故障录波器的应用研究.doc

全国火电大机组（600MW级）竞赛第9届年会论文集热控故障录波器的应用研究二期故障录波器的设想凌晓定吴雷（扬州第二发电有限责任公司225131）摘要：在分析目前故障录波器应用现状与存在问题的基础上，就录波器的发展方向进行了探讨，并提出了扬二公司二期故障录波器的构想和方案关键词：故障录波器应用1前言故障录波装置是研究现代电网的基础，也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，性能优良的故障录波装置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。电力故障录波器已成为电力系统记录动态过程必不可少的精密设备，其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。2电力系统对故障录波的技术要求及故障录波器的实现方式2.1电力系统对故障录波的技术要求电力系统故障动态过程记录的主要任务是，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。电力系统对故障录波的技术要求：1.当系统发生大扰动，包括在远方故障时，能自动地对扰动的全过程按要求进行记录，并当系统动态过程基本终止后，自动停止记录。 2.存储容量应足够大，当系统连续发生大扰动时，应能无遗漏地记录每次系统大扰动发生后的全过程数据，并按要求输出历次扰动后的系统电参数(I、U、P、Q、f)及保护装置和安全自动装置的动作行为。 3.所记录的数据可靠安全，满足要求，不失真。其记录频率(每一工频周波的采样次数)和记录间隔(连续或间隔一定时间记录一次)，以每次大扰动开始时为标准，宜分时段满足要求。其选择原则是： 1) 适应分析数据的要求； 2) 满足运行部门故障分析和系统分析的需要； 3) 尽可能只记录和输出满足实际需要的数据。 4.各安装点记录及输出的数据，应能在时间上同步，以适应集中处理系统全部信息的要求。2.2故障录波器的实现方式故障录波器实现故障记录通常有三种不同方法：1）高速故障记录:要求记录因短路故障或系统操作引起的、由线路分布参数参与作用在线路上出现的电流及电压暂态过程，主要用于检测新型高速继电保护及安全自动装置的动作行为，也可用以记录系统操作过电压和可能出现的铁磁谐振现象。其特点是：采样速度高，一般采样频率不小于5kHz；全程记录时间短，例如不大于1s。 2）故障动态过程记录:记录因大扰动引起的系统电流、电压及其导出量，如有功功率、无功功率以及系统频率的全过程变化现象。主要用于检测继电保护与安全自动装置的动作行为，了解系统暂(动)态过程中系统中各电参量的变化规律，校核电力系统计算程序及模型参数的正确性。其特点是采样速度允许较低，一般不超过1.0kHz，但记录时间长，要直到暂态和频率大于0.1Hz的动态过程基本结束时才终止。已在系统中普遍采用的各种类型的故障录波器及事件顺序记录仪均属于此类别。 3）长过程动态记录:在发电厂，主要用于记录诸如汽流、汽压、汽门位置，有功及无功功率输出，转子转速或频率以及主机组的励磁电压；在变电所，则用于记录主要线路的有功潮流、母线电压及频率、变压器电压分接头位置以及自动装置的动作行为等。其特点是采样速度低(数秒一次)，全过程时间长。3故障录波器的发展历程、应用现状及存在问题60年代末，我国电力系统开始应用以光电转换为原理、120胶片为记录载体的故障录波器。80年代中期以来，随着计算机技术被引入继电保护领域，微机型故障录波器有了迅猛发展，成为电网故障信息记录的主力，在许多重大事故的调查和分析中发挥了重要作用。虽然微机型故障录波器在数据记录性能上有了很大提高，基本解决了光电式故障录波器录波环节多、容量小、没有时标、无记忆能力、数据读取误差大等问题，以具有记忆功能强、存储容量大、能进行故障记时、故障类型判别、故障参数和事件顺序记录、能实现数据远传和便于进行后台分析等特点而得到很大发展。但从长期的运行实践及目前故障录波器实现故障记录的三种不同方法看，仍存在下列问题：3.1基本问题1) 数据采集装置集中布置，各电气量参数的采集需使用大量二次电缆，不仅造成资源的大量浪费，更加重了PT、CT的负担，直接影响了数据记录的准确度。2) 录波方式不一致，全网各点录波器时间参照系不同，不便于统一分析和统计查询。3) 数据输出方式简单，交换接口层次多，交换速率低，规约不统一，不便于组网、数据远传及综合分析。4) 与其他故障分析设备交换数据不方便。5) 缺乏对实时数据、向量的监测手段。3.2瓶颈问题传统的故障录波器采用内存循环记录采样数据。其记录的周期为秒级，根据故障启动元件的启动将故障数据通过通讯网存储到永久存储介质上。因此笔者认为故障录波器记录故障波形有三个瓶颈： 1) 内存容量。常规故障录波器的内存容量为MB级。当系统发生多次扰动，同时启动元件多次启动时，内存容量的限制易导致丢失录波数据。2) 启动元件。启动元件是故障录波器的核心元件，如果启动元件在故障时不能启动，则无法捕捉到故障数据，故障录波器失去实用性。如启动元件配置的灵敏度过高，导致录波器启动频繁，在通讯网采用慢速通道时，容易引起故障录波数据丢失。3) 通讯网速度。从内存到永久存储介质的速度。这个指标对启动元件频繁启动时，是否丢失录波数据起决定性作用。从本地到故障录波管理机的数据传输速度。这个指标对快速分析故障，提高分析故障的速度异常重要。3.3关键问题1）启动的同时性。随着机组容量的不断增大，系统和厂用电的配置也越来越复杂，进入故障录波装置的量也越来越多，而每个录波单元的容量是一定的，因此目前普遍采用了多套录波单元的做法。但多套录波单元启动的同时性问题一直未能很好的解决：要么多套录波单元不能同时启动；要么采用级联、扩展的方法实现多套启动，但在启动时间上存在明显差异，给故障的分析带来了极大的不便。2）录波的真实性。传统录波装置通常以全波傅立叶算法计算每周波（20ms）的电压、电流的幅值/相位，其采样与电力系统频率（50Hz）同步，但无自适应频率变化采样功能。而电力系统出现短路故障时，往往含有丰富的高次谐波分量，装置此时若仍以50Hz的倍频同步采样的话，必将造成波形的严重失真。而其中如何确定合适的启动判据，如何同时启动一套系统的多个单元更是常规故障录波器技术上的关键和难点,其已经成为影响故障录波实现的顽疾.4关于故障录波器发展方向的探讨4.1关于录波器的功能定义随着超高压电网网架结构的不断扩大，电网稳定问题日益突出。因此笔者认为传统录波器仅仅扮演的记录故障情况下电参量的角色，已不能适应当前电力系统的发展。新型录波器应该是信息共享，多种功能的集成体，它未来的主要功能应包括：（1）继电保护及安自装置动作行为的分析；1) 电网故障的分析；2) 机组故障的分析。（2）运行参数的实时记录；（3）接入系统的电能量统计；（4）同步向量测量及稳定欲决策。在这种背景下，把该种装置叫做故障录波器也不再合时宜，笔者称它为电气参量动态记录单元，其动态记录主要是指：1) 电流、电压的记录；2) 事件记录；3) 电能量统计；4) 功角测量记录。4.2录波启动方式因电力系统故障情况非常复杂，使得通过有限的设定启动定值来启动录波装置的做法，并不能保证每次故障发生时的录波及时性和完整性，常常发生录波失败的情况；且随着机组容量的不断增大，系统和厂用电配置的越来越复杂，进入故障录波装置的量也越来越多。一套录波系统普遍采用了多套录波单元的做法非常普遍，但多套录波单元启动的同时性问题一直是个悬而未决的难题。因此新型录波器不存在启动条件，而实行无条件循环记录，以与GPS同步的高采样率连续记录一段时间的数据，在时间段内的任何时刻的参数，可以最小的时间分辨率重演。4.3录波数据的真实性录波器的使命决定了它必须保证所采集数据的真实性。这一点对故障再现和仿真研究，乃至进一步利用故障数据资源十分重要。因此对录波数据安全性的要求不能只依赖于管理，而应首先在技术上采取有效措施。随着记录数据量的不断增多，新一代故障录波器应采取如下措施来保证录入数据的真实性：1) 采用16位以上A/D以5KHZ以上的速率进行高速高精度采样；采用MCU技术来提高处理数据的能力；实现智能采样，对系统振荡、重合及直流量等，根据实际情况自动调整采样速率。2) 扩充存储容量，保证长过程或连续故障时高密度录波数据，使其保持完整性。3) 采用高速总线，实现数据的实时、快速、安全转存。4) 尽可能减少采样单元种的滤波环节。 4.4采样同时性（GPS问题）GPS的出现，为统一全网时钟，实现各点录波数据的综合分析提供了方便。可是不同的对时方式对全网时钟的统一影响很大。为实现真正意义上的全网时标统一和采样的同时性，应直接以GPS对时信号控制采样脉冲(如利用GPS中误差小于1s的1pps脉冲，经高稳定度晶振分频后产生采样脉冲)，以解决现有GPS对时方法使网内各录波器之间将误差控制在1ms以下，并向微秒级的国际先进水平靠拢。4.5数据记录格式及输出方式影响当前故障录波器组网功能提高的最大障碍在于不同型号录波器的数据记录格式和通信规约不统一。为充分发挥网络效益，新型录波器应做到： (1)采用标准数据记录格式，对CCITT、COMTRADE、专用规约等提供转换软件，能与其他故障分析设备交换数据。 (2)具有多个RS232及RS485接口，可同时向变电站监控系统和本站保护信息管理系统传送数据；内置modem，能直接与远方工程师站沟通。4.6录波器的网络功能随着录波数据量的不断扩大，目前一个录波文件的容量约在2M左右，使得以前通过modem拨号方式传送故障记录文件的方法，变得越来越不实用。因此网络功能应是新型录波器区别于现有录波器的重要方面。为提高网络利用率，网络应能实现故障信息远传与日常运行监测的双重作用。该网络应注意以下几点：1) 应充分利用、融合在现有资源（保护及安全自动装置信息集中处理系统），并与就地监控和SCADA系统存在接口。2) 通信规约应适应已颁布的行业标准，通信方式应进一步向可靠的现场总线方案过渡。3) 信息网络应成为MIS系统的一个有机组成部分，减少重复建设。创造条件与MIS系统间建立计算机专线网络，采用先进的ATM等技术，确保录波器信息在网络上的优先传送。4) 规范信息网络统一数据库，提高数据共享程度，减少数据库的人工维护量。5我厂二期工程故障录波器方案设计5.1总体构想根据以上对录波器发展方向的探讨，我将二期故障录波器定名为电气参数动态记录单元，它是线路故障录波器、机组故障录波器、同步向量测量及稳定欲决策系统（稳定切机）的统一体。按照笔者的设计：在二期电气中，将不再存在目前一期设备中使用的：线路故障录波器、机组故障录波器、同步向量测量及稳定欲决策系统和稳定切机系统，而只有一套电气参数动态记录单元装置。装置的总体特点如下：1) 分布式配置，IO资源没有限制。可以就地灵活配置，减少二次电缆。2) GPS同步采样，安装在不同地点的动态记录单元采用高精度同步的采样脉冲。3) 不存在启动条件，无条件用GPS同步的高采样率循环记录14天的数据，14天内的任何时刻的参数，可以最小的时间分辨率重演。4) 高速通讯网，采用主流硬件系统100M以太网作为通讯通道，相应速度无与伦比。5) 实时数据、向量图显示。6) 稳定欲决策功能。具体方案、结构如下：依托先进的继电保护平台，动态过程记录装置由分布式高精度抗干扰GPS授时单元、模拟量、开关量测量采集单元、数据集中处理单元和高分辨率数字式记录/重演单元组成，因此系统涉及到电网的稳定及故障的分析，数据的重要程度高，遂采用数据冗余记录系统。基本结构如图1： 图1 系统基本结构图5.2设备配置全站共用一个GPS授时单元，为采集单元提供统一的时间基准。授时单元设置在升压站继电器室，误差精度在1S。在同一授时的前提下，根据全站的模拟量与开关量的配置，提供采集单元，在升压站继电器室设置一套采集单元，用于线路参数的采集和测量；在机组电子室设置一套采集单元，用于#3、4机组参数的采集，这些采集单元用PPS进行同步采样，采样频率5K HZ；在控制室设置鉴相信号采集单元一套，每个采样点带时标传送到数据记录单元和数据集中处理单元。数据记录单元和数据集中处理单元设置在电子室内，采用冗余配置，与录波工作站采用独立的网络，双10/100M自适应光纤以太网。录波工作站配置一台高性能图形工作站，同时配置一台笔记本电脑。采用这样的配置，可以使技术人员在录波网络到达的任何结点上以相同的界面分析故障。同时由工作站与保护信息管理子站组网，与调度系统故障录波配合成完整系统。系统网络图如图2：图2 系统网络结构6结束语高水平的电网