智能变电站故障录波与网络信息分析课件
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智能变电站网络分析与故障录波一体化系统设计与实现
智能变电站网络分析与故障录波一体化系统设计与实现摘要南京南瑞继保电气有限公司的研究人员何君、刘明慧等，在2018年第8期《电气技术》杂志上撰文，通过分析智能变电站网络分析装置和故障录波装置发展现状，提出了一种适用于网络分析和故障录波应用场景的一体化系统设计方案。
系统结构由管理单元和采集单元组成，文中阐述了系统信息采集方案和数据处理流程，并分别论述了管理单元和采集单元的软件实现方案，解释了管理单元和采集单元总体功能定义和各应用模块组成架构。
通过实例对比分析，指出了一体化设计的优势，总结了设计方案的实用性和有效性。
文献[13]提出管理单元和前置采集单元的一体化系统设计架构，系统内部使用站控层MMS网络通信。
文献[14]提出“分散采集+集中分析”的思想，同样基于管理单元和采集单元架构，采集单元负责采集网络报文，管理单元实时分析和记录。
上述文献基于单装置的设计不能满足不同规模数据流量和组网方式情况下网络报文数据的采集要求。
基于采集单元和管理单元的系统设计缺乏统一的技术标准，采集单元和管理单元功能定位不够合理，“分散采集+集中分析”对管理单元实时性能要求较高，未充分发挥采集单元的作用，采集单元和管理单元采用站内MMS网络通信不适应现行标准和规范对于网络分析记录装置的要求。
本文基于“分散采集分析+集中配置展示”思路，提出一种新的网络报文分析和故障录波一体化系统设计，系统由多（单）台套采集单元和一台管理单元组成，采集单元实现报文实时采集分析和故障录波功能，管理单元负责系统配置及分析结果的展示。
1 系统设计本文设计的网分报文分析与故障录波一体化系统采其系统架构图如图1所示。
图1 系统架构为适应不同电压等级和不同组网方式智能变电站的报文采集需求，系统基于分散采集分析和集中展示的思路，采集单元完成报文采集、记录、分析以及故障录波功能，管理单元承担网络报文分析及故障录波后台功能。
采集单元通过高速采集口采集过程层网络、站控层网络和站内调度通信网络报文，广播报文或GOOSE、SV等组播报文直接将交换机转发范围内的某端口接入采集端口，MMS、104等单播报文需要在交换机上做镜像，然后将镜像端口接入采集端口。
故障录波培训课件
关于送终端线路
关于两个开关两次重合
重合闸整组复归后再故障 非全相期间再故障 重合闸整组复归前再故障
关于多次故障
单相故障 两套主保护的单相跳闸信号，两套后备 保护动作信号，差动动作信号，收信、 发信信号，重合闸动作信号
两相及以上故障 两套主保护的三相跳闸信号，两套后备
保护动作信号，差动动作信号，收信、 发信信号，
简单故障分析
两相接地故障－－ 有两相电流突变增大，有零序电流出现。
简单故障分析
对于一个正常运行的输电线路，电流与电压的相位角 关系跟线路的有功和无功的方向有关。
任何正方向故障下电流永远滞后于电压，其角度等于 线路阻抗角，但受过渡电阻的影响，角度变小。
关于负荷潮流与故障电流的相位
关于顺序重合闸
故障录波器之配置原则
➢ 模拟量和开关量之比为1:3或1:4配置，以保证有足够 的通道接入开关量
➢ 必须接入录波器的开关量：
• 按相接入每个开关的副接点，设置为在开关有闭合变为分闸 时启动录波器
• 直接作用于跳闸线圈的保护装置的跳闸出口接点，有分相出 口的要按相接入
• 有关的告警信息：高频保护的收、发信信号，DTT信号，差 动保护的通道告警信号，保护装置故障信号、失电信号， PT/CT断线信号
2、通过站内某台录波器的交换机，将故障录波器接入 到数据网
故障录波器接入数据网方案
无子站情形下录波器的接入
数据网交换机
220kV 录 波 器 集 中 交 换机
HUB
HUB
具有独立网口的录波器设备
站工录
网卡
程波
师器
也可能是串口服务 器
HUB
其他输出口的录波器
➢ 有保护子站情况下的录波器接入方案 1、每一台录波器均通过网络接入子站交换机，对于无 网络口输出的设备可以通过配置串口服务器转换为网 络口。
智能变电站介绍PPT课件
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18
一次设备智能化——高压断路器在线 监测
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三层两网
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站控层 站控层 网络 间隔层 过程层
网络
过程层
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为什么要采用IEC61850规约？
----基于IEC61850规约的智能化变电站的特点
在规约里，每台IED作为一个服务器（Service），被细分逻辑设备 （Logical Device）、逻辑节点（Logical Node）和数据对象（Data Object）以及各对象的数据属性（Data Attribute）进行分层分级的建模。 每个服务器包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包 含数据对象。数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。从通 信而言，IED 同时也扮演客户的角色。任何一个客户可通过抽象通信服务接
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↑
14
智能一次设备——电子式互感器+合并单元
PSET6000GS电子式互感器
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15
智能一次设备——变压器在线监测
局放监测 铁心电流监测 油中含水量监测
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16
智能一次设备——变压器在线监测
局放监测 铁心电流监测
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一次设备智能化——高压断路器在线 监测
SF6压力监测 SF6含水监测 储能电机电流检测 分合闸时间监测
过程层设备：光CT/PT，合并单元，智能开关等。
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31
如何利用IEC61850规约构建智能化变电站？
——从使用设备上来看
从使用设备来看，构建一个完整的智能化变电站需要以下三个部分： 1、智能化的一次设备
一次设备从信号继电器到控制回路，全部采用微处理器（智能开关）和光电技术（无 源光CT）设计。同时用于数字量信号传输的网络取代传统的电缆导线连接。换言之， 变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路及常规的强电模拟信号和控制电缆被光
变电站故障录波装置培训课件
精选ppt
25
通讯模块
通讯板是前置机与后台机之间进行数据交 换的桥梁，通过通讯板的同步串口，完成两 者之间的数据交换。
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2、后台机
后台机采用工控机并加扩展的通讯板组成。是故障录波器的数据 处理和交换中心，主要完成数据的分析及处理、数据存盘、故障测距、 故障分析结果打印、数据远传、向上级站联网通讯、通讯规约转换及 数据格式转换等功能。除此之外还具有以下基本菜单功能：系统配置、 时钟设置、变比校正、参数设置、定值设定、故障记录查询、实时模 拟量波形显示、实时开关量显示、通道整定、启动量屏蔽等。
工作环境：
正常工作温度：0℃至+45℃；
极限工作温度：-10℃至+50℃。
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硬件构成
硬件系统全部采用模块化设计，装置硬件主要由 前置机、后台机、变送箱三部分组成。
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故障录波屏前视图
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18故障Βιβλιοθήκη 波屏后视图精选ppt19
故障录波屏端子排图-模拟量端子排
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（6）掉电保护功能。 掉电时，实时时钟及录波数据等信息不丢失。
（7）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。
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11
四、故障录波装置的配置 •考虑：便于分析事故、便于寻找故障点、便于 了解系统中的主要设备、便于监视系统中的主 要设备。
有模拟量48路，开关量96路，所以分别备用了1个模拟量和一个开关量板
子，可以用于将来的扩展和更换用。
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13
实际接入信号如下表所示：
故障录波及常见故障波形讲解PPT012
05
故障录波器的主要参数
➢ 5、录波数据采样及记录方式
• 5.1、模拟量采样方式
模拟量采样及记录方式按下图执行
系统大扰动开始时刻
A
B
C
D
t=00.0000
t(s)
模拟量采样时段顺序
• A时段：系统大扰动开始前的状态数据,记录时间为40ms~100ms可调。采样
频率10kHz、5kHz、2kHz、1kHz可设。B时段：系统大扰动后初期的状态数据, 记录时间200ms~2000ms可调。采样频率同A段。 C时段:系统大扰动后中期的 状态数据,记录时间1.0s~10s可调。数据输出速率1kHz、0.5kHz、0.25kHz可 设。D时段:系统动态过程数据,不定长录波,录波时间最长为30min,数据输出速 率50Hz,10Hz,1Hz可设,输出为有效值。
(3)加强培训：利用系统维护的机会，请故障录波 器厂家人员到现场讲解。
08 典型故障波形的分析
➢ 1、单相接地短路故障
根据分析的单相接地短路故障录波图得出以下特点： (1)一相电流增大,一相电压降低;出现零序电流、零序电 压 (2)电流增大、电压降低为相同相别 (3)零序电流向位与故障电流同向,零序电压与故障相电 压反向 根据以上分析,判断为单相接地故障,故障相为接地电流 明显增大的那一相。
05 故障录波器的主要参数
➢ 1、采样速率
采样速率的高低决定了录波器对高次谐波的 记录能力,在系统发生故障之初,故障波形的高次 谐波非常严重,因此,为了较真实地记录故障的暂 态过程,录波器要有较高的采样速率。电力行业 标准规定,故障录波器的采样速率应达到5kHz。 但高的采样速率,则要使用较多的存储空间,同时 在进行数据传输时,要花费更长的时间,这很不利 于故障后的快速分析故障。
智能变电站故障录波与网络信息分析装置的一体化可行性
同时在报文分析时检查如丢帧、错序、失步、超时、中 断、无效编码、流量突变等各类异常状态，并实时给出 异常事件告警。
故障录波装置的功能介绍
电压电流 波形记录
保护动作 行为记录
实时波形监视 离线波形分析
故障录波
故障录波装置的功能介绍
异常告警
挂牌告警
硬接点开出告警
在人机界面上 指示告警情况
通过硬接点 方式开出告警
故障录波装置（有时会简称为暂态故障录波装置 TFR）是应用于过程层网络采用IEC61850标准建设 的新型智能变电站中的新型系统故障录波装置。
在电力系统发生故障时，自动地、准确地记录电 力系统故障前、后过程的各种电气量的变化情况。 通过这些电气量的分析、比较来分析处理事故、 判断保护是否正确动作，有提高电力系统安全运 行水平的作用。
监视SV报文的 序号，检查SV 报文是否发生 丢帧、错序、 重复并给出相 应告警
检查SV报文 的APDU内容 是否和CID 文件一致， 若不一致给 出告警
网络信息分析装置功能简介 网络报文检索
按时间 进行检索
按报文类型 进行检索
按异常事件 类型检索
按报文特征 进行检索
故障录波装置的工作原理
基本概念
故障录波与网络信息分析装置的工作原理
背景
现在国内已经出现了几种智能变电站网络信息分析装 置和故障录波装置，但这两种装置需要分别组屏，各 自实现各自的功能。
当智能变电站内出现异常情况时，常常需要将两个装 置记录的信息结合在一起分析才能更快更准确地定位 异常位置，分析异常原因。
故障录波与网络信息分析装置的工作原理
网络信息分析装置功能简介
网络报文检查
GOOSE 报文序列
故障录波装置的功能介绍
电压电流 波形记录
保护动作 行为记录
实时波形监视 离线波形分析
故障录波
故障录波装置的功能介绍
异常告警
挂牌告警
硬接点开出告警
在人机界面上 指示告警情况
通过硬接点 方式开出告警
故障录波装置（有时会简称为暂态故障录波装置 TFR）是应用于过程层网络采用IEC61850标准建设 的新型智能变电站中的新型系统故障录波装置。
在电力系统发生故障时，自动地、准确地记录电 力系统故障前、后过程的各种电气量的变化情况。 通过这些电气量的分析、比较来分析处理事故、 判断保护是否正确动作，有提高电力系统安全运 行水平的作用。
监视SV报文的 序号，检查SV 报文是否发生 丢帧、错序、 重复并给出相 应告警
检查SV报文 的APDU内容 是否和CID 文件一致， 若不一致给 出告警
网络信息分析装置功能简介 网络报文检索
按时间 进行检索
按报文类型 进行检索
按异常事件 类型检索
按报文特征 进行检索
故障录波装置的工作原理
基本概念
故障录波与网络信息分析装置的工作原理
背景
现在国内已经出现了几种智能变电站网络信息分析装 置和故障录波装置，但这两种装置需要分别组屏，各 自实现各自的功能。
当智能变电站内出现异常情况时，常常需要将两个装 置记录的信息结合在一起分析才能更快更准确地定位 异常位置，分析异常原因。
故障录波与网络信息分析装置的工作原理
网络信息分析装置功能简介
网络报文检查
GOOSE 报文序列
智能变电站网络分析仪学习PPT课件
10
-
流量计算
在采样率为4000Hz时，常见的MU数据集流量估算如下：100Mbps以太网的端口带宽折算成Bytes合12500KBytes，实际应用设计时，带宽使用率建议控制在40%以下，即控制在5000KB，22通道约合4个MU，9通道约合7个MU。
通道数
单个数据包大小（Bytes）
流量（Bytes/S）
释义
17
-
故障录波及网络分析仪配置原则
d）采样值传输可采用网络方式或点对点方式，当通过网络方式接收 SV报文时，网络报文记录装置每个百兆接口接入合并单元报文的数量不宜超过 5 台。e）故障录波装置采用网络方式接受SV报文和GOOSE报文时，故障录波功能和网络记录分析功能可采用一体化设计。
d条明确了采样值和开关量的传输方式：采样值采用网络和点对点传输均可以，开关量采用网络传输。e条明确了故障录波和网络记录分析装置的整合原则：故障录波采用组网方式。
5
-
SV采样值报文(传输电流、电压的测量值)面向通用对象的变电站事件（GOOSE）报文(传输控制命令和状态信息)基于制造报文规范MMS协议报文(后台与保护、测控设备之间的数据读写、目录列表上送、事件列表上送等服务)PTP1588对时报文
网络分析仪检测对象
6
-
智能变电站组网图
7
-
在线通讯监视(各种异常告警)。通讯信息记录及分析(链路，MMS，GOOSE,SV报文进行分析)波形还原及异常告警(人机界面告警及硬接点输出告警)数据检索及提取(按照时间段、报文类型、报文特征(如异常标记、APPID）等条件检索并提取报文列表)数据转换(导出CAP格式或者COMTRADE格式)
23
-
工程使用-光口分配(流量分配)
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流量计算
在采样率为4000Hz时，常见的MU数据集流量估算如下：100Mbps以太网的端口带宽折算成Bytes合12500KBytes，实际应用设计时，带宽使用率建议控制在40%以下，即控制在5000KB，22通道约合4个MU，9通道约合7个MU。
通道数
单个数据包大小（Bytes）
流量（Bytes/S）
释义
17
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故障录波及网络分析仪配置原则
d）采样值传输可采用网络方式或点对点方式，当通过网络方式接收 SV报文时，网络报文记录装置每个百兆接口接入合并单元报文的数量不宜超过 5 台。e）故障录波装置采用网络方式接受SV报文和GOOSE报文时，故障录波功能和网络记录分析功能可采用一体化设计。
d条明确了采样值和开关量的传输方式：采样值采用网络和点对点传输均可以，开关量采用网络传输。e条明确了故障录波和网络记录分析装置的整合原则：故障录波采用组网方式。
5
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SV采样值报文(传输电流、电压的测量值)面向通用对象的变电站事件（GOOSE）报文(传输控制命令和状态信息)基于制造报文规范MMS协议报文(后台与保护、测控设备之间的数据读写、目录列表上送、事件列表上送等服务)PTP1588对时报文
网络分析仪检测对象
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智能变电站组网图
7
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在线通讯监视(各种异常告警)。通讯信息记录及分析(链路，MMS，GOOSE,SV报文进行分析)波形还原及异常告警(人机界面告警及硬接点输出告警)数据检索及提取(按照时间段、报文类型、报文特征(如异常标记、APPID）等条件检索并提取报文列表)数据转换(导出CAP格式或者COMTRADE格式)
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工程使用-光口分配(流量分配)
故障录波及常见故障波形讲解PPT课件
08
典型故障波形的分析
1、单相接地短路故障
根据分析的单相接地短路故障录波图得出以下特点： (1)一相电流增大,一相电压降低;出现零序电流、零序电压 (2)电流增大、电压降低为相同相别 (3)零序电流向位与故障电流同向,零序电压与故障相电压反向 根据以上分析,判断为单相接地故障,故障相为接地电流明显增大的那一相。
故障录波及常见故障波形讲解
01
故障录波器的概念
02
故障录波器的功能
03
故障录波器的原理
04
故障录波器的装置特点
05
故障录波器的主要参数
06
故障录波器的波形分析
07 故 障 录 波 器 在 应 用 中 存 在 的 问 题 及 措 施
08 故障录波器的典型故障波形的分析
目 录
01
故障录波器的概念
故障录波器是电力系统发生故障及振荡时能 自动记录的一种装置，它可以记录因短路故 障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰 动引起的系统电流、电压及其导出量，例如 有功、无功以及系统频率的全过程变化现象。
07 故障录波器在应用中存在的问题及措施
故障录波器在实际应用过程中会出现保护管理机调不到 故障波形的故障,严重影响了故障波形的分析,在系统发生故障 时将影响对故障性质的判断,根据现场处理的情况有以下几种原 因导致该故障的发生： (1)保护管理机与故障录波器之间通信中断 (2)保护管理机死机导致死数据 (3)故障录波器存储单元损坏
• 触发时段：这部分录波数据记录的是故障发生的前期过程,含 有较多的暂态分量,故障后进行故障定位和其他电气量计算使 用的主要是这部分数据。
• 故障后时段：这个时段主要记录系统在故障结束后系统的情况, 这段数据主要关心的是变化过程。
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典型案例分析—通信超时告警
装置实时监测网络报文的状态。如当发生网络报文超时，网络报文丢失等异常情况， 装置将在管理机界面给出实时告警画面。 在上图的实时告警画面中圈出的部分标识了SV 9-2报文发生了 超时/丢包/丢失同步信号/通信恢复的告警提示。
典型案例分析—IEEE1588时钟异常告警
上图是网络报文分析装置通过实时监测PTP报文，分析主从时钟的工作行为。 以上是从时钟加入，主时钟退出的一个实时告警画面过程。 以上画面中圈出的部分标识了时钟加入、时钟加入/低等时钟活动、时钟退出实 时告警画面提示。
可按端口和 报文类型分 类统计网络 实时流量
当网络流量 突增或突减 达到20%以 上时，给出 网络流量异 常告警
网络信息分析装置功能简介
网络报文记录
报文顺序记录
根据网络报 文到达装置的 顺序完整原样 记录所有报文
网络报 文记录
异常事件记录
对帧格式错误、 报文错序、重复、 超时、匹配无效、 超时、中断等各 类异常报文进行 实时标记存储
➢ 在对报文进行实时分析时，检查报文有无如丢帧、错 序、失步、超时、中断、无效编码、流量突变等各类 异常状态，并实时给出异常事件告警。
网络信息分析装置功能简介
装置功能
网络 状态 诊断
网络 报文 记录
网络 报文 检查
网络 报文 检索
网络信息分析装置功能简介
网络状态诊断
通信超时
流量统计
流量异常
根据报文传输 特性，当超过 特定的时间还 未收到预期的 报文，则给出 通信超时告警
记录并分析智能变电站中的网络信息，具有对智能变电 站的二次网络系统健康状态监视、预警和故障分析的功 能。
网络信息分析装置的工作原理
报文接入
FPGA打时标 流量统计
解码
报文分析
异常告警
原始报文记录
原始报文数据检索服务
网络信息分析装置的工作原理
➢ 接收来自过程层网络和/或站控层网络的所有报文，在 将这些报文打上时标，统计流量，进行硬解码后，对 其进行实时分析和存储。
故障录波装置的工作原理
报文接入
FPGA打时标 流量统计
解码
报文分析
异常告警
提取录波所需的数据
同步时钟
录波启动判据算法
未达到启录值
启动录波
故障录波记录
数据检索服务
故障录波装置的工作原理
➢ 接收来自过程层网络的所有报文，并将这些报文打时标、 解码，进行报文分析后，提取录波所需的数据进行录波 启动判据算法，判断是否达到录波启动条件，如达到录 波启动条件，则进行录波并存储。
网络信息分析装置功能简介
网络报文检查
GOOSE 报文序列 检查
GOOSE 报文内容 检查
SV 报文序列 检查
SV 报文内容 检查
监视GOOSE 报文的 stNum、 sqNum，检 查GOOSE报 文是否丢帧、 错序、重复并 给出相应告警
检查GOOSE 报文的 APDU内容 是否和CID 文件一致， 若不一致给 出告警
➢ 同时在报文分析时检查如丢帧、错序、失步、超时、中 断、无效编码、流量突变等各类异常状态，并实时给出 异常事件告警。
故障录波装置的功能介绍Fra bibliotek电压电流 波形记录
保护动作 行为记录
实时波形监视 离线波形分析
故障录波
故障录波装置的功能介绍
异常告警
挂牌告警
硬接点开出告警
在人机界面上 指示告警情况
通过硬接点 方式开出告警
➢ 不仅可以减少成本，节省变电站的屏柜空间，还能更方便 地实现原始报文数据和暂态录波数据的对比组合分析，更 快速更准确的定位异常位置。
典型案例分析—流量监测
此为装置实时统计网络流量的一个监视画面 可以按照网络端口进行流量统计（如端口3，端口5） 也可以按照报文类别进行流量统计（如PTP报文，采样值报文等）
典型案例分析—流量突变告警
当实时监测的网络流量发生异常时，如流量突增或者突减， 将会在管理机界面给出实时告警画面。在以上实时告警画面中 圈出的部分标识了流量突增、流量突减告警提示。
典型案例分析—对象状态监视
可实时监测设备通信端口、SV数据集(MU)、GOOSE数据集(IED)、IEEE1588时钟等对象的状态。 对于通信端口、SV数据集(MU)、GOOSE数据集(IED)等对象，可监视的状态包括通信超时、通信 中断、配置是否匹配等。 对于IEEE1588时钟可监视时钟的当前等级（主钟或从钟）、时钟的工作状态（活动或静默）等 。
故障录波装置（有时会简称为暂态故障录波装置 TFR）是应用于过程层网络采用IEC61850标准建 设的新型智能变电站中的新型系统故障录波装置 。
在电力系统发生故障时，自动地、准确地记录电 力系统故障前、后过程的各种电气量的变化情况。 通过这些电气量的分析、比较来分析处理事故、 判断保护是否正确动作，有提高电力系统安全运 行水平的作用。
监视SV报文 的序号，检查 SV报文是否 发生丢帧、错 序、重复并给 出相应告警
检查SV报文 的APDU内 容是否和 CID文件一 致，若不一 致给出告警
网络信息分析装置功能简介 网络报文检索
按时间 进行检索
按报文类型 进行检索
按异常事件 类型检索
按报文特征 进行检索
故障录波装置的工作原理
基本概念
报文接入
FPGA打时标 流量统计
解码
报文分析
异常告警
网络信息分析
原始报文记录
原始报文数据检索服务
故障录波分析
提取录波所需的数据
同步时钟
录波启动判据算法
未达到启录值
启动录波
故障录波记录
数据检索服务
故障录波与网络信息分析装置的工作原理
➢ 两种记录信息共用统一的数据源和时标，实时解码及报文 分析，从报文分析开始并行接入网络信息分析与故障录波 功能。
智能变电站故障录波与网络信息分析课 件
内容简介
1 网络信息分析装置的工作原理 2 故障录波装置的工作原理 3 故障录波与网络信息分析装置的工作原理 4 典型案例分析
网络信息分析装置的工作原理
基本概念
网络信息分析装置是应用于过程层网络采用IEC61850 标准建设的新型智能变电站中的新型装置，用于记录和 分析智能变电站二次网络系统的异常和故障。
故障录波与网络信息分析装置的工作原理
背景
➢ 现在国内已经出现了几种智能变电站网络信息分析装 置和故障录波装置，但这两种装置需要分别组屏，各 自实现各自的功能。
➢ 当智能变电站内出现异常情况时，常常需要将两个装 置记录的信息结合在一起分析才能更快更准确地定位 异常位置，分析异常原因。
故障录波与网络信息分析装置的工作原理