1、山大电力山大电力WDGLVI技术介技术介绍绍浙江浙江0804WDGL-VI微机电力故障录波监测装置技术汇报山东山大电力技术有限公司山东山大电力技术有限公司1.概述 电力系统的发展需要：新一代的故障录波监测装置：应满足互联电网系统在发生大范围、长过程严重故障后事故分析的需要，实现稳态、动态、暂态全过程不间断记录全部电气量的记录能力；同时满足事故发生后电力系统稳定分析的需要，为广域意义上的同步测量打好基础。同时，在连网方面有相当的灵活性，并具有抗病毒能力。山大电力WDGL系列录波装置的发展山大电力WDGL系列录波装置的发展2007，2008年，新一代WDGL-VI录波装置概述（续）新一代WDGL-
2、VI型录波监测装置：采用可靠的嵌入式硬件和软件平台，全面提高了装置的可靠性，提高了设备抗干扰能力；装置采用内嵌GPS对时同步采样技术，为大范围故障分析提供保证，为广域同步测量提供基础平台；以独立的物理模块实现了稳态和暂态数据的记录，为超长时间、大范围和发展性的事故分析提供了可靠的数据来源；具有多网络接口，具有病毒免疫能力。2.设计目标总目标：结合多年的研究成果，利用最先进的电子技术，开发出具有可靠、先进、开放、准确和实用的新一代录波监测装置，使其具有独立的暂态、稳态数据存储管理单元，实现稳态录波功能，全面提高记录数据的可靠性水平；提供具有GPS绝对时标录波数据，为同步相量测量提供基础，满足新形
3、势下电力系统事故分析及系统运行的需要。具体目标 采用先进的嵌入式软、硬件平台技术，在保证系统实时性的同时，保证系统的可靠性与先进性。采用插件式模块化工业一体化设计，采用多CPU(DSP)并行技术以及CPLD技术。在高性能硬件平台基础上，稳态、暂态数据的记录采用物理上独立的存储单元，实现稳态数据的离散采样记录。满足大范围、长过程、发展性故障记录的需要，实现稳态记录功能及暂态、动态、稳态数据检索、分析。实现基于GPS标准时钟的同步采样，提供带有绝对时标的记录数据，为实现同步相量测量打好基础。具体目标（续）采用高精度采用高精度A/DA/D、通道误差矢量校正技术、频率跟踪、通道误差矢量校正技术、频率跟
4、踪技术，保证装置测量结果的准确性；技术，保证装置测量结果的准确性；采用高精度的测距技术，为电力系统的事故分析和恢采用高精度的测距技术，为电力系统的事故分析和恢复提供及时、准确的分析结果；复提供及时、准确的分析结果；软件设计与硬件采用模块化设计，预留将来数字变电软件设计与硬件采用模块化设计，预留将来数字变电站录波的扩展接口；站录波的扩展接口；通讯方式灵活，满足各种数据传输的需要，支持通讯方式灵活，满足各种数据传输的需要，支持103103标准规约，预留标准规约，预留IEC61850IEC61850规约接口；规约接口；具有可靠的病毒防护能力；具有可靠的病毒防护能力；具有高的电磁兼容特性及抗干扰能力。
5、具有高的电磁兼容特性及抗干扰能力。3.系统原理3.0 设计原则1）标准化DL/T533-94DL/T533-94：220KV-500KV220KV-500KV电力系统故障动态记录技术准则电力系统故障动态记录技术准则DL/T633-1999DL/T633-1999：220KV-500KV220KV-500KV电力系统故障动态记录装置监电力系统故障动态记录装置监测要求测要求DL/T873-2004DL/T873-2004：微机型发电机变压器动态记录装置技术准则：微机型发电机变压器动态记录装置技术准则2）具有先进性 利用最新的工业技术及电子技术成果3）可靠性 考虑电磁兼容性，保证系统可靠性 （北京0
6、8年度安全运行报告1，2）4）实用性 装置使用、维护方便，尽量满足用户发展的应用需求。3.1硬件平台设计3.1.0 装置总体构成 从功能上分，装置的主要由如下几部分构成：智能数据采集模块暂态录波管理模块稳态录波管理模块GPS时间同步模块数据处理及分析模块（见下页图）装置总体构成示意图装置正面（1）装置背面图GPS电源当地分析处理（推荐）智能A/D采集模块暂态存储管理模块智能开关量采集智能数据采集模快稳态存储管理模块总体硬件构成特点：稳态、暂态存储管理采用物理上独立的存储管理单元 采用高性能32位DSP及嵌入式（PC104）模块;插件式模块设计;多CPU(DSP)并行处理;CPU（DSP)之间经
7、双口RAM以总线方式通讯;具有GPS同步时钟功能。具有多网路接口（稳态、暂态各4个）3.1.1 嵌入式稳态、暂态存储管理模块 暂态录波管理模块与稳态录波管理模块采用相同的物理结构。主要包括两部分，PC104嵌入式子模块与管理DSP子模块。稳态（暂态）存储管理模块管理DSP子模块 由DSP、NVRAM、CPLD、双口RAM等构成。其功能：在采集模块与PC104子模块管理模块之间起桥接作用，同时又有自己的独特功能。该模块负责接收各智能模块数据，进行启动判断，并把故障前后的数据缓存到NVRAM中；同时实现与嵌入式暂态（稳态）数据管理模块的高速数据交换。管理DSP子模块技术特点 技术特点：采用128M
8、b大容量NVSRAM作为录波数据的高速缓存，保证系统在掉电或者后台有问题情况下数据不丢失；PC104总线与大容量双口RAM的应用，提高录波数据的贮存速度，保证系统冗余度；采用大规模CPLD技术，产生同步采集控制信号，增加系统可靠性与实时性；基于CPLD频率跟踪技术及GPS时钟同步技术 嵌入式PC104子模块：嵌入式PC104模块具有完整的PC功能和高效的CPU性能，体积小、3.1.2智能数据采集模块该模块主要由多个智能模拟量采集板及智能开关量采集板构成。其作用：主要在同步时钟的控制下，多个板进行同步的数据采集，并进行预处理，通过总线分别送到嵌入式暂态录波管理单元与稳态录波管理单元。1）智能模拟
9、量采集板智能模拟量采集板实物照片智能模拟量采集板技术特点：采用第三代32位浮点DSP：TMS320VC33。高精度A/D：16位；程序运行32位模式；双口RAM与管理模块交换数据；每模块采集16路模拟量。2）智能开关量采集板 主要由光电隔离电路、32位DSP及双口RAM等构成。见构成图。开关量信号经过光电隔离，送到缓冲电路。在同步采样脉冲控制下，对多通道开关量运行状态进行读取及变位预判断，然后通过双口RAM将数据送到DSP管理单元。本模块可采集32-224路开关量，以32路为单位选择。智能开关量采集模块构成图智能开关量采集板实物照片 技术特点 采用光电隔离，抗干扰能力强；开关量启动预逻辑处理，
10、减少DSP管理模块的启动判断时间；开关量通道数量扩展灵活。智能开关量采集板3.1.3 GPS同步时钟模块 主要作用：利用全球定位系统，获得精确时钟，并形成采样同步时钟脉冲，为CPLD频率跟踪与同步采集提供信号。功能特点：可以选装卫星接收模块，直接接入卫星天线，形成独立的卫星接收单元，不依赖其它GPS装置。可接收其它GPS发送的各种同步信号：IRIG-B码、秒脉冲、分脉冲、串行口等。可接收其它装置提供同步卫星信号：秒脉冲、串行口。采用CPLD进行解码、编码，配置灵活。GPS同步时钟模块构成（1）GPS同步时钟模块实物照片（1）GPS同步时钟模块构成（2）GPS同步时钟模块实物照片（2）3.1.4
11、当地数据分析处理模块 该模块主要负责数据的综合处理，参数设置等。是可选当地配置。模块采用了ETX（Embedded Technology Extended）嵌入式模块化CPU。ETX嵌入式计算机模块具有完整的PC功能和高效的CPU性能，是最近发展的新的工业控制技术。具有体积小，可靠性高，易于进行开发等特点。当地数据分析处理模块当地数据分析处理模块实物照片当地数据分析处理模块功能特点 主要功能是接收来自DSP管理模块的数据，对记录数据进一步缓存及分析处理、并进行显示或打印输出。技术特点：高性能、低功耗、免风扇工业级设计具有LVDS的LCD显示接口；具有双网络、RS232/485、Modem接口。
12、具有双USB接口。3.2 软件平台设计 软件平台的设计应满足装置可靠性和实时性的要求，同时考虑软件的维护、使用和扩展。稳态录波与暂态录波模块采用嵌入式Linux操作系统，而当地后台分析软件采用Windows操作系统。录波装置中采用了先进的嵌入式实时操作系统：Linux，具有实时、可靠、可剪裁、多任务等特点，适合于实时性要求高的磁盘存储管理和网络通讯。3.2.1 Linux Linux是一个类似于Unix的操作系统。Linux从1991年问世，Linux系统不仅能够运行于PC平台，还在嵌入式系统方面大放光芒，在各种嵌入式Linux OS迅速发展的状况下，Linux OS逐渐形成了可与Window
13、s CE等EOS进行抗衡的局面。目前正在开发的嵌入式系统中，49%的项目选择Linux作为嵌入式操作系统。Linux现已成为嵌入式操作的理想选择。其特点：精简的内核，性能高、稳定，多任务；针对嵌入式的存储方案，提供实时版本和完善的嵌入式解决方案3.2.2 Windows由于Windows系统是比较普及的办公应用操作系统，用户界面比较友好，因此，当地地后台机软件采用Windows平台软件，编程、使用维护比较方便。4.关键技术及原理 4.1嵌入式一体化工业级设计 新型录波装置采用全嵌入一体化设计，采用了嵌入式硬件平台与嵌入式软件平台。设计时把装置的各部分功能模块统一考虑，使不同的功能模块安装于一个
14、机箱内。因此各模块之间的数据交换可采用总线技术，减少了数据通讯造成的系统资源消耗。因此特别适用于采样速度快、数据吞吐量大、实时性强的系统。嵌入式一体化工业级设计（续）综合利用嵌入式硬件与软件技术进行一体化嵌入式工业设计，满足了暂态稳态数据独立存储、管理，提高了数据的可靠性。开发的录波装置具有可靠性高、抗干扰能力强，集成度高、体积小、维护方便等特点，整机装置通过了电磁兼容为IV级的抗干扰试验。4.2 基于CPLD的频率自动跟踪和同步相量测量 同步采样的要求包括两方面：时间同步和频率同步。时间同步:GPS技术可以有效地解决电网相量同步问题。频率同步：频率的跟踪与测量，目前典型的方法是PLL硬件锁相
15、及软件自适应跟踪。缺点：占用CPU资源，影响程序的稳定性，还会影响测量的精度。该装置采用CPLD解决这一矛盾。4.2.1频率同步 模拟信号经低通滤波器滤波，被鉴零比较器电路整形成方波后（信号A，如图4-2-1所示）接入CPLD，CPLD内的周期(f0=10MHz)，计数器记录两个上升沿之间晶振振荡次数m，模拟信号频率f由式（4-2-1）求出。f=f0/m （4-2-1）ABCC图4-2-1 采样脉冲及周期脉冲时序图 ABC频率同步（续）同时，A信号上升沿触发一个脉冲信号（图4-2-1 信号B，负脉冲），CPLD根据要求的周期内采样点数M（比如32点）计算出采样脉冲的间隔m。m=m/M （4-2
16、-2）由CPLD内的采样脉冲发生器（计数周期设为的计数器）触发下一个周期的采样脉冲（图4-2-1中信号C，负脉冲），并且做到每周期的第一个采样脉冲信号与周期脉冲信号同步。此方法为用CPLD实现的软件跟踪测频，以变化率每秒2.08Hz计算，则50Hz附近相邻两个周期之间的频率漂移仅为0.0832，而由实际情况可知，电力系统在稳态时相邻两个周期的频率变化非常小，可以忽略由两个周期内频率变化引起的误差。4.2.2 时间同步 CPLD实现的功能：通过CPLD实现时钟；CPLD获得同步时钟；CPLD输出同步时钟；形成采样脉冲及周期同步脉冲。加入GPS时标原理图CPLD计时及同步时钟获取 标准时间信息由秒
17、数+微秒数组成。UTC信息由RS485串口输入CPLD，CPLD接收后送DSP读取，DSP读入UTC信息进行处理，转化为基准时间为2000年1月1日0时0分0秒的秒累加形式即SOC（以秒表示的世纪（一百年）时间）。SOC存于DSP中，秒脉冲（PPS）经CPLD判断后接入DSP的外部中断，DSP收到PPS的中断后SOC自动加1。DSP可以利用读入的时间信息对SOC进行校正。在CPLD内设置微秒计数器，每秒计1百万个数，每次PPS来时，复位微秒计数器。时钟与数据同步 周期脉冲信号同时送给AD板和管理板，采样脉冲只送给AD板。AD板收到采样脉冲后触发一次采样过程，收到周期脉冲信号把采样结果和初步运算
18、结果写入AD板与管理板之间的双口RAM。管理板在收到第N个周期脉冲信号中断后记录SOC值和微秒累计值作为采样时刻的绝对时间，并从双口RAM中读取数据，此时的数据实际上是上一周期（第N1周期）的数据，所以在数据中加入N1周期记录的时间信息。4.3 模拟通道误差校正技术u通道误差校正的必要性：为了保证录波装置的数据精度、正确启动和精确故障定位，录波装置应具有很高的测量精度，传统的利用硬件电路调整通道变比的方法，不仅会造成测量误差，而且无法从根本上校正通道之间的相位偏移，从而影响电压、电流、有功、无功等模拟量的测量精度，导致测距结果不准。u基本的原理：通过试验获得几组通道输入与通道输出数据，利用最小
19、二乘法计算最优的通道变比参数和通道之间的相位误差参数，正常运行时即可利用估计出的变比参数和相位误差来校正采样数据，达到高测量精度的要求。4.3.1 通道变比的数学模型可以按照线性模型来确定通道的输入与输出关系。采用如下线性函数：4.3.2 通道变比校正将装置的电压通道并联，电流通道串联，加入同相位的交流电压和交流电流信号（注：电压信号和电流信号之间也必须同相位），改变输入的电压和电流信号的值，获得m组相对应的采样数据和输入数据，则按最小二乘准则，k和y0 的值按下式进行估计：4.3.3 通道相位校正在输入同相位交流信号的情况下，设通道i有m次相位测量值为：采用如下公式计算通道i对于通道1的相移
20、：4.3.4 测试结果-电压电流回路4.3.4-测试结果-有功无功4.3.4 测试结果-交流电压、交流电流相位一致性测试4.3.4 测试结果-不采用通道矢量误差校正时的有功无功测试结果4.4 高精度测距技术4.4.1单端测距测距是故障录波装置的一个主要功能，虽然利用单端电气量进行的故障测距技术从原理上受过渡电阻和对端系统阻抗变化的影响，但在实际运行中所能够获得的故障数据多为单端数据，为了能够尽快地进行故障定位、查找故障原因和恢复故障，实现高精度的单端测距技术已成为录波装置必不可少的功能之一。影响单端测距精度的因素（1）录波数据的精度）录波数据的精度 录波数据的精度对测距结果存在很大的影响，录波
21、数据的精度通过上述通道误差矢量校正技术来保证。影响单端测距精度的因素（2）非周期衰减直流分量）非周期衰减直流分量 测距算法采用的是电压电流的基波分量，而非周期衰减直流分量的存在，直接影响富氏滤波算法中基波分量的提取，从而影响测距精度。非周期衰减直流分量影响单端测距精度的因素（3）故障点过渡电阻和对端馈入电流）故障点过渡电阻和对端馈入电流 过渡电阻对端馈入电流 发生故障后，流过短路点过渡电阻的短路电流为本侧短路电流和对侧短路电流之和，对侧短路电流为未知量，无法获得，因此在测距中只能近似计算出对侧的短路电流。影响单端测距精度的因素（4）线路分布电容 在输电线路较长，电压等级较高的情况下，分布电容对
22、测距精度的影响较大。根本原因在于：对工频分量，因分布电容的影响造成实际测量阻抗与用单位长度阻抗乘以距离所得阻抗值之间有一定误差。例如，设线路每公里正序阻抗值为z1=r1+jx1，正序分布电容为c1，故障距离为Lf。按集中参数测量阻抗为Zs1=z1Lf，而对于分布参数线路实际测量阻抗应该为：Zs2=Zc1th(Lf)。可见装置感受的实际阻抗与故障距离是不成正比的。滤除非周期衰减直流分量取故障后第一个周波的数据，利用全周波傅氏滤波得到：从故障后半个周波的位置开始取一个周波数据，进行全周波傅氏滤波得到：因为K1和K1，K2和K2以及Im和Im，Re和Re之间存在一定的运算关系，Re、Re、Im、Im
23、可以通过采样数据利用离散傅氏算法求得，从而根据上面的公式可以得到Re和Im，达到了滤除衰减直流分量的目的。测距算法以A相接地故障为例：根据故障后各序网络分析:DA为电流分布系数：最终的测距方程为：零序电流补偿系数 考虑长线路分布电容影响的补偿方法为了消除分布电容的影响，在测距算法中加入了距离补偿系数，首先利用集中参数测距算法得到近似的测距结果Lf，把此结果代入Zs2表达式中：令：q称为距离补偿系数求出q的值以后，将其乘入线路阻抗参数中来补偿分布参数的影响，然后再利用补偿后的线路阻抗参数重新进行测距，经过几次迭代运算，可以得到更为精确的故障距离。北京电力科学研究院动模试验数据测试结果电压等级：5
24、00kV，线路长度：402km，正序电阻：0.018/km，正序电抗：0.28/km，零序电阻：0.12/km，零序电抗：0.83/km，正序电纳：4.2097uS/km，零序电纳：2.8274uS/km。山东电力科学研究院RTDS试验数据测试结果电压等级：500kV，线路长度：300km，正序电阻：0.0195/km，正序电抗：0.28/km，零序电阻：0.1828/km，零序电抗：0.86/km，正序电纳：4.26uS/km，零序电纳：2.89uS/km。实际录波数据测试结果4.5稳态数据的记录、检索与分析 离散方式记录稳态数据功能是新型录波装置的突出特点，它所实现的超长时间不间断地连续记
25、录所有模拟量和开关量数据的功能，为大范围、长过程、发展性的事故分析提供了可靠的数据来源和分析工具。但是，离散稳态记录功能的增加对装置的硬件设计和软件设计是个严格的考验，如何应对稳态记录给装置开发带来的诸如存储容量、通讯速度、存储介质可靠性以及分析等方面的困难，一直是围绕着整个开发过程的一个重点内容。4.5.1 存储容量问题 离散的稳态记录使装置需要记录的数据容量猛增，以一台有80路模拟量和224路开关量（WDGL-VI型录波器的最大配置）的录波装置为例，稳态采样频率为1.6kHz（可选800，1600，3200Hz），则一天需要存储的数据大小为：1600Hz （2bytes 80个模拟量通道
26、28bytes开关量数据）3600秒 24小时 26G bytes 大量的数据存储需要相对较长的存储时间，解决数据存储带来的时间延迟问题是装置稳态记录首先考虑的问题。解决方法：n 缓冲机制提高存储效率n 压缩机制减少写盘时间与空间4.5.2 通讯速度 通讯速度问题，即DSP管理板和暂态、稳态存储管理模块之间的通讯速度，涉及到大量数据传输的“瓶颈”问题。装置采用了基于总线的多CPU并行处理及双口RAM技术，其通讯速度可以达到12M bytes/s，也就是说传输1秒钟的稳态数据（大约300k bytes）仅需约25ms的时间即可完成。因此，系统设计有较高的冗余，为实现其它的功能，奠定了良好的基础。
27、4.5.3 存储介质的可靠性 大量的数据读写，会严重地影响了存储介质的使用寿命，普通硬盘的使用寿命和可靠性要远远低于笔记本电脑中使用的移动硬盘，因此装置中采用了高可靠性的移动硬盘，它具有体积小、重量轻、功耗小、抗震耐用、使用寿命长等优点。装置中采用三级存储，开始数据暂存基于SRAM的掉电保持RAM（其读写次数不限），然后转存工业级电子盘，再转存笔记本硬盘，或者通过网络转存到服务器。这样保证最新的数据，既存于电子盘，又存于硬盘，提高数据安全性。4.5.4 稳态记录的数据方式 正常采用设定的采样频率（800、1600、3200Hz）进行连续的记录。当有关稳态设定的定值越限时候，则采用设定的暂态采样
28、频率来记录。同时，稳态数据带有与GPS同步的精确时标，稳态数据调到主站后，可以从系统的角度进行相角差计算、在线潮流计算、在线状态估计、在线参数辨识、在线静态安全分析等，同样可以利用这些数据进行系统稳定的预测和监测，为电力系统安全稳定运行提供数据来源。4.5.5 稳态数据的检索分析 WDGL-VI型录波装置能够连续不间断地对所有通道进行稳态记录，分析软件可实现模拟量稳态分析、开关量稳态分析、功率稳态分析、频率稳态分析、差动电流稳态分析等功能。在在图形界面上可以实现稳态时的阻抗图分析、相量图分析、序分量图分析、差流分析，可以进行波形编辑、添加标注，可以进行打印预览和打印，同时可以实现波形的矢量缩放
29、、单独缩放等功能。在稳态分析中通过嵌入暂态波形实现了稳态、动态和暂态数据的统一分析，体现了新一代录波装置在大范围、长过程录波数据分析上的突出特点。稳态分析窗口的功能与故障分析窗口基本相同，这里只介绍稳态数据的打开和检索方法。稳态数据的检索分析（续）有有6 6种方式可以打开或检索稳态数据：种方式可以打开或检索稳态数据：（1）从一览表打开。在“录波、自检、事件”一览表中选择并直接打开对应的稳态数据文件。（2）单击打开。单击主界面上的 功能按钮可进入稳态分析窗口，双击某记录可打开对应的稳态数据文件。（3）直接打开稳态文件。（4）按档案打开稳态数据。（5）按时间范围选择打开稳态数据。（6）稳态事件检索
30、。5.在线分析功能6.功能特点 嵌入式一体化硬件体系结构 先进可靠的实时多任务操作系统Linux为软件平台 采用物理上独立的记录存储单元记录稳态数据与暂态数据，稳态数据记录采用离散的记录方式，不小于144小时（6天，1.6KHz采样，160GB稳态硬盘）不间断地记录全部模拟量和开关量稳态离散数据，为大范围、长过程、发展性故障的研究和分析提供了可靠的数据来源。采用了掉电保持RAM（NVSRAM)、工业级电子盘、笔记本硬盘三级冗余存储技术，保证录波数据的可靠性与安全性。技术特点及创新点(续)独立的8个（暂态、稳态各4个）网络接口，方便不同网段的数据远传通讯；基于LINUX系统的数据联网，彻底实现病
31、毒的隔离与免疫；不需UPS就能够记录直流失电后不小于600ms的数据；GPS对时同步采样：A/D采样与GPS秒脉冲同步，稳态、暂态数据都带有绝对时标，时间精度；根据预设条件智能预处理，稳态事件记录与检索功能，远传过滤，虚拟通道设置。售售 后后 服服 务务 岗岗 位位 比比 例例技术开发技术开发5656人人 27%27%工程技术工程技术4747人人 23%23%销售销售 35 35人人 17%17%行政行政 21 21人人 10%10%生产生产 49 49人人 23%23%售售 后后 服服 务务 公司工程技术部负责录波测距装置的咨询、安装调试、产品维修及技术培训。现场调试人员都经过培训，考核合格
32、，具备公司规定的调试资格。售售 后后 服服 务务 承承 诺诺 （一）（一）及时提供技术资料和图纸，必要时邀请买方参与技术设计审查。主动提供满足设备接口要求的技术条件及资料。严格按照合同规定交货，满足工程设备安装进度的要求。主动为用户培训现场运行人员并提供相关资料。我方将派技术人员，参加现场开箱检验，指导安装和调试。参加试运行和性能验收实验，直至设备投运。售售 后后 服服 务务 承承 诺诺 （二）（二）产品实行终身维修，无论何方原因造成的设备缺陷、部件损坏，我方先进行现场服务并提供有关配件，确保设备正常 运行。我方承诺，接到用户现场服务通知立即给予答复，保证于24小时内或用户规定的时间内派人到达现场。随时满足用户对备品备件的要求。浙江省电力公司供货情况目前公司录波装置研制情况数字化录波装置 在统一的硬件平台基础上研发。南京新宁：IEC61850-9；南瑞：IEC60044-8；接收 GOOSE数据。目前已经投运4个220kV数字化站：山 西：兴县站、交口站 青 岛：午山站 哈尔滨：延寿变基于光纤通讯分布式录波装置研制IEC61850规范的应用：目前已经通过国家继电器监测中心开普实验室监测。数字接口采集板（一）数字接口采集板（二）
