，变电站监录系统中的非电气量也可利用此直流通道进行记录。变 电站录波装置中的高频信号先经隔离变换器变换，最终转换为直流量进行记录。 佗) 软件模块化设计 为了达到发变组和变电站故障录波软件通用的目的，在软件设计上应做到模块化 设计。每个功能模块各自独立，可根据发交组和变电站故障录波的需要分别进行选用。 ( 3 ) 采用新的记录格式，保证记录信息完整、全面 新的记录格式综合考虑了机组录波和变电站录波的应用要求。暂态数据记录采用 新的分段记录方式。鉴于传统的分段数据记录方式中，故障动态数据主要采用有效值 记录方式陋j 。而有效值记录只能反应电气量的大小，信息不完整。为此，在新的记录 方式中，将有效值记录修改为相量实、虚部记录，以保证故障信息记录的完整性。 f 4 ) 故障启动方式设置合理、使用方便 除了发变组和变电站监录系统所共有的启动方式，如相、序量突变量和稳态量启 动，过激磁启动，频率启动，频率变化率启动，开关量启动，手动及远方启动等，发 变组还有逆功率启动、低励失磁启动，变电站有电流变差启动。此外，任一路模拟量 均应可设置为突变量启动和稳态量启动方式，以满足运行现场的不同要求。合理、灵 活的启动方式将为全面、可靠地检测、记录发变组及线路故障和异常运行工况提供有 力保证。 ( 5 1 灵活、准确的故障定位功能 变电站故障监录与分析装置的基本任务之一是对线路故障进行准确定位。系统应 分别提供单端测距和双端测距功能，由用户灵活选用，其中故障线路和故障相别可由 用户人为干预选择。双端测距采用基于分布参数模型的算法，且要考虑测量误差对故 障定位的影响，以有效地提高故障定位的精度。 ( 6 1 监测、记录覆盖面广，功能强 整套装置的数据记录方式分为暂态数据记录和稳态数据记录，两种记录形成的数 据文件分别命名存储，故障分析软件应能进行统一分析。 装置应提供较全面的机组及线路运行状态的监测和记录功能，除可对所接入的各 9 华中科技大学硕士学位论文 路模拟量和开关量信号进行在线监测、记录外，还可根据需要完成其它关键电气参数 和监测、分析，包括：有功功率、无功功率，机端电量的谐波分布及系统频率和发电 机功角的实时测量等。 ( 7 ) 故障数据分析功能丰富、适应性强 为了适应事故分析和继电保护与安全自动装置动作行为分析的需要，装置将配备 功能丰富的故障数据综合分析软件。鉴于机组故障原因复杂以及保护与安全自动装置 构成原理的多样性，在分析软件设计中，重点放在为事故分析提供基础性分析结果方 面。主要内容包括：波形分析、相量分析、序量分析、谐波分析、有功和无功功率分 析、频率分析、机端测量阻抗分析、差流分析、发电机功角变化分析等。 ( 8 ) 采用开放式模块化硬件结构，扩展性好、运行可靠 由于本监录与分析系统功能多、采样率高，对装置的硬件系统提出了更高要求。 装置硬件平台将以适用于电力系统恶劣运行环境要求的a p c i 5 0 0 0 型专用工业控制机 为核心构造。该计算机系统由北京康拓公司和华中理工大学等单位联合研制。在研制 过程中，充分考虑了电力系统应用领域的特殊要求以及当前工业计算机的发展趋势， 具有结构紧凑、资源丰富、扩展性好、抗干扰能力强及运行可靠等优点，在当前国内 工业控制机领域处于领先水平。 ( 9 ) 人性化的操作界面，使用方便 由于微机监录系统的通道数多，涉及面广，装置的整定、零漂调整以及通道比例 系数的确定等工作量大，需要使用直观、方便的人机接口予以支持。为此人机界面将 采用基于w i n d o w s 平台的可视化编程软件作为主要开发工具，全中文菜单及对话 框，适应当前应用软件中文化、视窗化的要求。模块化的结构设计，便于功能扩展和 修改。数据采集层软件将以b o r l a n dc + + 作为主要编程语言，对实时计算要求较高的 部分，采用嵌入式汇编语言，以提高软件的可读性和可靠性，并便于维护和调试。 2 4 监录与分析系统的功能配置 本系统采用了模块化、层次化的软件设计，整个系统软件可分为三部分：下层数 据采集层软件、上层机管理软件和故障数据综合分析软件。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 4 1 数据采集层软件 下层数据采集层系统主要进行输入信号的离散采样、数值计算、故障的检测判断 以及记录数据的保存和上传，同时接受上层机下传的各种命令完成相关操作。其主要 功能如下。 ( 1 ) 数据采样：系统接受定时中断命令，进行定时采样。在每次中断采样间隔内对所 有模拟信号进行采样，采样数据一方面可以用来进行相关的数值计算，如相量计 算等，另一方面也可转移到别处进行采样值记录、故障检测等。 ( 2 1 数值计算：在每次中断采样间隔内，除了要进行数据采样，还要利用内存中的采 样数据进行相、序量计算以及频率计算。由于采样通道多，计算任务繁重，因此 要求硬件系统具有强大的数字计算能力。 ( 3 ) 定值管理：正确的定值是整个监录系统正常运行的前提，因此，除定值的多重自 检和校核外，定值的修改采用了严格的权限控制。此外，根据定值应用对象的不 同，实施分类管理，以提高定值的管理效率，便于运行人员掌握、实用。 ( 4 1 故障检测：正常运行状态下，监录系统在每个采样周期内都进行故障检测。除了 检测开关变位以外，还要检测其它启动条件是否满足。由于故障启动方式众多， 不可能在一个采样间隔内检测所有的启动量，可采用分时处理技术，以满足计算 时限的要求。 ( 5 ) 稳态数据记录：装置投入运行后即进行非故障启动的连续记录，记录电压、电流 的相量实、虚部及开关量状态。数据记录间隔可由用户设定，每一时段的稳态数 据记录完毕则自动上传。 ( 6 ) 故障数据记录：当监录系统检测到任何一种启动条件满足时就开始故障录波，录 波数据采用分段记录方式，分段记录格式如图2 1 ： a bcde f i t - - 0 秒 图2 1 录波数据分段记录格式 a 段记录故障前各通道相量实、虚部，直流分量以平均值代替，】o 秒 华中科技大学硕士学位论文 = _ _ 目 自_ 目l _ _ ；自 l i 目_ 目= 日；= j = = b 段：记录故障前各通道的瞬时值， ，。0 5 秒。 c 段：记录故障后各通道的瞬时值：o 5 秒。 d 段：记录故障后期状态数据，交流量采用实、虚部值，禽流量为平均值。每基 频周波计算一次，t 。3 0 秒。 e 段：记录故障长过程数据，记录数据内容同d 时段，每0 1 秒保存1 次，r 。5 分钟。 f 时段：记录故障或振荡长过程数据，记录数据内容同e 时段，每1 秒保存1 次， 0 1 0 分钟。 各记录时段的实际时间可根据需要进行调整。当装置记录位于d 、e 、f 时段时， 若又遇开关量启动或突变量启动，则重新按b c d e f 进行记录。当所有故障启动条件 均不满足或记录时间到，则自动停止记录。 故障数据先保存在系统内存，在故障记录过程中导入大容量硬盘，以文件形式存 储。 ( 7 ) 数据传送与信息交换：下层系统把稳态数据和故障数据上传，并可接受上层管理 机下传的各种调试和监控命令，完成相关操作。 ( 8 ) 开入、开出：开入量主要用于装置的运行状态输入和手动启动信号输入，下层系 统获取这些信息，并执行相关的操作。开出量用于各种信号灯和继电器的控制。 2 4 2 管理层软件 管理层系统主要完成装置的运行管理和调试管理，以及与远方调度的通信。 ( 1 ) 运行管理 当装置工作在运行状态时，上层管理机将完成装置运行监控和状态监测功 能。装置的运行监控主要任务有： a 修改时间、日期：由运行人员输入时间、日期，上层机据此修改其时钟，同 时通过通信方式与下层机对时 b 文件服务：上层机管理故障数据文件，主要包括：文件列表、文件删除、文 件拷贝、文件查询等。 c 状态查询：查询下层机当前运行状态。 d 手动启动：按键启动录波。 华中科技大学硕士学位论文 e 定值查询：读取下层机定值，并与上层机定值校验，各定值在屏幕上显示。 定值打印：打印当前装置各定值( 含机组打印时间及定值表) 。 g 装置整定：装置整定包括启动定值整定、故障报告打印格式整定等。为防止非运 行人员对定值的非法修改，需要有整定值修改口令。启动定值整定只包括录波启动定 值，其它定值在运行状态下不能修改。定值修改后除保存上层机外，同时下传给下层 机，并进行上、下层之间的定值校验，确保修改无误。 h 故障报告打印格式整定：供用户选择故障报告的打印方式、打印时段及打印通道 等。其中打印模式分为简要故障报告方式和全故障报告打印方式两种。 在装置运行时，除完成运行监控管理外，还可实现对运行状态的在线监测，主要 监测的运行参数包括： a 模拟量和开关量：对于模拟通道，计算和显示各通道的工频有效值、相位、平均 值，二次谐波的有效值和相位，并可进行通道波形显示。对于开关量通道，显示各开 关的开、闭状态。 b 功率及频率：计算并显示发电机机端、变压器高压侧和厂用电侧的有功、无功、 线路的有功、无功、发电机功角、机组运行频率或系统频率。 c 谐波监测：计算并显示发电机机端电压、电流的谐波含量。 d 差流监测：计算并显示发电机差流、变压器差流及发变组差流值。 ( 2 ) 调试管理 当装置处于调试状态时，上层机完成装置的调试管理、定值的整定及机组的实验 记录等功能。 装置的调试管理主要包括：各模拟通道的零漂和比例系数的调整( 含手动调整和 自动调整两种方式) ：开入回路检测；开出通道检测：以及文件服务、状态查询、时 间和日期的修改等功能。装置的整定主要有： a 启动定值整定：在调试状态下可以修改所有的整定值，同样，也需要修改口令以 防误改。 b 特殊通道号整定：对于监录系统计算至关重要的几个通道号需要整定，其中机组 与变电站监录系统所对应的特殊通道号含义是不同的。 c 通道类型整定：需要确认通道是电流、电压还是高频通道，方便故障分析。 d 折算系数整定：折算系数用于将二次侧电量转换为一次侧值。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 e 记录方式整定：整定a 、b 、c 、d 、e 、f 各记录时段的记录时间长度。 发电机电气实验主要包括空载实验、短路实验及励磁系统实验等。装置将根据具 体实验项目和要求对整个实验过程进行记录，记录数据通过综合分析软件进行分析， 并完成相关实验报告。 ( 3 ) 远方通信 远方通信软件负责管理上层机和调度端之间的通信。调度端可以通过拨号上网的 方式远程访问上层管理机，完成远方修改定值、启动录波、上传录波文件、在线监测 等功能。装置的上层机通过m o d e m 卡与远方调度端进行信息交互。 2 4 3 故障数据综合分析软件 分析软件能自动识别稳态数据文件和故障数据文件，并分别进行分析。为了适应 运行现场的不同应用要求，故障综合分析软件除可在线使用外，也可作为独立的分析 软件使用。各分析功能可根据实际需要灵活配置。分析软件的主要功能包括： ( 1 ) 波形分析：提供6 种不同形式的波形显示模式，包括模拟量波形显示、开关量状 态显示，混合显示，合成显示，局部放大显示，波形压缩显示等。在波形显示的 同时，可随时查看模拟量信号的瞬时值，并根据需要即时打印输出。 ( 2 ) 相，序量计算：可计算任意时刻a 、b 、c 三相基频电压、电流的有效值和相位以 及正、负、零序分量的有效值和相位。计算转子回路1 0 0 h z 交流量的幅值和相位 及直流分量的平均值。计算结果可召唤打印输出。 ( 3 ) 谐波分析：计算任意时段所选择的模拟量信号中所包含的谐波分量的分布情况， 并图示频谱图。同时给出各次谐波分量的有效值与相位以及相对基频分量的百分 比。对衰减直流分量给出其初值和衰减时间常数。 ( 4 ) 测量阻抗计算：计算发电机机端测量阻抗的模值和相位，并在阻抗平面上图示测 量阻抗变化轨迹。 ( 5 ) 功率及频率计算：计算发电机机端、变压器高压侧、厂用电变压器及线路的有功、 无功功率和相关频率值，并图示变化曲线。 ( 6 ) 差流分析：计算发变组差动保护所对应的各种差流值，并图示差流变化曲线。同 时提供差流值的相量分析及谐波分析。 ( 7 ) 自定义曲线：可以通过公式编辑器编辑自定义的曲线，并显示其波形，可以方便 华中科技大学硕士学位论文 地分析多个通道的差流、和流等电量的波形和数据。 ( 8 ) 开关变位时序分析：对接入的开关量信号的变位时序进行分析，以图示或表格的 方式给出分析结果。 ( 9 ) 实验数据分析：对机组的主要实验数据，如空载实验、短路实验和假同期实验等 进行分析、处理，形成相关的实验报告。 ( 1 0 ) 数据记录格式转换：为便于故障记录信息的交换使用。扩展故障数据的应用范围。 软件提供数据记录格式的转换功能。可根据要求，将记录数据转换为i e e e c o m t r a d e 标准格式。 ( 1 1 ) 故障测距：提供单端测距和双端测距功能，由用户灵活选用，其中故障线路和故 障相别可由用户人为干预选择。双端测距采用基于分布参数模型的算法，且考虑 了测量误差对故障定位的影响，有效地提高了故障定位的精度。 2 5 装置的基本硬件结构 2 5 1 监录系统的总体结构 根据电力系统的运行特点和监录系统功能配置的应用要求，结合微机保护的设 计原则，本监录系统采用微机保护的分层式结构，主要包括管理机、下层数据采集单 元和隔离变换层等部分。 管理机主要完成装置的运行和调试管理、电气量信号的在线监测、录波数据的存 贮与分析以及故障报告的形成和打印等，并根据远方控制命令对录波数据进行调度控 制。根据管理机的任务特点，其硬件选用研华工业级一体化工作站，该工作站集显示 器、键盘与计算机系统于一体，外层为全钢防水结构，独特的正压降温和除尘设计， 非常适用于电磁辐射和灰尘或湿度较大的电厂( 站) 环境。配备专用的g p s 接口卡和 远传m o d e m 卡，可实现装置时钟的自动对时和记录数据的远传。管理层与数据采集 层之间通过局域网相连，以利于大容量录波数据高速可靠的传送。 数据采集单元按微机保护的高可靠性要求进行硬件设计。鉴于数据采集单元数据 处理工作量大，实时性要求高，故采用双c p u 并行工作模式。根据系统功能配置的 要求和各c p u 板的性能特点进行任务划分。前端数据采集板以数字信号处理器 ( d s p ) 作为智能元件，完成模，数变换管理和基本电气参数计算，以充分发挥其计算 优势，便于实现高速录波。鉴于录波数据的主要应用之一是对保护和自动控制装置的 华中科技大学硕士学位论文 动作行为进行分析，原则上录波装置应采用精度更高的模数转换器。为此，装置选用 1 6 位高精度a d ，以提高记录数据的准确性。主c p u 板为一块高集成化5 8 6 单板计 算机，负责故障的检测、判断以及录波数据的分段存储控制和数据的转存等，以便于 利用d o s 系统的资源和未来功能的扩展。 隔离变换层根据输入信号性质的不同采用不同的隔离变换方式。除传统的交流电 压、电流信号通过高精度的隔离变压器进行隔离变换外，增加了对非电气量信号，如 压力、温度等的专用隔离测量模块，以适应变电站电气设备状态监测发展的需要。 下层机的变换器、信号板以及数字部件均集中于同一机箱内，结构紧凑；采用背 插式结构。强弱电分离，以提高装置的抗干扰性能和运行的可靠性。下层机结构如图 2 2 所示： 交流直流 d s pd s p5 8 6 开入开入开入 电源 变换变换 板l板2板 板i板2开出板 器器 板 图2 2 下层机结构图 2 5 2 监录系统的数字部件 数据采集单元采用双c p u 并行工作模式，包括a p c l 5 0 9 55 8 6 c p u 板和a p c i 5 4 6 7 d s p 板。 2 521a p c i 5 0 9 55 8 6 c p u 扳 a p c i 5 0 9 5 是一块高度集成化的5 8 6 单板计算机，板上含t r a n s m e t a c r u s o et m 5 4 0 0 6 0 0 m h z 处理器，其运行于1 0 0 姗z 的前端总线速度之上，c p u 主频为6 0 0 m h z 。 a p c i 5 0 9 5 的设计具有高可靠性，不需要c p u 风扇，只有一散热片。 a p c i 5 0 9 5 板除了2 个经光电隔离的标准r s 2 3 2 ，4 8 5 接口外。还配置有两个高速 以太网控制器( i n t e l 8 2 5 5 9 ) ，i n t e l 8 2 5 5 9 是一个3 2 位1 0 1 0 0 m b p s 以态网控制器，它 是适应于p c 的p c i 局部总线的。它支持总线控制体系结构和自动流通的特点使其能