ZH-3D技术说明书

ZH 3D 数字故障录波分析装置数字故障录波分析装置 技术说明书技术说明书 编编 写 赵银凤写 赵银凤 审审 核 谢文勤核 谢文勤 批批 准 张小波准 张小波 武汉中元华电科技股份有限公司武汉中元华电科技股份有限公司 Wuhan Zhongyuan Huadian Science Technology Co Ltd 二二 九年二月九年二月 ZH 3D 数字故障录波分析装置技术说明书 I 目目 录录 1 概述概述 1 2 工作原理工作原理 1 2 1 硬件系统 1 2 2 软件系统 4 2 3 技术特点 5 3 关键技术关键技术 5 3 1 多通道 DMA 的 8 端口内存共享技术 5 3 2 基于 FPGA 的 24 通道解码器 6 3 3 IEC60044 8 采样值同步追踪补偿 6 3 4 支持数字化变电站全通信规约 6 3 5 可配置的报文集中器 6 3 6 互操作性 8 4 技术指标技术指标 9 5 附录附录 9 5 1 附录一 60044 8 和 IEC61850 9 1 报文格式 9 5 2 附录二 IEC61950 9 2 报文格式 11 5 3 附录三 IEC61850 GOOSE 报文格式 13 ZH 3D 数字故障录波分析装置技术说明书 1 1 概述概述 ZH 3D 电力系统数字故障录波分析装置适应了数字化变电站的发展 可以接入数字化变电站 的过程层网络的 SAV 采样值 报文和 GOOSE 变电站状态事件 报文 为了适应每个数字化变 电站应用模式 ZH 3D 数字故障录波分析装置同时也兼容了传统模拟电压 电流及开关量信号的 接入 ZH 3D 数字故障录波分析装置与站控层设备的通信采用 IEC61850 MMS 通信规约 实现与 站控层设备的互操作 2 工作原理工作原理 2 1 硬件系统硬件系统 ZH 3D 电力系统数字故障录波分析装置硬件系统主要由管理机单元 数字式录波单元 报文 集中器以及必要的网络附件组成 其中 报文集中器 又分为以下五种 可根据变电站网络配置情 况选择搭配组合 TDM SAV 报文集中器 IEC60044 8 SAV 报文集中器 IEC61850 9 1 SAV 报文集中器 IEC61850 9 2 SAV 报文集中器 IEC61850 GOOSE 报文集中器 ZH 3D 电力系统数字故障录波分析装置硬件系统逻辑结构图如下 交换机 含光接口 数字式录波单元 ZHP405RTDM 录波管理机单元 其他后台 TDM 接入 IRIG B NTP SNTP PTP TDM SAV 集中器 ZHP405R8 IEC60044 8 接入 IEC60044 8 SAV 集中器 ZHP405R91 IEC61850 9 1 接入 IEC61850 9 1 SAV 集中器 ZHP405F8 ZHP405R92 IEC61850 9 2 SAV 集中器 ZHP405F8 ZHP405RGOOSE GOOSE 集中器 ZHP405F8 IEC61850 9 2 接入 GOOSE 接入 MMS 2 1 1 录波管理机单元录波管理机单元 作为人机交互接口 实现对录波单元进行修改定值 进行配线等操作 ZH 3D 数字故障录波分析装置技术说明书 2 实现电压电流波形显示 分析等功能 2 1 2 数字式录波分析单元数字式录波分析单元 数字式录波单元接收来自各个报文集中器的 SAV 报文和 GOOSE 报文 进行录波判启动等算 法 数字式录波单元同时通过 IEC61850 MMS 通信规约实现对站控层设备的通信 该分析单元组 成如下 ZH ADSP 接收各个集中器的数据 进行傅立叶计算 录波判启动计算等 ZHCPU 实现与站控层设备的 IEC61850 MMS 通信 以及和录波管理机单元的通信 2 1 3 TDM 集中器和集中器和 60044 集中器集中器 TDM SAV 集中器和 IEC60044 8 集中器分别用于采集 TDM SAV 报文和 IEC60044 8 SAV 报 文 TDM SAV 集中器和 IEC60044 8 集中器都采用了相同的硬件结构 采用了 2U 机箱结构 该硬件系统为 PowerPC405EX CPU 处理能力为 500MIPS 该硬件系统的关键技术特点如下 采用 POWERPC405 CPU CPU 主频为 400MHz 采用多个通道 DMA 控制器和 8 端口内存共享技术 采用基于 FPGA 的 24 通道硬件解码器 1 个 PPS 和 B 码兼容的对时端子 2 1 3 1 TDM SAV 报文集中器报文集中器 TDM SAV 报文集中器是记录数字化变电站过程层网络的 TDM SAV 报文 TDM SAV 报文是 通过时分复用技术采用单光纤通道传输多通道 SAV 报文 3 路光纤信号作为一组 SAV 报文传输信 号 TDM SAV 报文集中器主要由 ZHP405RTDM 模块组成 该模块主要特点如下 ZHP405RTDM 具备 24 路光口 可以接收 8 组 SAV 报文传输信号 并实现 8 组 SAV 报文 的同步 ZHP405RTDM 实现对 TDM SAV 报文的解析 并将处理后的报文转发给数字录波单元 2 1 3 2 IEC60044 8 SAV 报文集中器报文集中器 IEC60044 8 报文集中器是记录数字化变电站过程层网络的 IEC60044 8 SAV 报文 IEC60044 8 报文是采用曼彻斯特编码 每路光纤传输固定 12 路 SAV 报文 IEC60044 8 SAV 报 文集中器主要由 ZHP405R8 模块组成 该模块主要特点如下 ZHP405R8 具备 24 路光口 接收 24 路光纤传输的 IEC60044 8 SAV 报文 采用 FPGA 实现解码 并实现 24 路 SAV 报文的同步 ZHP405R8 实现对 IEC60044 8 报文的解析 并将处理后的报文转发给数字录波单元 ZH 3D 数字故障录波分析装置技术说明书 3 2 1 4 IEC61850 集中器集中器 IEC61850 集中器进行采集基于 IEC61850 通信规约的数字化变电站的 SAV 报文和 GOOSE 报文 IEC61850 集中器包括 IEC61850 9 1 SAV 集中器 IEC61850 9 2SAV 集中器和 IEC61850 GOOSE 集中器 每个集中器和光口扩展模块都采用插件结构 并且采用 3U 机箱结构 IEC61850 集中器主要包含 ZHP405R91 ZHP405R92 ZHP405RGOOSE 数据集中模块和 ZHP405F8 光扩展模块 根据数字化变电站的实施模式 可以选择配置不同的数据集中模块和光扩 展模块 并且每个数据集中模块最大可以扩展两个光扩展模块 集中器的结构特点如下 采用 POWERPC405CPU 处理能力为 500MIPS 4 个 10 100M 电口以太网 2 个光电互换 SC 以太网 可扩展 18 路全双工 100Mbps 光纤以太网 采用多通道 DAM 的 8 端口内存共享技术 光口扩展板和数据集中模块之间通信带宽达 10 200Mbytes s 1 IEC61850 9 1 SAV 报文集中器 IEC61850 9 1 报文集中器是记录数字化变电站过程层网络的 IEC61850 9 1 SAV 报文 IEC61850 9 1 SAV 报文集中器 该集中器组成如下 ZHP405R91 IEC61850 9 1 SAV 数据集中模块 可扩展两块 ZH91Pt8 光纤扩展模块 可实现 16 路 IEC61850 9 1 SAV 报文的同步接收 并将处理后的报文转发给数字录波单元 ZHP405F8 光口扩展模块 实现 ZHP405R91 模块的光口扩展 每个 ZHP405F8 光口扩 展模块可实现 8 路光口扩展 2 IEC61850 9 2 SAV 报文集中器 IEC61850 9 2 报文集中器是记录数字化变电站过程层网络的 IEC61850 9 2 SAV 报文 该集 中器组成如下 ZHP405R92 IEC61850 9 2 SAV 数据集中模块 可扩展两块 ZHP405F8 光纤扩展模块 可实现 16 路 IEC61850 9 2 SAV 报文的同步接收 并将处理后的报文转发给数字录波单元 ZHP405F8 光口扩展模块 实现 ZHP405N92 模块的光口扩展 每个 ZHP405F8 光口扩 展模块可实现 8 路光口扩展 3 IEC61850 GOOSE 报文集中器 IEC61850 GOOSE 报文集中器是记录数字化变电站过程层网络的 IEC61850 GOOSE 报文 该集中器组成如下 ZH 3D 数字故障录波分析装置技术说明书 4 ZHP405RGOOSE IEC61850 GOOSE 数据集中模块 具备 2 路光口 可以接收 2 路光 纤传输的 IEC61850 GOOSE 报文 并可扩展 ZHP405F8 光口扩展模块 ZHP405F8 光口扩展模块 实现 ZHP405RGOOSE 模块的光口扩展 每个 ZHP405F8 光口扩展模块可实现 8 路光口扩展 2 2 软件系统软件系统 ZH 3D 电力系统数字故障录波分析装置软件系统主要由调度端软件系统 管理机软件系统 数字式录波单元软件系统和报文集中器软件系统组成 其中报文集中器的软件系统又根据网络协议 的差别分为如下几个子系统 TDM 报文解码集中组合软件系统 IEC60044 8 SAV 采样值报文解码集中组合软件系统 IEC61850 9 1 SAV 采样值报文解码集中组合软件系统 IEC61850 9 2 SAV 采样值报文解码集中组合软件系统 IEC61850 GOOSE 报文解码集中组合软件系统 2 2 1 调度端软件系统调度端软件系统 调度端软件系统支持以太网和电话拨号两种方式与录波装置建立连接 连接后可实现录波波形 的查询和调取 实时波形及装置现场工况浏览 查看和修改配置 需要高级权限 遥控启动录波 等 可离线分析已经调取的录波波形 波形分析功能见 CAAP2008 操作说明书 2 2 2 管理机软件系统管理机软件系统 管理机软件系统是 ZH 3D 的现场人机接口 软件实现了录波波形的查询和调取 实时波形及 装置现场工况浏览 查看和修改配置 需要高级权限 遥控启动录波等 可离线分析已经调取的 录波波形 波形分析功能见 CAAP2008 操作说明书 2 2 3 数字式录波单元软件系统数字式录波单元软件系统 数字式录波单元软件系统运行于 VxWorks 5 5 实时嵌入式操作系统上 是 ZH 3D 的核心部件 之一 负责暂态和稳态录波数据的一级存储 对 DSP 的管理和监控 对管理机 调度端以及其他 后台的通信 除了支持与 ZH 3x 完全兼容的通信规约外 还支持 IEC61850 8 的 MMS 通信协议 采用 VxWorks 实时嵌入式操作系统 具有高可靠性 高实时性以及对计算机病毒的天生免疫 等优点 2 2 4 TDM 和和 IEC60044 8 SAV 采样值报文解码集中组合软件系统采样值报文解码集中组合软件系统 TDM 和 IEC60044 8 SAV 采样值报文解码软件是基于 FPGA 编写的硬逻辑程序 具有极高的 实时性 可靠性和运行效率 该系统负责多路 TDM 报文和 IEC60044 8 报文的接入和集中组合 将组合后的数据提交给数字式录波单元软件系统做进一步的高级处理 ZH 3D 数字故障录波分析装置技术说明书 5 该软件系统采用的同步追踪补偿技术可有效消除由于发送源的晶振不同步导致的报文失步问题 2 2 5 IEC61850 报文解码集中组合软件系统报文解码集中组合软件系统 IEC61850 报文解码集中组合软件系统运行于 VxWorks 5 5 实时嵌入式操作系统上 包括 IEC61850 9 1 SAV 解码系统 IEC61850 9 2 SAV 解码系统和 IEC61850 GOOSE 解码系统 负 责多路 IEC61850 报文的接入和集中组合 将组合后的数据提交给数字式录波单元软件系统做进一 步的高级处理 采用 VxWorks 实时嵌入式操作系统 具有高可靠性 高实时性以及对计算机病毒的天生免疫 等优点 2 3 技术特点技术特点 全面支持 IEC61850 的过程层和站控层的全部规范 建立了录波器的 IEC61850 模型 并已经 通过国家级的互操作一致性测试 单个自主开发的集中器模块通过增加光扩展插件 ZHP405F8 最多可提供 22 个独立的 100M 全双工以太网接口 其中 4 个 RJ45 电口 18 个光口 丰富的网络接口使装置可全面支持数字化 变电站过程层的多种组网方式 包括 IEC60044 8 和 IEC61850 9 1 的点对点组网 IEC61850 9 2 的通过交换机集中组网 GOOSE 可单独组网 也可通过交换机集中组网 并支持双网互备的冗余 配置 核心组件均采用硬编码或 VxWorks 实时嵌入式操作系统 大大提高了装置的可靠性 稳定性 实时性和健壮性 天生对计算机病毒免疫 装置的后台人机接口部分与 ZH 3 几乎没有区别 给用户提供的数据格式依然是标准的 COMTRADE 格式 数据的分析方法和手段与 ZH 3 完全一致 对老用户而言 仅需了解前端组网 如何接线和配置即可 数据的管理和分析不必再重新培训 3 关键技术关键技术 3 1 多通道多通道 DMA 的的 8 端口内存共享技术端口内存共享技术 TDM 集中器和 IEC60044 8 集中器都采用了多个通道的 DMA 控制器和 8 端口内存共享技术 这样可以保证具有非常高的网络吞吐能力 并且该报文集中器具备多个独立网卡 各个独立网卡的 数据都可以分别进行控制 这样可以适应网段较多而且各个网段之间不能有数据连通的的场合 3 2 基于基于 FPGA 的的 24 通道解码器通道解码器 TDM 集中器和 IEC60044 8 集中都采用了基于 FPGA 的 IEC60044 8 24 通道解码器 该集中 器采用高端 FPGA 作为前端 IEC60044 8 和 TDM 通信规约处理 并且具有 24 个独立的全双工以 ZH 3D 数字故障录波分析装置技术说明书 6 太网网卡 支持同时处理 24 个通道的 IEC60044 8 采样值报文或者 8 组 TDM 采样值报文 3 3 IEC60044 8 采样值同步追踪补偿采样值同步追踪补偿 对于 IEC60044 8 采样值的接入 由于源合并单元 MU 个体晶振差异将导致数据同步采样 出现偏差 这个偏差积累后将导致传输给录波器的多个合并单元 MU 的数据组合困难 ZHP405R8 采用了同步追踪补偿技术 有效修正了这个偏差 确保录波器记录的数据是同步对齐 的 3 4 支持数字化变电站全通信规约支持数字化变电站全通信规约 数字故障录波装置支持数字化变电站全部通信规约 过程层通信规约支持采样值传输规约和开 关量传输规约 其中采样值传输规约有 IEC61850 9 1 IEC61850 9 2 IEC60044 8 和 TDM 传输 规约 开关量传输规约有 IEC61850 GOOSE 通信规约 站控层通信规约支持 IEC61850 MMS 通 信规约 3 5 可配置的报文集中器可配置的报文集中器 ZH 3D 电力系统数字故障录波分析装置具有多个 SAV 报文集中器 根据数字化变电站的 SAV 报文传输通信规约进行配置不同的 SAV 报文集中器 3 5 1 配置模式一配置模式一 数字化变电站 SAV 传输规约为 TDM 协议或者 IEC60044 8 协议 开关量通过 IEC61850GOOSE 协议传输 ZH 3D 电力系统数字故障录波分析装置需要一台 2U TDM SAV 集中器或者一台 2U 的 IEC60044 8 SAV 集中器 以及一台 3U IEC61850 集中器 该 IEC61850 集中器配置有 ZHP405RGOOSE 数据集中模块以及相应的光扩展模块 系统结构框图如下 ZH 3D 数字故障录波分析装置技术说明书 7 交换机 含光接口 数字式录波单元 ZHP405RTDM 录波管理机单元 其他后台 TDM 接入 IRIG B NTP SNTP PTP TDM 集中器 ZHP405R8 IEC60044 8 接入 IEC60044 8 集中器 ZHP405RGOOSE GOOSE 集中器 ZHP405F8 GOOSE 接入 MMS 或 3 5 2 配置模式二配置模式二 数字化变电站 SAV 传输规约为 IEC6180 9 1 协议 开关量通过 IEC61850GOOSE 协议传输 ZH 3D 电力系统数字故障录波分析装置只需要配置一台 3U 结构的 IEC61850 集中器 该集中 器配置有 ZHP405R91 数据集中模块 ZHP405RGOOSE 数据集中模块以及相应的光扩展模块 系统结构框图如下 交换机 含光接口 数字式录波单元 录波管理机单元 其他后台 IRIG B NTP SNTP PTP ZHP405R91 IEC61850 9 1 接入 IEC61850 9 1 集中器 ZHP405F8 ZHP405RGOOSE GOOSE 集中器 ZHP405F8 GOOSE 接入 MMS ZH 3D 数字故障录波分析装置技术说明书 8 3 5 3 配置模式三配置模式三 数字化变电站 SAV 传输规约为 IEC6180 9 2 协议 开关量通过 IEC61850GOOSE 协议传输 ZH 3D 电力系统数字故障录波分析装置只需要配置一台 3U 结构的 IEC61850 集中器 该集中 器配置有 ZHP405R92 数据集中模块 ZHP405RGOOSE 数据集中模块以及相应的光扩展模块 系统结构框图如下 交换机 含光接口 数字式录波单元 录波管理机单元 其他后台 IRIG B NTP SNTP PTP ZHP405R92 IEC61850 9 2 接入 IEC61850 9 2 集中器 ZHP405F8 ZHP405RGOOSE GOOSE 集中器 ZHP405F8 GOOSE 接入 MMS 3 6 互操作性互操作性 ZH 3D 电力系统数字录波分析装置采用 IEC61850 通信规约与过程层网络及站控层网络通信 实现故障录波装置与合并单元 智能操作箱 保护装置以及故障信息子站的无缝连接 具有互操作 性 ZH 3D 数字录波装置于 2008 年 1 月通过中国电科院电力工业电力设备及仪表质量检验测试中 心的一致性测试 测试报告编号为 2008025 并且于 2008 年 7 月通过南方电网的互操作实验 ZH 3D 数字故障录波分析装置建立了基于 IEC61850 通信规约的故障录波装置模型 该模型的 主要特点如下 建立了暂态录波事件模型和稳态录波事件模型 稳态录波事件文件命名规则为 装置名 LD 名称 年月日 时分秒 毫秒 年月日 时分秒 毫 秒 表示此段时刻的稳态录波文件 RADR 和 RBDR 作为录波装置的模拟量启动和开关量启动逻辑节点 根据面向对象的原则建立了线路模型定值数据集 母线模型定值数据集和变压器模型定值 数据集 ZH 3D 数字故障录波分析装置与站控层设备的通信主要支持以下服务 IEC61850 File 文件服务 传输故障录波文件以及故障录波简报 IEC61850 SGCB 定值组控制块服务 实现定值投运 查看以及定值修改 ZH 3D 数字故障录波分析装置技术说明书 9 IEC61850 Report 报告服务 传送故障装置故障信号以及故障录波启动信号 IEC61850 Control 控制服务 实现远方启动录波和复归录波告警信号 4 技术指标技术指标 交流电源供电为单相 220V 允许偏差 20 15 频率 50Hz 允许偏差 3Hz 直流电源供电为 220V 110V 允许偏差 20 15 纹波系数 5 软 硬件采取了多种抗干扰措施 抗干扰能力达到 GB T14598 10 规定的 IV 级标准 启动精度 越限启动量优于 2 突变启动量优于 5 单个集中器组件最大可提供 22 个独立的 100M 全双工以太网接口 其中有 4 个电口 18 个光口 经挑选的 SAV 采样值组合后最大可达 96 路 经挑选的 GOOSE 信号组合后最大可达 256 路 GOOSE 事件的分辨能力不大于 1ms GOOSE 事件与采样值的同步偏差不超过 1ms 最高采样率完全适应源合并单元 MU 并能提供不低于 800Hz 采样率的稳态记录功能 过程层全面支持 TDM SAV IEC60044 8 SAV IEC61850 9 1 SAV IEC61850 9 2 SAV IEC61850 GOOSE 等规范 站控层全面支持 IEC61850 8 MMS 通信规范 并建立的录波器的 IEC61850 模型 金属性短路优于 2 稳态记录采样率不低于 800Hz 可支持独立的稳态记录插件 5 附录附录 5 1 附录一附录一 60044 8 和和 IEC61850 9 1 报文格式报文格式 报文格式 DATDST ADDR SRC ADDR 802 1Q 标记 TYPE PDUAPDU 6642834 1488 DST ADDR SRC ADDR TPIDTCITYPEAPPIDLEN保留 1保留 2APDU 662222222 81 00 80 0088 B800 0000 0000 00 DST ADDR 目的地址 域为多播或广播地址 建议的多播地址 01 0C CD 04 00 00 到 01 0C CD 04 01 FF ZH 3D 数字故障录波分析装置技术说明书 10 SRC ADDR 源地址 域为发送设备的 MAC 地址 TPID 标记协议标识符 标记分配给 802 1Q 以太网解码数据帧的以太网类 域为 8100H 81H 00H TCI 标记控制信息 域为 8000H 80H 00H User priority 4 CFI 0 VLAN ID 0 此为缺省值 TYPE 域为 88BAH 88H BAH APPID SAV 的预留范围是 0 x4000 到 0 x7fff 如果 APPID 未配置 其缺省值为 0 x4000 LEN 域为 DAT 域的字节数 ASDU 说明如下 偏移类型符号说明 0 1UI16Len 本 ASDU 的长度 从 LNName 开始的字节数 总 是 002CH 2UI8LNName逻辑接点名称 总是为 02H 3UI8 DataSetNam e 数据集名称 总是为 01H 4 5UI16LDName逻辑设备名称 为 0001H 6 7I16额定相电流 8 9I16额定中线电流 10 11I16额定相电压 12 13I16额定延时 14 15I16CH1保护用 A 相电流 16 17I16CH2保护用 B 相电流 18 19I16CH3保护用 C 相电流 20 21I16CH4保护用中线电流 22 23I16CH5测量用 A 相电流 24 25I16CH6测量用 B 相电流 26 27I16CH7测量用 C 相电流 28 29I16CH8A 相电压 30 31I16CH9B 相电压 32 33I16CH10C 相电压 34 35I16CH11零序电压 36 37I16CH12母线电压 38 39UI16Sta1状态字 1 ZH 3D 数字故障录波分析装置技术说明书 11 40 41UI16Sta2状态字 2 42 43UI16SmpCnt采样计数 44UI8SmpRate每周波采样点数 45UI8ConfRev配置版本 报文定义 参数名值 值域 解释 noASDU每帧报文传送的采样值点数 svID采样值标识 smpCnt采样值计数器 confRev配置版本 smpSynch采样同步标记 Sequence ASDU1 DataSet数据集配置的采样值 svID采样值标识 smpCnt采样值计数器 confRev配置版本 smpSynch采样同步标记 Sequence ASDU2 DataSet数据集配置的采样值 svID采样值标识 smpCnt采样值计数器 confRev配置版本 smpSynch采样同步标记 Sequence ASDUn DataSet数据集配置的采样值 5 2 附录二附录二 IEC61950 9 2 报文格式报文格式 报文格式 DATDST ADDR SRC ADDR 802 1Q 标记 TYPE PDUAPDU 6642834 1488 DST ADDR SRC ADDR TPIDTCITYPEAPPID LEN 保留 1保留 2APDU 662222222 ZH 3D 数字故障录波分析装置技术说明书 12 81 0080 0088 B800 0000 0000 00 说明如下 DST ADDR 目的地址 域为多播或广播地址 建议的多播地址 01 0C CD 04 00 00 到 01 0C CD 04 01 FF SRC ADDR 源地址 域为发送设备的 MAC 地址 TPID 标记协议标识符 标记分配给 802 1Q 以太网解码数据帧的以太网类 域为 8100H 81H 00H TCI 标记控制信息 域为 8000H 80H 00H User priority 4 CFI 0 VLAN ID 0 此为缺省值 TYPE 域为 88BAH 88H BAH APPID SAV 的预留范围是 0 x4000 到 0 x7fff 如果 APPID 未配置 其缺省值为 0 x4000 LEN 域为 DAT 域的字节数 IEC61850 9 2 报文按照 ASN 1 编码方式进行编码 报文定义如下 参数名值 值域 解释 noASDU每帧报文传送的采样值点数 security Sequence of ASDU svID采样值标识 smpCnt采样值计数器 confRev配置版本 smpSynch采样同步标记 ASDU1 DataSet数据集配置的采样值 svID采样值标识 smpCnt采样值计数器 confRev配置版本 smpSynch采样同步标记 ASDU2 DataSet数据集配置的采样值 svID采样值标识 smpCnt采样值计数器 confRev配置版本 smpSynch采样同步标记 ASDUn DataSet数据集配置的采样值 ZH 3D 数字故障录