嵌入式电力故障录波分析装置技术说明书

ZH-5嵌入式电力故障录波分析装置
技术说明书
武汉中元华电科技股份有限公司
Wuhan Zhongyuan Huadian Science &Technology Co., Ltd
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01 2009.2.18 创建 1.0 郑君林
02 2009.4.09 修改 1.1 郑君林
03 2009.8.10 增加3、5次谐波定值，删掉单次录波长度定值 1.2 郑君林
04 2009.11.23 修改部分文字错误 1.2 谢文勤
05 2009.12.17 修改部分描述错误 1.2 李婷校阅历史记录
序号日期校对情况签字
01 2009.4.7 排版校对无误李婷
02 2009.4.09 排版李婷
03 2009.5.20 校正U N,I N下标错误郑君林
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01 2009.6.29 正确张小波
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1.概述 (1)
2.工作原理 (2)
2.1................................................................................................................................... 总体结构
2
2.2............................................................................................................................... 抗病毒原理
2
2.3......................................................................................................... IEC 61850建模和服务
3
2.4.......................................................................................................................... 暂态录波原理
4
2.5.................................................................................................................. 稳态连续记录原理
5
2.6...................................................................................................................... 定值和整定范围
5
3.嵌入式图形软件的主要功能 (7)
3.1.......................................................................................................................... 实时监测功能
7
3.2.......................................................................................................................... 波形查看功能
7
3.3.......................................................................................................................... 波形分析功能
7
3.4................................................................................................................................... 定值整定
8
3.5...................................................................................................................... 配线和参数修改
8
4.关键技术 (9)
4.1.................................................................... 纯嵌入式结构和基于VxWorks的图形界面
9
4.2............................................................................................................................... 对病毒免疫
9
4.3...................................................................................................................... 完备的对时接口
9
4.4........................................................................................................ 支持IEC 61850-8规约
9
5.技术指标 (10)
5.1................................................................................................................................... 输入信号
10
5.2................................................................................................................................... 性能指标
10
5.3.......................................................................................................................... 稳态连续记录
11
5.4...................................................................................................................... 时钟及同步精度
11
5.5.................................................................. 基于IEC61850的录波装置模型和通信规约
11
5.6...................................................................................................................... 通信接口和规约
11
5.7.....................................................................................................................................3/2接线
11
5.8................................................................................................................................... 主变录波
12
5.9................................................................................................................................... 数据格式
12
5.10.抗电磁干扰能力 (12)
5.11.供电电源 (12)
5.12.外形尺寸、安全防护等级及颜色 (12)
1. 概述
ZH-5嵌入式电力故障录波分析装置是采用嵌入式图形系统和VxWorks、DSP构成的纯嵌入式故障录波和分析装置。

它是国内第一款在高可靠性实时操作系统VxWorks 上，实现了基于嵌入式图形系统和图形界面的录波装置，可广泛适用于110kV~1000kV 电压等级的变电站和换流站。

ZH-5嵌入式电力故障录波分析装置，符合以下主要标准：
❖DL/T663-1999：《220～500kV电力系统故障动态记录装置检验测试要求》
❖DL/T553-94：《220～500kV电力系统故障动态记录技术准则》
❖IEC 60255-24：2001：《电气继电器第24部分：电力系统暂态数据交换的通用格式(COMTRADE)》
2. 工作原理
2.1. 总体结构
ZH-5嵌入式电力故障录波分析装置主要由嵌入式CPU系统、嵌入式DSP系统和信号变送系统三大部分构成。

DSP系统负责A/D采样、判据计算以及GPS对时处理等。

256路开关量
存储器
32位嵌入式CPU+VxWorks+
嵌入式图形界面
4个网口3个USB口串口
A/D
A/D
A/D
A/D
…
96路模拟量(交流和直流)
FPGA
IRIG-B对时
脉冲对时
告警接口
32位浮点
DSP
12.1"工业
级液晶显
示器
CF卡
打印机
键盘
鼠标图2.1系统结构图
嵌入式CPU系统采用VxWorks作为嵌入式实时操作系统，以及针对VxWorks设计的嵌入式图形操作系统，负责故障数据的分析、存储、通信以及人机交互等。

ZH-5故障录波装置的嵌入式图形系统提供类似于Windows风格的界面，可以支持键盘、鼠标和USB存储设备，配置12.1〞工业级液晶显示器，整套装置简单易用。

ZH-5的嵌入式图形操作系统，提供包括波形显示、波形分析、公式编辑器、定值整定等全部录波装置功能。

设备功能并没有因为采用嵌入式设计而有任何的缩减。

2.2. 抗病毒原理
ZH-5整套录波装置采用高可靠性的VxWorks嵌入式实时操作系统，并针对录波装置的需求和特点开发专用软件，有针对性的对VxWorks进行组件裁减。

因此系统不会感染病毒，不会被恶意程序入侵，不会成为病毒和恶意程序攻击其他联网设备的跳板，
也有利于增强其它联网设备和整个网络的稳定性。

同时，虽然ZH-5录波装置所有的功能都不需要Windows软件。

但由于录波装置不可避免的需要与电力系统的其他电脑、服务器以及电力设备联网运行，而这些设备大部分还在使用Windows操作系统，存在被病毒、恶意程序入侵的风险。

ZH-5具有抵抗病毒、恶意程序入侵和攻击的能力，在这种恶劣工作情况下，具有特别重要的意义。

2.3. IEC 61850建模和服务
2.3.1. 逻辑设备建模
录波装置在物理功能上分为暂态录波和稳态连续记录功能。

对应一个物理设备，建模为一个server，而对基于该设备上不同的物理功能模块则采用建立多个逻辑设备LD。

因此，将同一个录波装置上的暂态录波和稳态连续记录功能对象分别建立为两个不同的逻辑设备。

2.3.2. 逻辑节点建模
录波装置的逻辑设备至少应包含LLN0、LPHD、RDRE三个逻辑节点。

RDRE包含了具备共同功能相关、系统相关的数据对象以及数据属性，对于所有的录波装置，该逻辑节点是强制的。

对于录波装置所有的系统功能扩展都放在RDRE中。

在这三个逻辑节点中除标准规定的强制数据对象以外，还规定有以下强制数据对象：
逻辑节点数据对象说明
LLN0 LEDRs 装置复归
RDRE FltNum 故障序号RcdMade 暂态录波状态RcdStr 稳态连续记录状态RcdTrg 远程启动录波
2.3.3. 录波装置模型服务
1) 应用关联、服务器模型
录波装置同时支持不同客户的访问，建议客户端最大访问数目为8个。

当MMS通信意外中断时，服务器端和客户端检出通信故障的时间应不大于1分钟。

2) 数据集、定值组服务
对于故障录波装置，当电力系统发生故障产生录波时应有事件上发送重要状态的信号：包括录波状态(RDRE$RcdMade$stVal)、故障序号(RDRE$FltNum$stVal)等。

同时录波装置提供以数据集方式访问定值的信息，并符合DL/T860规定的排序规则。

定值
组服务定义了录波装置定值整定、切换、激活等功能。

3) 报告服务
录波装置主要通过报告服务上送SOE事件(新录波、装置故障)。

此服务为录波装置强制服务，并至少提供4个报告使能实例。

4) 控制服务
录波装置提供远程启动录波和远程装置复归的控制服务。

录波装置控制服务采用增强安全的操作前选择控制模型(SBOw)。

5) 文件服务
录波文件名称采用：装置名_LD名称_FltNum故障号_故障时间，总长度不应超过255个八位位组。

6) 时间和时间同步服务
采用SNTP对时协议。

2.4. 暂态录波原理
ZH-5录波器由FPGA负责控制所有的模拟量通道的模数转换以及采集开关量通道状态。

FPGA对每采集一帧数据，打上绝对时间标签后，提供给DSP读取，DSP根据启动判据进行实时计算，一旦判据满足，就进入录波状态，录波告警继电器动作。

此时，DSP将启动时刻以前的部分数据(即A段长度)，以及后续数据(即B段长度)以高采样率的方式保存下来，同时通过内部高速通道，传输给嵌入式CPU，嵌入式CPU 将录波数据保存为文件。

录波结束后，经过一段时间的延时(可设置)DSP自动复归录波告警继电器。

同时，嵌入式CPU自动对数据进行故障分析和测距，并给出分析报告。

如果分析结果表明是区内故障，则打印故障报告和波形。

2.4.1. 暂态录波数据记录方式
数据记录采用A-B-C段方式，A、B、C段全部采用采样值记录。

如下图所示：
t=0,系统大扰动开始时刻
A B C
图2.4.1暂态录波记录方式
❖A段：系统大扰动开始前的数据，记录时间为40ms～1000ms，采样率最高为
10,000Hz；
❖B段：系统大扰动后初期的数据，记录时间为400ms～10s，采样率与A段相同；
❖C段：系统大扰动后中后期数据，记录时间最大为600s，采样率固定为1000Hz。

2.4.2. 不定长暂态录波的实现
如果在C段录波时，有突变量判据或开关量判据满足启动条件，则DSP以此时为新的扰动开始时刻，再次进入A→B→C录波状态。

直到C段不再出现满足突变量和开关量判据启动的条件，最后一个C段达到整定长度后，本次录波才结束。

因此，对于某些复杂故障，可能在一个录波数据中，出现多次A→B→C→A→B→C→……→A→B→C的现象。

2.5. 稳态连续记录原理
装置自从启动后，DSP不停地以1000Hz采样率向CPU发送实时采样值，CPU利用实时采样值，生成实时监测数据和画面，同时将这些数据保存，成为稳态连续记录数据。

稳态连续记录采用1000Hz为采样率，可以查看到波形的相位信息，比有效值记录方式更具有使用价值，同时数据量也大得多。

通过配置大容量的存储器，ZH-5可以保存最近至少7天的稳态连续记录数据。

稳态连续记录数据采用自动循环覆盖，滚动更新，无需人工手动清除。

2.6. 定值和整定范围
序号定值项单位范围启动精度建议值
控制参数
1 AB段采样率Hz 1,000～10,000 10,000
2 A段长度毫秒0.1～1秒100毫秒
3 B段长度毫秒0.4～10秒400毫秒
4 C段长度秒1～30秒5秒
交流电压
5 相电压突变量V 1%～20%U N5% 9%U N
6 相电压高越限V 100%～130%U N2% 115%U N
7 相电压低越限V 1%～100%U N2% 85%U N
8 零序电压突变量(开口三角电压) V 1%～20%U N5% 6%U N
9 零序电压高越限(开口三角电压) V 1%～20%U N2% 6%U N
10 电压正序高越限V 80%～130%U N2% 110%U N
11 电压正序低越限V 1%～120%U N2% 90%U N
12 电压负序越限V 1%～20%U N2% 3%U N
13 3次谐波越限% 1～200 2% 30
14 5次谐波越限% 1～200 2% 30
15 7次谐波越限% 1～200 2% 30
交流电流
16 相电流突变量 A 2%～30%I N5% 10%I N
17 相电流高越限 A 50%～130%I N2% 110%I N
18 相电流1.5秒内电流变差% 5～30 5% 10
19 零序电流突变 A 1%～30%I N5% 10%I N
20 零序电流高越限 A 1%～30%I N2% 10%I N
21 电流负序越限 A 1%～30%I N2% 10%I N
频率
22 频率高越限Hz 50～55 0.002 50.5
23 频率低越限Hz 45～50 0.002 49.5
24 频率变化率Hz/s 0.01～10 0.005 0.1
直流（含电压和电流）
25 直流突变量V/A 1%～50%U N/I N5% 10%U N/I N
26 直流高越限V/A 70%～150%U N/I N2% 110%U N/I N
27 直流低越限V/A 1%～130%U N/I N2% 90%U N/I N
变压器
28 变压器纵差 A 10%-100%I N5% I N30%I N
29 自耦变分侧差动 A 10%-100%I N5% I N30%I N
30 自耦变零序差动 A 10%-100%I N5% I N30%I N
31 变压器过激磁 1.0-5.0 0.05 1.1
开关量
32 开关量启动、不启动启动
整定原则：
❖交流电压、交流电流按照二次值整定；
❖直流电压、直流电流按照一次值整定；
❖自耦变零序差动按照零序电流整定，而不是3倍零序电流。

3. 嵌入式图形软件的主要功能
3.1. 实时监测功能
1) 实时监测波形
可按照线路、母线等选择监视通道，或实时监视所有通道。

2) 实时监测相量图
以矢量图和波形的方式，显示选定线路或任意通道之间的相位关系，可显示相对相角或绝对相角。

3) 实时监测功率
以有功、无功、视在功率表的形式，实时显示指定线路的功率。

3.2. 波形查看功能
1) 可对波形进行横向放大缩小、纵向放大缩小和复原的功能；
2) 可以向上、向下移动波形，以及叠加多个波形，对信号细节进行比较；
3) 可以显示各个通道的有效值、瞬时值；
4) 可以显示各个通道的一次值、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
显示波形的矢量图，并可以自动播放矢量变化。

2) 序量分析
使用波形中的A、B、C三相信号，计算分析电压、电流的正序、负序和零序分量。

3) 谐波分析
以表格或直方图的形式显示各次谐波的含量，并可显示真有效值。

4) 阻抗分析
在阻抗平面上显示阻抗轨迹，并可以自动播放轨迹曲线。

5) 非周期分量分析
采用拟合法准确计算非周期分量的初始值、时间常数。

6) 直流数字滤波
根据用户需要，ZH-5故障录波装置可以记录未经低通滤波、原始的直流波形。

对这种波形，可通过该功能显示经过数字低通滤波之后的信号，其中截止频率可设置。

此功能常用于分析含高次谐波的直流信号，比如整流桥输出的直流信号。

7) 功率分析
显示线路的无功功率、有功功率和视在功率曲线。

8) 公式编辑器
用户可通过大量软件内置函数和四则运算，对一个或多个电气量进行特定计算，并显示经过运算得出的波形。

9) 单端故障测距
手动或自动对录波数据进行分析，选择故障线，并计算故障点距离。

3.4. 定值整定
以图形化的方式，在装置上修改定值。

3.5. 配线和参数修改
可以修改装置IP地址、路由表，以及接入通道的名称、相互关系和线路参数等。

4. 关键技术
4.1. 纯嵌入式结构和基于VxWorks的图形界面
ZH-5嵌入式电力故障录波分析装置采用基于VxWorks的全嵌入式结构，使用了嵌入式图形系统。

在嵌入式硬件和软件平台上实现了包括数据采集、数据存储、人机接口、波形分析、波形显示、波形打印、远程通信等录波器的全部功能。

ZH-5故障录波装置采用与Windows类似的图形界面，操作简单易于使用，支持键盘、鼠标和USB移动磁盘。

对装置的参数设置、调试、整定等操作都可以在嵌入式图形界面上完成，彻底脱离了基于Windows的软件。

4.2. 对病毒免疫
ZH-5录波装置完全使用高可靠性的VxWorks嵌入式实时操作系统，并针对录波装置的需求和特点开发专用软件，同时对VxWorks操作系统进行了裁减，因此系统不会感染病毒，不会被恶意程序入侵，不会成为病毒和恶意程序攻击联网设备的跳板，也有利于增强其它联网设备和整个网络的稳定性。

4.3. 完备的对时接口
ZH-5嵌入式电力故障录波分析装置支持NTP/SNTP、IRIG-B、分脉冲、秒脉冲等对时接口。

其中NTP/SNTP对时支持主动请求、接收广播、接收组播三种模式，可适应多种NTP/SNTP对时网络。

NTP/SNTP支持冗余对时网络配置，在采用主动请求模式时，可设置2组时间服务器IP地址，互为备用，自动切换。

4.4. 支持IEC 61850-8规约
ZH-5嵌入式电力故障录波分析装置根据IEC 61850规范对录波器进行建模，并支持MMS通信规约，支持采用61850规约接入子站和主站。

ZH-5嵌入式电力故障录波分析装置61850通信规约实现了数据集、定值组服务、报告服务、控制服务、文件服务。

ZH-5录波装置实现了COMTRADE 1999格式的录波文件传输、定值整定、切换、激活，以及SOE上送、远程启动录波等功能。

5. 技术指标
5.1. 输入信号
1) 最大可接入96路模拟量和256路开关量。

2) 交流额定相电压：57.7V，50Hz。

3) 交流额定电流：1A或5A，50Hz。

4) 模拟量线性工作范围：
❖交流电压回路：0.05V~180V；
❖交流电流回路：0.01I N~36 I N；
❖直流电压回路：0.05~1倍量程，量程最大为5000V，可定制；
❖直流电流回路：0.01mA~20mA。

5) 过载能力：
❖交流电压回路：3倍额定电压，连续工作；
❖交流电流回路：2倍额定电流，连续工作；
20倍额定电流工作10s；
40倍额定电流工作1s。

6) 直流回路的隔离耐压
最高可达5000Vrms，用户可定制。

7) 开关量信号类型
可接入空接点、DC110V、DC220V开关量。

允许几种开关量混合接入。

5.2. 性能指标
1) 暂态录波数据采用A-B-C段方式记录，A、B、C段全部采用瞬时采样值记录，C段
可根据扰动状态无限延长；
2) 暂态录波AB段采样率可整定为10,000、5,000、2,000Hz，C段固定为1000Hz；
3) AB段采样率为10,000Hz时，暂态录波谐波分辨率为99次；
4) AB段采样率为10,000Hz时，暂态录波开关时间分辨率为0.1ms；
5) 25℃时，额定值下的电流、电压波形采样精度优于±0.3％；
6) 25℃时，额定值下的各路电压、电流之间的有效值测量相对误差小于±0.5％；
7) 有功功率、无功功率、视在功率测量误差不超过±0.5%；
8) 装置的各路交流电压、交流电流相互之间的相位测量误差≤1°；
9) 温度从-20℃至60℃变化引起的误差不超过满刻度的±1.0%。

10) 采用零漂自适应技术。

5.3. 稳态连续记录
1) 全程1000Hz采样；
2) 采用自动循环覆盖技术，可保存最近至少7的稳态录波数据。

5.4. 时钟及同步精度
1) 支持NTP/SNTP、IRIG-B、分脉冲(PPM)和秒脉冲(PPS)对时；
2) IRIG-B、PPM、PPS对时精度≤-1μs；
3) NTP/SNTP对时精度≤-20μs；
4) 装置自身时钟精度24小时误差≤±1s；
5) NTP/SNTP对时支持主动请求、接收广播、接收组播三种方式；
6) NTP/SNTP采用主动请求方式时，可设置2组时间服务器IP地址，互为备用，自
动切换。

5.5. 基于IEC61850的录波装置模型和通信规约
采用了DL/T860.7(IEC 61850-7) 定义的数据模型、服务以及建模的方法，基于面向对象的建模思想，分层次的对录波装置进行建模。

模型采用逻辑设备的方式，涵盖了暂态录波和稳态连续记录功能。

基于该模型实现的DL/T860.8(IEC 61850-8) MMS通信规约，通过了互操作性和一致性测试。

5.6. 通信接口和规约
1) 提供4个网络接口，可选为4个电口，或3电1光；
2) 电以太网口为10/100Mb自适应RJ45接口；
3) 光以太网口速度为100Mb，可选择单模或多模光纤，接口为SC或ST；
4) 支持IEC61850-8 MMS通信规约；
5) 支持TCP/IP协议和103规约，可与子站、主站联网；
6) 支持MODEM通信，最高速度为56k bps。

5.7. 3/2接线
支持3/2接线线路以开关电流，而不是和电流的形式接入录波装置。

录波装置内部
通过软件自动计算每条线路(或分支)的和电流。

以开关电流形式接入的线路可以正确进行故障分析、故障测距，并且可以同时监视、分析开关电流以及线路和电流。

5.8. 主变录波
可支持2台主变，每个主变支持7个分支，分别是高压侧2个分支、中压侧2个分支、低压侧3个分支。

变压器支持完全纵差和过激磁启动。

可支持自耦变，自耦变支持分侧差流启动和零序差流启动。

5.9. 数据格式
暂态录波和稳态连续记录都提供满足IEC 60255-24: 2001(COMTRADE 1999)标准的录波数据。

5.10. 抗电磁干扰能力
1) 能承受GB/T14598.9规定的严酷等级为III级的辐射电磁场干扰；
2) 能承受GB/T14598.10规定的严酷等级为Ⅳ级的快速瞬变干扰；
3) 能承受GB/T14598.13规定的严酷等级为III级的脉冲群干扰；
4) 能承受GB/T14598.14规定的严酷等级为Ⅳ级的静电放电干扰。

5.11. 供电电源
1) 直流电源：
额定电压：220V或110V，允许偏差±20%，纹波系数≤5%；
2) 交流电源（仅用于打印机、照明灯）：
额定电压：单相220V，允许偏差±20%；频率50Hz，允许偏差±5Hz。

5.12. 外形尺寸、安全防护等级及颜色
1) 机柜外形尺寸(高⨯宽⨯深)：
2260mm⨯800mm⨯600mm
2260mm⨯800mm⨯800mm
2360mm⨯800mm⨯600mm
还可根据用户要求定制。

2) 机柜安全防护等级：IP30，或根据用户要求定制；
3) 机柜颜色：按用户要求定制。