电站故障录波系统设计

电站故障录波系统设计（共7篇）

电站故障录波系统设计 篇1

电力系统故障录波器是研究现代电网不可缺少的工具,其主要任务是记录电力系统大扰动(如各种短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等)发生后的系统电压、电流及其导出量,如系统有功功率、无功功率,以及系统频率的变化全过程。

随着GOOSE的应用成熟变电站逐步实现了全面数字化,要求录波器提供开入的数字化接入,数字化站开始实现由模拟量的点对点通信到模拟量组网[1],录波器由集中式到分散式。

1 系统结构

智能故障录波器能全面适用于智能变电站,既可集中设计也可分散组网[2],对于模拟量接收方式,由于单向多路点对点串行链路传输协议[3]Sampled values over serial unidirectional multidrop point to point link(FT3)协议将逐渐不被采用,二次设备的模拟量接收将全面实现IEC61850-9-2[4],所以FT3模拟量接收这种方式只是过渡过程。如图1所示基于FT3模拟量接入方式的系统结构图:系统主要分为4大单元,即GOOSE接收、解析单元、数据集中器单元、录波处理单元和录波管理单元,单元之间的数据走向,以及单元内部数据的流程均以方向线标出。图2是基于IEC61850-9-2模拟量接入方式的系统结构图:系统主要分为4大单元,即GOOSE接收、解析单元、IEC61850-9-2报文接收单元、录波处理单元和录波管理单元,单元之间的数据走向,以及单元内部数据的流程均以方向线标出。

2 系统各单元设计

2.1 GOOSE接收、解析单元

GOOSE接收解析单元负责GOOSE报文的接收和解析,同时将解析好的开关量状态传送给录波处理单元,如图3所示GOOSE接收、解析软件进程,根据IEC61850通信系统中GOOSE的要求[5],需完成GOOSE协议栈的嵌入式系统实现和Windows环境下GOOSE配置软件开发[6]。主要功能是:GOOSE配置文件解析;ASN.1解码;GOOSE应用层协议栈;数据集的存储;与录波管理单元的通信。

2.2 数据集中器单元

数据集中单元主要负责接收模拟量报文,并将设计进入录波器的所有模拟量进行同步并集中送给录波处理单元,本单元的设计对外提供了灵活、丰富的协议接口,既可提供24路FT3输入接口,又可提供8路IEC61850-9-2或IEC61850-9-1报文[7]接收百兆以太网光口,2种方式均可满足96路模拟量的通道容量。

2.3 录波处理单元

录波处理单元采用实时多任务模块化软件设计方法,各个模块(任务)主要有6点功能。

a.接收开关量、模拟量缓存中断任务,负责将GOOSE接收、解析单元和数据集中单元接收的开关量状态和模拟量采样值进行实时缓存,形成实时数据窗。

b.数值计算任务负责实时计算每一路交流通道的幅值和相位,每一条线路的负序电流、有功功率、无功功率,每一组电压的频率、正序电压。

c.录波启动任务负责按DL/T663-1999 220~500 k V电力系统故障动态记录装置检验测试要求提供各项启动[8],即任何一路交流通道突变启动,且突变启动能在1 ms内判出;任何一路交流电流过量启动;任何一条线路负序过流启动及电力变差振荡判别启动元件;任何一组电压高频、低频启动,正序过压、欠压启动;变压器过激磁启动。针对通道和设备启动的流程,每一种启动均可根据情况进行配置,设备启动和通道启动流程图如图4所示。

d.任何一种启动满足启动条件后,通知故障波形记录任务按照DL/T553-94 220~500 k V电力系统故障动态记录技术准则[9]和DL/T663-1999 220~500 k V电力系统故障动态记录装置检验测试要求所要求的采样及记录方式形成故障波形文件,且各阶段的采样速率和记录长度均可调,在录波处理单元里配置了100 GB的SATA(Serial Advanced Technology Attachment)硬盘,足以满足长振荡过程以及复杂转换性故障启动长时间高速记录,形成波形文件后立刻通过文件传输协议FTP(File Transfer Protocol)镜像备份到录波管理单元,实现录波数据双备份[10]。

e.全球定位系统(GPS)对时及时钟维护模块可接收站内GPS各种对时方式,保证录波时间绝对准确。

f.由和录波管理单元通信模块负责启动定值、启动配置任务,实时监视数据。

2.4 录波管理单元

录波管理单元主要负责:故障录波器模型建立[11],配置管理下发,波形文件管理,故障波形分析,启动定值管理,故障测距,MMS对外通信[12],每一路模拟量的实时向量监视,有功功率、无功功率、频率、正序电压、负序电压、负序电流的实时监视以及开关量状态实时监视。

与站控层设备通信主要提供以下服务:

a.IEC61850 FILE文件服务,传输故障录波文件及故障录波简报;

b.IEC61850 SGCB定值组控制块服务,实现定值查看、修改、投退;

c.IEC61850 Report报告服务,传输故障装置故障信号和故障录波启动信号;

d.IEC61850 Control控制服务,实现远方启动录波和复归录波告警信号。

3 硬件平台及软件平台构成

智能变电站故障录波系统采用了嵌入式、32位双核处理器MPC8270,它具有强大的以太网通信能力和数据处理能力,其603e内核CPU主频工作在450 MHz,自带硬浮点处理器,通信CPM工作频率300 MHz,有4个100 M网口和2个10 M网口,2个串口。软件平台采用嵌入式强实时多任务操作系统Vx Works。

4 结语

智能变电站故障录波系统能全面满足现在的数字化变电站和今后的智能变电站的录波需求,可集中录波也可分布组网录波,它能全面支持IEC61850协议,设备间通过高速光纤以太网实现数据、信息共享;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[13],录波数据采用镜像双存储,启动判据灵敏且可靠,本智能变电站故障录波系统已于2008年在河南郑州陈庄220 k V数字化变电站,2009年在天津陈甫数字化220 k V变电站和广西桂林500 k V数字化变电站相继投运。

摘要：智能变电站故障录波系统是针对当前智能电网的发展而设计开发的故障录波分析系统。系统可接入智能变电站过程层网络的IEC61850-9-1或IEC61850-9-2模拟量采样值(SMV)报文和IEC61850-8-1面向变电站事件的通用对象(GOOSE)报文,并将GOOSE解析成实际的开关状态,并且系统也支持SMV+GOOSE共网模式,直接从交换机获取SMV和GOOSE。系统与站控层设备的通信采用IEC61850制造报文规范(MMS ISO 9506)通信规约,实现与站控层设备的互操作。系统采用嵌入式POWERPC硬件平台和嵌入式实时多任务VxWorks操作系统,满足了当前智能变电站对故障录波器提出的新要求。

关键词：IEC61850,智能变电站故障录波系统,POWERPC,VxWorks,FT3

电站故障录波系统设计 篇2

关键词：故障录波信息管理系统,继电保护,应用研究

0 引言

传统故障录波信息收集汇报效率不能满足现代调度运行的要求, 加强建设故障录波信息管理系统势在必行。随着计算机技术和通信网络的发展, 故障录波器已经具备以数据通信的方式向电网调度中心传送故障信息的能力。基于计算机技术和通信网络的保护及故障录波信息管理系统也应运而生, 它能在无人干预下长期稳定地运行, 是一个分布式高可靠性开放系统;它是能适应各种规约类型和接口类型的微机智能保护装置, 因而可预见, 它能适应未来网络技术的发展。

1 关于保护及故障信息系统

保护及故障信息系统, 既是一个电网故障时的信息支持、辅助分析和决策系统, 同时又是一个继电保护运行和管理的技术支持系统。继电保护故障及信息系统作为一个信息收集、整理和分析的平台, 可以全面、简便、快速地获取故障信息。该系统的组成主要有:省网调度端主站/地市调度端分站系统 (以下简称主站/分站) 和变电站/发电厂内继电保护工作子站系统 (以下简称子站) 。主站 (省网调度端) /分站 (地市调度端) 安装在相应的调度端, 主要用于查询、调取和管理各自所管辖电网的保护及故障信息系统, 提高管理电网故障信息的自动化程度。主站具有最全面、有效的信息, 并具有根据需要调用各种信息的功能, 应该具备故障分析功能, 用于事故的判断与处理。子站安装在变电站/发电厂内, 负责厂站内二次设备的接入、数据汇总、预处理和转发;子站信息系统应该具有足够的安全性、准确性和实时性, 且对所连接的设备不会产生任何干扰;子站所收集的故障信息必须是完整的, 并能对其进行过滤处理。最有效发挥信息系统效用的基础是良好的通信网络;系统的可用率取决于正常情况下对系统的有效监视;系统的结构设计应满足系统拓展与维护便利的要求。

2 背景

随着故障录波器在电网中的普遍使用, 故障录波器的录波信息完好率已成为一项考核标准, 而目前各变电站故障录波器考虑得较多的是对以往设备功能的替代, 在数据的综合利用方面考虑较少。电网微机型故障录波装置的广泛应用使传统故障录波信息收集汇报不能适应现代调度运行。本地区变电站原录波信息远传全靠电话拨号方式实现, 数据传输较慢、技术落后, 使得工作效率低, 数据难以综合管理。具体表现在:

(1) 变电站录波文件上传调度及继保班组完全靠电话拨号的方式实现, 数据传输慢, 而且通道设备也比较容易发生故障引起中断, 例如远传电话的通道占线或中断。运行人员只能根据保护装置发出的故障信号去检查故障录波器, 将故障录波信息打印出来, 再通过传真机把纸质的故障录波图传送地调, 地调继保人员再将传真件转至中调, 这样将会影响故障录波图的准确性和完整性, 影响继保人员判断处理电网故障或事故的快速性, 从而导致处理电网故障的效率低下, 延长电网恢复正常运行方式的时间。

(2) 虽然各种厂家的故障录波器都能输出故障信息, 但由于各个厂家对故障信息输出格式并无统一的参照标准, 不同厂家的故障录波器可能输出不同的故障信息格式, 这要求继保、运行人员必须熟悉不同厂家设备的工作原理和习惯, 增加了设备维护与电网运行人员的负担。

(3) 各种故障录波器将自己收集的故障录波数据保存在自身的硬件装置中, 而录波器的硬盘容量有限, 不能长久保存且容易丢失录波文件, 无形中增加了继保人员维护工作量。同时既不利于录波报告的调取也不利于调度继保人员对故障信息数据的查询、统计和统一管理等。

(4) 地调是在调度中心设有各个厂家的故障录波器的中心站, 独立调用自己的故障信息数据, 运行情况不佳。调度运行人员一般只能根据当地变电站的运行人员的电话汇报或传真进行事故分析处理。由于种种原因, 这种工作方式的差错率很高, 容易延误事故的处理时间。

3 研究方法与实施方案

建立变电站故障录波信息管理系统有利于生产运行部门快速作出事故处理方案, 优化生产调度与管理决策, 防止信息不全误判断造成的事故扩大, 减少电网的事故损失。

目前国内变电站的保护设计形式按照继电保护装置的分布和配置分类, 主要有以下2种:第一种是集中式, 就是所有继电保护装置都集中安装在一个保护室内, 一般与主控室相邻;第二种是下放式, 就是继电保护装置按照不同电压等级安装在几个保护小室内, 保护小室一般建设在一次设备场地附近。本文主要研究的是继电保护装置集中式配置的变电站, 采用这种形式的变电站, 保护及故障录波系统的应用方法为:把采集器安装在变电站端, 用于采集变电站内各种故障录波器的故障录波数据, 经过光纤通道向各级调度端传送故障信息数据, 形成一套故障录波信息综合管理系统。建设“继电保护及故障信息系统”旨在提高调度系统智能化、信息化的总体水平, 使二次装置运行、管理的各个环节“可控、在控”, 实现继电保护专业管理现代化, 从整体上提升电网调度运行管理水平。该类型变电站的实施方案如下:

(1) 将变电站内的各种故障录波器所输出的故障信息进行集中处理, 形成站端数据网络。可在电网正常运行时收集电网运行的状态信息, 在电网发生故障时快速收集故障信息。

(2) 在变电站端将不同厂家的故障录波器的规约和接口统一后, 使变电站向调度端上送的数据使用统一数据格式、通信规约和电气接口。因此, 开发该系统时, 必须考虑到与各种录波器厂家生产的装置进行数据转换, 以达到数据格式统一, 为以后建设智能化的信息管理系统打下良好的基础。

(3) 另外开发出一套故障录波信息综合管理系统。当电网有设备发生故障跳闸时, 该系统会自动收集故障数据, 并具备将故障数据传送至各级调度端的功能, 这样各级调度运行人员就可以根据需要, 在电网发生故障后快速地对各个相关厂站的故障录波数据进行调取, 并对调取的故障录波信息统一分析处理。该系统还可以对故障信息适当编辑, 形成通用格式或标准格式的故障录波文档, 根据工作需要相应调度继保人员可以把故障录波文档, 通过办公网络或者电子邮件形式传送给上级部门以及其他部门需要的人员, 供其分析研究。开发该系统必须考虑到与各种保护数据的接口, 为日后保护管理系统的接入提供适当准备。

4 技术关键和重点解决的技术问题

由于设备采购的限制, 往往导致不同的变电站采用不同厂家的故障录波器, 不同厂家一般采用不同的通信规约和电气接口。即使有统一的标准, 也由于各厂家对其不同的理解, 导致各个录波器厂家提供的通信规约文本和电气接口说明没有统一的标准, 这势必影响整个保护及故障录波信息系统的使用。另外保护及故障录波信息系统还涉及了计算机、继电保护、通信和网络等相关的设备和专业知识。例如变电站、发电厂与各级调度端联系的计算机设备、通信网络、系统程序和操作系统都会对其产生影响。这就给系统开发以及投运后的维护工作提出了新的要求, 需要重点解决的技术问题如下:

(1) 解决如何使信息传递的可靠和快速的问题。在分析现有电网二次系统实际情况的基础上, 确定保护及故障信息系统的结构, 设计整个系统的网络结构方案。采用Intranet方式对故障信息综合分析系统进行网络建设, 解决信息传递的可靠性和快速性问题, 以改变以往只能在事后进行离线分析的落后状况。

(2) 解决设备停电问题。根据不同设备厂家, 开发相应的通信接口程序并进行系统联网调试。变电站内不同电压等级继电保护装置也不同, 相同设备也往往会使用不同生产厂家生产的装置, 另外, 既使装置型号相同, 由于生产时间不同也会导致装置软件版本不同。为了使系统可靠运行, 必须现场调试, 鉴于继电保护装置对于电网的安全稳定运行的重要性, 调试会受到一次设备的停电时间限制, 安装调试的工作量将会很大, 为完成现场安装调试, 需要向专业人员协调设备停电问题。

(3) 解决系统软件功能需求问题。系统软件功能应包含:接收各种保护装置及故障录波装置上的故障信息, 将各种信息保存在数据库, 通过对数据进行分析, 将设备故障信息发布在相应的Web网上, 保证相关人员能够查询使用。

(4) 解决自适应恢复和故障智能诊断所面临的问题。继电保护及故障录波信息系统建立后, 将会使综合利用故障录波和继电保护数据成为现实。下一步如何对收集的数据进行使用, 以达到故障智能诊断。故障诊断和信息快速集成的最佳方式是使用Intranet内部网, 做到全网监测数据后, 在此基础上加强数据共享和再分析。比如, 将故障录波信息系统与相应调度机构的调度自动化网 (SCADA) 系统或者供电局内的生产管理信息系统相连, 让相关故障处理人员充分掌握处理电网故障的各种数据及依据。在此基础上进一步发展, 就可以实现故障恢复专家决策系统, 对提高电网自动化水平具有深远影响。

5 结语

建立变电站故障录波信息管理系统有利于生产运行部门快速作出事故处理方案, 需将变电站内的各种故障录波器所输出的故障信息进行集中处理, 并开发出一套故障录波信息综合管理系统。重点解决的技术问题包括信息传递的可靠和快速、设备停电、系统软件功能需求和自适应恢复和故障智能诊断。

参考文献

[1]汤少卿, 陈晟.电网故障信息快速集成和智能诊断系统的研究[J].电力自动化设备, 2005 (1)

[2]薛梅芳, 陈晟, 汤少卿.基于虚拟仪器技术的高速网络型电力故障录波器研究[J].电力自动化设备, 2005 (1)

电站故障录波系统设计 篇3

目前,随着特高压输电网络的建设,我国现有的电网体系发展主要聚焦于超高压和大电网,而电力系统的安全性也变得更加重要。故障录波系统主要负责记录电力系统障碍或故障,传统的故障录波方法是将所有录波数据传输至调度方,通过对接收的数据进行集中处理,分析导致故障或障碍的因素。而随着智能电网和数字化变电站的发展,传统故障或障碍分析模式已经难以适应[1]。文章通过分析P2P理论体系和智能电网及数字化变电站的故障录波需求,提出了以P2P技术为基础的电网故障录波系统,具有很好的理论价值和实践意义。

1 P2P理论

所谓P2P(Peer-to-Peer),指的是对等网络,其特点是非中心化和对等化。基于P2P技术,存在于网络中的所有信息能够被最大程度地利用,网络用户能够简易地对网络信息数据进行共享[2]。在一个遵循P2P协议的网络体系里,网络节点没有层次级别的划分。换言之,节点与节点之间是对等关系,一方面每个网络节点能够为其他网络节点提供信息数据,此时该节点的定位是服务端;另一方面,该网络节点还可以获取其他网络节点的资源或服务,此时该节点的定位是客户端[3]。

2 基于P2P的数字化变电站故障录波应用

2.1 系统平台架构

根据P2P体系的优势,结合故障录波的分布处理需求[4],构建基于P2P技术的故障录波管理系统。电网出现故障时,存在于各个间隔之内的录波器即被启动,分析本间隔数据后,通过P2P模式与位于其他间隔的录波器实现录波信息的交互。提取关键信息传输至系统子站,最后结果汇总传输至调度端进行全网范围的分析。基于P2P的故障录波管理分析系统平台的节点单元分布在3个层次上,包括调度节点层、普通节点层和超级节点层。普通节点层与超级节点层的节点之间交互资源的描述信息。在3个层次的节点上,只需保存信息的索引即可,信息的具体内容则存储于普通本地节点[5]。

数字化故障录波系统按照模块化的思想来设计,总体结构包含录波记录单元和辅助分析单元(见图1)。

报文解析模块包含了MSV报文解析模块和面向通用对象的变电站事件(Generic Object Oriented Substation Event,GOOSE)报文解析模块,其功能为从数据通信网接收报文,并按照标准中定义的MSV报文和GOOSE报文的格式提取出模拟量采样值和开关量采样值,是整个故障录波器的数据来源,其工作的稳定性直接影响到整个故障录波系统的性能。录波就地启动模块负责实时收集报文解析出的模拟量采样值和开关量采样值,录波记录单元的数据通信模块实现通信功能,包括与辅助分析单元的数据通信模块进行数据通信和与外界实现数据通信2方面。

2.2 系统组件

2.2.1 普通节点组件

普通节点指的是分布于厂站内的故障录波器,普通节点的软件架构如图2所示。

1)预处理组件。预处理组件是普通节点的核心组成部分,主要功能为进行录波文件的实时分析。系统中同步进行故障录波与数据分析,提升系统的实时响应能力。录波文件的预处理过程主要包括抽取录波文件中的关键数据,包括产生故障的精确时间、产生故障之前与之后相/序量等。为了获取完整的数据,预处理组件必须和位于其他间隔的录波器进行交互,P2P的分布式特点可以减轻调度端负担。

2)本地存储组件。与传统电网中基于调度服务器的系统不同,在对具体的录波数据进行保存时,采用分布式本地存储模式,本地存储组件的功能是进行录波文件本地保存。

3)信息分级组件。在数字化变电站的故障录波系统中,涉及到多种类型和属性数据的存储与传输,不同类型数据对实时性的要求不同,信息分级组件可以将各种属性的信息进行区分,并结合数据信息的实时性要求对其进行传输队列的配置。

4)通信规约组件。负责将故障录波系统记录的数据映射到具体的通信协议栈上,同时网络上有数据到达时通知应用程序接收数据,是实现故障录波系统通信功能的必备组件。

2.2.2 超级节点组件

基于P2P的超级节点组件为普通节点建立的连接。具体过程设计如下。

1)网内的所有普通节点组件向本区域的超级节点组件传递“注册消息”,包含了本节点的基本信息。

2)超级节点收到注册信息之后,进行汇总,建立索引数据库,同时将数据传输至调度节点。

3)调度节点结合收到的数据信息,生成一次接线图,并将各个节点的信息发布给区域内的所有超级节点。

4)特定普通节点向超级节点发送“查询请求”,超级节点分析之后,从数据库中查询目的节点的ID,并向该节点发出目的节点的IP信息。

5)特定普通节点之间进行基于P2P的消息事件传输。

2.2.3 调度节点组件

调度节点组件是直接面向电力系统调度人员的组件,该组件的主要功能是获取来自区域内所有超级节点组件对故障录波数据的分析结果。系统引入了优化神经网络算法,基于遗传算法对其进行优化,以遗传算法的全局搜索性来克服神经网络过度依赖梯度下降的缺陷,通过计算适应度与遗传误差,对神经网络权值和阈值进行持续调整,从而确定最佳权值。预测精度在可接受的区间内,是一个可行的预测模型,并且有效规避了传统神经网络方法的一些缺陷。此外,随着故障录波数据的分析进程,调度节点组件还需要结合一定的条件来判断是否需要获取其他录波文件,系统集中管理目录、分布式存储文件,避免由于数据传输过于频繁而导致通道阻塞。

3 结语

文章在P2P理论分析的基础上,结合数字化变电站的实际特性与需求,构建了故障录波管理系统。但系统尚有一些不足,需要在以后工作中逐步改进。

1)在P2P体系下的故障录波查询请求属于模糊性较强的语意查询模式,应进一步提升其查询请求的精确度。

2)故障录波系统涉及到协调启动事项,精确定位系统故障的实际区域范围,实时启动位于该区域的故障录波器,需要进一步研究和探讨。

参考文献

[1]骆健,丁网林,唐涛.国内外故障录波器的比较[J].电力自动化设备,2001,21(7):27-31.LUO Jian,DING Wang-lin,TANG Tao.Comparison of domestic and foreign fault recorders[J].Electric Power Automation Equimpment,2001,21(7):27-31.

[2]赵自刚,赵春雷.国产故障录波器现状分析及新型录波器展望[J].电网技术,1999,23(3):44-46.ZHAO Zi-gang,ZHAO Chun-lei.Present situation analysis of domestic fault oscillographers and prospects for new type of fault oscillographers[J].Power System Technology,1999,23(3):44-46.

[3]张井广.IEC61850在故障信息处理系统中的应用[J].自动化与仪器仪表,2008(1):38-42.

[4]HUANG Y C,YANG H T,HUANG C L.A new intelligent hierarchical fault diagnosis system[J].IEEE Transactions on Power Systems,1997,12(1):349-356.

电力故障录波监测系统设计与研究 篇4

关键词：电能质量,快速傅里叶变换,继电保护

0 引言

电力系统故障是指系统中某一元件的正常运行状态遭到破坏。发生故障后一般会引起电流增大、电压和频率的降低或升高,从而导致电气设备和用户的正常工作遭到破坏[1]。电力故障录波监测系统的主要任务是记录系统大扰动如短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等发生后的有关系统电参量的变化过程及继电保护与安全自动装置的动作行为。

1 系统总体设计

整个系统分为三个子系统:录波子系统、远程监控子系统、对时子系统。录波子系统对电力系统进行多点故障诊断,记录故障发生时系统的动态电参量及开关量的状态。远程监控子系统实现故障信息传输与保护及安全装置日常运行监测的双重作用。对时子系统提供了标准统一时间,保证系统时间同步。[2]

2 系统硬件设计

系统硬件部分主要对电力系统进行多点故障诊断,记录故障发生时的动态电参量及开关量的状态,由信号调理模块、信号处理模块和通信模块组成。

2.1 信号调理模块

本模块负责电力系统数字量与模拟量信号的隔离与变换,以供信号处理模板进行采样,对模拟量还要进行滤波处理,以消除5k Hz以上的干扰。本系统中信号调理模块支持8路模拟量,可以接入4路电流、4路电压,支持8路开关量。模拟量直接来自电力设备,而开关量则由相应装置空触点送来。

2.2 信号处理模块

信号处理模块是整个故障录波系统的核心,要求有很高的实时性及检测精度。它对经过前端处理后的模拟量与数字量进行采样,依据启动判据,诊断是否有故障发生。本模块由DSP处理器、模拟量采样模块、开关量采样模块、存储模块与调度模块通信接口四部分组成,与调度模块通过双端口RAM连接,实现故障记录的上传。DSP处理器选用TI公司的浮点处理器TMS320C33芯片,成本低,支持32位浮点运算,主频60M。

2.3 通信模块

通信模块是录波设备与上位机服务器之间的桥梁。当发生故障时,它负责接收信号处理模块记录的故障记录,然后把数据缓存到FLASH中,同时通过以太网、CAN总线、485总线等通信接口(三选一)上传到上位机,供专家进一步的故障分析。另外,通信模块也负责转发上位机下达的远程监控命令。

通信模块微处理器采用了Motorola公司的Cold Fire5282,主频最高可以达到80M。支持BDM调试接口,可以动态跟踪运行路径。存储方面,2K Cache用于数据与指令的高速缓存,64K双端口SRAM分别与内部、外部总线相连;Code Fire5282还带有Flex CAN模块、3个串口、I2C模块、SPI模拟—数字转换模块、定时器、DMA控制器、开门狗定时器等。

3 系统算法设计

录波系统的启动算法大致可分成突变量启动[3]、基频稳态分量算法[4]、正负零序启动,频率启动[5]等几个类型,本文主要介绍频率启动算法。

利用电压信号波形过零点的时间间隔进行频率测量是一种比较常用的频率测量方法,这种算法的优点是计算量小,便于实时计算。本文利用DSP的快速处理能力和算法计算所得的电压向量得到一种简便快速且精度较高的测频算法。

设系统额定频率为f0,系统实际频率为f,则f=f0+df。系统电压为

令θ(t)=2πdft+φ0,则有

设每周期采样N个点,初始采样频率为Nf0,采样时间间隔t=1/Nf0。将(2)式写成离散形式,则第k个采样电压值为:

如系统频率不发生偏移,根据迭代付氏算法每个采样间隔计算所得相量在复平面内保持不动。但当系统频率发生偏移df时,相量将在复平面内以2πdf的速度旋转。当系统实际频率大于系统额定频率f0时,沿逆时针方向旋转;当系统实际频率小于系统额定频率f0时,沿顺时针方向旋转。因此,可以通过测量相量幅角的变化获得频率实时测量结果。测量原理由式(4)、(5)、(6)决定。

则系统测量频率f=f0+df。频率测量启动判据算法流程如图一所示。

为了考察本系统设计中提出的频率启动判据算法的性能,对电压信号中包含各高次谐波的情况进行计算机仿真。输入信号为:xn=4cos2πft+0.6cos2π*3ft+0.3cos2π*5ft。

当实际频率f为48Hz时,采样频率fs=N*f0,进行N=256点采样。

由输入信号可知,对于基频分量来说,其幅值为4,实际频率为48Hz,仿真结果测量频率f1为47.9995 Hz,精确小数点后4位。

当实际频率f为52Hz时,采样频率fs=N*f0,进行N=256点采样,算法原理同上。

对于基频分量来说,其幅值为4,实际频率为52Hz,仿真结果测量频率f1为51.9567Hz,精确小数点后4位,如表一所示。

通过比较可以看出,测量频率与实际频率的误差不大于0.001,符合《220~500k V电力系统故障动态记录技术准则》规定的频率参量标准50.5Hz≤f≤49.5Hz、df/dt≥0.1Hz/s。本算法的优点在于在计算量相对较大、时实性强的情况下,能大大简化计算且精度比较高。

5 结束语

本文针对电力系统故障的危害性,对传统故障录波监测方法的改进,进行了电力故障录波监测系统的硬件设计和算法仿真,仿真结果符合《220~500k V电力系统故障动态记录技术准则》所规定的性能指标,同时大大简化了计算,提高了精度。

参考文献

[1]Hart David,Novosel Damir.A new Frequency Tracking and phasor estimation algorithm for generator protection[J].IEEE Trans on PWRD,1997,12(03):1064-1073.

[2]国家标准局.220～500kV电力系统故障动态记录技术准则DL/T553-94[Z].电力行业标准,1994.

[3]王亮.嵌入式电力系统动态记录装置及故障诊断研究[D].江苏:河海大学,2004.

[4]王振树,张波,李欣唐.新型电力故障录波监测系统[J].电力系统自动化,2007,31(10):92-97.

电站故障录波系统设计 篇5

随着我国电力系统的迅速发展, 农村电网也正在经历着建设、发展和改造的过程。在这种形势下, 农网对其相应的记录和分析电力故障的要求也越来越高。电力系统故障录波器是用于记录和分析电力系统发生故障后相关电参数的变化过程以及继电保护动作行为的装置。故障录波器的主要作用是记录发电机组发生故障和异常运行时电气量或非电气量变化过程, 利用其在故障前后一段时间记录的系统运行数据可以很方便地查出故障原因。事后将该过程再现, 作为分析继电保护的动作行为、分析故障的重要依据, 以积累运行经验, 提高系统安全运行水平。故障录波器是分析电力系统故障特别是分析继电保护动作行为的不可缺少的重要依据[1,2,3,4]。

目前, 现有的录波器在实际应用中存在着一些问题, 如存储容量小、通讯速率低、测量通道少、测量模块单一等。本文结合现实中的实际需要, 运用FPGA、提出了一种新型录波器的设计方案, 阐述了检测系统设计, 并在设计中分析验证了数据采集和数据处理模块的输出结果。

1 故障录波器的总体方案设计

根据电能质量国家标准以及系统最低参数要求, 本文提出了基于FPGA的整体设计方案, 其结构如图1所示。整个系统主要分为4部分:AD采样模块、FPGA时序逻辑控制模块、DSP数据压缩分析通讯模块和上位机分析处理模块。采集模块中的调理电路将电网电压电流调理变换为AD采样模块可采样范围的信号, AD采样模块中数据选择器切换6路模拟通道, 输入AD进行模数转换, 采集后的数据经过DSP进行数据压缩后通过通信接口传输给上位机处理模块, 进行各种分析处理工作。系统的总体方案结构图如图1所示。

1.1 系统核心组成介绍

1.1.1 FPGA的选择

本文FPGA芯片采用的是Altera公司的EP1C3T144。它拥有2 910个 (逻辑单元) 和58kbits容量的RAM。支持各种I/O标准;支持ASSP和ASIC设备;支持外部存储器, 包括DDR SDRAM (133MHz) , FCRAM和SDRAM[5,6,7,8]。

1.1.2 DSP的芯片选择

DSP芯片采用的是TI公司的TMS320F28335数字信号处理器。TMS320F28335数字信号处理器是TI公司最新推出的 32 位浮点DSP 控 制器。最高 150 MHz 主频、外部存储扩展接口、看门狗技术、3个定时器、18个PWM输出、16通道的12位AD转换器。与TMS320F2812定点DSP芯片相比, 增加了单精度浮点运算单元 ( FPU) ;高精度 PWM;Flash 增加了1倍;增加了DMA功能, 能够将ADC 的转换结果等直接存入DSP的任一存储空间;增加了1个CAN通讯模块;增加了1个SCI接口, 增加了1个SPI接口[9,10]。

1.2 信号调理电路

录波器是不能直接测试电厂的高电压和大电流信号, 测试电压信号来自TV (电压互感器) 的二次侧电压;电流信号来自变压器出线侧的TA (电流互感器) 上。低压信号再通过衰减调理将其变成5V以内的可测电压范围, 经过数据采集模块AD采样, 将模拟信号变成数字信号。

信号调理模块中选择精度等级0.2的电压互感器和精度等级0.5的电流互感器, 电压互感器的具体规格是U1N/100V , 电流互感器的具体规格是I1N/5A。在信号调理电路中, 将电压互感器输出的100V电压转换为5V电压, 电流互感器输出的5A电流转换为3.5V电压。图2和图3分别为电压与电流的调理电路。

1.3 AD采集电路

数据采集系统除了包括调理电路, A/D采样模块是最基本也是最重要的模块, 根据数据指标电压测量的误差不超过0.1%, 选择16位A/D, 可以提供200个采样点, 每周期需要每路60kHz采样率。数据采集单元, 要求具有一定的采样率, 而且还要求具有良好的线性、低失调性, 同时又不能有太高的价格。综合以上因素, 在本系统中选用的A/D转换器是ANALOG DEVICE公司生产的AD7655, 用2片, 不超过100个IO引脚, 采样率1MSPS, 供电电压范围4.75～5.25V, 采样范围0～5V, 功耗135mW。

1.4 FPGA时序控制电路

FPGA时序控制模块主要完成通信, AD采集模块的数据读取、保存以及底层信号的预处理工作。FPGA的时序控制图如图4所示。

控制模块采用EP1C3T144C8作为控制核心, 具有超强的数据处理能力, 按照事先设置的模拟量和状态量的启动判据, 判断是否满足启动条件。若满足启动条件之一, 则立即发出一个启动信号。该启动信号将被其他采集单元接受, 作为启动录波的起始信号。故障录波开始后, 如果有复归信号, 则结束本次录波;如果有突变量或开关量启动, 则开始新的录波;如果没有复归和新的突变量, 则保持录波, 直到稳态量不满足启动判据而停止录波。录波结束后, 控制单元首先将缓存中的数据进行整理, 然后把录波数据进行数据压缩处理, 经过压缩后传给上位机, 由上位机利用故障录波分析软件进行分析处理, 为故障分析提供依据。

2 系统的软件部分

系统的主流程如图5所示。

3 系统的实验分析

图6为电压调理电路测试波形图。输入信号是由调压器输出的220V工频交流电, 图6 ( a) 的波形为调理电路的电压互感器输出信号, 图6 (b) 的波形为整个调理电路输出信号。由图6可以看到电压互感器实现了电压转变, 很好地调理输出最终测试信号。

4 结语

故障录波器是常年投入监视电力系统运行的一种自动记录装置。性能优良的故障录波器对保证电力系统的安全可靠运行具有非常重要的作用。针对传统录波器采样率较低, 本文根据各项电能质量标准设计了一种高采样率的电力故障录波系统。实际运行表明, 该故障录波器实际采样速率能达到20Msps, 从而较大程度地保证了录波数据的完整性和真实性, 上位机界面友好, 使用方便, 便于进行故障测距和事故分析, 能够完成波形绘制和数据库的管理等一些基本功能。

摘要：随着农村电网的改造和发展, 农村用电对电力系统的安全性要求越来越高, 为了适应市场需求, 针对传统的故障录波器的采样率低, 成本及故障再现不准确的现象, 设计一种基于FPGA+DSP的故障录波系统, 采用EP1C3T144作为控制器, 设计了具有电网信号的采集、记录、存储、分析和完成各电能质量指标检测的功能的录波检测系统, 同时, 并详细地介绍了装置的软硬件结构和功能。试践证明, 该系统具有实时采样、同步误差小、电能参数检测等特点。

关键词：农村电网,故障录波,FPGA,DSP

参考文献

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电站故障录波系统设计 篇6

一、水电站故障信息系统所发挥的功能

(一) 水电站故障报告生成

故障保护装置和故障录波器所发出的故障信息传送到故障信息系统中, 就会伸长故障信息报告, 与故障相关的所有信息都会被写入报告中, 包括故障发生时间、故障地点、元件、保护装置动作情况以及评判等等。当报告完成后, 就会传递到调度监控主机。

(二) 对故障信息分类处理

如果水电站运行中有故障发生, 就会有多个保护设备同时启动, 并产生大量的故障信息。对这些信息如果没有及时处理, 就会导致主站充满了垃圾信息而妨碍对有价值的故障信息的处理和判断。所以, 子站要对故障信息技术处理, 以能够向主站提供有价值的故障信息。虽然主站所接收的故障信息多数与故障相关, 但是这些信息根据主站需求不同而划分为几个等级, 还要根据管理部门不同而进行分类, 以将准确的信息传送到相应的主站系统。

(三) 简化处理录波文件以获得准确的保护信息

当水电站运行中发生故障, 所有的录波器都会做出反应并产生动作, 而与故障相关的只为一个录波器中所生成的一个录波文件。鉴于水电站故障线路仅为1条, 而面对数个故障通道模拟, 就有必要简化处理录波文件, 所涵盖的内容仅为故障线路所产生的电压、电流以及线路上的开关量。随着故障录波文件的自动生成, 故障所在线路以及具体位置就会被判断出来。故障设备的保护装置也会准确判断。这样, 就会达到短时间有效信息传递的要求, 可以尽快地对故障做出判断。

(四) 应用开关量变位信息对故障以定位

当水电站运行中发生故障, 越是短时间内获得故障信息, 越能够确保电网运行安全。在对故障信息以判断的时候, 可以根据保护信息就可以对变电站的故障信息以准确判断, 按照规定的级别分类, 然后获得所需要的故障信息。

(五) 继电保护整定值的管理

在水电站的日常管理工作中, 继电保护是重要的一项。提高继电保护质量, 就要管理好继电保护整定值, 以提高整定值的准确率, 降低整定值核对的工作量。

(六) 安装网络隔离器

水电站的电网上配置有很多设备, 每一天设备都有各自的网址。随着设备的改造升级, 要做好电网维护工作, 就要对这些设备进行定期的维护和检修, 加大了设备维护的工作量。另外, 水电站内的设备都会构成具有独立功能的运行网络, 安全问题尤为突出。在电网上安装网络隔离器, 主站要访问站内设备, 就要通过隔离器才能够对站内的设备进行访问。

二、信息系统的故障信息传输要求

故障信息系统的信息主要来源于保护装置、故障录波器以及安全设备。在系统信息中包含大量的故障信息, 或者是故障动作状态, 或者是警告, 还包括大量的故障录波数据信息, 都是通过故障报告显示出来的。从信息传播情况来看, 有主动性传递的, 也有接受到调用信号后传递的。

系统设计上, 系统运行故障发生过程中所产生的跳闸以及设备故障警报, 要设定为主动上传, 无论是传送途径, 还是传送顺序, 都要有限考虑。对于保护装置所产生的故障信息以及故障录波数据, 可以采用调用方式。为了提高信息传递效率, 要对断点续传的信息传递功能以支持, 以避免网络上传递数据信息时受到干扰。

在故障信息传递中, 采用国际标准协议, 可以实现互操作性, 特别是在系统运行中, 能够实现无缝通信, 以满足系统的各项功能需求。

三、故障信息系统的通信协议

故障信息系统所产生的各种故障录波信息, 来源于故障发生时所产生的模拟量以及数据信息。随着保护装置容量的增大, 一些相关信息也会在保护装置上有所记录。当对水电站的电网故障进行分析的时候, 根据保护装置所提供的数据, 可以对故障以正确判断。

故障录波数据的信息量大, 主站对数据信息可以采用调用的方式, 以确保收到准确的故障录波数据。主站在调用故障录波数据的过程中, 根据文件列表中的文件名进行FTP下载来完成。

在故障信息系统中, 子站所在地域不同, 信息传递的通道也会有所不同。虽然理论而言, 信息传递通道可以数据网络作为平台进行传输, 也可以采用专线方式进行传输, 但是, 通信通道的物理层会有所不同, 或者是微波通道、或者是光纤通道, 包括载波、无线等数据通道都可以被充分地利用起来传输数据。通道的接口最好是通用的, 或者按照实际的通道对接口规格要求进行配置。

故障录波数据量越来越大, 故障信息系统虽然设置了专用的数据传输通道, 但是, 数据信息传输都要采用通用接口, 或者可以支持的接口, 以保证数据信息高质量传输。加之目前网络技术快速发展, 就可以在数据传递中采用多种方式, 除了专线传递之外, 还可以选用电话网传递方式。

四、水电站子站的继电保护所发挥的功能

(一) 水电站子站系统各个装置信息

子站系统中的继电保护系统是以保护装置、故障录波器、通用接口所构成的保护工程师站。子站系统中安装的装置各有不同, 包括厂家、型号以及安装的时候都会有所不同, 所建立的通信协议也会有所不同。在子站系统中, 有可以应用通用接口直接安装以太装置的, 也有经过保护管理机而接入到以太装置, 部分装置则经过协议转换器接入到故障录波器。通过这些装置, 保护工程师占可以收集到各种信息, 且将过滤和技术处理过的保护信息和故障录波信息传递到主站。采用这种转换方式, 工作量会有所减少。

(二) 子站系统与自动化系统的通信

子站系统与通信网络之间是各自独立运行的, 经过相关装置收集数据信息。所有的信息数据都不需要通过包括工程师站等保护装置处理后转发, 可以使工程师站的工作量大大减少, 提高了信息通信的安全可靠性。

结语

综上所述, 随着水电站电网规模化发展, 继电保护和故障录波器的数据信息处理、分析和传递都已经成为电网故障分析重要途径。鉴于目前电网运行存在着故障信息繁杂且使用效率低的问题, 就需要对故障信息系统所发挥的功能以明确, 数字信息系统的故障信息传输要求, 重要的是要对故障录波器的进行处理, 以确保对故障信息的正确判断。关于水电站继电保护信息的处理, 包括子站系统各个装置信息、子站系统与自动化系统的通信等, 都需要子站继电保护发挥功能来完成。

摘要：电力系统运行中, 如果有故障发生, 继电保护装置和故障录波器就会有大量的相关信息生成。这些信息在监控主机上显示出来, 同时显示的还有其他信息。这些信息经过分析可以明确, 有价值的信息仅占有所显示信息量的35%-40%。当这些故障信息由调度监控主机接收后, 技术人员要将所有的信息分类, 将有价值的信息筛选出来, 据此而对故障以判断。大量信息传送中, 会对信息传递速度造成影响, 还不利于调度人员对故障做出快速而准确地判断, 影响了故障处理效率, 不利于电网安全运行。本论文针对水电站继电保护及故障录波器的信息处理进行探究。

关键词：水电站,继电保护,信息,处理

参考文献

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电站故障录波系统设计 篇7

电力网络发生故障时,故障录波装置会动态记录系统电流、电压及其导出量等,以检测继电保护与安全自动装置的动作行为,分析系统暂(动)态过程中各电气量的变化规律,校核电力系统计算程序及模型参数的正确性。

由于故障暂态信号是一种非平稳信号,覆盖的频谱较宽,因此要求录波装置的采样率较高,通常为k Hz级,从而得到了海量的故障录波数据,使得故障信号的存储和实时传输面临困难[1]。录波数据压缩技术可以解决这一问题。

小波变换是目前数据压缩的最常用方法。文献[2-5]分别利用多小波、双正交小波、小波包及自适应小波变换压缩故障录波文件;文献[6]提出了小波最优分解层数的确定公式;文献[7]讨论和比较了小波变换的不同预处理方法对数据压缩的影响。此外,LZW编码、图像处理等技术也被应用于电力记录数据的压缩[8,9]。

本文立足于整体录波文件,根据故障录波数据的特点,提出了分通道分时段压缩方案,即针对某一通道某一时段的录波数据,以快速傅里叶变换(FFT)重构误差为依据,判定使用FFT压缩或者小波压缩。通过MATLAB仿真和华中电网实际故障录波数据,验证了本方案的可行性及优越性。

1 故障录波数据特点

根据IEEE的COMTRADE标准,一个完整的录波文件通常由3个文件构成,即头文件、配置文件和数据文件。其中数据文件包含实际录波数据,该文件按采样时间点顺序进行记录。采样时间点数取决于记录时间的长短,每一采样时间点采集的数据个数取决于录波装置。每个数据采样记录格式如图1所示,其中n为采样编号(4字节);timestamp为采样时标(4字节);A1、…、Ak为模拟通道采样数据,每个通道数据大小为2字节;D1、…、Dm为状态通道采样数据,以每16通道2字节(16位)为单位,即16个状态通道为一组连续显示。

按照我国DL/T553—94《220~500 k V电力系统故障动态记录技术准则》[10]要求,模拟量信号需按故障发展的顺序分A、B、C、D、E 5个时段进行采样,其中,A时段为系统大扰动开始(t=0)之前的状态数据,输出原始记录波形及分析值;B时段为系统在大扰动初期的状态数据;C时段为系统在大扰动中期的状态数据;D时段为系统动态过程数据;E时段为系统长过程的动态数据,直到故障或振荡结束。

故障录波是从系统某处故障前一段特定时间开始的,而其他线路是正常运行的,因此大多数模拟通道数据不受故障影响或影响较小,在整个记录时段内,近似呈稳态周期性变化,信号以基波分量为主,可能还包含高次谐波;大多数开关量(状态通道数据)在录波过程中不会发生变化,因而包含大量的冗余信息。

2 数据压缩方案

根据录波数据的上述特点,对于模拟通道数据,用FFT算法和小波变换分别对正常数据和故障数据进行压缩;对于状态通道数据,若其在录波时段发生变化,则记录其变化起始点和结束点的时标以及各变化段的状态值,否则只需记录原始状态值。

2.1 FFT压缩方法

对模拟通道数据进行FFT计算,在某个给定的错误容限下,把小于相应阈值的FFT系数置零,减少需要传输的系数,从而实现压缩。对于离散的周期信号,FFT压缩效果非常好。

2.2 小波变换压缩方法

小波变换压缩的基本目标是使信号在时间-频率域的分解系数所占的存储空间尽可能小,同时还要保证压缩后的系数能精确地反映原始信号所携带的信息。在实现的过程中,信号可以用近似系数加部分的细节系数来表示,以达到用更少的空间来存储小波系数并尽量保证重建质量的目的。压缩过程可以分为如下3个步骤:

a.对原信号进行小波分解,得到分解系数;

b.对小波域中的系数进行处理,去除信号中的冗余(可以指定压缩的一些参数来获得需要的压缩比、误差等性能指标);

c.利用处理后的系数,重建压缩后的信号。

2.3 录波数据压缩方案

以输电线路故障录波为例,其录波数据的压缩流程示意图如图2所示。录波通道数据为某一线路的电气量,包含5段不同采样率的采样数据,从A段开始逐一进行FFT压缩,以重构信号与原信号的误差作为压缩成功与否的判断准则:若重构误差大于阈值,则进行小波变换压缩,然后读取下一段的数据;否则直接进入下一段数据的读取。如果本通道数据已经压缩完毕,则重新开始下一通道数据的压缩流程。

对于正常通道数据采用FFT压缩。对于故障通道数据,由于A时段处在故障发生前,此时系统是正常运行的,采用FFT压缩;而B、C、D、E时段包含了故障暂态信息,具有显著局部特性,FFT已不适用,考虑采用具有时域局部化特性的小波变换压缩。

3 压缩方案实现中的关键技术

3.1 DFT频率校正及压缩方法

录波数据采样频率一般是工频的整数倍,当电网处于额定工频时,对于稳态周期信号,FFT算法具有良好的性能,压缩比高,误差小;但当电网基频偏离额定频率时,频谱泄漏效应会导致FFT压缩算法压缩比大幅降低,同时压缩误差明显增大。现采用DFT校正技术来解决这一问题,可在有较大频率偏移时保证稳态信号压缩的高精度、高压缩率。

3.1.1 DFT校正方法[11]

以采样周期Ts对模拟量信号u(t)等间隔采样,得离散序列{u(n)},再用长度为N的窗序列{w(n)}对{u(n)}加权截断,得到序列uw(n)=u(n)w(n)(n=0,1,2,…,N-1)。设信号u(t)为一个单频率为f1的不含谐波的信号,且离散窗序列w(n)的频谱W(f)具有线性相位,则在f=f1附近近似有:

其中,W0(f)为一实函数。Uw(f)的相位谱为:

以f0=1/(NTs)为采样频率对Uw(f)进行抽样,可得序列{uw(n)}的DFT Uw(k)及其相位Φ(k),设f1=(k0+α)f0(-0.5≤α≤0.5),即信号频率f1接近k0f0,若能求得α,即可求得u(t)的频率、幅值和相位为:

其中, 、Φ(k0)可由uw(n)的N点DFT求得。

α用相位差校正法求取。将u(t)在时域平移m Ts(m为整数,且1≤m≤N)得u1(t),对u1(t)重复上述推导可得Φ1(k0),同理,Φ1(k0)亦可由u1w(n)的N点DFT求得。由于ΔΦ=Φ1(k0)-Φ(k0)=2πf1m Ts,于是有:

3.1.2 频率校正后压缩方法

对录波通道数据进行上述算法处理求得α后,采用式(3)计算得到基波及各次谐波的频率、幅值和相位,设置相关阈值滤除能量成分不高的谐波,并以正弦波形式重构近似周期信号,再进行FFT压缩。后续仿真结果表明,对频率偏移的信号进行频率校正后的FFT压缩,其压缩比大幅提升,误差减小。

3.2 小波分解结构及最佳分解层次

在MATLAB中,根据给定的小波变换函数,求解原始信号的多尺度分解,分解层数为Nd,函数返回分解向量C和长度向量L。图3是Nd=3的多尺度分解结构图[9],信号x经过3层分解后在C序列中存储4个系数,分别是近似系数cA3(表征信号本身特征的低频系数)和细节系数cD3、cD2、cD1(表征信号细微差别的高频系数),序列L中存储各个系数的长度。

为了保证重构信号与原始信号的近似度,应使最底层近似系数包含工频成分,因此本文以式(6)确定最大分解层数[1]:

其中,int表示取整;fs为采样频率,电力系统工频为50 Hz。

3.3 小波作用阈值的确定

输电线路故障时,暂态信息主要隐藏在信号的畸变点上,通过设置阈值来舍弃幅度较小的无关小波系数。其基本原理是,设置某一尺度j下的阈值[5]为:

其中,M为原始信号的数据长度;dj(n)为小波分解后的细节系数;λ为比例系数,且0≤λ≤1,λ=0.1表示阈值设置为小波细节系数最大值的10%。

信号经过J级压缩处理后,重构信号的小波细节系数为:

所以只需存储和传输信号较少的数据,即小波分解得到的低频系数和高频系数,这样就实现了对原始数据的压缩。当需要原始数据时,可以根据小波的重构公式计算存储的数据恢复信号。

4 仿真及压缩实例

4.1 FFT和小波压缩的选择判断

本文采用华中电网某220 k V变电站110 k V线路真实故障B时段录波数据作为仿真验证样本,采样频率为2 k Hz。图4、图5分别是FFT压缩和小波压缩的效果图。其中FFT压缩阈值设置为fft(u)最大值的0.3%,小波压缩采用coif5小波基,分解层数为4,比例系数λ=0.001。

从图4和图5可以看出,FFT在压缩故障信号时,重构信号对故障信息反映不够精细,且有较明显的边界效应,误差很大。而小波压缩能精确重构故障信号,确保故障信息不丢失,且误差相对很小。以此为判据,在对信号进行FFT压缩后,如果误差很大,则改用小波压缩。

4.2 频率偏移对FFT压缩的影响

压缩包含基波及3、5次谐波成分的周期信号u,采样频率为2 k Hz。阈值分别为fft(u)最大值的0.3%、0.5%、0.7%。图6为FFT压缩后不同阈值下剩余数据百分比与频率的关系曲线,剩余数据百分比=(1-零系数个数/系数总数)×100%。

图中3条曲线表明阈值越小,压缩后的剩余数据越多;另外,频率偏移越大,剩余数据百分比也越大,在工频50 Hz处,可以获得剩余数据百分比最小值1.5%。

图7是不同阈值下的最大误差百分比与频率的关系曲线,其中最大误差百分比为重构信号与原信号之间误差最大值和原信号最大值的百分比。从图中可以看出,在信号频率偏移工频50 Hz时,最大误差百分比明显增大,最大可达29%左右,只有在工频处,误差才会降到零。阈值设置得越小,保留的细节部分越多,误差也会更小,这也是图中0.3%曲线误差小于0.5%和0.7%曲线误差的原因。

从图6、图7可以看出:频率偏移50 Hz时,剩余数据百分比较大,误差也较大,重构数据不能精确地反映原信号特征,压缩性能不能达到最优,因此需要对信号进行频率校正再进行压缩;剩余数据百分比和最大误差百分比是一对成反比关系的性能指标,要获得较小的剩余数据百分比,阈值设置需要较大,而这时的误差也会相应地增加,因此,在实际中应根据指标要求设置阈值。

4.3 频率校正FFT压缩

在MATLAB中,以包含基波及3、5、7、11次谐波(电力信号一般很少含偶次谐波)的余弦周期信号为原信号,采样频率2 k Hz,采用圆周对称的bartlett窗,其频谱数学表达式为:

故障录波分析属于离线分析,为了提高压缩性能,减小误差,本文窗长度取400,谐波测量最高次数为10次。

图8是信号频率等于49.9 Hz,采用FFT测量压缩算法的重构信号及误差图。通过原信号和重构信号的比较能够发现,重构信号能精确恢复原始信号所携带的信息,误差非常小,零系数成分(即压缩后零系数个数/系数总数的百分比)达到97%。

图9中原信号数据采样频率为2 k Hz,数据长度为400,谐波测量最高次数为20次,误差控制在±0.5%内,零系数成分为98.5%。

4.4 录波数据整体的压缩性能

对电网实际故障录波数据分通道分时段压缩,零系数成分及压缩时间(取多次测试后最大值)结果分别如表1、表2所示。表1中通道1、2、3、4分别为该线路的A、B、C三相电流和3倍零序电流。

线路1发生了C相单相接地故障,即通道3、4的B、C、D时段是故障时段,在FFT压缩判断后改用小波变换进行压缩,由于数据携带故障信息丰富,且小波分解层数为4层,故零系数成分较少,压缩时间较长。

线路1的通道1、2全部时段和分别处于故障前和切除故障后的通道3、4的A、E时段以及线路2所有通道的各时段都是正常运行数据,采用FFT频率校正压缩,零系数成分比较高,一个正常通道所有时段的压缩时间总计19.97 ms。

综上所述,如果本地存储压缩后的数据,采用本文算法可整体上节约80%以上的存储空间,极大地降低了存储成本。在实时传输方面,以一个通道数据为例,压缩前数据大小约为10 244×2字节,FFT压缩后由于只需记录非零值采样点采样编号及其FFT变换系数值,其大小为618字节。如果通过以太网发送(以太网数据帧最大长度1500字节),只需一次即可发送完毕,减少了网络流量,降低了CPU资源占用量。

5 结论

本文立足于整体录波数据,提出了一种分通道分时段数据压缩方案,即采用FFT算法分段压缩数据,若数据重构后误差较大,则改用小波变换压缩。当频率偏移较大时,常规FFT算法的压缩误差较大,剩余数据百分比较高,这时可采用基于DFT校正算法的改进FFT压缩方法。通过理想数据和实际故障录波数据的仿真测算,验证了算法较高的压缩性能,以及重构信号良好的信息保留特性。该方案在电力系统故障录波数据压缩中的应用是可行的。

摘要：针对电力系统大量故障录波数据的传输问题,以故障录波数据在整体录波文件占据较小比例为依据,提出一种立足于录波数据整体的分通道分时段数据压缩新方案。对于周期信号的压缩,快速傅里叶变换(FFT)算法具有压缩比高的特点,因此先对分段数据进行FFT计算,若误差较大则改用小波变换压缩。在电力系统频率偏移额定值的情况下,采用加窗傅里叶变换校正算法,保证压缩率和压缩精度。仿真研究和实际录波文件的压缩应用表明,算法能获得较高的压缩性能和较小的误差,验证了该方案的可行性和有效性。