嵌入式電力故障錄波分析裝置技術(shù)說明書

1、zh-5嵌入式電力故障錄波分析裝置技術(shù)說明書武漢中元華電科技股份有限公司wuhan zhongyuan huadian science &technology co., ltd歷史記錄修改歷史記錄序號日期修改情況版本號簽字012009.2.18創(chuàng)建1.0鄭君林022009.4.09修改1.1鄭君林032009.8.10增加3、5次諧波定值，刪掉單次錄波長度定值1.2鄭君林042009.11.23修改部分文字錯誤1.2謝文勤052009.12.17修改部分描述錯誤1.2李婷校閱歷史記錄序號日期校對情況簽字012009.4.7排版校對無誤李婷022009.4.09排版李婷032009.5.20校正

2、un,in下標錯誤鄭君林批準歷史記錄序號日期批準情況簽字012009.6.29正確張小波目 錄1.概述12.工作原理22.1.總體結(jié)構(gòu)22.2.抗病毒原理22.3.iec 61850建模和服務(wù)32.4.暫態(tài)錄波原理42.5.穩(wěn)態(tài)連續(xù)記錄原理52.6.定值和整定范圍53.嵌入式圖形軟件的主要功能73.1.實時監(jiān)測功能73.2.波形查看功能73.3.波形分析功能73.4.定值整定83.5.配線和參數(shù)修改84.關(guān)鍵技術(shù)94.1.純嵌入式結(jié)構(gòu)和基于vxworks的圖形界面94.2.對病毒免疫94.3.完備的對時接口94.4.支持iec 61850-8規(guī)約95.技術(shù)指標105.1.輸入信號105.2.性

3、能指標105.3.穩(wěn)態(tài)連續(xù)記錄115.4.時鐘及同步精度115.5.基于iec61850的錄波裝置模型和通信規(guī)約115.6.通信接口和規(guī)約115.7.3/2接線115.8.主變錄波125.9.數(shù)據(jù)格式125.10.抗電磁干擾能力125.11.供電電源125.12.外形尺寸、安全防護等級及顏色121. 概述zh-5嵌入式電力故障錄波分析裝置是采用嵌入式圖形系統(tǒng)和vxworks、dsp構(gòu)成的純嵌入式故障錄波和分析裝置。它是國內(nèi)第一款在高可靠性實時操作系統(tǒng)vxworks上，實現(xiàn)了基于嵌入式圖形系統(tǒng)和圖形界面的錄波裝置，可廣泛適用于110kv1000kv電壓等級的變電站和換流站。zh-5嵌入式電力故障

4、錄波分析裝置，符合以下主要標準：v dl/t663-1999：220500kv電力系統(tǒng)故障動態(tài)記錄裝置檢驗測試要求v dl/t553-94：220500kv電力系統(tǒng)故障動態(tài)記錄技術(shù)準則v iec 60255-24：2001：電氣繼電器第24部分：電力系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)據(jù)交換的通用格式(comtrade)2. 工作原理2.1. 總體結(jié)構(gòu)zh-5嵌入式電力故障錄波分析裝置主要由嵌入式cpu系統(tǒng)、嵌入式dsp系統(tǒng)和信號變送系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。dsp系統(tǒng)負責(zé)a/d采樣、判據(jù)計算以及gps對時處理等。圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖嵌入式cpu系統(tǒng)采用vxworks作為嵌入式實時操作系統(tǒng)，以及針對vxworks設(shè)計的嵌入式圖形

5、操作系統(tǒng)，負責(zé)故障數(shù)據(jù)的分析、存儲、通信以及人機交互等。zh-5故障錄波裝置的嵌入式圖形系統(tǒng)提供類似于windows風(fēng)格的界面，可以支持鍵盤、鼠標和usb存儲設(shè)備，配置12.1工業(yè)級液晶顯示器，整套裝置簡單易用。zh-5的嵌入式圖形操作系統(tǒng)，提供包括波形顯示、波形分析、公式編輯器、定值整定等全部錄波裝置功能。設(shè)備功能并沒有因為采用嵌入式設(shè)計而有任何的縮減。2.2. 抗病毒原理zh-5整套錄波裝置采用高可靠性的vxworks嵌入式實時操作系統(tǒng)，并針對錄波裝置的需求和特點開發(fā)專用軟件，有針對性的對vxworks進行組件裁減。因此系統(tǒng)不會感染病毒，不會被惡意程序入侵，不會成為病毒和惡意程序攻擊其他聯(lián)

6、網(wǎng)設(shè)備的跳板，也有利于增強其它聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。同時，雖然zh-5錄波裝置所有的功能都不需要windows軟件。但由于錄波裝置不可避免的需要與電力系統(tǒng)的其他電腦、服務(wù)器以及電力設(shè)備聯(lián)網(wǎng)運行，而這些設(shè)備大部分還在使用windows操作系統(tǒng)，存在被病毒、惡意程序入侵的風(fēng)險。zh-5具有抵抗病毒、惡意程序入侵和攻擊的能力，在這種惡劣工作情況下，具有特別重要的意義。2.3. iec 61850建模和服務(wù)2.3.1. 邏輯設(shè)備建模錄波裝置在物理功能上分為暫態(tài)錄波和穩(wěn)態(tài)連續(xù)記錄功能。對應(yīng)一個物理設(shè)備，建模為一個server，而對基于該設(shè)備上不同的物理功能模塊則采用建立多個邏輯設(shè)備ld。因此，將同

7、一個錄波裝置上的暫態(tài)錄波和穩(wěn)態(tài)連續(xù)記錄功能對象分別建立為兩個不同的邏輯設(shè)備。2.3.2. 邏輯節(jié)點建模錄波裝置的邏輯設(shè)備至少應(yīng)包含lln0、lphd、rdre三個邏輯節(jié)點。rdre包含了具備共同功能相關(guān)、系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)對象以及數(shù)據(jù)屬性，對于所有的錄波裝置，該邏輯節(jié)點是強制的。對于錄波裝置所有的系統(tǒng)功能擴展都放在rdre中。在這三個邏輯節(jié)點中除標準規(guī)定的強制數(shù)據(jù)對象以外，還規(guī)定有以下強制數(shù)據(jù)對象：邏輯節(jié)點數(shù)據(jù)對象說明lln0ledrs裝置復(fù)歸rdrefltnum故障序號rcdmade暫態(tài)錄波狀態(tài)rcdstr穩(wěn)態(tài)連續(xù)記錄狀態(tài)rcdtrg遠程啟動錄波2.3.3. 錄波裝置模型服務(wù)1) 應(yīng)用關(guān)聯(lián)、服務(wù)

8、器模型錄波裝置同時支持不同客戶的訪問，建議客戶端最大訪問數(shù)目為8個。當mms通信意外中斷時，服務(wù)器端和客戶端檢出通信故障的時間應(yīng)不大于1分鐘。2) 數(shù)據(jù)集、定值組服務(wù)對于故障錄波裝置，當電力系統(tǒng)發(fā)生故障產(chǎn)生錄波時應(yīng)有事件上發(fā)送重要狀態(tài)的信號：包括錄波狀態(tài)(rdre$rcdmade$stval)、故障序號(rdre$fltnum$stval)等。同時錄波裝置提供以數(shù)據(jù)集方式訪問定值的信息，并符合dl/t860規(guī)定的排序規(guī)則。定值組服務(wù)定義了錄波裝置定值整定、切換、激活等功能。3) 報告服務(wù)錄波裝置主要通過報告服務(wù)上送soe事件(新錄波、裝置故障)。此服務(wù)為錄波裝置強制服務(wù)，并至少提供4個報告使能

9、實例。4) 控制服務(wù)錄波裝置提供遠程啟動錄波和遠程裝置復(fù)歸的控制服務(wù)。錄波裝置控制服務(wù)采用增強安全的操作前選擇控制模型(sbow)。5) 文件服務(wù)錄波文件名稱采用：裝置名_ld名稱_fltnum故障號_故障時間，總長度不應(yīng)超過255個八位位組。6) 時間和時間同步服務(wù)采用sntp對時協(xié)議。2.4. 暫態(tài)錄波原理zh-5錄波器由fpga負責(zé)控制所有的模擬量通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換以及采集開關(guān)量通道狀態(tài)。fpga對每采集一幀數(shù)據(jù)，打上絕對時間標簽后，提供給dsp讀取，dsp根據(jù)啟動判據(jù)進行實時計算，一旦判據(jù)滿足，就進入錄波狀態(tài)，錄波告警繼電器動作。此時，dsp將啟動時刻以前的部分數(shù)據(jù)(即a段長度)，以及后續(xù)

10、數(shù)據(jù)(即b段長度)以高采樣率的方式保存下來，同時通過內(nèi)部高速通道，傳輸給嵌入式cpu，嵌入式cpu將錄波數(shù)據(jù)保存為文件。錄波結(jié)束后，經(jīng)過一段時間的延時(可設(shè)置)dsp自動復(fù)歸錄波告警繼電器。同時，嵌入式cpu自動對數(shù)據(jù)進行故障分析和測距，并給出分析報告。如果分析結(jié)果表明是區(qū)內(nèi)故障，則打印故障報告和波形。2.4.1. 暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)記錄方式數(shù)據(jù)記錄采用a-b-c段方式，a、b、c段全部采用采樣值記錄。如下圖所示：圖2.4.1暫態(tài)錄波記錄方式v a段：系統(tǒng)大擾動開始前的數(shù)據(jù)，記錄時間為40ms1000ms，采樣率最高為10,000hz；v b段：系統(tǒng)大擾動后初期的數(shù)據(jù)，記錄時間為400ms10s，采

11、樣率與a段相同；v c段：系統(tǒng)大擾動后中后期數(shù)據(jù)，記錄時間最大為600s，采樣率固定為1000hz。2.4.2. 不定長暫態(tài)錄波的實現(xiàn)如果在c段錄波時，有突變量判據(jù)或開關(guān)量判據(jù)滿足啟動條件，則dsp以此時為新的擾動開始時刻，再次進入abc錄波狀態(tài)。直到c段不再出現(xiàn)滿足突變量和開關(guān)量判據(jù)啟動的條件，最后一個c段達到整定長度后，本次錄波才結(jié)束。因此，對于某些復(fù)雜故障，可能在一個錄波數(shù)據(jù)中，出現(xiàn)多次abc abc abc的現(xiàn)象。2.5. 穩(wěn)態(tài)連續(xù)記錄原理裝置自從啟動后，dsp不停地以1000hz采樣率向cpu發(fā)送實時采樣值，cpu利用實時采樣值，生成實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和畫面，同時將這些數(shù)據(jù)保存，成為穩(wěn)態(tài)連

12、續(xù)記錄數(shù)據(jù)。穩(wěn)態(tài)連續(xù)記錄采用1000hz為采樣率，可以查看到波形的相位信息，比有效值記錄方式更具有使用價值，同時數(shù)據(jù)量也大得多。通過配置大容量的存儲器，zh-5可以保存最近至少7天的穩(wěn)態(tài)連續(xù)記錄數(shù)據(jù)。穩(wěn)態(tài)連續(xù)記錄數(shù)據(jù)采用自動循環(huán)覆蓋，滾動更新，無需人工手動清除。2.6. 定值和整定范圍序號定值項單位范圍啟動精度建議值控制參數(shù)1ab段采樣率hz1,00010,00010,0002a段長度毫秒0.11秒100毫秒3b段長度毫秒0.410秒400毫秒4c段長度秒130秒5秒交流電壓5相電壓突變量v1%20%un5%9%un6相電壓高越限v100%130%un2%115%un7相電壓低越限v1%100

13、%un2%85%un8零序電壓突變量(開口三角電壓)v1%20%un5%6%un9零序電壓高越限(開口三角電壓)v1%20%un2%6%un10電壓正序高越限v80%130%un2%110%un11電壓正序低越限v1%120%un2%90%un12電壓負序越限v1%20%un2%3%un133次諧波越限%12002%30145次諧波越限%12002%30157次諧波越限%12002%30交流電流16相電流突變量a2%30%in5%10%in17相電流高越限a50%130%in2%110%in18相電流1.5秒內(nèi)電流變差%5305%1019零序電流突變a1%30%in5%10%in20零序電流高

14、越限a1%30%in2%10%in21電流負序越限a1%30%in2%10%in頻率22頻率高越限hz50550.00250.523頻率低越限hz45500.00249.524頻率變化率hz/s0.01100.0050.1直流（含電壓和電流）25直流突變量v/a1%50%un/in5%10%un/in26直流高越限v/a70%150%un/in2%110%un/in27直流低越限v/a1%130%un/in2%90%un/in變壓器28變壓器縱差a10%-100%in5% in30%in29自耦變分側(cè)差動a10%-100%in5% in30%in30自耦變零序差動a10%-100%in5% i

15、n30%in31變壓器過激磁1.0-5.00.051.1開關(guān)量32開關(guān)量啟動、不啟動啟動整定原則：v 交流電壓、交流電流按照二次值整定；v 直流電壓、直流電流按照一次值整定；v 自耦變零序差動按照零序電流整定，而不是3倍零序電流。3. 嵌入式圖形軟件的主要功能3.1. 實時監(jiān)測功能1) 實時監(jiān)測波形可按照線路、母線等選擇監(jiān)視通道，或?qū)崟r監(jiān)視所有通道。2) 實時監(jiān)測相量圖以矢量圖和波形的方式，顯示選定線路或任意通道之間的相位關(guān)系，可顯示相對相角或絕對相角。3) 實時監(jiān)測功率以有功、無功、視在功率表的形式，實時顯示指定線路的功率。3.2. 波形查看功能1) 可對波形進行橫向放大縮小、縱向放大縮小和

16、復(fù)原的功能；2) 可以向上、向下移動波形，以及疊加多個波形，對信號細節(jié)進行比較；3) 可以顯示各個通道的有效值、瞬時值；4) 可以顯示各個通道的一次值、二次值。3.3. 波形分析功能主要提供以下分析功能：1) 相量分析顯示波形的矢量圖，并可以自動播放矢量變化。2) 序量分析使用波形中的a、b、c三相信號，計算分析電壓、電流的正序、負序和零序分量。3) 諧波分析以表格或直方圖的形式顯示各次諧波的含量，并可顯示真有效值。4) 阻抗分析在阻抗平面上顯示阻抗軌跡，并可以自動播放軌跡曲線。5) 非周期分量分析采用擬合法準確計算非周期分量的初始值、時間常數(shù)。6) 直流數(shù)字濾波根據(jù)用戶需要，zh-5故障錄波

17、裝置可以記錄未經(jīng)低通濾波、原始的直流波形。對這種波形，可通過該功能顯示經(jīng)過數(shù)字低通濾波之后的信號，其中截止頻率可設(shè)置。此功能常用于分析含高次諧波的直流信號，比如整流橋輸出的直流信號。7) 功率分析顯示線路的無功功率、有功功率和視在功率曲線。8) 公式編輯器用戶可通過大量軟件內(nèi)置函數(shù)和四則運算，對一個或多個電氣量進行特定計算，并顯示經(jīng)過運算得出的波形。9) 單端故障測距手動或自動對錄波數(shù)據(jù)進行分析，選擇故障線，并計算故障點距離。3.4. 定值整定以圖形化的方式，在裝置上修改定值。3.5. 配線和參數(shù)修改可以修改裝置ip地址、路由表，以及接入通道的名稱、相互關(guān)系和線路參數(shù)等。4. 關(guān)鍵技術(shù)4.1.

18、 純嵌入式結(jié)構(gòu)和基于vxworks的圖形界面zh-5嵌入式電力故障錄波分析裝置采用基于vxworks的全嵌入式結(jié)構(gòu)，使用了嵌入式圖形系統(tǒng)。在嵌入式硬件和軟件平臺上實現(xiàn)了包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、人機接口、波形分析、波形顯示、波形打印、遠程通信等錄波器的全部功能。zh-5故障錄波裝置采用與windows類似的圖形界面，操作簡單易于使用，支持鍵盤、鼠標和usb移動磁盤。對裝置的參數(shù)設(shè)置、調(diào)試、整定等操作都可以在嵌入式圖形界面上完成，徹底脫離了基于windows的軟件。4.2. 對病毒免疫zh-5錄波裝置完全使用高可靠性的vxworks嵌入式實時操作系統(tǒng)，并針對錄波裝置的需求和特點開發(fā)專用軟件，同時對

19、vxworks操作系統(tǒng)進行了裁減，因此系統(tǒng)不會感染病毒，不會被惡意程序入侵，不會成為病毒和惡意程序攻擊聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的跳板，也有利于增強其它聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。4.3. 完備的對時接口zh-5嵌入式電力故障錄波分析裝置支持ntp/sntp、irig-b、分脈沖、秒脈沖等對時接口。其中ntp/sntp對時支持主動請求、接收廣播、接收組播三種模式，可適應(yīng)多種ntp/sntp對時網(wǎng)絡(luò)。ntp/sntp支持冗余對時網(wǎng)絡(luò)配置，在采用主動請求模式時，可設(shè)置2組時間服務(wù)器ip地址，互為備用，自動切換。4.4. 支持iec 61850-8規(guī)約zh-5嵌入式電力故障錄波分析裝置根據(jù)iec 61850規(guī)范對錄波

20、器進行建模，并支持mms通信規(guī)約，支持采用61850規(guī)約接入子站和主站。zh-5嵌入式電力故障錄波分析裝置61850通信規(guī)約實現(xiàn)了數(shù)據(jù)集、定值組服務(wù)、報告服務(wù)、控制服務(wù)、文件服務(wù)。zh-5錄波裝置實現(xiàn)了comtrade 1999格式的錄波文件傳輸、定值整定、切換、激活，以及soe上送、遠程啟動錄波等功能。5. 技術(shù)指標5.1. 輸入信號1) 最大可接入96路模擬量和256路開關(guān)量。2) 交流額定相電壓：57.7v，50hz。3) 交流額定電流：1a或5a，50hz。4) 模擬量線性工作范圍：v 交流電壓回路：0.05v180v；v 交流電流回路：0.01in36 in；v 直流電壓回路：0.0

21、51倍量程，量程最大為5000v，可定制；v 直流電流回路：0.01ma20ma。5) 過載能力：v 交流電壓回路：3倍額定電壓，連續(xù)工作；v 交流電流回路：2倍額定電流，連續(xù)工作；20倍額定電流工作10s；40倍額定電流工作1s。6) 直流回路的隔離耐壓最高可達5000vrms， 用戶可定制。7) 開關(guān)量信號類型可接入空接點、dc110v、dc220v開關(guān)量。允許幾種開關(guān)量混合接入。5.2. 性能指標1) 暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)采用a-b-c段方式記錄，a、b、c段全部采用瞬時采樣值記錄，c段可根據(jù)擾動狀態(tài)無限延長；2) 暫態(tài)錄波ab段采樣率可整定為10,000、5,000、2,000hz，c段固定為

22、1000hz；3) ab段采樣率為10,000hz時，暫態(tài)錄波諧波分辨率為99次；4) ab段采樣率為10,000hz時，暫態(tài)錄波開關(guān)時間分辨率為0.1ms；5) 25時，額定值下的電流、電壓波形采樣精度優(yōu)于0.3；6) 25時，額定值下的各路電壓、電流之間的有效值測量相對誤差小于0.5；7) 有功功率、無功功率、視在功率測量誤差不超過0.5%；8) 裝置的各路交流電壓、交流電流相互之間的相位測量誤差1；9) 溫度從-20至60變化引起的誤差不超過滿刻度的1.0%。10) 采用零漂自適應(yīng)技術(shù)。5.3. 穩(wěn)態(tài)連續(xù)記錄1) 全程1000hz采樣；2) 采用自動循環(huán)覆蓋技術(shù)，可保存最近至少7的穩(wěn)態(tài)錄

23、波數(shù)據(jù)。5.4. 時鐘及同步精度1) 支持ntp/sntp、irig-b、分脈沖(ppm)和秒脈沖(pps)對時；2) irig-b、ppm、pps對時精度-1ms；3) ntp/sntp對時精度-20ms；4) 裝置自身時鐘精度24小時誤差1s；5) ntp/sntp對時支持主動請求、接收廣播、接收組播三種方式；6) ntp/sntp采用主動請求方式時，可設(shè)置2組時間服務(wù)器ip地址，互為備用，自動切換。5.5. 基于iec61850的錄波裝置模型和通信規(guī)約采用了dl/t860.7(iec 61850-7) 定義的數(shù)據(jù)模型、服務(wù)以及建模的方法，基于面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷?，分層次的對錄波裝置進行建模。模型采用邏輯設(shè)備的方式，涵蓋了暫態(tài)錄波和穩(wěn)態(tài)連續(xù)記錄功能?；谠撃Ｐ蛯崿F(xiàn)的dl/t860.8(iec 61850-8) mms通信規(guī)約，通過了互操作性和一致性測試。5.6. 通信接口和規(guī)約1) 提供4個網(wǎng)絡(luò)接口，可選為4個電口，或3電1光；2) 電以太網(wǎng)口為10/100mb自適應(yīng) rj45接口；3) 光以太網(wǎng)口速度為100