电力系统故障录波器

变电站故障录波系统The Fault Recording System of SubstationABSTRACT：The fault recorder is an important component in a substation to record the transient state process of power system. The feature and function of fault recorder is described in this paper, and it gives two examples of microcomputer fault recorder and start-up arithmetics.KEY WORDS: Substation; fault record摘要：故障录波装置是电力系统暂态过程记录的主要设备，本文简要介绍了故障录波装置的特点、作用，并且对现在应用较广的微机故障录波系统计其启动算法做了简单的介绍。

关键词：变电站；故障录波1.引言故障录波装置是当电力系统发生故障时，能迅速直接地记录下与故障有关的运行参数的一种自动记录装置。

当电力系统发生故障时，电力系统潮流计算、短路电流计算的理论值与实际值的差距有多大，继电保护、自动装置的实际动作情况如何，电器设备受冲击的程度怎样，这些在理论上很难模拟，又不能通过实验获得的瞬间信息，对电力系统安全稳定运行具有十分重要的意义，而利用故障录波装置就能获得这些信息，所以故障录波装置就好像是电力系统故障时的“黑匣子”，使电力系统十分重要的安全自动装置。

《电力系统继电保护和安全自动装置技术规程》规定：在主要发电厂、220kV及以上变电站和220kV重要变电站，应装设故障录波装置。

其记录的电网参数除对一般参数（电压、电流、开关量）的记录外，还对有关元件的有功、误工、非周期分量的初值电流及其衰减时间常数、系统频率变化及各种参数变化的准确时间进行记录。

分析电网故障主要是指分析系统动态过程参数量的变化规律。

故障录波装置必须设置故障录波的专用传输接口，以便远传调度作进一步数据分析处理。

[1]故障录波器是保护系统中的主要成员，保护系统通过它的标准模拟量（包括电压和电流），以及预先设定的标准来探测故障并且记录故障的相关信息，其预先设定的标准即为电网的理想状态的相关参数。

通过进一步的分析，它可以辨别故障的不同方面问题，例如：故障的原因、故障的类型、故障的起源等等。

同时，通过它的数字输入，还可以监控保护系统中其他的设备。

尤其是当故障发生时或者在非正常运行状态下对保护继电器的监控。

事实上，这种设备的功能是分析录波数据以快速清除故障的起因，而不是单单记录数据。

[2]2.故障录波装置的作用及特点2.1故障录波装置的作用⑴用于分折事故原因，为及时处理事故提供重要依据。

根据所录故障过程波形图和有关数据，可以准确反映故障类型、相别、故障电流和电压等数据、断路器调合闸和重合闸动作情况等，从而可以分析和确定事故原因，研究有效的对策，为及时处理处理事故提供可靠的依据。

⑵根据录取的波形图和数据，可以准确评价继电保护和自动装置工作的正确性，也是十分难得的实验数据，特别是在发生转换性故障时，更是如此。

⑶根据录取的波形图和数据，结合短路电流计算结果，可以较准确地判断故障地点范围，便于寻找故障点。

加速处理事故进程，减轻巡线人员劳动强度。

最新微机型故障录波装置，判断故障准确度误差在2%以内。

⑷分析研究振荡规律。

从录波图可以清除反映振荡发生、失步、同步振荡、异步振荡和再同步过程以及振荡周期、振荡频率、振荡电流和振荡电压特性等，为研究防止振荡对策、改进继电保护和自动装置提供依据。

⑸分析录波图，可以发现继电保护和自动装置的缺陷以一次设备的缺陷，可及时消除事故隐患；可提供转换性故障和非全相运行再故障的信息；还可反映电力系统内部过电压的情况等。

⑹借助录波装置的录波录波资料提供的波形和数据，不仅可以反映用于核对系统参数和短路计算值，而且还可实测系统参数，对理论上计算的系统参数作必要修改，从而提高系统的运行水平。

[1]2.2.故障录波装置的特点⑴功能完整，自成体系。

录波器具有16路模拟量输入、16路开关量输入，还可以由2~3台录波器组屏构成32路或48路的故障录波屏。

因此具有扩展灵活、工作相对对独立的特点。

当一台录波器发生异常时，不会影响其他录波器的工作，提高了可靠性。

录波器还具有自检、互检功能，能随时检测到装置异常情况，并发出信号输出检测结果。

⑵软件启动录波。

每一模拟量通道均可启动录波。

采用键盘设定录波启动方式及启动限值，每一启动方式均有突变量启动、低限启动和过限启动三种选择，还可设定系统的振荡启动值。

由于采用了软件启动方式，具有人机对话功能，因此，便于在工作现场整定限值，也简化了硬件配置。

⑶录波时间长，录波完整、不间断。

具有三个循环存放的录波数据存储空间，每个存储空间可以存储一次未经压缩的录波数据，每次录波时间为4.2s，其中有故障前的100ms，不间断录波时间最长为12.6s（3次）。

每次录波后数据自动存盘，快速清空数据存储空间，以便连续录波，存盘后自动绘图输出。

采用不间断方式采集数据及故障判断，在存盘及绘图过程中，系统再次发生故障，仍可进行录波且不影响当前的存盘及绘图。

⑷具有完善软磁盘系统及智能化打印绘图功能。

具有两个软盘驱动器，当第一个驱动器磁盘盘满时，自动转向第二个驱动器的磁盘，软磁盘系统具有完善的格式化、删盘、拷贝功能。

打印输出时能够对录波数据进行分析，自动确定绘图比例，自动选择电气量有变化的部分。

打印输出的信息报告内容包括故障时刻、故障元件、故障地点、故障类型、自动重合闸动作情况和开关量动作顺序等，报告内容十分全面。

⑸故障录波数据后期处理。

对故障录波后的数据，可在PC机上用专用的软件进行离线处理。

可对录波数据全过程模拟量的每一部分及开关量进行放大、缩小、定格、重新排列、打印输出等，还可利用FAX卡远传录波数据到调度中心进行分析处理。

⑹掉电保护功能。

掉电时，实时时钟及录波数据等信息不丢失。

⑺人机对话功能。

定值、时钟和各种操作指令均可通过面板上按键和显示器进行直接的观察和操作。

⑻在数据采集方面，当判定为故障后，保护在取得足够的数据后可以短时停止对数据的采集转去作保护运算，而故障录波则不允许数据采集的任何中断;故障录波器为保持数据的真实性，应尽可能减少滤波，保护为判明故障则要消除各次谐波，因此在硬件上和软件上都要采取措施，特别是软件滤波在保护的CPU时间分配中占有较大比重。

⑼在启动判据上，保护要求在故障当时即刻准确判定，所以对启动判据的准确性和快速性要求很高；故障录波器不需执行重合闸，对启动判据的准确性和快速性要求不高，较之保护其判据可大大简化。

故障录波器不仅记录故障过程还要记录故障前的波形和数据，所以在故障录波器中要开辟一定容量的环行内存缓存区，不断地以采取最新数据刷新这个环行缓存区，一旦判明故障，就首先将缓存区中的内容(包括故障前和故障过程的数据)保存起来，直到故障结束。

[3]3. 故障录波装置整体结构及启动原理3.1故障录波装置的硬件结构故障录波装置的主要部分是录波器，根据录波原理的不同，可分为光线式录波器和微机型录波器。

光线式录波装置是一种机械录波装置，由于存在启动速度慢、精度低、录波时间短等问题，实际中已很少使用，现在广泛应用的是微机型录波装置。

下面介绍两种微机型录波装置的硬件方案。

方案一：以网络为核心，把各个单元连接成为一个有机整体，作为一个分布式的系统，它采用多CPU并行工作方式。

主要可以分为三大部分：下位机单元、中层通讯管理单元、上位机单元。

下层采集卡相互独立，中层管理单元负责与上位机的通讯及保存掉电后可能丢失的数据，上位机负责人机接口及与其他系统通过网络通信。

下位机单元作为数据采集系统，包括开关量采集系统和模拟量采集系统。

开关量采集系统的CPU采用Intel公司的MCS一96系列单片微处理器，具有高精度片内定时/计数器、程序运行监视器、高速输入/输出通道(HIS/ HSO)、串行口、片内232Byte。

通用寄存器阵列、中断控制器等硬件资源，软件指令丰富，控制能力很强。

每个开关量输入回路均经光电隔离后输入，每个开关量输入板上都带有一路测频电路。

模拟量采集系统的CPU采用TI公司的TMS320Ox系列的浮点数数字信号处理器TMS320OZ，具有片内定时/计数器、同步串行口、DMA控制器、片内512Byte的RAM、中断控制器等硬件资源。

片内总线采用哈佛结构，CPU内部也采用多总线结构，同时片内有大量的寄存器可供编程直接使用，使CPU在完成仿真功能的同时，也足以完成模拟量的采集工作，充分发挥了DSP数据处理能力强的功能，能够促进系统实时性能的提高，并采用了高性能的A/D转换器，精度高，性能稳定。

由于DSP芯片及MCS一96芯片内部都不带有以太网卡控制器，为了完成数据的双向流动，系统设计时加入中层通讯管理单元。

CPU为嵌入式微型计算机PC/ 104，模块本身带有16M内存，8M电子盘，10M网口。

底板主要提供PC/104总线接口，另外附有GPS接收系统及外扩定时/计数器。

上位机单元采用工业控制计算机，全钢结构机箱，防尘、防电磁干扰、防震性能好，内部配置为Pentium-166MMx以上、64M内存、2.1G以上硬盘、10M波特率网卡及内置Modem 可以上传信息至调度。

[4]方案二：系统采用微机保护的分层式结构，主要包括管理机、数据采集单元和隔离变换层等部分。

管理机主要完成装置的运行和调试管理、电气量信号的在线监测、录波数据的存贮与分析以及故障报告的形成和打印等，并根据远方控制命令对录波数据进行调度控制。

根据管理机的任务特点，其硬件选用工业级一体化工作站，以充分利用工业PC硬件开放性好的特点以及丰富的软件开发资源。

数据采集单元按微机保护的高可靠性要求进行硬件设计。

采用背插式结构，以利于强、弱电分离，提高装置的抗干扰性能。

模板插件通过欧式针孔连接器与无源母板插接，各模板间均采用母板布线方式进行互连，有助于减少线间的耦合干扰。

该单元采用双CPU并行工作模式，前端数据采集板以数字信号处理器DSP作为智能元件，完成模/数变换管理和基本电气参数计算，以充分发挥其计算优势，便于实现高速录波。

选用16位高精度A/D，以提高记录数据的准确性。

主CPU板为一块高集成化586单板计算机，负责故障的检测、判断以及录波数据的分段存储控制和数据的转存等。

数据采集单元自行构成一独立系统，自带大容量电子盘或硬盘，用于录波数据的备份存储。

数据采集单元与管理机之间通过高速以太网相连，以实现大容量记录数据的快速、可靠的传送，同时也便于根据需要构成局域录波网和与电站的自动化系统互连。