【原】南京南瑞继保电气公司 王亮、侯学勇 等：智能录波器采集单元去中心化技术方案

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为提高智能录波器采集单元数据支撑的可靠性，南京南瑞继保电气有限公司的王亮、侯学勇、余乾、鲁振威、吕航，在2023年第4期《电气技术》上撰文，提出一种智能录波器采集单元去中心化技术方案，采集单元按被记录元件分布式安装，采集单元之间双网冗余连接以提高数据传输可靠性，延时可测网络对时实现各采集单元同步采样，联网同步触发实现扰动数据全景捕获，每个采集单元除记录本体接入的采样数据，同时向其他采集单元发送自身采样数据，并接收和记录来自其他采集单元的数据，访问任意采集单元可获取全部记录数据，为扰动分析和故障处理提供可靠的数据支撑。

实际应用表明，多套采集单元只要有任一存储介质完好，就能保证数据记录的完整性，该技术方案能有效解决采集单元数据支撑可靠性的问题。

随着电力系统的不断发展，各种保护设备存量不断增长，保护专业普遍存在设备维护工作量大、作业风险高的问题，迫切需要提高运维效率、降低作业风险的手段。现有支撑运维工作的信息化手段包括故障录波、网络分析仪、保护信息系统及二次运维等，这些手段各成体系，没有形成有机整体来为运维业务提供支持。为应对这一挑战，各种智能运维技术应运而生。

其中，在传统录波器基础上发展而来的智能录波器是一种适用于智能变电站和常规变电站，集成了故障录波、网络记录分析、二次系统可视化、智能运维功能的设备，由管理单元与采集单元组成，具备变电站配置文件管控、二次设备状态在线监视、二次虚回路在线监视、二次过程层光纤回路在线监视、二次检修辅助安措、二次回路故障诊断定位、保护综合管理与远方操作、网络报文分析、故障录波、信息交互等功能，为电网故障诊断高级应用提供数据支撑。

信息采集范围涵盖合并单元、智能终端、保护装置、过程层交换机及构成保护控制系统的二次连接回路。其中的采集单元部分集成了故障录波和网络分析的功能，主要用于采集和记录系统发生扰动时的各种电气参量和自动装置动作行为，包括来自常规互感器、接点、合并单元及智能终端的电流、电压、开关量和各类通信报文，为扰动分析提供依据，其数据记录的可靠性是核心要素。

对于传统录波器，各种信号相对集中接入一台或少数几台录波器，每台录波器只负责记录本装置接入的信号，而存储数据的磁盘是一种耗材，经常发生因存储介质失效而丢失关键数据的情况，给故障分析或事故处理带来较大影响。为解决这一问题，本文提出一种分布式安装去中心化的智能录波器采集单元实现方案。

1  去中心化采集单元系统方案设计

去中心化采集单元的系统结构如图1所示。每台采集单元设计为采集8～16路模拟量和16～32路开关量，具体通道数可根据实际情况配置。传统集中式录波器体积大、需要独占一面屏柜，而本文设计的采集单元可嵌入某面屏柜的空位置进行安装。

图1  去中心化采集单元系统结构

多台采集单元之间通过A、B两个冗余网络连接。智能录波器管理单元和同步时钟源也接入A、B两个网络。各采集单元采集和记录本间隔相关的数据，同时通过A、B网将数据发送给其他采集单元。当其中一台采集单元触发记录时，将联网触发所有采集单元同步启动；每个采集单元除记录本单元数据外，还接收并记录来自其他采集单元的数据，即每个采集单元会记录所有采集单元的数据，从而提高数据记录的整体可靠性。

2  去中心化采集单元的关键技术

若要实现上述方案，需确保各采集单元之间能够同步采样、同步触发、同步记录，各采集单元之间的连接可靠性也必须得到充分保障。为此，需要以下关键技术的支撑。

2.1  双网冗余连接

为确保采集单元之间数据传输的可靠性，一般采用双网冗余技术。各采集单元之间通过冗余的双网（A、B网）相互连接，由A、B两个网络端口分别发送相同数据内容，接收方从收到的两份数据中提取第一个到达的完整数据帧，丢弃重复或异常帧，从而提高数据传输的可靠性。故障采集单元双网冗余连接如图2所示。

图2  故障采集单元双网冗余连接

2.2  延时可测网络对时

为了确保各采集单元数据同步，各采集单元的采样必须同步，要求同步精度为±1μs。各采集单元通过延时可测的网络对时方式进行时钟同步和采样同步，由外部时钟源发送网络对时报文。时钟源向采集单元发送一个“同步（Sync）”报文，并将发送时间T1记入寄存器。采集单元收到这个“同步”报文，记录接收到的时间T2。

时钟源向采集单元发送“跟随（Follow_Up）”报文，将时间T1嵌入“跟随”报文中。采集单元向时钟源发送一个“延时请求（Delay_Req）”报文，并嵌入时间戳T3。时钟源收到“延时请求”报文并记住时间T4。时钟源将T4嵌入“延时应答（Delay_Resp）”报文中，发送给采集单元。根据这四个时间可计算出时钟源和采集单元之间的延时（Delay）和时间偏移（Offset）。

式（1）~（3）

根据该Offset即可校正故障采集单元的时钟，实现同步。采集单元延时可测网络对时如图3所示。

图3  采集单元延时可测网络对时

2.3  同步联网触发和冗余记录

每个采集单元都向网络发送自身采样数据。当某个间隔发生扰动时，触发该间隔采集单元启动录波，其他间隔的采集单元未必会感受到扰动触发记录，此时需要通过某种方式通知所有采集单元启动记录。被外部电气量或开关量触发记录的采集单元以网络方式发送启动报文，联网触发其他故障录波装置同步启动录波。启动报文中须包含触发的时刻，以便于其他各采集单元同步启动时刻。同步联网触发和冗余存储结构如图4所示。

图4  同步联网触发和冗余存储结构

需要注意的是，联网触发逻辑设计需避免循环触发而导致的录波无法终止，联网触发算法设计如下：1）没有本地触发，没有联网触发，不做任何处理；2）仅有本地触发，等待最大通信延迟后，将自身触发时刻写入广播报文并广播联网触发报文；3）仅收到联网触发报文，等待最大通信延迟后，按收到的广播中触发最早的时刻触发录波；4）既有本地触发，又收到联网触发，等待最大通信延迟，按最早触发时刻触发录波。

联网触发算法流程如图5所示。

图5  联网触发算法流程

网络中只要有一台采集单元触发启动，所有采集单元都会收到启动信号并启动记录。各装置将自身的采样数据与从网络收到的其他录波装置的采样数据按时标对齐合并，形成包含所有数据的录波文件。接入任意一台采集单元就能获取完整的数据记录，即使某台采集单元的存储介质异常无法记录数据，也不会导致重要数据损失，从而为故障处理和运维工作提供可靠的数据支撑。

3  测试结果

智能录波器采集单元去中心化技术方案完成了样机的研发验证并已试点运行，试点站由3台采集单元和1台管理单元组成，采取了集中组屏方案，装置组成如图6所示。

图6  装置组成

实测表明：1）采集单元去中心化解决方案完全满足智能录波器相关标准和实际应用需求；2）采集单元同步精度≤400ns，满足行业±1μs的精度要求；3）联网触发信号延迟≤1ms，满足触发录波的需要（经独立组网交换机）；4）经动模试验持续30min振荡并发生多次故障，采集单元之间未出现数据传输延迟、丢失或存储记录丢失（单台采集单元、单链路数据流量≤25Mbit/s）；5）触发录波可存储2500条以上，连续录波可持续7天（每分钟形成1个文件）；6）多台采集单元只保留一台有存储介质，其余介质拆除，模拟磁盘损坏，连续触发录波后仍能完好保存全部触发记录。

其中关键指标采集单元同步精度测试结果如图7所示，将同步时钟脉冲源和两台采集单元同步采样脉冲信号同时接入示波器，通道1为同步时钟源的同步脉冲，通道2和3分别为两台采集单元的同步采样脉冲信号，示波器时标为每大格2μs，每小格400ns。

图7  采集单元同步精度测试结果

测试结果表明，采集单元1和2的采样同步脉冲上升沿与外部同步时钟源的同步脉冲（上升沿中心）误差不超过400ns。特别指出的是，在外部时钟源的同步脉冲上升沿并不理想的条件下，采集单元1和2之间的同步误差远小于400ns，充分保证了各单元的同步采样性能。

4  结论

针对传统录波器数据记录可靠性的问题，本文提出了智能录波器采集单元去中心化的技术方案，既区别于传统集中式录波器数据集中记录的方式，也不同于以往分布式录波器没有数据冗余记录的方案，以双网冗余数据共享，同步采样、同步触发、同步记录等技术手段，实现分布式配置、冗余记录，提升了扰动数据记录的可靠性。通过访问任一采集单元即可获得全部数据记录，从而形成了一种无主的去中心化的智能录波器采集单元技术方案。

现场实际工程应用表明，相较于传统解决方案，本文所提方案中采集单元的数量有所增加，但每台采集单元的采样信号数量降低，且只对直接采样的数据进行计算，对接收到的其他采集单元的数据只记录不计算，因此计算量极大缩减，低成本处理器可完全胜任。

存储介质的成本随着技术进步一直呈下降趋势，本方案在未显著增加成本的前提下，极大地提高了数据记录的可靠性。此外，分布式安装相对方便灵活，可嵌入其他屏柜而不需要独立屏柜安装，进一步节省了成本和空间，因此具有较好的推广价值。

本工作成果发表在2023年第4期《电气技术》，论文标题为“智能录波器采集单元去中心化技术方案”。