ZH-3D数字故障录波分析装置
技术说明书
编写：赵银凤
审核：谢文勤
批准：张小波
武汉中元华电科技股份有限公司
Wuhan Zhongyuan Huadian Science & Technology Co., Ltd
二○○九年二月
目录
1.概述 (1)
2.工作原理 (1)
2.1.硬件系统 (1)
2.2.软件系统 (4)
2.3.技术特点 (5)
3.关键技术 (5)
3.1.多通道DMA的8端口内存共享技术 (5)
3.2.基于FPGA的24通道解码器 (6)
3.3.IEC60044-8采样值同步追踪补偿 (6)
3.4.支持数字化变电站全通信规约 (6)
3.5.可配置的报文集中器 (6)
3.6.互操作性 (8)
4.技术指标 (9)
5.附录 (9)
5.1.附录一60044-8和IEC61850-9-1报文格式 (9)
5.2.附录二IEC61950-9-2报文格式 (11)
5.3.附录三IEC61850GOOSE报文格式 (13)
1. 概述
ZH-3D电力系统数字故障录波分析装置适应了数字化变电站的发展，可以接入数字化变电站的过程层网络的SAV（采样值）报文和GOOSE（变电站状态事件）报文。为了适应每个数字化变电站应用模式，ZH-3D数字故障录波分析装置同时也兼容了传统模拟电压、电流及开关量信号的接入。ZH-3D数字故障录波分析装置与站控层设备的通信采用IEC61850 MMS通信规约，实现与站控层设备的互操作。
2. 工作原理
2.1. 硬件系统
ZH-3D电力系统数字故障录波分析装置硬件系统主要由管理机单元、数字式录波单元、报文集中器以及必要的网络附件组成，其中“报文集中器”又分为以下五种，可根据变电站网络配置情况选择搭配组合：
TDM SAV报文集中器；
IEC60044-8 SAV报文集中器；
IEC61850-9-1 SAV报文集中器；
IEC61850-9-2 SAV报文集中器；
IEC61850 GOOSE报文集中器；
ZH-3D电力系统数字故障录波分析装置硬件系统逻辑结构图如下：
2.1.1. 录波管理机单元
作为人机交互接口，实现对录波单元进行修改定值、进行配线等操作；
实现电压电流波形显示、分析等功能。
2.1.2. 数字式录波分析单元
数字式录波单元接收来自各个报文集中器的SAV报文和GOOSE报文，进行录波判启动等算法。数字式录波单元同时通过IEC61850 MMS通信规约实现对站控层设备的通信，该分析单元组成如下：
ZH-ADSP：接收各个集中器的数据，进行傅立叶计算，录波判启动计算等；
ZHCPU：实现与站控层设备的IEC61850 MMS通信，以及和录波管理机单元的通信。
2.1.
3. TDM集中器和60044集中器
TDM SAV集中器和IEC60044-8集中器分别用于采集TDM SAV报文和IEC60044-8 SAV报文。TDM SAV集中器和IEC60044-8集中器都采用了相同的硬件结构，采用了“2U”机箱结构。该硬件系统为PowerPC405EX CPU，处理能力为500MIPS。
该硬件系统的关键技术特点如下：
采用POWERPC405 CPU，CPU主频为400MHz；
采用多个通道DMA控制器和8端口内存共享技术；
采用基于FPGA的24通道硬件解码器；
1个PPS和B码兼容的对时端子。
2.1.
3.1. TDM SA V报文集中器
TDM SAV报文集中器是记录数字化变电站过程层网络的TDM SAV报文，TDM SAV报文是通过时分复用技术采用单光纤通道传输多通道SAV报文，3路光纤信号作为一组SAV报文传输信号。TDM SAV报文集中器主要由ZHP405RTDM模块组成，该模块主要特点如下：
ZHP405RTDM具备24路光口，可以接收8组SAV报文传输信号，并实现8组SAV报文的同步；
ZHP405RTDM实现对TDM SAV报文的解析，并将处理后的报文转发给数字录波单元。2.1.3.2. IEC60044-8 SA V报文集中器
IEC60044-8报文集中器是记录数字化变电站过程层网络的IEC60044-8 SAV报文，IEC60044-8报文是采用曼彻斯特编码，每路光纤传输固定12路SAV报文。IEC60044-8 SAV 报文集中器主要由ZHP405R8模块组成，该模块主要特点如下：
ZHP405R8具备24路光口，接收24路光纤传输的IEC60044-8 SAV报文，采用FPGA实现解码，并实现24路SAV报文的同步；
ZHP405R8实现对IEC60044-8报文的解析,并将处理后的报文转发给数字录波单元。
2.1.4. IEC61850集中器
IEC61850集中器进行采集基于IEC61850通信规约的数字化变电站的SAV报文和GOOSE报文。IEC61850集中器包括IEC61850-9-1 SAV集中器、IEC61850-9-2SAV集中器和IEC61850 GOOSE集中器。每个集中器和光口扩展模块都采用插件结构，并且采用“3U”机箱结构。IEC61850集中器主要包含ZHP405R91、ZHP405R92、ZHP405RGOOSE数据集中模块和ZHP405F8光扩展模块。根据数字化变电站的实施模式，可以选择配置不同的数据集中模块和光扩展模块，并且每个数据集中模块最大可以扩展两个光扩展模块。
集中器的结构特点如下：
采用POWERPC405CPU，处理能力为500MIPS；
4个10/100M电口以太网；
2个光电互换（SC）以太网；
可扩展18路全双工100Mbps光纤以太网；
采用多通道DAM的8端口内存共享技术，光口扩展板和数据集中模块之间通信带宽达10～200Mbytes/s。
1) IEC61850-9-1 SAV报文集中器
IEC61850-9-1报文集中器是记录数字化变电站过程层网络的IEC61850-9-1 SAV报文.
IEC61850-9-1 SAV 报文集中器。该集中器组成如下：
ZHP405R91：IEC61850-9-1 SAV数据集中模块，可扩展两块ZH91Pt8光纤扩展模块，可实现16路IEC61850-9-1 SAV报文的同步接收，并将处理后的报文转发给数字录波单元。
ZHP405F8：光口扩展模块，实现ZHP405R91模块的光口扩展，每个ZHP405F8光口扩展模块可实现8路光口扩展。
2) IEC61850-9-2 SAV报文集中器
IEC61850-9-2报文集中器是记录数字化变电站过程层网络的IEC61850-9-2 SAV报文。该集中器组成如下：
ZHP405R92：IEC61850-9-2 SAV数据集中模块，可扩展两块ZHP405F8光纤扩展模块，可实现16路IEC61850-9-2 SAV报文的同步接收，并将处理后的报文转发给数字录波单元；
ZHP405F8：光口扩展模块，实现ZHP405N92模块的光口扩展，每个ZHP405F8光口扩展模块可实现8路光口扩展。
3) IEC61850 GOOSE报文集中器
IEC61850 GOOSE报文集中器是记录数字化变电站过程层网络的IEC61850 GOOSE报文。该集中器组成如下：
ZHP405RGOOSE：IEC61850 GOOSE数据集中模块，具备2路光口，可以接收2路光纤
传输的IEC61850 GOOSE报文，并可扩展ZHP405F8光口扩展模块。
ZHP405F8：光口扩展模块，实现ZHP405RGOOSE模块的光口扩展，每个ZHP405F8光口扩展模块可实现8路光口扩展。
2.2. 软件系统
ZH-3D电力系统数字故障录波分析装置软件系统主要由调度端软件系统、管理机软件系统、数字式录波单元软件系统和报文集中器软件系统组成，其中报文集中器的软件系统又根据网络协议的差别分为如下几个子系统：
TDM报文解码集中组合软件系统；
IEC60044-8 SAV采样值报文解码集中组合软件系统；
IEC61850-9-1 SAV采样值报文解码集中组合软件系统；
IEC61850-9-2 SAV采样值报文解码集中组合软件系统；
IEC61850 GOOSE报文解码集中组合软件系统；
2.2.1. 调度端软件系统
调度端软件系统支持以太网和电话拨号两种方式与录波装置建立连接，连接后可实现录波波形的查询和调取、实时波形及装置现场工况浏览、查看和修改配置（需要高级权限）、遥控启动录波等；可离线分析已经调取的录波波形，波形分析功能见《CAAP2008操作说明书》。
2.2.2. 管理机软件系统
管理机软件系统是ZH-3D的现场人机接口，软件实现了录波波形的查询和调取、实时波形及装置现场工况浏览、查看和修改配置（需要高级权限）、遥控启动录波等；可离线分析已经调取的录波波形，波形分析功能见《CAAP2008操作说明书》。
2.2.
3. 数字式录波单元软件系统
数字式录波单元软件系统运行于VxWorks 5.5实时嵌入式操作系统上，是ZH-3D的核心部件之一，负责暂态和稳态录波数据的一级存储、对DSP的管理和监控、对管理机、调度端以及其他后台的通信，除了支持与ZH-3x完全兼容的通信规约外，还支持IEC61850-8的MMS通信协议。
采用VxWorks实时嵌入式操作系统，具有高可靠性、高实时性以及对计算机病毒的天生免疫等优点。
2.2.4. TDM和IEC60044-8 SA V采样值报文解码集中组合软件系统
TDM和IEC60044-8 SAV采样值报文解码软件是基于FPGA编写的硬逻辑程序，具有极高的实时性、可靠性和运行效率；该系统负责多路TDM报文和IEC60044-8报文的接入和集中组合，将组合后的数据提交给数字式录波单元软件系统做进一步的高级处理。
该软件系统采用的同步追踪补偿技术可有效消除由于发送源的晶振不同步导致的报文失步问题。
2.2.5. IEC61850报文解码集中组合软件系统
IEC61850报文解码集中组合软件系统运行于VxWorks 5.5实时嵌入式操作系统上，包括
IEC61850-9-1 SAV解码系统、IEC61850-9-2 SAV解码系统和IEC61850 GOOSE解码系统，负责多路IEC61850报文的接入和集中组合，将组合后的数据提交给数字式录波单元软件系统做进一步的高级处理。
采用VxWorks实时嵌入式操作系统，具有高可靠性、高实时性以及对计算机病毒的天生免疫等优点。
2.3. 技术特点
全面支持IEC61850的过程层和站控层的全部规范，建立了录波器的IEC61850模型，并已经通过国家级的互操作一致性测试。
单个自主开发的集中器模块通过增加光扩展插件(ZHP405F8)，最多可提供22个独立的100M 全双工以太网接口（其中4个RJ45电口，18个光口），丰富的网络接口使装置可全面支持数字化变电站过程层的多种组网方式，包括IEC60044-8和IEC61850-9-1的点对点组网、IEC61850-9-2的通过交换机集中组网。GOOSE可单独组网，也可通过交换机集中组网，并支持双网互备的冗余配置。
核心组件均采用硬编码或VxWorks实时嵌入式操作系统，大大提高了装置的可靠性、稳定性、实时性和健壮性，天生对计算机病毒免疫。
装置的后台人机接口部分与ZH-3几乎没有区别，给用户提供的数据格式依然是标准的COMTRADE格式，数据的分析方法和手段与ZH-3完全一致，对老用户而言，仅需了解前端组网如何接线和配置即可，数据的管理和分析不必再重新培训。
3. 关键技术
3.1. 多通道DMA的8端口内存共享技术
TDM集中器和IEC60044-8集中器都采用了多个通道的DMA控制器和8端口内存共享技术。这样可以保证具有非常高的网络吞吐能力。并且该报文集中器具备多个独立网卡，各个独立网卡的数据都可以分别进行控制，这样可以适应网段较多而且各个网段之间不能有数据连通的的场合。
3.2. 基于FPGA的24通道解码器
TDM集中器和IEC60044-8集中都采用了基于FPGA的IEC60044-8 24通道解码器。该集中器采用高端FPGA作为前端IEC60044-8和TDM通信规约处理，并且具有24个独立的全双工以太网网卡，支持同时处理24个通道的IEC60044-8采样值报文或者8组TDM采样值报文。
3.3. IEC60044-8采样值同步追踪补偿
对于IEC60044-8采样值的接入，由于源合并单元（MU）个体晶振差异将导致数据同步采样出现偏差，这个偏差积累后将导致传输给录波器的多个合并单元（MU）的数据组合困难。ZHP405R8采用了同步追踪补偿技术，有效修正了这个偏差，确保录波器记录的数据是同步对齐的。
3.4. 支持数字化变电站全通信规约
数字故障录波装置支持数字化变电站全部通信规约。过程层通信规约支持采样值传输规约和开关量传输规约，其中采样值传输规约有IEC61850-9-1、IEC61850-9-2、IEC60044-8和TDM传输规约，开关量传输规约有IEC61850 GOOSE通信规约。站控层通信规约支持IEC61850 MMS通信规约。
3.5. 可配置的报文集中器
ZH-3D电力系统数字故障录波分析装置具有多个SAV报文集中器。根据数字化变电站的SAV 报文传输通信规约进行配置不同的SAV报文集中器。
3.5.1. 配置模式一
数字化变电站SAV传输规约为TDM协议或者IEC60044-8协议，开关量通过IEC61850GOOSE 协议传输。ZH-3D电力系统数字故障录波分析装置需要一台“2U”TDM SAV集中器或者一台“2U”的IEC60044-8 SAV集中器，以及一台“3U”IEC61850集中器。该IEC61850集中器配置有
ZHP405RGOOSE数据集中模块以及相应的光扩展模块。
系统结构框图如下：
3.5.2. 配置模式二
数字化变电站SAV传输规约为IEC6180-9-1协议，开关量通过IEC61850GOOSE协议传输。ZH-3D电力系统数字故障录波分析装置只需要配置一台“3U”结构的IEC61850集中器，该集中器配置有ZHP405R91数据集中模块、ZHP405RGOOSE数据集中模块以及相应的光扩展模块。
系统结构框图如下：
3.5.3. 配置模式三
数字化变电站SAV传输规约为IEC6180-9-2协议，开关量通过IEC61850GOOSE协议传输。ZH-3D电力系统数字故障录波分析装置只需要配置一台“3U”结构的IEC61850集中器，该集中器配置有ZHP405R92数据集中模块、ZHP405RGOOSE数据集中模块以及相应的光扩展模块。
系统结构框图如下：
3.6. 互操作性
ZH-3D电力系统数字录波分析装置采用IEC61850通信规约与过程层网络及站控层网络通信，实现故障录波装置与合并单元，智能操作箱，保护装置以及故障信息子站的无缝连接，具有互操作性。ZH-3D数字录波装置于2008年1月通过中国电科院电力工业电力设备及仪表质量检验测试中心的一致性测试，测试报告编号为2008025；并且于2008年7月通过南方电网的互操作实验。
ZH-3D数字故障录波分析装置建立了基于IEC61850通信规约的故障录波装置模型，该模型的主要特点如下：
建立了暂态录波事件模型和稳态录波事件模型；
稳态录波事件文件命名规则为：装置名_LD名称_年月日_时分秒_毫秒#年月日_时分秒_毫秒，表示此段时刻的稳态录波文件；
RADR和RBDR作为录波装置的模拟量启动和开关量启动逻辑节点；
根据面向对象的原则建立了线路模型定值数据集、母线模型定值数据集和变压器模型定值数据集。
ZH-3D数字故障录波分析装置与站控层设备的通信主要支持以下服务：
IEC61850 File文件服务，传输故障录波文件以及故障录波简报；
IEC61850 SGCB定值组控制块服务，实现定值投运，查看以及定值修改；
IEC61850 Report 报告服务，传送故障装置故障信号以及故障录波启动信号；
IEC61850 Control 控制服务，实现远方启动录波和复归录波告警信号。
4. 技术指标
交流电源供电为单相220V，允许偏差-20%~+15%，频率50Hz，允许偏差±3Hz；
直流电源供电为220V、110V，允许偏差-20%~+15%，纹波系数≤5％；
软、硬件采取了多种抗干扰措施，抗干扰能力达到GB/T14598.10规定的IV级标准；
启动精度，越限启动量优于±2％，突变启动量优于±5％；
单个集中器组件最大可提供22个独立的100M全双工以太网接口，其中有4个电口，18个光口；
经挑选的SAV采样值组合后最大可达96路；
经挑选的GOOSE信号组合后最大可达256路；
GOOSE事件的分辨能力不大于1ms；
GOOSE事件与采样值的同步偏差不超过1ms；
最高采样率完全适应源合并单元（MU），并能提供不低于800Hz采样率的稳态记录功能；
过程层全面支持TDM SAV、IEC60044-8 SAV、IEC61850-9-1 SAV、IEC61850-9-2 SAV、IEC61850 GOOSE等规范；
站控层全面支持IEC61850-8 MMS通信规范，并建立的录波器的IEC61850模型；
金属性短路优于2％；
稳态记录采样率不低于800Hz，可支持独立的稳态记录插件。
5. 附录
5.1. 附录一60044-8和IEC61850-9-1报文格式
报文格式：
【DST ADDR】（目的地址）域为多播或广播地址，建议的多播地址：01-0C-CD-04-00-00到01-0C-CD-04-01-FF；
【SRC ADDR】（源地址）域为发送设备的MAC地址；
【TPID】（标记协议标识符）标记分配给802.1Q以太网解码数据帧的以太网类。域为8100H （81H，00H）；
【TCI】（标记控制信息）域为8000H（80H，00H），User priority=4，CFI=0，VLAN ID=0（此为缺省值）；
【TYPE】域为88BAH（88H，BAH）；
【APPID】SAV的预留范围是0x4000到0x7fff。如果APPID未配置，其缺省值为0x4000； 【LEN】域为【DAT】域的字节数。
ASDU说明如下：
报文定义：
5.2.
附录二 IEC61950-9-2报文格式
报文格式：
说明如下：
【DST ADDR】（目的地址）域为多播或广播地址，建议的多播地址、01-0C-CD-04-00-00到01-0C-CD-04-01-FF；
【SRC ADDR】（源地址）域为发送设备的MAC地址；
【TPID】（标记协议标识符）标记分配给802.1Q以太网解码数据帧的以太网类。域为8100H （81H，00H）；
【TCI】（标记控制信息）域为8000H（80H，00H），User priority=4，CFI=0，VLAN ID=0（此为缺省值）；
【TYPE】域为88BAH（88H，BAH）；
【APPID】SAV的预留范围是0x4000到0x7fff。如果APPID未配置，其缺省值为0x4000； 【LEN】域为【DAT】域的字节数。
IEC61850-9-2报文按照ASN.1编码方式进行编码，报文定义如下：
5.3.
附录三 IEC61850 GOOSE 报文格式
报文格式：
说明：
【DST ADDR 】（目的地址）域为多播或广播地址，建议的多播地址：01-0C-CD-01-00-00到01-0C-CD-01-01-FF ；
【SRC ADDR 】（源地址）域为发送设备的MAC 地址；
【TPID 】（标记协议标识符）标记分配给802.1Q 以太网解码数据帧的以太网类。域为8100H （81H ，00H ）；
【TCI 】（标记控制信息）域为8000H （80H ，00H ），User priority=4，CFI=0，VLAN ID=0（此为缺省值）；
【TYPE 】域为88B8H （88H ，B8H ）；
【APPID 】GOOSE 的预留范围是0x0000到0x3fff 。如果APPID 未配置，其缺省值为0x0000； 【LEN 】域为【DAT 】域的字节数。
GOOSE 报文按照ASN.1编码规则进行编码，报文定义如下：
GOOSE 报文传输机制
GOOSE 报文是一种由事件触发的报文，其通信采用发布者/订阅者机制。为防止网络负载过重情况下丢失GOOSE 报文，同一个GOOSE 报文会重发多次，报文重发的时间间隔逐渐增大，当重发时间间隔增大到最大值时，GOOSE 报文将以最大时间间隔不断重发该报文，一直到有新事件产生为止。GOOSE 报文事件发送机制如图1所示。
t
GOOSE 报文传输时间
有事件产生
说明：
T0为无事件状态下，报文重发时间间隔（一般为1024ms ）；
（T0）：从无事件状态过渡到有事件状态，报文重发时间间隔（因有事件产生而缩短）； T1：事件发生时，最短报文重发时间间隔；
T2、T3：达到无事件状态前的报文重发时间间隔（T0＞T3＞T2＞T1）。