0　引言

　　灵活交流输电系统（FACTS）的概念^［1］自80年代被创建以来得到了广泛而深入的发 展。至今已有很多FACTS控制器被提出甚至投入实际应用^［2］，其中静止同步补偿 器（STATCOM）由于在运行范围、可控性和响应速度等方面较传统的无功补偿系统（如SVC、 调相机）具有明显的优势，对它的开发最为引人注目。美、日等国先后开发了容量不等的示 范工程^［3,4］，我国对STATCOM的研究主要集中在高校，自1994年开始河南省电力 局与清华大学合作开发的±20 Mvar STATCOM系统是我国第1台大容量实用化装置。在国 内外针对STATCOM广泛而深入的研究工作中^［5］，装置建模与仿真、电力电子拓扑 、控制策略设计等最为受到重视，而有关其运行监测与故障诊断的报告却很少，然而在大容 量实用化STATCOM装置的开发中，运行监测和故障诊断系统（operation monitoring and fa ult diagnosis system，简称为OMFDS）的设计与实现极为必要。
　　a. STATCOM是一个非常复杂而庞大的装置，包括众多的子 系统：主干电力电子电路、控制 与保护、脉冲发生与分配、监测与诊断、水冷、远控、电源等。所有的子系统必须各自正常 运行并相互协作以实现装置的整体功能，其中任何一个部件失效必将影响整个系统的正常工 作，甚至导致全局性故障。因此，对装置整体及其各部件的运行进行实时监测是一个非常重 要的问题，而OMFDS正是应此要求而设计的。
　　b. OMFDS提供了一系列必要的手段和工具，以便开发者或 用户了解装置的运行状况和相关信息，并深入认识系统的行为特性。
　　c.故障或异常报警是所有监测系统的关键组成部分之一，但数 据采集部件容量的日益增 长使操作员几乎不可能实时消化所有输入信息，特别是在系统发生故障时。解决的途 径是设计OMFDS的报警处理功能，使其对输入的报警信息进行预处理，并向操作员提 供总结性的关键报警提示。
　　d. STATCOM装置长期投入电网运行，难免发生故障，故障 分析与诊断的重要性不仅在于开发 者可以借此重审系统的工作原理和装置的设计实现，而且故障的定性与定位是使装置快速恢 复正常运行的前提。
　　e.本系统采用Modem—公用电话网—Modem的通信模式将本地OMF DS的数据传送到远方的计算 机上，以实现异地对装置的运行进行监视和故障后的分析功能。OMFDS还包括其它一些功能 模块，如用户配置与硬件测试、运行日志填写、历史数据查看等。
　　基于以上认识，±20 Mvar STATCOM装置的OMFDS的主要功能特点包括：全面监视装置的启停 过程；实时监测系统运行状态并记录有关信息，系统发生异常或故障时，进行报警处理 并启动诊断程序；故障后系统分析与诊断；友好的人机交互界面。

1　监测单元在STATCOM装置中的位置

　　图1所示为STATCOM装置的接线示意图。其中监测与诊断单元是唯一与所有其它子系统有关系 的单元，起着运行信息管理中心的作用：它采集、存储并分析来自各个子系统的实时运行数 据，且以此判断整个装置是否正常工作，同时将分析结果以直观易懂的方式呈现给操作员。 监测单元还发挥着通信中继站的作用，通过它与远方监控进行数据交换。

图1　OMFDS在整个STATCOM装置中的位置
Fig.1　Position of OMFDS in the
whole STATCOM installation

2　OMFDS的硬件构成

　　由于监测范围相对较小，故采用接近集中式的上下位机硬件结构（如图2），以下分3部分 对其进行描述。

2.1　信号输入与输出
　　输入信号分为模拟量与数字量。模拟量共48个通道，产生于装置中的各种传感设备，通 过变送、信号适配和A/D转换后送到上下位机，其中AB相间电压同时作为频率测量电路的输 入。输入开关量共112路，主要来源于系统装置中各种触点信号，经光电隔离、缓冲和 总线接口后送至上下位机。输出信号全为开关量，由监测单元对输入信号进行分析总结后产 生，用于故障或异常时的声光报警，直至发主开关跳闸命令，强制STATCOM装置退出运行。
2.2　信号采集与处理
　　上下位机和3块A/D采集卡构成这一部分的核心，加上一些隔离、缓冲和接口电路实现对信 号的采集和处理。
　　上下位机为高性能的工业控制计算机，采用Pentium 133 CPU、32 MB内存、1.2 GB硬盘 和SVGA彩显配置。上位机用于状态监视、故障报警处理和远程数据传输，而下位机的主要工 作是故障录波。上下位机间的数据交换通过NE2000兼容网卡实现。工控PC机是本系统的核心 部件，为了防止电磁干扰（EMI）和软件错误造成系统呆滞，一方面提高软件（系统软件如 操作系统，应用软件如OMFDS软件）的可靠性和鲁棒性，另一方面利用工控机PCA—6157 CPU卡所附的“看门狗”时钟设计了针对一旦发生系统死机的快速恢 复逻辑。
　　 考虑到本系统信号采集和处理的特殊需要，A/D采集卡特别设计，具有以下特点：
　　a.多个通道输入信号同步采样保持，以维持信号间相位相对 关系；采样率在一定范围 内可调，本系统设计采用每个信号通道一工频周期48点的采样速度，如用高速型ADC芯 片可进一步提高采样率。
　　b. A/D转换精度12位（通过更换ADC芯片和EPROM程序可将 其提高到16位）。
　　c. 80C196单片机管理数据采集及与主机的信息通信，通过 FIFO方式传送采集结果，FIFO RAM容量可根据用户需要配置，缺省值为2 KB。
　　d.数字电路和模拟电路之间采用高速光电隔离，既保证了计算 机系统的安全，又有效防 止了数字电路及计算机开关电源对A/D转换精度的影响。自带看门狗电路，在因强烈干扰引 起程序跑飞时，能迅速自动复位。
　　其它信号变换电路包括输入模拟量变换与分配电路，输入开关量隔离、缓冲与总线接口电 路，输出开关量总线接口、隔离与驱动电路以及频率测量电路等。
　　在所有监测系统中，信息精度和抗干扰性能是至为关键的，本系统设计从硬件和软件两方 面来确保数据处理的高精度和强抗干扰能力。在硬件上采用快速光隔、补偿平衡电路等；在 软件设计方面，所有数字信号处理均采用含噪的信号模型，采用高精度数值算法来抑制噪 声干扰。
2.3　远程监测与诊断
　　为了能在远离装置安装地点处（如清华大学）实现对STATCOM运行状况的（准）实时监测和 故障后数据的电话传输，OMFDS特设置该项功能。本地上位机外置Modem接至公用电话网，任 何远程计算机只要拥有一个Modem和相应的授权软件均可自动拨号连接到本地监测单元，通 过数据通信来实现远程监视和诊断功能。

3　OMFDS的软件构成

　　数据采集部件、上位机、下位机以及远程计算机的程序设计各异（如图3）。此处不赘述数 据采集的单片机编程。

图3 OMFDS的软件结构
Fig.3 Software architecture of OMFDS

　　远程监测与本地监测不同之处在于前者通过电话通信获取数据，而后者的数据来源于其数据 采集部件，且前者的功能仅是后者功能的一个子集。
　　本地监测软件包括上位机程序和下位机程序。对上位机的编程基于简体中文Windows 95/Win dows NT操作系统和VB 5.0编程语言（基本类库由C++实现），以获得多任务功能和优雅的图形用户界面(GUI)；而下位机编程基于DO S 6.22和BC(Borland C++编程语言)环境 ，以获得单一任务功能和高速数据处理性能。上下位机的数据通信借助于MS LAN Manager网 络环境来实现。程序设计着眼于：
　　a.模块化设计，即争取一个功能封装在一个程序模块中，以便 于维护；
　　b.标准的GUI界面，力求易学易用，操作简单；
　　c.用户可配置性，各功能的取舍可由用户进行选择。

4　功能说明

　　监测单元的工作流程可用图4来说明。

4.1　系统启动自检和并网监测
　　如前所述，由于研制的STATCOM装置包含众多相互关联的子系统，它们必须各自正常工作并 协调一致以使装置实现其总体功能，因此，装置的启动和停运必须依循严格的操作流程。监 测单元的系统启动自检和并网监测功能就是应此要求而设置的，它旨在装置启动前对各个子 系统功能正常与否作逐一检查，并网时提供了解系统输出状况的窗口且可进一步实现并网许 可判断功能。
4.2　状态显示和实时系统分析
　　监测单元的关键特性之一是快速而可靠地获取有意义的实时运行信息。在实现这一目标的过 程中，必须平衡好来自开发者和操作者的各种要求。系统模拟图、波形显示（包括数字跟随 ）和状态查询3个不同侧面既有交叉又各具特色地描述了系统的实时运行状况：模拟图以 代表整个装置不同部件的各种图标形象来帮助操作员直观地了解系统的工况，波形显示 借助二维线图反映有关模拟量的实时变化过程并能提供数字跟随显示功能，而状态查询可按 用户要求对所有模拟量的有效值或平均值以及输入输出开关量状态进行查询显示。当前的运 行信息可通过实时状态报表功能进行组织并打印输出。为方便操作者对装置运行状况的深入 了解，进一步提供了诸如谐波分析、动态频率测量和瞬时负序计算等实时分析工具。
4.3　报警处理和顺序事件记录
　　由于数据采集部件的容量有可能超过操作者消化信息的能力，特别是在装置发生故障时，输 入数据量大且重要性不一致，因此,报警处理功能作为STATCOM和操作者之间的缓冲器，担负 着 实时加工原始报警信息并向用户提供结论性和关键性信号报警的职能。它首先从数据采集部 件处获得诸如模拟量、开关信号和保护动作等数据，既而利用“规则”处理原始信息，再将 处理结果以简明总结的形式呈现给用户，同时将原始信息和报警处理结果写入顺序事件记录 以一定的格式存储，备用户查询和故障后分析。
4.4　故障录波
　　这一功能主要在下位机中完成，波形数据的时间长度可由用户定义。故障录波的触发信号可 以是开关量翻转（主开关跳闸和GTO脉冲封锁）和用户操作命令。故障录波输入模拟信号 的通道数和采样率在一定范围内可调，缺省值为20通道和每工频周期48点。录波数据可送到 上位机，并在必要时通过电话网传输至远程监测计算机。
4.5　故障诊断
　　大量的采集数据、STATCOM的复杂行为特性以及快速响应的要求使得开发一个智能型的故 障诊断程序成为必要，它的主要目标是利用故障前后的信息来实现故障识别和定位，并提供 可靠的解释和有利的对策。实现的故障后诊断程序模块的结构如图5所示。

　　图中故障数据库包含两个可扩展的表：事实表和规则表。前者描述诸如保护动作、系统状态 和一些预先定义的判断等基本事实；后者用以描述各事实之间的逻辑关系，这些逻辑关系主 要来源于保护系统的运行逻辑、STATCOM的机理分析、由物理试验验证了的系统建模与仿真 结果、专家经验等。任意预先定义的触发信号（如主开关跳闸）或用户命令都可以启动诊断 程序，它首先读入数据库并将其处理成内部模式以保证最有效、迅速地访问数据；接着收集 必要的信息（包括故障后装置状态、保护信号、事件列表、录波数据等）；然后启动推理引 擎（本质上是一个搜索策略），去寻求概率最高的故障元件；最后给出诊断结果和相应的解 释，必要时可以打印输出。
4.6　远程OMFDS
　　远程OMFDS设计的核心是实现一个简洁高效的数据交换协议，本地OMFDS基于此来解释远程OM FDS的数据要求并组织发送数据，而远程OMFDS以此为依据来检索传送来的数据包并根据实时 运行需求向本地OMFDS提出数据请求。已实现的数据交换协议是建立在对远程数据请求详细 分析归纳的基础之上，测试表明基于此能达到近乎实时传送数据的要求。
4.7　用户功能配置和硬件测试模块
　　OMFDS设计的目标之一是用户可配置性，即操作人员可以选择改变系统的运行参数和功能取 舍，如设置模拟量越限判断的上下限值，A/D采集卡的端口地址等。硬件测试功能主要是为 开发人员在调试时使用，它能逐级判断各硬件设备及其相应软件模块是否正常工作。
4.8　其它功能
　　包括历史数据查看、运行日志填写等。利用前者，用户可以图形数字方式查阅STATCOM自投 运以来的功率输出状况和重大的事故记录；后者为操作人员实现了类似于日记簿的功能，可 以对装置每天的运行状况作简要记录。

5　结语

　　作为±20 Mvar STATCOM装置的一个重要组成部分，运行监测与故障诊断系统的主要功能是 全面 监视装置的启停过程，实时监测系统的运行状态并记录有关信息，当系统发生异常或故障时 ，进行报警处理并启动诊断程序，提供友好的人机交互界面以及故障分析与诊断功能等。ST ATCOM作为一种新型的FACTS控制器，国内外对其运行的经验尚不足，本文实现的针对我 国目前最大容量的实用化STATCOM装置的监测与诊断系统，对于提高其运行性能和可靠性， 以及减轻操作员的负担具有重要的意义，并为进一步开发实用STATCOM系统甚至其它FACTS装 置积累了经验，奠定了基础。

［1］Hingorani N G. High Power Electronics and Flexible AC Transmi ssion System. IEEE Power Engineering Review, 1988, 8(7)
［2］李海峰，李乃湖.FACTS装置用于电力系统稳定控制的综述.电力系统自动化，1998， 22(9)
［3］Sumi Y, Harumoto Y, Hasegawa T, et al. New Static VAR Control Using Force -Commutated Inverters. IEEE Trans on PAS, 1981, 100(9)
［4］Schauder C, Gernhardt M, Stacey E, et al. Development of a ±100 Mvar Sta tic Condenser for Voltage Control of Transmission System. IEEE Trans on PWRD, 19 95, 10(3)
［5］栗　春，姜齐荣，马晓军，等.±10 kvar静止同步补偿器的动模实验研究.电力系统 自动化，1999，23(6)