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ZH5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
版本:
1.3
武汉中元华电科技股份有限公司
WuhanZhongyuanHuadianScience&TechnologyCo.,Ltd
历史记录
修改历史记录
序号
日期
修改情况
版本号
签字
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
2009.12.8
修改部分描述错误
1.2
李婷
06
2010.10.08
增加连续记录插件，并对部分内容进行调整
1.3
郑君林
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UN,IN下标错误
郑君林
批准历史记录
序号
日期
批准情况
签字
01
2009.6.29
正确
张小波
目录
1.概述1
2.关键技术2
2.1.全嵌入式结构和基于VxWorks的图形界面2
2.2.对病毒免疫2
2.3.单DSP架构2
2.4.稳态连续记录（长录波）功能2
2.5.完备的对时接口2
2.6.支持IEC61850-8规约3
3.技术指标4
3.1.输入信号4
3.2.性能指标4
3.3.时钟及同步精度5
3.4.通信接口和规约5
3.5.3/2接线5
3.6.变压器录波5
3.7.数据格式6
3.8.稳态连续记录6
3.9.电磁兼容性能（抗电磁干扰性能）6
3.10.供电电源6
3.11.外形尺寸、安全防护等级及颜色7
4.定值和整定范围8
4.1.整定原则8
4.2.定值清单8
5.工作原理10
5.1.总体结构10
5.2.抗病毒原理10
5.3.暂态录波原理11
5.4.稳态连续记录原理12
6.嵌入式图形软件的主要功能13
6.1.实时监测功能13
6.2.波形查看功能13
6.3.波形分析功能13
6.4.定值整定14
6.5.配线和参数修改14
附录1:
连续记录插件对存储容量的需求15
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构成的全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等。
ZH-5嵌入式电力故障录波分析装置，符合以下主要标准：
vDL/T663-1999：
《220～500kV电力系统故障动态记录装置检验测试要求》
vDL/T553-94：
《220～500kV电力系统故障动态记录技术准则》
vGB/T22386-2008：
《电力系统暂态数据交换通用格式（COMTRADE）》
2.关键技术
2.1.全嵌入式结构和基于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。
2.2.对病毒免疫
ZH-5录波装置只使用高可靠性的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，因此不会感染病毒，不会被恶意程序入侵，不会成为病毒和恶意软件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。
2.3.单DSP架构
采用单DSP实现所有信号的同步采集和处理，从而可以实现多达7分支的主变纵差启动判据。
避免了多DSP系统存在的DSP间同步误差导致的差流计算不准确，避免了多DSP间因误同步或失步造成的装置故障，提高了装置的可靠性。
2.4.稳态连续记录（长录波）功能
ZH-5录波装置内置1000Hz的稳态连续记录（长录波）功能。
装置上电后，就开始自动记录所有通道的数据，采样率为1000Hz，不需要任何启动判据。
可保存最近至少7天的数据，并自动循环覆盖。
由于采用的是瞬时值记录，稳态连续记录数据可以满足故障测距、保护动作行为分析等需要。
如果选配专用的稳态连续记录插件，则可满足记录更长时间、更高采样率的要求。
2.5.完备的对时接口
ZH-5录波装置支持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，可配置2组时间服务器，互为备用，自动切换。
2.6.支持IEC61850-8规约
ZH-5嵌入式电力故障录波分析装置根据IEC61850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，支持录波文件（COMTRADE1999格式）传输、定值整定、切换、激活，以及SOE上送、远程启动录波等功能。
3.技术指标
3.1.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：
v交流电压回路：
0.05V~180V；
v交流电流回路：
0.01IN~36IN；
v直流电压回路：
0.05~1倍量程，量程最大为5000V，可定制；
v直流电流回路：
0.01mA~20mA，可定制；
5）过载能力：
v交流电压回路：
3倍额定电压，连续工作
v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。
3.2.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。
3.3.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≤-1s；
3）NTP/SNTP对时精度≤-20s；
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。
3.4.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IEC61850-8MMS通信规约，最大允许8个客户端；
5）支持TCP/IP协议和103规约，103规约最大允许16个客户端；
6）自定义规约默认配置：
最大允许32个客户端，同一IP最大允许6个客户端；
7）支持MODEM通信，最高速度为56kbps；
8）每个网络接口允许配置最多8个IP地址。
3.5.3/2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。
3.6.变压器录波
单台录波装置可同时支持2台主变和2台站用变，支持完全纵差和过激磁启动。
支持三卷变、两卷变和自耦变。
自耦变支持分侧差流启动和零序差流启动。
每台主变允许最多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。
每台站用变允许最多4个分支，分别是高压侧1个分支、中压侧1个分支、低压侧2个分支。
3.7.数据格式
暂态录波和稳态连续记录都提供满足GB/T22386-2008（COMTRADE1999）标准的录波数据。
3.8.稳态连续记录
3.8.1.内置连续记录功能
1）暂态录波插件内置连续记录功能，全程1000Hz采样；
2）暂态录波插件内置的连续记录采用自动循环覆盖技术，可保存最近至少7天的稳态录波数据。
3.8.2.可选配的独立连续记录插件
1）可选配独立的连续记录插件，支持1000Hz，2000Hz，5000Hz的采样率；
2）当配有连续记录插件后，暂态录波插件内置的1000Hz连续记录功能会自动禁用；
3）连续记录插件支持海量网络存储器（NAS）和本地存储器，本地存储器容量可选配为160GB、320GB、500GB等；
4）连续记录插件如果同时配有网络存储器和本地存储器，则本地存储器作为后备存储设备，当网络存储器不可用时，自动切换到本地存储器；
5）连续记录插件可定制需要记录的通道；
6）连续记录插件采用自动循环覆盖技术，可保存的天数与存储器的容量、需要记录的通道数相关。
3.9.电磁兼容性能（抗电磁干扰性能）
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）能满足GB/T14598.16规定的传导发射、辐射发射极限值标准；
6）能承受GB/T14598.17规定的严酷等级为Ⅲ级的射频电磁场辐射干扰；
7）能承受GB/T14598.18规定的严酷等级为Ⅲ级的浪涌干扰；
8）能承受GB/T14598.19规定的严酷等级为A级的工频干扰。
3.10.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%；
额定频率：
50Hz，允许偏差5Hz。
3.11.外形尺寸、安全防护等级及颜色
1）机柜外形尺寸（高宽深）：
2260mm800mm600mm
2260mm800mm800mm
2360mm800mm600mm
或根据用户要求定制。
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。
4.定值和整定范围
4.1.整定原则
1）“连续记录插件采样率”定值仅当配有独立的连续记录插件时有效；
2）交流电压、交流电流定值按照二次值整定；
3）直流电压、直流电流定值按照一次值整定；
4）自耦变零序差动按照零序电流整定，而不是3倍零序电流。
4.2.定值清单
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
5
连续记录插件采样率
Hz
1,000、2,000、5,000
5,000
交流电压
6
相电压突变量
V
1%～20%UN
5%
9%UN
7
相电压高越限
V
100%～130%UN
2%
115%UN
8
相电压低越限
V
1%～100%UN
2%
85%UN
9
零序电压突变量（开口三角电压）
V
1%～20%UN
5%
6%UN
10
零序电压高越限（开口三角电压）
V
1%～20%UN
2%
6%UN
11
电压正序高越限
V
80%～130%UN
2%
110%UN
12
电压正序低越限
V
1%～120%UN
2%
90%UN
13
电压负序越限
V
1%～20%UN
2%
3%UN
14
3次谐波越限
%
1～200
2%
30
15
5次谐波越限
%
1～200
2%
30
16
7次谐波越限
%
1～200
2%
30
交流电流
17
相电流突变量
A
2%～30%IN
5%
10%IN
18
相电流高越限
A
50%～130%IN
2%
110%IN
19
相电流1.5秒内电流变差
%
5～30
5%
10
20
零序电流突变
A
1%～30%IN
5%
10%IN
21
零序电流高越限
A
1%～30%IN
2%
10%IN
22
电流负序越限
A
1%～30%IN
2%
10%IN
频率
23
频率高越限
Hz
50～55
0.002
50.5
24
频率低越限
Hz
45～50
0.002
49.5
25
频率变化率
Hz/s
0.01～10
0.005
0.1
直流（含电压和电流）
26
直流突变量
V/A
1%～50%UN/IN
5%
10%UN/IN
27
直流高越限
V/A
70%～150%UN/IN
2%
110%UN/IN
28
直流低越限
V/A
1%～130%UN/IN
2%
90%UN/IN
变压器
29
变压器纵差
A
10%～100%IN
5%IN
30%IN
30
自耦变分侧差动
A
10%～100%IN
5%IN
30%IN
31
自耦变零序差动
A
10%～100%IN
5%IN
30%IN
32
变压器过激磁
1.0～5.0
0.05
1.1
开关量
33
开关量
启动、不启动
启动
5.工作原理
5.1.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。
图5.1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。
5.2.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。
5.3.暂态录波原理
ZH-5录波装置由FPGA负责控制所有的模拟量通道的模数转换以及开关量通道的状态采集。
FPGA对采集的每一帧数据，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。
5.3.1.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：
图5.3.1暂态录波记录方式
vA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；
vB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；
vC段：
系统大扰动后中后期数据，记录时间最大为30s，采样率固定为1000Hz。
5.3.2.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。
5.4.稳态连续记录原理
5.4.1.暂态录波插件内置的连续记录
装置自从启动后，DSP不停的以1000Hz采样率向暂态录波插件发送实时采样值，暂态录波插件利用实时采样值，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。
暂态录波插件内置的连续记录采用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。
5.4.2.独立的连续记录插件
ZH-5录波装置可选配独立的连续记录插件，配置后，暂态录波插件内置的连续记录功能将自动被禁用。
独立的连续记录插件可支持1000Hz,2000Hz,5000Hz的采样率。
配有独立的连续记录插件后，DSP以另一个独立的通信通道，向连续记录插件发发送实时采样值。
连续记录插件将这些数据每隔1分钟保存成一个录波数据，形成连续的波形记录。
独立的连续记录插件可支持所有标准的网络存储器（NAS），对NAS的型号和品牌没有特殊要求。
连续记录插件也支持内置的本地存储器，如果同时配有网络存储器和本地存储器，则优先使用网络存储器，本地存储器将作为后备存储设备，仅当网络存储器无法访问时才使用。
独立的连续记录插件保存录波数据时，可配置为采用我公司专有的ZYD格式，或采用标准的COMTRADE1999格式。
如果采用ZYD格式，则数据可按照任意时间段进行提取，用户不需要关心数据的记录方式，这是默认的存储格式。
如果配置为COMTRADE1999格式，则可以挑选部分重要的模拟量通道和所有的开关量通道数进行保存。
如果只选取部分通道进行存储，在相同的存储空间下，可保存更长时间的数据。
但这种方法保存的数据，不能按照任意时间段进行提取，只能按照每分钟一个的文件进行访问。
6.嵌入式图形软件的主要功能
6.1.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、功率因素和功率因素角。
4）实时监测差流
以表格的形式，分相实时显示所有变压器全部差动电流值。
可显示二次值和一次值。
6.2.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。
6.3.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的变化。
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
以表格和直方图的形式显示各次谐波的含有量、含有率，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。
可设置阻抗边界为多边形、直线、圆或四边形。
5）非周期分量分析
采用拟合法准确计算非周期分量的衰减时间常数、初始值。
6）直流数字滤波
根据用户需要，ZH-5录波装置可以记录未经低通滤波的、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（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）变压器差动分析
可分析变压器纵差、自耦变分侧差动、零序差动。
可分相显示差动电流、制动电流、间断角、导数波宽等参数，可以显示、播放动作轨迹。
动作边界支持两折线、三折线。
支持模值和制动、最大值制动、和差制动、标积制动。
8）功率分析
显示线路、变压器的无功功率、有功功率和视在功率曲线。
9）过激磁分析
显示变压器的过激磁曲线。
10）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；
11）单端故障测距
手动或自动对录波数据进行分析，自动选择故障线和故障相，并计算故障点距离。
6.4.定值整定
以图形化的方式，在装置上修改定值。
6.5.配线和参数修改
可以增加、删除、编辑母线、线路、变压器等参数，以及配置接入通道的名称、与一次设备的关联关系等。
还可以配置装置IP地址、路由表等参数。
附录1:
连续记录插件对存储容量的需求
下面分别列出不同配置下，存储所有通道的波
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