故障录波装置

故障录波装置（共7篇）

故障录波装置 篇1

概述

故障录波器在我们电力系统的使用愈来愈广泛, 它是系统进行故障分析、快速判断故障类型、快速确定故障位置的有效工具;它为我们系统运行的稳定、提高输电质量、缩短故障排除时间提供了有力的保证。

本文就南京银山电子有限公司制造的YS-88A型故障录波装置作一介绍, YS-88A故障录波装置是一台运行在UCDOS操作平台下, 采用工控机模式的线路、主变故障录波装置。它在我们徐州电力系统中得到了广泛的使用。从多年的使用经验来看, 使用较方便、运行较稳定、录波成功率较高。

1、装置组成及工作原理

1.1 组成

YS-88A型故障录波装置的各功能单元全部装于标准 (2260*800*600) 机柜内, 自上而下, 它由网络通信拨号单元 (TX01) 、有源变换器单元 (ATU-128) 、数据处理器单元、无源变送器单元PTU-12 (最多六个) 、电源单元、键盘和打印机组成。其中, 数据处理单元是YS-88A故障录波器的核心。

数据处理单元分工控计算机部分和A/D转换采集部分。工控计算机部分采用台湾产ECB-640E工控主板, 16M内存, 4 0 G硬盘, 3.5寸软驱。C P U的主频为133HZ, 主板具有硬盘接口、软驱接口、打印机接口、键盘接口、网络接口和专用LCD液晶显示屏接口。同时支持键盘操作和单元面板的薄膜功能按键操作。A/D转换采集部分由六块可进行12路A/D转换的前置机板, 1块负责采集128路开关量及告警等其它信号的前置机板, 1块实现工控计算机部分与A/D转换采集部分通信的P C I O板组成。

变送器单元:一个变送器单元包括12个高精度小型变送器 (分电流型变送器和电压型) , 它将二次信号 (电流和电压) 转换成统一的-10V～+10V的电压信号, 输入前置机进行A/D转换。

有源转换单元:四块具有32路输入的开关量板、一块告警板;主要是进行开关量的采集和告警信号的输出。

电源单元:交流、直流输入控制开关, 交流电源、直流电源自动转换电路板。主要对整个装置的电源管理。

通信单元:一个8端口的网络集线器 (H U B) , 一个路由器 (串—网) , 一个工业用MODEM。主要负责本装置与调度端的远传计算机及保护信息管理系统的通信。

特别要说明的是:数据处理单元、有源转换单元、通信单元内部均有各自的电源模块, 都能独立供电。

1.2、原理

模拟量:包括电流量、电压量, 高频量 (但高频量不作为录波时的启动量) 。电流、电压量经端子输入录波器PTU-12型无源转换器单元。每个PT U-12型无源转换器单元处理1 2路模拟量。PTU-12型无源转换器单元分别装有电流变送器和电压变送器。电流变送器将0A～200A电流变送为±10V电压量信号送到数据处理单元进行采集;同样, 电压变送器将0V～200V电压变送为±10V电压量信号送到数据处理单元进行采集;采集 (变送) 后的模拟量经采样保持和A/D转换, 送数据处理器进行数字信号处理。模拟量前置机采用双DSP芯片设计, 其中一片负责数据采集, 另一片负责分析判断。前置机板上的计算机系统 (DSP) 与后台机之间采用双口RAM方式进行信息通信。

高频量:采用直流量的隔离转换。高频收发信机录波口的直流量输出信号经端子输入ATU128型有源变换器单元中高频插件, 经过隔离放大, 将信号送到模拟量前置机采集。

开关量:由开关端子输入的空接点信号, 进入ATU-128型有源变换器单元中开入插件中, 经过两级光电隔离后, 将信号送到开关量前置机采集。开关量前置机采用DSP芯片设计, 可以采集128路开关量。采用固化程序和运行程序相结合的运行方式, 固化程序负责上载运行程序和自检, 运行程序负责采集并判断是否需要启动录波。DSP与后台机之间也采用双口RAM方式进行通信。

录波器启动录波后, 后台机从录波器前置机RAM中取得录波数据。前置机中用两个RAM芯片储存录波数据, 在后台机与其中一片RAM (设为RAM-A) 传输数据同时, 另外一片R A M (设为R A M-B) 存储录波数据, 数据存满后, 后台机则与RAM-B传输数据, RAM-A改为存储录波数据, 类似循环, 直至录波结束。

1.2.1启动方式

除高频信号外, 所有信号均可作为启动量, 任一路输入信号满足定值给出的启动条件, 均可启动录波。

启动方式有:

a.电压各相和零序电压突变量启动

b.电流各相和零序电流突变量启动

c.线路相电流变化越限启动

d.主变中性点电流过限启动

e.电压过限启动, 其中相电压有欠压和过压两种启动方式。

f.频率越限与变化率启动

g.负序分量启动

h.正序分量启动

i.开关量启动

j.手动启动, 由人工控制启动录波。

k.遥控启动, 由上级部门通过远传下达启动命令。

启动精度

越限启动量, 优于5%

突变启动量, 优于30%

录波数据记录方式

t=0ms系统大扰动开始时刻

1.2.2录波方式

A、第一次启动

符合任一启动条件时, 由S开始按ABCD顺序执行。

B、重复启动

在已经启动记录的过程中, 有开关量或突变量输出时, 若在B时段, 则有T时刻开始沿BCD时段重复执行;否则应由S时刻开始沿ABCD时段重复执行。

C、特殊记录方式

如果出现长期的电流、电压、频率越限或振荡, 持续录波数据量大于设定的缓冲区, 则由S时刻开始沿ABCD时段重复执行。

2. 录波故障分析

装置在线运行时屏幕上部显示时间, 是录波时间的依据。时间可通过3种方法修正:在线修改、远传校时和GPS校时等方法校正。左边为录波时间, 包括年、月、日、时、分及次数。右边在正常工作状态下显示相应信息, 如XX线XX类型故障、故障距离、启动线路、启动方式等。

2.1 故障分析实例1:

主变差动保护动作录波故障录波器波形图, 给出如下内容:录波时间、故障线路、故障相别、故障距离、故障电压电流有效值、启动通道名称、启动类型、跳闸相别、跳闸时间、重合闸时间、再次故障类型等等。

打印该报告会包含故障线路各通道的波形。此图为励磁涌流造成主变差动保护动作的故障录波器波形图:电流波形与励磁涌流特点完全吻合:电流偏向时间轴的一侧, 电流有间断角 (图2) 。

2.2 故障分析实例2:

220kv线路发生A相接地故障故障录波器波形图, 此图为线路瞬时故障, A相跳闸, 重合闸动作, 并同时重合成功 (图3) 。

602动作报告:

00ms纵联、距离零序保护启动

27ms纵联A跳出口

54ms接地距离I段动作出口故障测距7.85KM

892ms综重重合闸出口故障相电流60.717A (二次值)

5653ms纵联、距离零序保护启动

5670ms接地距离I段动作、距离重合加速动作、保护永跳出口

5679ms纵联保护永跳出口故障测距0.02KM

故障相电流82.198A (二次值)

901动作报告:

29ms纵联变化量方向A相

29ms纵联零序方向A相

5661ms工频变化量阻抗ABC相

5690ms纵联变化量方向ABC相

5690ms纵联零序方向ABC相

故障测距5.9KM

故障相电流55.90A (二次值)

故障零序电流54.17A (二次值)

3、装置故障处理

设备正常运行时, 各状态指示灯应正常, 故障告警灯不亮, 设备出现异常时, 将发出故障警告, 维护人员首先按下面板上的取消键, 清除告警继电器信号, 然后参考下述内容处理。

3.1 频繁启动

显示器提示频繁启动故障。表示在5分钟内连续启动15次, 或线路故障持续时间超过其缓冲能力, 出现该故障后, 将停止录波, 并检测前置机的工作状态。若40S内无录波启动信号, 则自动恢复正常状态。该故障一般是线路启动参数整定不当造成的, 可通过故障分析, 判断出哪一通道引起的。然后将该通道参数适当调整后, 重新传给装置即可。若装置一直处于连续录波状态, 以至无法修改定改定值, 可复位主机, 在显示“Startin g msd o s…”时, 按下键盘上的F 5键, 即可退出录波程序, 然后键入如下命令:

进入程序后, 重新设定有关参数后, 再次复位主机, 使装置进入正常工作状态。

频繁启动:

a.液晶显示频繁启动, 并指示某一通道或数个通道启动, 应检查对应通道的启动定值是否恰当, 修正开关是否设置成“N”, 修正系数是否正常, 如以上均无异常则可以判断该前置机插件异常。

b.频繁启动无文件形成或有文件形成并没有提示某一通道或某一前置机, 应检查PCIO板是否存在异常。

3.2 线路故障不能录波

1) .查看定值是否合适, 启动开关是否打开, 或者是由于修改有关参数定值等而没有传送参数造成装置拒动。

2) .查看接线端子实际有无电量输入, 手动录波, 进入波形分析查看有无波形、幅值。如有波形且幅值正常应检查前置机和PCIO板是否异常。如没有波形幅值则应查看前置机是否异常, 隔离变送器是否正常, 以及相关连接部分是否接触不好或损坏等。

3) .通道正常:手动录波后, 进行波形分析, 若波形图上该通道无正常波形, 则是该通道不正常, 原因可能是接线不好, 内部接触不良, 对应变送器损坏, 前置机损坏等。

3.3 电源故障

若整机掉电, 则应检查装置供电电源及交直流空气开关是否完好, 若只是某几路电压丢失, 导致装置电源告警, 则可能是输出该组电压的开关电源损坏, 或该组电压被短路引起电源保护, 出现此现象, 应立即关掉电源, 排除故障后, 方可恢复运行。

1) .交流电源投不上时, 原因可能是:

a.首先检查交直流端子的保险丝, 看是否熔断。

b.再检查电源有没有问题。

c.看一下交直流转换板的二极管和桥堆有没有问题。

d.检查交流变压器是否烧坏, 检查焊线有没有脱落。

2) .直流送不上时, 原因可能是:

a.检查保险丝是否熔断。

b.检查电源是否烧坏。

c.看交直流转换板二极管是否击穿。

3.4 主机故障

若装置出现故障告警, 运行灯不亮, 按下试验键后, 无录波现象, 则可能是主机故障, 应请有经验的维护人员处理或有厂家决定。

1) .装置不运行时:

a, 重新上电, 看主板是否检测内存, 若没有则可能内存坏, 也可能主板坏, 若有嘀嘀响声, 则多数为内存坏。

b, 内存检测通过, 停在WAIT状态, 则主板坏。

c, 前面检测通过, 出现F1提示, 则可能键盘坏或主板键盘口坏。

d, 若出现HDD ERROR则硬盘坏。

2) .盘检测不到时:

a.电源是否正常, 输出+5V、+12V是否标准。

b.看硬盘电源线、数据线是否接触完好, 有无损坏。

c.查看主板COMS设置中有无硬盘类型设置。

d.检查硬盘好坏。

3.5 远传不通时

1) .判断远方MODEM是否摘机 (如不摘机检查电话线路, MODEM是否打开) ;MODEM状态三盏灯 (TR、速率、OH) 是否正常。

2) .主站端是否设置正确, 能正常听到拨号音 (检查本端) 。

3) .等待两端MODEM正常握手后, 数据不能正常传输, 检查后台机与MODEM之间联系, 包括物理连线 (MODEM——后台机线) , 数据方面 (用命令检查:AT回车, 显示O K) 。

4) .88系列远传连接正常, 而数据不能传输, 则可能是IP地址输入不对。

3.6 录波器密码

1) 、录波器在线软件的密码忘记后, 可以通过修改录波器文件来更改密码

YS-8A只要删除C盘根目录下的YS-8A.fig文件, 重起即没有密码了。

Y S-8 8 A只要删除C盘根目录下的YS88.cfg文件, 重起即没有密码了。

2) 、88A离线软件密码忘记, 可以通过修改注册表来更改。由于密码比较重要, 需要时询问公司内技术人员。

3.7 校时方面

注意以下几点, 可以解决校时问题:

1) 、GPS天线头应安装室外, 顺天线头向上应看到360度天空。

2) 、装置初次上电后, LED显示未同步的时间信息, 同步监测灯闪亮, 同步后, 同步指示灯应熄灭, 时、分、秒 (1H、1M、1S) 脉冲分别闪亮, 如装置失去同步, 检查天线和GPS。

3) 、与录波器接口

录波器本身通过硬接点校时 (88A型可以实现软校时)

检查: (1) 用导线直接短接, 应能校时。

(2) 时间误差应在正负20S内。

(3) 只能校对秒时间, 即整分, 录波器秒归0。

(4) 检查与录波器之间连接正负极性是否正确。

(5) 检查G P S分脉冲输出。

3.8 告警信号

告警、录波、失电信号输出, 通过复位键来消除, 若信号输出与消除不正常, 则可能告警板三极管或继电器坏, 如果复归不掉, 则告警板复位键损坏, 再有可能PCIO板坏。

4、结束语

故障录波器作为一个继电保护辅助装置, 它在电力系统的重要性也显而易见。从在徐州电网运行多年的经验表明, 录波成功率高, 准确快捷, 操作简捷, 运行安全可靠, 为电力系统供电稳定高效起到极大的作用。

参考文献

[1]YS-88型微机故障录波测距装置使用说明书.南京银燕电子有限公司.1998年

[2]故障录波测距装置 (讲义) .2006年

故障录波装置 篇2

故障录波装置是研究现代电网的基础,它可以记录因短路故障、系统震荡、电压崩溃等大扰动引起的系统电流、电压以及系统频率的全过程变化现象。是评价继电保护动作行为及分析设备故障性质和原因的重要依据,对于保证电力系统安全运行及提高电能质量起到了重要的作用。

传统的故障录波装置与保护信息子站等后台通信采用比较常见的103协议,对模拟量和开关量的采集需要通过硬接线接入装置,不能满足变电站对数字化的要求。而基于IEC61850协议的数字化故障录波装置,通过订阅的方式实现全站数据对象的自由记录,并且当系统扩容或者需要更改采集对象时,只需改订阅的参数。同时也满足了通信多样性的要求。因此,基于IEC61850标准的故障录波装置具有很好的应用前景和价值[1]。

1 系统设计

本文所述的故障录波装置采用嵌入式系统设计,基于IEC61850协议标准,是一款典型的数字化故障录波装置。其系统结构如图1所示。主要包括以下独立的模块:报文处理模块、数据同步模块、数据处理与录波启动模块、通信服务模块、故障数据分析模块,同时在本装置的设计思想中,把数据库作为一个独立的模块,进行功能接口上的封装,并与其他模块进行联接。

9-1与GOOSE报文处理模块负责接收和解析模拟合并单元与数字合并单元发送的IEC61850报文,提取采样值数据;接收和解析保护控制单元的面向通用对象的变电站事件(GOOSE)报文。数据同步模块根据同步采样合并策略,实现开关量数据和采样值数据的同步。数据处理与录波启动模块是装置的核心,根据相应的判据,实时计算电力系统接入的电压、电流、频率等,判别故障录波的启动条件,生成录波文件。数据通信模块主要实现与保护信息子站等后台的IEC61850通信,同时负责与其他模块进行信息交互。在整个系统中,通信服务模块是系统信息交互的基础。故障数据分析模块采用嵌入式Intel PentiumⅡ处理器结构。进而实现设计上的先进性和操作上的方便性。

2 IEC61850建模

信息交换机制主要依赖于准确定义的信息模型。这些信息模型和建模方法是IEC61850的核心[2]。能否对IED模型进行确切、有效的定义是能否对外提供标准服务的关键。下面以故障录波装置的数据信息模型为例,详细说明故障录波装置的建模过程。

2.1 逻辑节点

故障录波装置主要根据国标相关要求对电力参数进行记录,其主要包括一下指标:电压、电流、组实时量以及开关量的测量;电压、电流、变压器、组的录波;装置告警记录。因此不同的故障信息就构成了逻辑节点。在IEC61850 7-4中定义了88个逻辑节点。其中,以下节点可以用于描述故障录波的相应信息:如图2所示,测量逻辑节点(MMXN),该逻辑节点用于描述基本的监测线路信息,如电流、电压、频率;通用逻辑节点(GGIO),用于开关量的实时测量记录;模拟量录波节点(RADR),主要用来描述模拟量扰动的记录;开关量录波节点(RBDR),主要用于描述开关量扰动的记录;通用录波节点(RDRE),主要用于描述一些通用扰动的记录[3]。

统一的数据对象模型可保证不同设备之间的互相理解、交换信息和协同操作。在完成LN的建模后,就可以将故障录波装置的测量、录波信息、参数定值一一对应到相应的逻辑节点下的数据对象中。每个LN由具有特定数据属性的数据组成,数据具有结构和定义好的语义,包含在具有专门数据属性的数据表中。数据对象模型由逻辑设备名、逻辑节点名、数据名、数据属性名描述。

2.2 逻辑装置

在IEC61850标准中,并没有规定逻辑设备的类型,因此,在考虑故障录波装置的逻辑设备建模时有很强的灵活性[4]。

一台故障录波装置可以完成多个电流、电压、组、变压器通道的实时量测量与录波,因此可以根据功能需求划分逻辑设备。依据IEC61850建模原则与故障录波装置的要求,故障录波装置的信息模型主要有服务访问点、逻辑设备、客户关联和文件服务等要素组成[5]。如表1所示,为了简化模型,特建模如下:建立三个逻辑装置,分别描述告警、实时量和录波数据。

IEC61850标准不要求将装置的内特性公开,装置必须提供的内特性操作相关的服务主要包含:测量实时值的读取,录波定值的读写,录波启动和投退的电流通道实时量。为避免LN过大给通信上带来的不便,可以根据数据库通道信息柔性的定义MMXNC1-WGL中包含的电流量个数,所组成的故障录波设备模型结构如图3所示。每一个逻辑装置所属的逻辑节点可根据实际应用要求进行添加和删除。

3 IEC61850通信服务模块

在IEC61850模型文件建立之后,IEC61850模块有三个通信需求:具体如图4所示,IEC61850通信服务、与故障录波装置的mysql数据库通信、与故障录波装置服务程序通信。故障录波装置与信息子站或监控等变电站层通信的IEC61850通信关系如图4所示。

3.1 通信流程

IEC61850通信服务模块程序主流程如图5所示,在初始化成功之后,连接装置数据库,以及装置通信服务模块,解析ICD与映射文件,创建IEC61850对象空间和服务运行环境。映射文件中包含IEC61850对象到数据库数据单元或消息类型的映射,收到IEC61850请求时,便可访问数据库或发送消息,由装置通信服务模块作出应答;相应地在收到装置发送的消息时也可根据映射关系,直接找到对应的IEC61850对象。因此整个IEC61850通信服务流程就是接收IEC61850请求、转换数据、根据映射关系读写数据库或发送消息、同时扫描IEC61850对象变化,发送报告等。

3.2 消息处理

IEC61850通信服务模块与录波装置数据之间通信通过消息来实现,消息接收处理模块主要功能为处理接收的消息。根据业务需要,需处理这么几种消息:判据录波启动、手动录波、录波结束、异常告警,IEC61850通信服务模块在接收到录波装置发送消息后,相应的处理措施如图6所示,判别消息类型,进而完成相应的消息要求。

3.3 IEC61850请求处理

录波装置在接受到IEC61850请求之后,通信程序流程如图7所示,根据服务参数中对象的特点确定应用处理方式,总的来说,只有两种服务,写服务和读服务,根据服务的参引判别服务需求。当为写服务时:如服务参引中包含“$SP$”时,表示写定值,要修改数据库和下发定值修改消息;参引中有$CO$LEDRs$Oper时,表示复归,下发复归命令;参引中有$CO$Rcd Trg$Oper时,表示手动录波命令,下发录波消息;为保证安全性,整个写服务决策权交由录波装置内部数据库程序处理。

当为读服务时,服务参引中有$SP$时,表示读定值,直接由映射信息读数据库。为增强时效性,读服务可以由IEC61850通信模块直接读录波装置数据库。

4 结语

基于IEC61850协议的故障录波装置能完全满足数字化变电站的要求,通过高速网络通信,实现数据与资源共享[6]。本文所述的故障录波装置已通过国网IEC61850一致性试验,取得了满意的测试效果,完全达到了电力系统对故障录波装置的要求,在工程中具有良好的应用前景。

摘要：以故障录波装置为例,系统地阐述了传统故障录波装置的功能,分析了故障录波装置数字化的需求,进而采用IEC61850标准,在IEC61850协议规范的基础上,研究故障录波装置的系统设计,实现故障录波装置的数字化,同时深入讨论了其技术方案、建模方法。通过分析通信需求,最终实现其IEC61850通信服务功能。该故障录波装置已通过国网IEC61850一致性试验,取得了满意的测试效果,完全达到了电力系统对故障录波装置的要求,在工程中具有良好的应用前景。

关键词：IEC61850,故障录波,建模,通信服务

参考文献

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[5]陆岩.IEC61850信息模型的反思与变通[J].电力自动化设备,2008,28(10):68-70.LU Yan.Reconsideration and Compromise of IEC61850Information Modeling[J].Electric Power Automation Equipment,2008,28(10):68-70.

基于故障录波的谐波分析 篇3

故障录波器功能主要分为录波和分析两大功能, 分析功能强弱是产品性能的重要指标, 而谐波分析就是其中最重要的一项指标。现在微机保护装置基本上都具有故障录波功能, 其采样率很高, 一般都在24次以上, 其中包含基次量, 也包含多次谐波量, 按照傅立叶算法, 24次采样率其最大谐波次数为12次。一般谐波含量大小依次为3次、5次、7次、9次奇次谐波, 11次以上高次谐波含量很小, 故24次采样率的保护装置所能测量的谐波含量基本能满足一般工业应用的要求。

一、谐波概述

在电力系统中, 谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时, 与所加的电压不呈线性关系, 从而产生非正弦电流, 即电路中有谐波电流产生。谐波频率是基波频率的整倍数, 根据法国数学家傅立叶 (M.Fourier) 分析原理证明, 任何周期性的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量[2]。国际上公认的定义为:“谐波是一个周期电气量的正弦波分量, 其频率为基波频率的整倍数。”在频域分析中, 将畸变的周期性电压和电流分解成傅里叶级数[4]:

ω1――工频 (即基波) 的角频率, rad/s;

h――谐波次数;

Uh、Ih——分别为第h次谐波电压和电流的均方根值, V,

αh、βh——分别为第h次谐波电压和电流的初相角, rad;

M——所考虑的谐波最高次数, 由波形的畸变程度和分析的准确度要求来决定, 通常取M≤50。

谐波波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度, 以总谐波畸变率THD表示。它等于各次谐波均方根的平方和的平方根值与基波均方根值的百分比:

理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现, 对公用电网是一种污染, 它使用电设备所处的环境恶化, 使电气设备过热、产生振动和噪声, 并使绝缘老化, 使用寿命缩短, 也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。因此, 谐波治理意义重大。

二、谐波分析

所谓谐波分析方法, 即是周期性的非正弦波形利用傅立叶级数及傅立叶变换, 分解为基波及各次谐波的方法。实际中常把连续时间信号的一个周期T等分成N个点后进行采样, 从而得到一系列离散时间信号, 然后采用离散傅立叶变换 (DFT) 或快速傅立叶变换 (FFT) 的方法进行谐波分析。

1.离散傅立叶与快速傅立叶变换。电力系统的非正弦周期波都是不规则的畸变波形, 无法表示成函数解析式后用指数形式的傅立叶级数进行计算。一种常用的方法是对该种波形的时间连续信号用采样装置进行等间隔采样, 并把采样值依次转换成数字序列, 然后借助计算机进行快速谐波分析。

设对u (t) 每个周期均匀同步采样N点, 得到序列u{ (n) }, 若u (t) 的最高次谐波次数为M, 为了满足采样定理, N应满足:

以电流各次谐波计算为例, 根据连续函数的傅立叶级数计算式[3]则可得到离散形式的计算式:

其中ambm分别为傅立叶级数中的余弦项系数和正弦项系数。而对于离散序列u (n) , 可作N点的离散傅立叶变换, 得:

其中k=0, 1, 2, 3……N-1

根据上式可以完全确定各次谐波, 以及基波和直流分量。

而快速傅立叶变换 (FFT) 不是一种新的变化, 它是基于离散傅立叶变换的快速算法。其核心思想是:

(1) 为了显著减少乘法次数, 将长序列的DFT分解成几个等长的短序列的DFT;

(2) 利用eN-j2π (即旋转因子, WN) 的对称性、周期性和可约性[4], 使DFT运算中有些项可以合并, 并使DFT运算分解为若干个小点数的DFT, 减少运算量。

以N=128为例, DFT需要运算1282=16384次, 而FFT仅需7×128/2=448次, 从而使谐波分析的速度大大提高。

三、故障录波装置

治理谐波首先需监测谐波, 采用高性能谐波仪表成本较高, 并且谐波含量完全实时监测意义并不大, 只要能够测量谐波含量为治理谐波提供依据就基本可以满足要求。因此, 采用FFT结合录波文件分析测量谐波含量完全能够满足要求。

录波文件包含基次值, 也包含谐波含量, 利用傅立叶算法可以将各次谐波分解出来。录波文件既可是故障时的录波也可是正常时手动触发录波, 这样, 既分析了故障时的谐波含量又可测量正常时的谐波含量。谐波含量可以以列表或柱状图方式分相显示, 并可存入历史数据库, 进行统计报表分析, 同时还可以设置阀值, 当大于设定阀值时, 变色显示或发报警信息。

四、结语

利用录波文件计算测量谐波含量不失为一种简单适用的测量方法, 充分利用了保护装置的录波功能, 既节约了投资, 又达到了谐波监测的效果。通过记录、分析正常工作时各次谐波含量, 对治理谐波提供了有力支持;而故障时的波形记录也为分析故障特性、原因提供了帮助。针对谐波监视分析的故障录波装置集谐波的监视、分析与故障录波、报警于一体, 功能齐全, 通用性强, 整个装置易于扩展和维护, 是变电站综合自动化系统的理想组成部分。

摘要：谐波对系统及设备危害极大, 如何测量和分析谐波?传统的方法是采用高质量的有谐波测量功能的智能仪表或专用的谐波记录仪。本文提出, 通过对故障录波进行快速傅立叶算法计算谐波值, 虽然不是实时数据, 但其精度仍然可以达到高精度仪表的标准。

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 (3) :1064-1073.

[2]肖湘宁等。电能质量分析与控制[M].中国电力出版社, 2004.2-8.

[3]杨文.电力系统谐波检测方法研究[D].长沙:中南大学, 2005

[4]杨富康.基于FFT的电网谐波检测方法的研究[D].西安:西安科技大学, 2009

[5]施耐德《2009sepam全系列保护说明书》, 2009

故障录波装置 篇4

定子单相接地故障是大型发电机比较常见的故障, 及时地发现定子接地故障是防止发生灾难性的短路故障、避免造成发电机严重损坏的必要措施。因此大型发电机组均装设发电 机定子接地保护, 通常由基波零序电压加3次谐波电压组成的双频式定子接地保护与注入式定子接地保护构成双套不同原理的定子单相接地保护。其中, 基波零序电压加3次谐波电压保护依赖故障前后零序电压变化来判断定子单相接地, 注入式定子接地保护通过注入低频电压实时计算定子绕组对地绝缘电阻来实现, 二者均能实现100%范围定子接地保护, 但是均不能实现定子接地故障定位功能。而保护动作后, 查找故障 点, 特别是当故障点位于 定子绕组 时, 将是一个 耗时耗力 的复杂过程。因此对于大型发电机组, 快速准确地定位故障点对于及时处理故障, 尽快恢复机组运行意义重大。

故障录波装置能提供完整的故障过程波形数据, 为事故分析处理及保护动作评价提供帮助。因此, 我们可以通过分析故障数据波形来判断定子接地保护动作情况, 并利用波形数据尝试进行定子接地故 障定位计 算, 为故障点 的定位查 找提供依据, 方便快速进行故障处理。

1定子接地故障定位分析

发电机A相经过渡电阻接地故障示意图如图1所示。

由上式可见, 发电机出口三相对地电 压大小关 系为:A相经过渡电阻接地时, B相电压与A相电压的大小关系由K值决定, C相电压则不低于B相电压。当K>0时, A相即故障相电压最低, 当K<0时则B相即故障相的下一相电压最低。而发电机的RN、Xc均为已知参数, 因此可以根据定子接地故障时的录波数据, 分析A、B、C相电压大小关系来准确判断故障相。

同时, 令, 将式 (6) 、 (7) 两式相除 还可以得到:

忽略定子绕组 上的压降, EA近似取定 子额定相 电压。当然, 实际情况 中由于中性点接地变压器的变比与发电机机端电压互感器变比的差别, 需要进行相应的折算。

由以上分析可知, 根据录波数据还可以通过计算M值的方法求出接地电阻Rg以及接地位置。

2定子接地故障实例

2.1事件概况

2010年1月2日11:30, 2号发变组 保护定子 接地保护64G1、64G2均动作, 2号机组跳闸。装置报文显示64G1跳闸, 动作值0.1kΩ;64G2跳闸, 动作值0.306UN。

2号发变组保护为双套配置的ABB公司生产的REG216微机型发变组保护系统, 定子一点接地保护64G1采用的是外加12.5Hz交流电源的接地保护, 64G2采用的是 反应基波 零序电压的保护, 取中性点侧的电压, 保护定子的95%。两套不同原理保护均动作, 基本可以判定发电机确实发生了定子接地故障。

2.2故障录波波形分析

根据现场取回的录波数据, 故障过程中 发电机定 子电压、中性点零序电压波形以及保护动作过程如图2所示。

由图2可以看出, 在0时刻发生了定子接地故障, B相电压降低, A、C相电压升高, 在故障540ms后第二套定子接地保护64G2动作跳闸, 保护动作 出口后约73 msGCB跳开, 机组跳闸, 而在故障发生后9512ms第一套定子接地保护64G1动作跳闸。

故障发生至发电机跳闸、灭磁过程为0~540ms, 在此过程中发电机定子电压和中性点零序电压波形如图3所示。

由图3可以看出:B相电压降低为41.6V, A相电压升高为67.2V, C相电压升高为67.5V, A、C相电压均升高且基本相等, 中性点零序电压约为22V。

2.3故障定位计算

二滩发电机参数如下:发电机出口额定电压18kV, 发电机出口PT变比n=18/0.1, 定子绕组 每相对地 电容Cg=1.687μF, 接地变压器变比nN=14.4/0.12, 中性点接地变负载电阻RN=0.0912Ω, 因此有发电机三相对地容抗:

中性点接地变负载电阻折算到一次侧:

即当发电机单相接地电阻Rg不超过6.338kΩ时K≥0, 此时发电机出口电压最低的即为故障相。而根据故障录波波 形可以看出B相电压为41.6V, A、C相电压基本相等, M值趋于无穷大, 因此接地电阻基本 为0, 可判断为 金属性接 地短路, B相为接地故障相。此时, 由式 (10) 可以看出, 接地位置可 由中性点零序电压直接计算得出。

由图3可以看出, 中性点零序电压二次值为22V。同时, 现场接入保护装 置与故障 录波的中 性点零序 电压还经 过了120/100的分压电阻进行分压。机端电压与中性点零序电压相关系数为:

故将中性点零序电压折算到机端电压侧:

故接地位置为:

定子绕组每分支匝数为27, 因此自中性点起故障位置所在导体匝数为:

考虑到过渡电阻影响及计算误差, 定位故障位置应为B相每个分支自中性点第7~9槽导体处。

根据故障后实际检查结果, 故障点位于第462槽下端部齿压板转弯处, 正是B相第六分支自中性点起第8槽导体, 与定位分析结果吻合。因此上述基于故障录波数据的定子接 地故障定位分析是合理有效的。

3结论

(1) 对照定子接地保护动作跳闸定值设置, 根据定子接地保护动作时的故障录波数据分析, 可以迅速判断定子接地保护动作是否正确动作, 并能通过以上计算验证接地电阻值大小。

(2) 通过对故障录波数据分析计算, 可以对接地故障相作出准确判断, 对接地位置作出近似的定量判断, 对定子接 地故障点的实际查找提供帮助。

(3) 对于定子单相金属性接地 (接地电阻值较小时) , 接地位置可由中性点零序电压与发电机相电压的相对大小快速近似确定。

摘要：对中性点经接地变压器接地的大型水轮发电机单相接地故障电气量的变化规律进行了理论分析, 并结合接地故障录波波形进行了分析计算, 验证了利用录波数据进行发电机单相接地故障相别判断及定位计算的正确性和有效性。

关键词：故障录波,定子接地故障,定位

参考文献

[1]毕大强, 王祥珩, 李德佳, 等.发电机定子绕组单相接地故障的定位方法[J].电力系统自动化, 2004, 28 (22)

[2]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].第2版.北京:中国电力出版社, 2001

故障录波装置 篇5

合并单元和数字录波装置分别处于数字化变电站的过程层与间隔层。过程层是一次设备与二次设备的结合面, 主要完成开关量输入/输出, 模拟量采集和控制命令发送等与一次设备相关的功能。

IEC61850标准要求过程层的电子式互感器将一次侧的电压、电流等模拟量直接转化为数字信号, 通过通信网络传送至间隔层;数字式执行器能执行由通信网络传送的命令。间隔层设备主要实现控制和保护功能, 并实现相关的控制闭锁和间隔级信息的人机交互功能, 间隔层设备可通过间隔层通信实现设备间相互对话机制。变电站层完成对站内间隔层设备、一次设备的控制及与远方控制中心、工程师站及人机界面通信的功能。

适应计算机技术和网络通信技术的飞速发展, 数字化变电站已成为变电站自动化技术的发展方向。在过程层、间隔层及站控层上, 按照IEC61850《变电站通信网络和系统》标准, 实现变电站内部以及变电站与集控站间的信息共享和互操作。目前国内已经有多个数字化变电站投入运行或开工建设, 做为数字化变电站核心技术的光电电压互感器和光电电流互感器陆续开始运行, 高速网络通信技术已经逐渐为国内主流二次设备厂家成熟掌握。过程层的合并单元, 间隔层的二次保护、测量、控制单元, 站控层的后台软件也日益开发完善。

传统的电力故障录波装置对模拟量和开关量的采集需要通过硬电缆接入装置, 当系统需要扩容或需要改变采集的对象时往往很不灵活。而数字化变电站遵循IEC61850标准, 一次设备电缆被数字光纤取代, 即模拟量和开关量已经网络化;数字化变电站实现了过程层设备数字化, 间隔层设备网络化, 因此涌现出了数字化录波装置, 它能满足数字化变电站对录波装置提出的要求, 是数字化变电站和录波装置不断发展的共同产物。

为了更好的理解数字化录波装置的重要作用, 先给出数字录波装置在智能变电站网络结构中的位置, 如下图2所示。

一、数字录波装置硬件结构

数字故障录波装置的硬件系统比传统的故障录波装置要相对简单。因为不再需要采集和数据变换, 二次设备与设备之间通过高速通信网络进行数据和信息交互, 为变电站全站录波带来了极大的方便, 节省了大量二次互感器电缆的投资。结合数字化变电站数据采集对象, 硬件系统由故障记录模块和故障数据分析模块组成, 总体框架结构如图3所示。

(1) 故障通信记录模块硬件结构

数字录波装置的故障通信记录模块是整个装置的核心, 其硬件结构如下图4所示, 它将接收和解析由合并单元发送来的IEC61850-9-2报文和由保护控制单元的面向通用对象的变电站事件 (GOOSE) 报文, 分别提取采样值数据和开关量数据;在故障通信记录模块具有数据同步、故障录波启动判别、数据存储以及数据通信功能。

故障通信记录模块主要由录波分析主机、网络存储器、打印机、液晶显示器、键盘、鼠标等组成。录波分析主机中包含千兆光纤采集卡、高性能嵌入式CPU板卡等。

LAN1主要采集模拟量数据;LAN2主要采集开关量数据;LAN3主要完成时钟对时;LAN4主要完成与其他监控管理系统的通信;LAN5主要完成NAS网络存储器 (Network Attached Storage) 的交互。

(2) 故障数据分析模块硬件结构

数字录波装置的故障数据分析模块结构如图5所示。它主要完成故障启动定值交互管理, 故障数据格式转换, 故障录波波形分析及数据通信等功能。这里的数据通信与故障记录通信模块中数据通信呼应, 可利用以太网通信技术完成。

二、数字录波装置CPU的选择

本文装置通信记录模块选用的PowerPC8270处理器芯片为摩托罗拉的一款基于基于摩托罗拉MPC82xx处理器的嵌入式开发平台, MPC82xx集成PowerPC处理器适用于那些对成本、空间、功耗和性能都有很高要求的应用领域, 能完全满足数字录波各方面的需求。选用该芯片的原因有以下几点:

(1) 该芯片价格较低, 目前市场价格每片只有两千多元, 而且存货充足。

(2) 该器件有较高的集成度, 降低了功耗和加快了开发调试时间。这种低成本多用途的集成处理器的设计目标是使用PCI接口的网络基础结构、电讯和其它嵌入式应用。它可用于路由器、接线器、网络存储应用和图像显示系统。

(3) 具有700MHz主频的浮点DSP处理能力, 可配置3个10Mbit/s或100Mbit/s自适应以太网口, 2个10Mbit/s以太网口。

(4) 使用ARM芯片的HPI接口, 可以访问内部的双口RAM, 从而实现芯片间快速、有效互联。

DSP的快速数据计算能力, 再加上ARM的通信能力保证了数据处理的实时性, 也提高了系统的易操作、可扩展性。为实现数字录波提供了良好的实用平台。下面给出PowerPC8270处理器与整个录波装置的硬件关联结构, 如图6。

SDRAM为同步动态存储器;CPLD为复杂可编程逻辑器件

PowerPC嵌入式处理器具有强大的网络通信能力和数据处理能力, 丰富的外围设备接口, 伸缩性强, 使用灵活, 能很好的满足录波装置要通信能力强的要求。

故障数据分析单元采用嵌入式Inte Pentium II处理器结构, 处理器主要完成故障启动定值交互管理, 故障录波波形分析以及与故障通信记录模块通信上的交互。

三、结论

数字化故障录波装置是以后录波装置研究的热点, 本文研究的智能变电站数字录波装置满足数字化变电站发展要求, 适应未来智能电网的需要, 虽然所作的工作只是整个录波装置研制的一些前瞻性工作, 具仍有一定的工程参考价值

摘要：本本文基于IEC61850标准, 给出数字化录波装置硬件结构, 录波装置硬件系统由故障记录模块和故障数据分析模块组成。最后在硬件基础上, 给出装置CPU选择。

关键词：IEC61850标准,录波装置,通信模块,数据分析模块,CPU选择

参考文献

[1]梁合庆.变电站综合自动化中的故障录波装置[A].变电站综合自动化研讨会论文集[C], 南京:电力自动化研究院, 1995, 201-202

[2]陈昊琳.数字化分布故障录波装置关键技术的研究[D].哈尔滨工业, 2009.06

电力故障录波监测系统设计与研究 篇6

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.

故障录波装置 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。