适用于智能变电站的新型数字化录波器
摘要： 介绍了数字化录波器与传统录波器在设计中的不同; 介绍了数字化录波器装置的功能， 阐述了根据智能变电站的特点和建设需求采用新型数字化录波器的数字化变电站技术及规范的特点。
介绍了数字化录波器与传统录波器在设计中的不同; 介绍了数字化录波器装置的功能， 阐述了根据智能变电站的特点和建设需求采用新型数字化录波器的数字化变电站技术及规范的特点。
1.. 数字化录波器与传统的比较
( 1) 采样模式
与传统录波器相比， 数字化录波器前端采样的信号已经经过了合并单元的数字化处理， 是基于IEC61850网络规约的网络报文信息[ 1] ， 不需要像传统录波器还需要进行模数转换获取采样信息。虽然没有了模数转换过程， 但是数字化录波器对网络芯片的处理能力提出了更高的要求， kM网卡和高性能的前端采样处理芯片等都陆续应用到数字化录波器的开发和生产中。除了前端处理芯片， 后台存储和处理采样信息也比传统录波装置提出了更高的要求， 海量的采样数据需要更大容量的硬盘存储器， 采样数据的实时处理需要更高性能的CPU 处理器， 硬件平台的限制， 是现在数字化录波器发展需要突破和解决的主要问题。由于采样方式的不同， 数字化录波器在接线方式上比传统录波器更加简单， 只需要光纤信号直接引入， 节省了大量的模拟数据线路的接入。
( 2) 数据处理
数字化录波器不仅要处理采样信息， 还要处理网络中海量的网络报文信息[ 1] 。智能变电站中的故障分析对网络信息的储存和分析提出了更高的要求， 为此， 数字化录波器就要完整地记录网络运行的所有信息， 并提供更加方便可快捷的分析手段， 从而快速地从海量的网络数据中提取出异常的报文信息， 帮助分析者更快的定位故障发生的原因， 使故障得到更快的解决。
针对不同的网络报文， 数字化故障录波器要分别用不同的方法进行分析， 不像传统录波器只有模拟量和简单的开关量信息， C omtrade文件格式简单记录的波形文件， 可能并不能完整地记录故障分析所需的数据(如: 枚举量、1588时钟报文等) ， 因此数字化录波器要有一种独立的数据记录格式来满足数字化变电站发展的要求， 记录更加完整和有效的数据信息。
( 3) 定值整定数字化录波器采样数据的丰富和发展， 也必然对其定值整定带来一定的变化。除了传统录波器的定值启动项外， 应该根据不同的报文信息， 增加网络报文告警信息录波启动定值的配置， 更改定值文件的配置来满足不同的数字化变电站对不同的网络报文采集和分析要求。具体增加项目可能需要有统一的标准， 需要具体的商讨制定。
( 4) 应用范围数字化录波器在数字化变电站前期试验阶段的作用也更加重要。传统录波器采集的信号比较简单， 基本仅根据保护本身的录波信息就可以判断故障， 但数字化变电站保护录波的功能有限， 只能录到跳闸左右很少的数据， 无法完整准确的判断网络中其他信息是否正确， 给故障的分析带来相当大的困难。数字化录波器就可以完整的记录网络报文信息， 为故障分析提供更加丰富可靠的录波数据， 使数字化变电站的前期调试更加简单，故障的分析更加的快捷和有效。
因此， 传统录波器已经无法适应智能变电站的应用环境， 新的适用于智能变电站的新型数字化录波器应运而生。
图1.. 报文分析的实时监测软件
2.. 数字化录波器的功能
( 1) 报文记录
数字化录波器报文记录的功能， 由于采样信号的实时性， 只有完整的记录所有的报文信息， 才能为后续的分析提供可靠的数据， 所以要求采样报文能够有更精确的时间记录， 尽量能够做到1ns甚至200 ns。处理采样的实时性使采样数据报文也是海量的， 以9..2报文为例， 1个合并单元， 采用4 000H z的采样频率， 1 s的数据可以达到0. 5M以上， 要记录7 d以上的数据， 就需要几Tb甚至几十Tb的硬盘。
( 2) 报文的分析
数字化变电站有IEC61850..MMS、IEC61850..9..1、IEC61850..9..2、60044..8、GOOSE、TCP / IP 等多种网络通信协议， 要从海量的报文中得到有用的数据就需要对报文进行针对性的分析。结合变电站的SCD文件把报文信息对应到具体的设备的具体信息， 使报文更加具体分析更加简单; 另外，可以根据数字化变电站的规范， 制定具体的报文异常报警信息， 提取出报文中的异常信息， 实现真正的智能自动的分析报文信息。
( 3) 采样值和动作信号的分析
为了更加方便地分析故障波形， 数字化录波器需要提取出采样和动作信号， 转化为com trade波形文件。根据数字化采样值信号的特点， 波形存储和显示时需要根据具体采样点序号对应显示或按时间顺序显示。除了传统的录波器定值启动外， 数字化录波器还增加了报文异常启动， 可以为故障的分析和处理提供更多的数据信息。
3.. 数字化录波器的软硬件设计特点
( 1) 硬件特点
1) 为了保证采样信息处理的速度和实时性要求， 采用FPGA 结合嵌入式实时操作系统Vx..w orks， FPGA 芯片并行的处理能力， 可以把报文时标的进度精确到1 ..s以内， 甚至到200 ns以内。嵌入式的操作系统可以保证数据的高速读写， 满足海量报文的实时分析和保存。
2) 内网采用kM 设计， 可快速接收前置FP..GA 的报文采集， 采用kM PHY 直接处理IEC1588， 误差可< 80 ns。
3) 每个采集单元配有.. 160 G 的硬盘存储数据， 集中管理单元配有320 G 硬盘， 支持网络存储器以及本公司设计的磁盘箱， 可根据接入量以及用户对数据要求的保存期限选配。分布式的存储设计， 使数据更加安全。
( 2) 软件特点
软件设计方面除了兼容传统录波器的要求外， 还增加了报文分析的实时监测软件， 见图1。
报文分析的实时监测软件增加了报文事件的实时告警、报文信号实时监测信息状态， 并可分析和查询历史报文信息。
分析和处理报文信息采用了插件式的设计原理， 便于报文信息的扩展和分析。不同的报文类型采用不同的插件处理， 每个插件可以采用不同的分析手段， 根据报文的不同特点进行针对性的设计， 便于软件的扩展， 更能够适应智能变电站不断发展的需要。
4.. 结论
传统录波器已经不能适应智能化变电站的应用环境。新型的数字化录波装置， 采用更加先进的硬件平台， 结合传统的分析处理软件并根据数字化变电站的需求， 综合分析网络上各种报文信息， 基本能够适用智能化数字变电站现在发展建设的需求。
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