李 涵 宋 宇 楚皓翔

基于故障錄波回放的智能變電站保護(hù)測試技術(shù)研究

李 涵 宋 宇 楚皓翔

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，南京 211202）

近年來，智能變電站進(jìn)一步改良優(yōu)化，繼電保護(hù)智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的思路應(yīng)運(yùn)而生。隨著技術(shù)規(guī)范的不斷完善和統(tǒng)一，智能變電站保護(hù)在測試方法和通信形式上較以往發(fā)生了很大改變，大量檢測工作需要在工廠內(nèi)進(jìn)行，而繼電保護(hù)常規(guī)檢測方法無法滿足工廠化大規(guī)模檢測需求，這給智能變電站保護(hù)測試工作帶來了新的挑戰(zhàn)。針對上述問題，本文研究現(xiàn)有的智能變電站保護(hù)檢測技術(shù)，分析采用故障錄波文件回放的檢測實(shí)驗(yàn)較常規(guī)動/靜模檢測實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套適用于不同錄波裝置的錄波文件解析流程。此外，為了滿足不同類型智能變電站保護(hù)裝置采用故障錄波文件回放進(jìn)行檢測的需求，研究了三種同步回放技術(shù)并分析其具體適用范圍。

智能變電站；檢測技術(shù)；故障錄波；報(bào)文解析；同步回放

0 引言

隨著智能變電站（以下簡稱智能站）的興建，智能站保護(hù)裝置也大規(guī)模投入使用，智能站保護(hù)的裝置結(jié)構(gòu)、安裝方式、運(yùn)維模式與常規(guī)繼電保護(hù)存在顯著差異[1]。面對數(shù)量龐大的智能站保護(hù)裝置，傳統(tǒng)的人工檢測和常規(guī)的自動檢測手段在檢測效率和檢測質(zhì)量方面的弊端日益顯現(xiàn)。本文針對智能站保護(hù)具體檢測方法進(jìn)行研究，分析常規(guī)的靜模實(shí)驗(yàn)、動模實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，并說明基于故障錄波回放檢測方式的優(yōu)勢。

1 常規(guī)動/靜模實(shí)驗(yàn)的智能站保護(hù)測試技術(shù)分析

常規(guī)的智能站繼電保護(hù)測試可以采用動模實(shí)驗(yàn)和靜模實(shí)驗(yàn)兩種形式。

動模實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，動模實(shí)驗(yàn)是對原始系統(tǒng)按比例縮放建立實(shí)際的物理模型，在建立的縮放系統(tǒng)中模擬各種電力系統(tǒng)故障來驗(yàn)證智能站保護(hù)裝置的工作性能。動模實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行У胤从潮Ｗo(hù)裝置的實(shí)際工作性能，然而建立實(shí)際故障模型過程較為復(fù)雜，對測試人員的專業(yè)水平要求高，且動模實(shí)驗(yàn)需要在具備測試資質(zhì)的動模實(shí)驗(yàn)室開展，測試成本十分高昂，因此不利于大規(guī)模開展動模實(shí)驗(yàn)[2-3]。

圖1 動模實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖

靜模實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，靜模實(shí)驗(yàn)即測試人員使用繼電保護(hù)測試儀進(jìn)行測試，測試人員根據(jù)測試經(jīng)驗(yàn)與理論計(jì)算對測試儀各模塊的測試參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，再由測試儀對待測保護(hù)裝置進(jìn)行實(shí)際性能測試。靜模實(shí)驗(yàn)成本低且易于操作，是目前最為常用的測試方法。但是靜模實(shí)驗(yàn)需要測試人員對各測試模塊參數(shù)進(jìn)行計(jì)算整定并錄入繼電保護(hù)測試儀，增加了測試人員的實(shí)際工作量，且測試參數(shù)的整定取決于測試人員的工作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平[4-6]。

圖2 靜模實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖

2 故障錄波回放保護(hù)測試技術(shù)研究

智能站保護(hù)裝置一般具備故障錄波模塊，故障錄波模塊會記錄保護(hù)裝置在故障發(fā)生全過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)[7-8]。通過篩選與整理故障錄波模塊中記錄的故障電壓、電流波形和開關(guān)量狀態(tài)等數(shù)據(jù)，將整理后的故障錄波文件輸入繼電保護(hù)測試儀，即可實(shí)現(xiàn)故障波形再現(xiàn)。相比于人工對繼電保護(hù)測試儀設(shè)置故障量進(jìn)行測試的方法，采用故障錄波回放的方法無需設(shè)置測試故障量，可以創(chuàng)造相同的測試條件進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，保證了測試條件的統(tǒng)一性，有利于自動測試的開展[9-10]。此外，采用故障錄波回放的方法更能體現(xiàn)智能站保護(hù)裝置對于真實(shí)故障的響應(yīng)，有利于分析智能站保護(hù)裝置的動作邏輯[11]。

故障錄波文件的選取可以采用動模實(shí)驗(yàn)的仿真數(shù)據(jù)，也可以采用變電站的實(shí)際錄波數(shù)據(jù)。相較于動模實(shí)驗(yàn)，在保證測試準(zhǔn)確性的前提下，故障錄波文件回放的測試實(shí)驗(yàn)操作更簡單。相較于靜模實(shí)驗(yàn)，采用故障錄波文件回放的測試實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋鼮闇?zhǔn)確地反饋故障發(fā)生的全過程，可以作為常規(guī)靜模實(shí)驗(yàn)的合理補(bǔ)充。因此，基于對測試難易程度和成本的權(quán)衡，本文設(shè)計(jì)的測試平臺采用以靜模實(shí)驗(yàn)為主，故障錄波回放測試為輔的測試方法。

2.1 錄波文件解析技術(shù)研究

由于不同型號的故障錄波裝置生成的故障錄波文件在形式上有差異[12-13]，存在被繼電保護(hù)測試儀誤讀或無法讀取的問題。正確解析故障錄波文件，精確提取故障量是故障回放的基礎(chǔ)。因此，需要制定統(tǒng)一的解析方法，將不同形式的故障錄波文件轉(zhuǎn)化為規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的故障錄波文件，從而滿足不同智能站保護(hù)測試儀的測試需求。

IEEE COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)為國際通用的錄波文件標(biāo)準(zhǔn)，具備良好的兼容性，目前廣泛應(yīng)用于測試裝置通信、數(shù)字故障錄波、數(shù)字繼電保護(hù)領(lǐng)域[14-15]。因此，本文設(shè)計(jì)的錄波文件采用IEEE COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

本文設(shè)計(jì)IEEE COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)故障錄波文件解析流程如圖3所示，具體步驟如下。

圖3 故障錄波文件解析流程

1）生成配置文件

配置文件的作用是對后續(xù)生成的數(shù)據(jù)文件提供寫入格式和順序依據(jù)，配置文件包含采樣頻率、采樣數(shù)值、采樣通道類型及數(shù)量等基本采樣信息，每一項(xiàng)信息的識別字段均按照IEEE COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)，采用ASCII碼進(jìn)行編碼[16]。

配置文件首先提取分析原錄波文件，將采樣頻率、采樣數(shù)值、采樣通道類型及數(shù)量、開關(guān)變化反饋量等基本采樣信息導(dǎo)入IEEE COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)配置文件中。

2）生成數(shù)據(jù)文件

根據(jù)生成的標(biāo)準(zhǔn)配置文件，將原始故障錄波文件中采樣頻率、采樣數(shù)值、采樣通道類型及數(shù)量、開關(guān)變化反饋量等信息連續(xù)地寫入數(shù)據(jù)文件中。

由于原始故障錄波文件中還包含未發(fā)生故障時的采樣數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化出錯的問題，為了剔除未發(fā)生故障時的低頻冗余采樣數(shù)據(jù)，節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)故障錄波文件的存儲空間，保證真正發(fā)生故障時錄波數(shù)據(jù)的有效性，需要設(shè)立相應(yīng)規(guī)則排除不合理的數(shù)據(jù)，設(shè)立規(guī)則如下。

規(guī)則一：若檢測原始故障錄波文件的采樣頻率為50Hz或60Hz，刪除該采樣頻率下的采樣數(shù)據(jù)。

規(guī)則二：若檢測原始故障錄波文件的采樣數(shù)值超出讀取范圍（-8 191～8 191），刪除該采樣數(shù)據(jù)，標(biāo)記采樣數(shù)據(jù)位置并報(bào)告“數(shù)值溢出”的警告信息供測試人員檢閱。

規(guī)則三：若檢測原始故障錄波文件采樣通道類型字段順序與IEEE COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)字段順序存在順序倒換的問題，標(biāo)記具體通道字段號并報(bào)告“順序錯誤”警告信息。

規(guī)則四：若檢測原始故障錄波文件采樣通道數(shù)量超出IEEE COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)的采樣通道數(shù)量，刪除溢出通道的采樣數(shù)據(jù)，標(biāo)記具體通道序號并報(bào)告“通道溢出”警告信息。

3）讀取配置文件

對IEEE COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)的配置文件以行為單位，按順序?qū)懭胱远x的字符型數(shù)組中，不同類型的數(shù)組元素采用逗號分隔。

4）讀取數(shù)據(jù)文件

讀取數(shù)據(jù)文件主要分為讀取采樣頻率和轉(zhuǎn)化采樣數(shù)據(jù)。由《220kV～500kV電力系統(tǒng)故障動態(tài)記錄技術(shù)準(zhǔn)則》可知，故障錄波時的采樣頻率在不同時段是不同的，因此無法使用統(tǒng)一的算法計(jì)算采樣頻率，故采用插值擬合法將不同采樣頻率段的采樣數(shù)據(jù)統(tǒng)一至同一頻率。本文采用三次插值法對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合。

假設(shè)A時段和B時段的采樣頻率不同，但在各時段內(nèi)保持恒定，A時段的采樣頻率為a，B時段的采樣頻率為b，將A時段的采樣頻率作為基準(zhǔn)，對B時段的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合，A時段的采樣頻率和B時段的采樣頻率滿足

將A時段的第次錄波時刻記作A(i)，將B時段的第次錄波時刻記作B(i)，令滿足

設(shè)A時段的第次采樣時刻A(X)為0，該時刻的采樣值為0，將采樣的周期作為計(jì)算的步長，則A時段與B時段的等距點(diǎn)為

第+次采樣時刻的采樣值為(x)，進(jìn)行三次差分牛頓向前插值計(jì)算，其中為3，具體為

故可得B時段的第次采樣時刻值為

假設(shè)B時段內(nèi)共有個采樣點(diǎn)，那么對于B時段內(nèi)最后三個時刻的采樣點(diǎn)B(P-2)、B(P-1)和B(P)無法使用牛頓向前插值法，故改用牛頓向后插值法計(jì)算插值采樣數(shù)據(jù)。

將A時段的第+1采樣時刻A(X+1)記為z，第+1采樣時刻的采樣值記為y，則有

然后對插值后采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，配置文件中包含對應(yīng)通道的采樣增益系數(shù)Sample_gain和偏置系數(shù)Sample_offset，故第時刻的實(shí)際采樣值real(t)為

2.2 同步回放技術(shù)研究

在智能站中，承載電壓、電流和開關(guān)量的物理方式除了常規(guī)的模擬量和硬節(jié)點(diǎn)之外，還有數(shù)字報(bào)文形式，例如電壓、電流的數(shù)字報(bào)文格式就包括DL/T 860.92、GB/T 20840.8、DL/T 282、Q/GDW 441[17]。而在進(jìn)行故障錄波文件回放時，不同物理形式的輸出對采樣頻率的要求也不一樣，模擬量輸出為了達(dá)到較好的波形質(zhì)量，一般采樣頻率不會小于25kHz，而數(shù)字報(bào)文應(yīng)按照用戶配置輸出，常用采樣頻率包括4kHz、8kHz、12.8kHz[18]。另外，對于數(shù)字報(bào)文輸出，還需要模擬合并單元的額定延時特性，因此，當(dāng)故障回放的數(shù)據(jù)需要通過不同物理通道輸出時，就會存在各通道延時不一致，需要獨(dú)立控制對各延時相位進(jìn)行設(shè)置。因此本文研究了三種同步回放方法以適應(yīng)不同類型的物理輸出。

1）基于增加相位控制字法的同步回放技術(shù)

基于增加相位控制字法的同步回放技術(shù)原理框圖如圖4所示，設(shè)置第一路為模擬量輸出，設(shè)定該路的相位控制字為0，設(shè)置第二路為數(shù)字量輸出，將第二路相位累加器的輸出結(jié)果加上給定的相位偏置值，使第二路在尋址地址上始終有位偏移量，通過回放數(shù)據(jù)表查表后由數(shù)字報(bào)文生成器輸出，即可獲得相位差為的同步波形，故通過上位機(jī)修改相位控制字即可對波形相位進(jìn)行調(diào)整。

圖4 基于增加相位控制字法的同步回放技術(shù)原理框圖

因?yàn)橥接|發(fā)信號單元和相位控制字是兩個獨(dú)立的邏輯單元，所以改變相位控制字并不會造成采樣頻率的變化。輸出波形的初始相位由相位控制字決定。設(shè)相位加法器的位長為位，則輸出波形的初始相位start為

可調(diào)節(jié)相位的精度pre為

增加相位控制字法的相位調(diào)節(jié)范圍很廣，可以實(shí)現(xiàn)0°到360°相位差的同步回放，當(dāng)使用8位的相位加法器時，可調(diào)節(jié)相位精度pre達(dá)到1.4°。因此該方法適合用于大范圍的粗調(diào)同步回放。

2）基于調(diào)節(jié)通道間采樣時鐘延遲法的同步回放技術(shù)

由于各邏輯單元均工作在采樣時鐘信號的上升沿，所以當(dāng)通道2的觸發(fā)時鐘信號延遲于通道1的觸發(fā)時鐘信號時，該通道的輸出信號也會產(chǎn)生滯后。故可將時鐘生成單元產(chǎn)生的信號作為通道1采樣時鐘信號，將時鐘生成單元經(jīng)過延時控制單元的信號作為通道2的信號。調(diào)節(jié)通道間采樣時鐘延遲法的同步回放技術(shù)原理框圖如圖5所示。

圖5 調(diào)節(jié)通道間采樣時鐘延遲法的同步回放技術(shù)原理框圖

設(shè)tri為觸發(fā)時鐘信號的頻率，out為輸出信號的頻率，Dpre為可調(diào)節(jié)延遲的精度，那么可實(shí)現(xiàn)的最大同步回放的相位差Dqmax為

可調(diào)節(jié)相位的精度pre為

由上述分析可知，基于調(diào)節(jié)通道間采樣時鐘延遲法的同步回放技術(shù)的波形相位調(diào)節(jié)能力受觸發(fā)時鐘信號的頻率tri及輸出信號的頻率out控制，而相位輸出的精度pre則主要受可調(diào)節(jié)延遲的精度Dpre影響，理論調(diào)節(jié)相位精度pre可以達(dá)到0.1°，因此該方法適合用于小范圍的精調(diào)同步回放。

3）基于同步先進(jìn)先出波形數(shù)據(jù)延時法的同步回放技術(shù)

在數(shù)字電路上對波形數(shù)據(jù)增加延時也可以實(shí)現(xiàn)對輸出波形的延遲控制，同步先進(jìn)先出（first input first output, FIFO）含有一個波形表堆棧，記錄的波形數(shù)據(jù)按照先進(jìn)先出的順序經(jīng)過堆棧。

同步FIFO法原理圖和時序圖如圖6所示，當(dāng)設(shè)置的控制寫使能時鐘上升沿到來時，F(xiàn)IFO堆棧開始工作，對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存并計(jì)數(shù)。FIFO讀使能時鐘上升沿由計(jì)數(shù)值設(shè)定值決定，計(jì)數(shù)達(dá)到時將FIFO緩存波形輸出。同步FIFO法控制靈活，無需修改邏輯代碼即可對波形進(jìn)行延遲輸出控制。因此該方法適合用于對一段波形重復(fù)同步回放。

圖6 同步FIFO法原理框圖和時序圖

3 錄波回放技術(shù)測試實(shí)驗(yàn)

本文以南瑞繼保PCS—931的實(shí)際故障錄波文件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該波形采樣頻率為4kHz，波形頻率為50Hz的錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行同步回放測試用以驗(yàn)證平臺錄波回放的功能。為了便于觀測回放波形效果，將錄波波形和同步回放波形通過數(shù)字信號處理器（digital signal processor, DSP）的D-A模塊進(jìn)行輸出。

基于增加相位控制字法的同步回放波形如圖7所示，其中Areal1為錄波數(shù)據(jù)的D-A輸出波形，Arelay1為同步回放D-A輸出波形。圖7（a）為延遲相位設(shè)置為0°的實(shí)驗(yàn)波形，從圖中可以看出，Arelay1波形相位與Areal1波形相位一致。圖7（b）為延遲相位設(shè)置為180°的實(shí)驗(yàn)波形，從圖中可以看出，Arelay1波形相位與Areal1波形相位相差180°。

基于調(diào)節(jié)通道間采樣時鐘延遲法的同步回放波形如圖8所示，其中Areal2為錄波數(shù)據(jù)的D-A輸出波形，Arelay2為同步回放D-A輸出波形。由式（11）可知，調(diào)節(jié)通道間采樣時鐘延遲法延遲輸出相位的最大值由采樣頻率和波形頻率決定，所以當(dāng)采樣頻率為4kHz，波形頻率為50Hz時，最大延遲相位為4.5°。圖8（a）為延遲相位設(shè)置為0°的實(shí)驗(yàn)波形，從圖中可以看出，Arelay2波形相位與Areal2波形相位一致。圖8（b）為延遲相位設(shè)置為4°的實(shí)驗(yàn)波形，從圖中可以看出，Arelay2波形與Areal2波形在時間上相差約0.22ms，對應(yīng)相位差為4°，與設(shè)置延遲相位一致。

圖7 基于增加相位控制字法的同步回放波形

圖8 基于調(diào)節(jié)通道間采樣時鐘延遲法的同步回放波形

基于同步FIFO波形數(shù)據(jù)延時法的同步回放波形如圖9所示，采用同步FIFO波形數(shù)據(jù)延時法對一段故障波形進(jìn)行重復(fù)回放，其中Areal3為錄波數(shù)據(jù)的D-A輸出波形，Arepeat為同步重復(fù)回放D-A輸出波形。由圖中可以看出，Arepeat可以對Areal3進(jìn)行同相位、無失真的重復(fù)回放。

圖9 基于同步FIFO波形數(shù)據(jù)延時法的同步回放波形

4 結(jié)論

本文分析了繼電保護(hù)測試儀采用故障錄波文件回放檢測方法較動模、靜模實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了用于IEEE COMTRADE錄波文件解析的具體流程，并對三種同步回放技術(shù)進(jìn)行研究，表明基于增加相位控制字法的同步回放技術(shù)適用于大范圍的相位粗調(diào)節(jié)回放，基于調(diào)節(jié)通道間采樣時鐘延遲法的同步回放技術(shù)適用于小范圍的相位精調(diào)節(jié)回放，基于同步FIFO波形數(shù)據(jù)延時法的同步回放技術(shù)適用于重復(fù)性回放。

目前本文僅對一種廠家型號的智能站保護(hù)裝置進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了基于錄波回放技術(shù)檢測的可行性，下一步將針對不同廠家、不同類型的智能站保護(hù)裝置在信息通信、功能實(shí)現(xiàn)等方面存在差異性的問題，以及完善整站測試環(huán)境還原及整站測試方法等方面，繼續(xù)開展研究工作。

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Research on intelligent substation protection test technology based on fault recording and playback

LI Han SONG Yu CHU Haoxiang

(State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd Maintenance Branch Company, Nanjing 211202)

In recent years, the intelligent substation is further improved and optimized. The idea of intelligent and standard relay protection has emerged. With the continuous improvement and unification of technical specifications, the testing methods and communication forms of intelligent substation protection devices have changed a lot. A large amount of testing work needs to be carried out in the factory, and the conventional testing methods of relay protection cannot meet the large-scale testing requirements of the factory. The above problems bring new challenges to the testing of intelligent substation protection. In order to solve the problems above and meet the on-site maintenance-free requirements, this paper researches the existing protection detection technology and analyzes the advantages of the detection experiment using the playback of the fault recording file compared with the conventional dynamic/static mode detection experiment. A set of standard analyzing procedure suitable for different fault recording devices is designed. In addition, in order to meet the needs of different types of intelligent substation protection devices using fault recording file playback detection, three kinds of synchronous playback technologies are studied and the specific application scope of each synchronous playback technology is analyzed.

intelligent substation; detection technology; fault recording; message analysis; synchronous playback

2021-07-08

2021-08-11

李 涵（1990—），男，江蘇省南京市人，碩士，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)方面的研究工作。