一种基于35kV变电站故障录波数据分析系统的研究与实现

邱艳，王鹏飞，孙云

摘要：35kV变电站是电网系统的重要组成部分，担负着为区域供电的重大职责。建设基于35kV变电站的故障录波数据分析系统，可以对变电站故障发生的全过程进行记录、监测和分析，从而提升变电站的故障分析和诊断能力，为电网安全可靠运行打下坚实基础。本文详细介绍了某电力企业35kV变电站故障录波数据分析系统的研究及实现情况，以期为其他电力企业的类似研究提供参考。

关键词：35kV变电站;录波数据;数据采集记录单元;数据管理单元

中图分类号：TP311    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）21-0156-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

电力系统[1-2]故障录波装置是自动记录电力系统事故和振荡的发生、演变以及恢复正常运行全过程的重要设备。它对保证电力系统安全运行及提高电能质量起着非常重要的作用，已经成为电力系统自动化控制与管理系统的重要组成部分。

35kV变电站是电网系统的重要组成部分，担负着为区域供电的重大职责。35kV变电站在运行过程中，易受到人为、环境、用户负荷等因素的影响，经常发生各类故障。目前，我国电网的110kV及以上电压等级的变电站，均强制要求配置故障录波装置，并以故障录波装置和继电保护装置为节点，构建了完善的故障信息系统，故障分析和处理能力大幅提升。而绝大部分35kV变电站没有配置故障录波装置，较常用的方法是采用多台录波便携录波装置协同工作，对可能发生故障的线路进行监视和记录，但存在以下问题：

⑴数据不全

线路或主变发生故障，对故障进行综合分析时，录波数据不全，是普遍存在问题。

发生故障的线路，电压、电流量有突变或越限，开关量会有变位，能达到录波触发条件的定值，可启动录波。但其他相关间隔，其电气量值的扰动一般不足以达到录波启动定值，无法启动录波。要使多个便携装置在故障时都启动录波，可通过减小定值的方式来实现。但带来的后果是无效的扰动数据增多，且即使这样，仍有可能有部分装置无法启动。

⑵采样不同步

多台便携录波装置独立工作，即使相关线路都达到启动条件，但达到启动条件的时间不同，因此多个录波文件的启动时刻不同。

录波采样率为5K时，每周波100点，两个点之间的时间差为0.2毫秒，对应的角度是3.6度。各录波装置不同步采样时，每偏差一个点，角度相差3.6度。虽然可以通过文件截取、移相等方法实现数据的同步，但不能保证准确性，且经移相的数据一定程度上失真。

⑶接线复杂

多台录波装置协同工作时，现场须接电源线、对时线、数据传输的网线等。35kV变电站的保护、自动化及其他装置均部署在一个小室，过于复杂的接线使得小室内的条件更复杂，也带来一定的安全隐患。

上述三个问题会导致变电站发生故障时，无法对故障进行全面的分析，导致故障排查困难。本文通过对35kV变电站故障录波数据分析系统的研究[3-5]，对35kV变电站生产全过程进行记录、监测和分析，以期提升35kV变电站故障分析和诊断能力，从而有效促进电网故障信息系统建设，为35kV变电站安全可靠运行打下坚实的基础。

1  系统设计思路

⑴分布式架构

系统采用分布式架构，如图1所示，系统由一个管理单元和多个记录单元构成。每个记录单元可采集24路模拟量和8路开关量，可按根据需要配置直流量通道。

⑵无线网络

采用无线网络进行多个记录单元的同步，管理单元采用无线网络连接记录单元。

⑶联动触发

单个记录单元触发录波时，所有在线的记录单元全部启动录波，且录波的启动时刻是相同的。

⑷对时和同步

对于具备全站时钟同步系统的变电站，系统能够直接接入。不具备条件的变电站，则以某一个记录单元为主时钟。此时，记录单元的绝对时标允许有偏差，但所有记录单元仍应处于同步状态。所有记录单元在任意情况下，均应同步采样。

⑸全站录波

管理单元收集所有记录单元的录波文件，生成全站录波文件。管理单元包含离线分析系统，对全站录波进行故障分析。

⑹系统可靠性

系统不依赖于时钟同步系统，也不依赖于任意一个记录单元。即任一记录单元的故障，不应影响其他记录单元的运行、同步、采集。

⑺动态扩展

系统运行过程中，可动态加入新的记录单元，要求系统的其他部分不需要退运，该记录单元能够自动加入系统，并进行联动触发和同步采集。

2  数据采集记录单元的研究

故障录波装置基于《DLT 553-2013 电力系统动态记录装置通用技术条件》《GB/T 14598.24-2017量度继电器和保护装置第24部分：电力系统暂态数据交换（COMTRADE）通用格式》等标准设计。目前主流技术方案的差异在于录波单元的设计方案。有两种较为通用的方案，一种是基于性能强大的X86架构CPU平台，采用实时操作系统或非实时操作系统;另一种是基于嵌入式低功耗平台，专业面向故障录波开发，不采用操作系统。

两种方案的技术路线示意图如图2：

以上两种方案各有优缺点，传统录波厂家均有采用。考虑到第二种方案有大量的技术积累，设计复杂性可由此前积累的经验或程序解决。同时从可靠性、可控性和成本方面考虑，本系统采用第二种方案。

3  数据管理单元的研制

管理单元的主要功能为：与记录单元通信、数据管理、数据检索、文件拼接、参数整定和离线分析。

⑴硬件平台

管理单元可离线运行，仅需要查看时开机即可。因而可基于工控平台或便携机实现。

⑵操作系统

考虑到安全性、兼容性和其他相关的问题，建议采用Linux操作系统。

⑶软件平台

为了增加系统的适用范围，建议采用跨平台的编程方法实现。系统所有软件可运行于目前主流的桌面操作系统。

本系统的记录单元可长期离线运行，管理单元仅在需要调取数据、分析故障时开机运行。综合考虑便携、性能等因素，管理单元可采用一体式计算机或笔记本电脑实现。考虑到系统安全性和相关标准及文件的要求，管理单元采用Linux操作系统，发行版为优麒麟18.10。优麒麟是由中国CCN联合实验室支持和主导的开源项目，其宗旨是采用平台国际化与应用本地化融合的设计理念，通过定制本地化的桌面用户环境以及开发满足广大中文用户特定需求的应用软件来提供细腻的中文用户体验。

4  软件的设计和实现

本系统是通用的录波数据分析平台，可载入COMTRADE文件，繪制波形，并可对波形进行浏览、变换、组合等基本操作，可进行谐波分析、矢量分析、序分量分析等基本分析，也可进行阻抗轨迹、双端测距等高级分析。系统的主界面如图3所示。

在实际使用时，用户只需通过波形页面的切换即可得到关心的波形，系统界面简洁，使用非常方便。系统采用所见即所得的打印方式，打印的通道即为当前页面包含的通道，打印时不需要再重新选择通道。打印时，既可以选择打印全部波形，也可以仅打印红绿游标之间的波形。波形的批注、叠加等在打印时同样有效。

参考文献：

[1] 陈昊琳，张国庆，郭志忠.故障录波器发展历程及现状分析[J].电力系统保护与控制，2010，38（5）：148-152.

[2] 徐岩，张晓明，吴卓娟，等.基于故障录波与保护信息融合的变电站故障分析系统开发[J].电力自动化设备，2011，31（1）：118-121，125.

【通联编辑：闻翔军】