劉大偉,雷　宇,張永東,陽　敏,林　健

(1.國網(wǎng)威海供電公司,山東 威海 264200; 2.71496部隊(duì),山東 煙臺(tái) 265800)

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錄波格式歸一化的故障回放及分析軟件設(shè)計(jì)

劉大偉1,雷宇2,張永東1,陽敏1,林健1

(1.國網(wǎng)威海供電公司,山東 威海 264200; 2.71496部隊(duì),山東 煙臺(tái) 265800)

針對(duì)現(xiàn)有錄波數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一的問題,設(shè)計(jì)開發(fā)了一套能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式歸一化的故障回放及分析軟件,該軟件具有數(shù)據(jù)批量處理功能,能極大降低實(shí)際工程應(yīng)用中的工作量。通過在某特高壓直流輸電工程使用該軟件的情況,證明了該軟件的可行性和有效性。

故障回放;歸一化;批量處理;自定義平臺(tái)

隨著數(shù)字化分布式故障錄波裝置在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用,故障錄波數(shù)據(jù)已成為電力系統(tǒng)故障分析和保護(hù)動(dòng)作行為評(píng)價(jià)的重要依據(jù)[1]。實(shí)際工程應(yīng)用中現(xiàn)有的故障錄波裝置及分析軟件存在很多問題,如錄波數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一,電網(wǎng)中的故障錄波器來自不同制造商,種類繁多,數(shù)據(jù)格式雖都基于COMTRADE格式但互不兼容,這給電網(wǎng)調(diào)度部門分析電網(wǎng)故障帶來很大的困難;現(xiàn)有故障分析軟件大多不支持仿真數(shù)據(jù),如EMTDC數(shù)據(jù)、RTDS數(shù)據(jù)等,而實(shí)際工程應(yīng)用中的故障事故分析和保護(hù)裝置定值評(píng)估往往需要在仿真平臺(tái)上做大量的測試并得到大量的仿真數(shù)據(jù);現(xiàn)有故障分析軟件缺乏數(shù)據(jù)批量處理功能,一般實(shí)際工程中的測試數(shù)據(jù)量龐大,采用數(shù)據(jù)批量處理能夠極大地簡化工作量。因此,設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)多種錄波及仿真數(shù)據(jù)格式歸一化、支持?jǐn)?shù)據(jù)批量處理等功能的故障回放及分析軟件,具有很高的工程實(shí)用價(jià)值[2]。本文設(shè)計(jì)了一套錄波回放分析軟件，介紹了軟件的總體結(jié)構(gòu)中格式轉(zhuǎn)換、波形回放、數(shù)據(jù)分析等模塊,并結(jié)合COMTRADE格式數(shù)據(jù)給出用VB.NET語言編程實(shí)現(xiàn)的上述模塊界面。

1　故障回放分析軟件總體結(jié)構(gòu)

故障回放分析軟件由格式轉(zhuǎn)換模塊、波形回放模塊、數(shù)據(jù)分析模塊組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　故障回放分析軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

格式轉(zhuǎn)換模塊是系統(tǒng)的基礎(chǔ),負(fù)責(zé)將各種類型故障錄波器中獲取的實(shí)際錄波數(shù)據(jù)、軟件仿真數(shù)據(jù)和人工設(shè)定的虛擬數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的COMTRADE格式或自定義格式,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的歸一化。波形回放模塊用于將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)圖形展示,并提供波形打印、查找、基本運(yùn)算等功能。數(shù)據(jù)分析模塊主要包括數(shù)據(jù)處理和保護(hù)動(dòng)作分析,其中數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的批量處理以及一些常規(guī)的諧波分析、相量分析等功能。

1.1格式轉(zhuǎn)換模塊

IEEE公布的COMTRADE格式標(biāo)準(zhǔn)中(本文以1999版本為例)包含頭標(biāo)文件HDR、配置文件CFG、數(shù)據(jù)文件DAT和信息文件INF[3]。

格式轉(zhuǎn)換是將系統(tǒng)外部所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識(shí)別格式的一個(gè)必經(jīng)通道,目標(biāo)是將實(shí)際錄波、軟件仿真和動(dòng)模試驗(yàn)?zāi)M、人工設(shè)定等各種來源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)定義的基于COMTRADE格式的標(biāo)準(zhǔn)。具體轉(zhuǎn)換可分為類COMTRADE型以及自定義型2 種。對(duì)類COMTRADE型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換只需提取線路和母線的參數(shù)組成HDR文件。自定義型需按照其本身格式提取采樣板、線路、通道的信息,并將從采樣板數(shù)據(jù)文件中得到的采樣頻率和故障時(shí)間等,按標(biāo)準(zhǔn)形成CFG和HDR文件,再按時(shí)間順序,逐個(gè)采樣時(shí)刻提取各采集板的采樣值,并標(biāo)上序號(hào)和時(shí)間坐標(biāo),形成DAT文件。

格式轉(zhuǎn)換模塊在具體實(shí)現(xiàn)過程中主要涉及到配置文件和數(shù)據(jù)文件的解析,通過識(shí)別文件類型,可按不同的格式去讀取配置文件和數(shù)據(jù)文件。

1.1.1配置文件解析

按照COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的配置文件的基本格式,依次讀取每一行文本,配置文件均以文本格式存儲(chǔ)。例如,COMTRADE1999配置文件中第2行格式為

TT,##A,##D

式中:TT表示通道的總數(shù)量;##A表示帶有特征字母A的模擬通道的數(shù)量;##D表示帶有識(shí)別字母D的狀態(tài)通道數(shù)量;表示最后一個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)以“回車/換行”終止。整個(gè)流程如圖2所示。

1.1.2數(shù)據(jù)文件解析

對(duì)COMTRADE數(shù)據(jù)文件的解析與讀取配置文件類似。數(shù)據(jù)文件的形式可以是文本形式,也可以是二進(jìn)制形式。若是文本形式,則可以同讀取配置文件一樣進(jìn)行數(shù)據(jù)文件的讀取;但若是二進(jìn)制形式,則不能直接進(jìn)行讀取,必須對(duì)二進(jìn)制文件中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)做一定的處理,才能讀取到正確的采樣數(shù)據(jù)。

圖2　配置文件的讀取流程

以文本形式數(shù)據(jù)文件為例,其數(shù)據(jù)行應(yīng)分為TT+2列,其中TT是記錄中通道的總數(shù)量(含模擬和狀態(tài)),另外兩個(gè)是采樣數(shù)量和時(shí)間標(biāo)記,表示為

n,timestamp,A1,A2,…,Ak,

D1,D2,…,Dm

式中:n表示采樣率;timestamp表示時(shí)間標(biāo)記,整數(shù);A1～Ak表示k個(gè)模擬數(shù)據(jù);D1～Dm表示m個(gè)狀態(tài)數(shù)據(jù);表示最后一個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)以“回車/換行”終止。

1.2波形回放模塊

錄波文件中包含有豐富的故障信息,是繼電保護(hù)技術(shù)人員分析故障原因、檢驗(yàn)保護(hù)裝置動(dòng)作行為的重要依據(jù)。技術(shù)人員若直接對(duì)數(shù)以萬計(jì)的錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,則會(huì)因分析難度太大、分析速度太慢而得到錯(cuò)誤的分析結(jié)果或直接放棄。因此,將錄波文件中的故障數(shù)據(jù)繪制成圖形,技術(shù)人員得以直觀整個(gè)故障過程中各電氣量(如三相電壓和電流)的波形以及開關(guān)動(dòng)作情況,對(duì)降低故障分析難度和加快故障分析速度具有十分重要的作用[4]。

波形回放模塊包括波形瀏覽、縮放、拖動(dòng)對(duì)標(biāo)、光標(biāo)定位、打印以及查找等功能,在具體實(shí)現(xiàn)過程中主要涉及到通道名的管理(以目錄樹三級(jí)組織結(jié)構(gòu)管理)、波形的繪制技術(shù)(雙緩沖繪圖)、波形縮放的重繪(XY軸單獨(dú)縮放或繪制放大矩形框?qū)崿F(xiàn)XY軸同時(shí)放大)、XY軸坐標(biāo)刻度動(dòng)態(tài)變化(隨XY軸縮放比例的變化,單位刻度值應(yīng)變化)、光標(biāo)定位的坐標(biāo)計(jì)算(邏輯單位和設(shè)備單位的轉(zhuǎn)換)以及波形的打印實(shí)現(xiàn)等。

根據(jù)實(shí)際工程中的需求,該模塊相比現(xiàn)有的故障回放分析軟件增加了以下功能:1)能夠多面板、單面板上多通道顯示,方便波形的比較;2)提供多個(gè)數(shù)據(jù)文件綁定功能,打開綁定文件中某一文件的通道時(shí),其他文件的同通道名的波形將在同一面板上顯示,方便用戶比較,不需要一個(gè)個(gè)手動(dòng)添加;3)提供Y軸參考線,作為波形的門檻值,方便用戶分析數(shù)據(jù)。

1.3數(shù)據(jù)分析模塊

1.3.1數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要是針對(duì)故障錄波文件所記錄的電壓、電流等模擬通道電氣量的各種特征量進(jìn)行測量計(jì)算,在這些分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,結(jié)合保護(hù)裝置及開關(guān)動(dòng)作情況和運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)來推斷故障位置、故障類型及其他一些故障相關(guān)信息。現(xiàn)有故障回放分析軟件的數(shù)據(jù)處理功能主要采用電力系統(tǒng)暫態(tài)分析和數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電氣量的定量分析,主要包括諧波分析、序分量分析等[5]。

該模塊主要有數(shù)據(jù)分離和數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。數(shù)據(jù)分離主要用于將EMTDC仿真文件中的數(shù)據(jù)屬性量與通道量分離,并生成數(shù)據(jù)屬性配置文件,其中數(shù)據(jù)屬性主要包括系統(tǒng)運(yùn)行方式、功率電壓水平、故障位置、故障類型等。數(shù)據(jù)導(dǎo)出主要用于從整個(gè)數(shù)據(jù)中導(dǎo)出部分用戶關(guān)心的變量,可以改變采樣率和數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束時(shí)間,數(shù)據(jù)保存為COMTRADE或EMTDC格式。

該模塊的另一個(gè)重要特點(diǎn)在于可以批量導(dǎo)出數(shù)據(jù),前提是這些數(shù)據(jù)文件具有相同的通道名,具有一致性。實(shí)際工程應(yīng)用中,很多數(shù)據(jù)文件是在不同的運(yùn)行方式下得到的,這些數(shù)據(jù)具有相同的通道名,批量處理具有很高的效率。

1.3.2保護(hù)動(dòng)作分析

現(xiàn)有的電力故障錄波分析軟件充分利用錄波數(shù)據(jù)為主的故障信息,通過對(duì)變電站主要繼電保護(hù)裝置的動(dòng)態(tài)模擬,可視化地顯示、分析繼電保護(hù)裝置的工作過程,正確評(píng)判其動(dòng)作行為,為運(yùn)行現(xiàn)場事故分析、保護(hù)裝置不正確動(dòng)作原因分析、裝置運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估等提供實(shí)用工具[6]。而且該分析軟件能夠?yàn)橛脩籼峁┳杩狗治?距離保護(hù))、功率方向判別(方向保護(hù))、差流保護(hù)(主變、母線保護(hù))、頻率滑差(低頻減載)等多種保護(hù)動(dòng)作行為分析功能,并為用戶提供多種設(shè)置條件,但并不能提供所有的保護(hù)。

本軟件采用自定義平臺(tái)來提供保護(hù)動(dòng)作分析,可以解決上述不能提供所有保護(hù)的問題。在自定義平臺(tái)上,用戶采用VBScript語言編寫保護(hù)的自定義原則,編寫中可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)的濾波、延時(shí)等數(shù)據(jù)處理,也可以方便地調(diào)整保護(hù)的定值,具有靈活性好、能夠提供所有保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。在該自定義平臺(tái)上,還可以批量分析數(shù)據(jù),如分析某一保護(hù)在不同的運(yùn)行方式、故障下的保護(hù)動(dòng)作情況。分析結(jié)果可以生成報(bào)告進(jìn)行對(duì)比,方便用戶調(diào)整保護(hù)定值。

2　波形回放分析具體實(shí)例

軟件的主界面如圖3所示,左側(cè)為波形回放界面,右側(cè)為保護(hù)動(dòng)作分析自定義平臺(tái),界面底部為光標(biāo)位置信息。以某特高壓直流輸電工程故障錄波數(shù)據(jù)為例,展示波形回放模塊的功能以及保護(hù)動(dòng)作分析功能。

圖3　軟件主界面

2.1波形回放

測試數(shù)據(jù)有5個(gè)模擬通道,7個(gè)狀態(tài)通道,采樣率為8000,數(shù)據(jù)文件以ASCII格式存儲(chǔ),波形回放界面如圖4所示。

圖4　波形回放界面

波形回放的主界面如圖4所示,左側(cè)顯示的是通道名以目錄樹的形式管理,分為三級(jí)目錄:第一級(jí)為配置文件名(或數(shù)據(jù)文件名),第二級(jí)為信息文件(Info)和監(jiān)視回路名(一個(gè)監(jiān)視回路包含若干模擬通道和狀態(tài)通道),第三級(jí)為通道名。模擬通道和狀態(tài)通道前分別加上正弦波和方波來區(qū)分。右側(cè)顯示的是左側(cè)通道名的波形,“11T11-T1/HV-IL1”、“11T11-T1/HV-IL2”以及“11T11-T1/HV-IL3”3個(gè)模擬信號(hào)顯示在同一面板中,以便分析比較?！癟IME-SYNC-PULSE”為狀態(tài)通道,單獨(dú)在一個(gè)面板上顯示,縱坐標(biāo)上只有0和1兩個(gè)刻度。每一個(gè)面板有一個(gè)縱坐標(biāo)和一個(gè)橫坐標(biāo),方便波形的對(duì)比?？梢灾苯油蟿?dòng)時(shí)間軸和坐標(biāo)軸來查看波形。

該波形分析軟件也能提供波形的縮放,光標(biāo)定位操作,如圖5所示。在圖5中,光標(biāo)X1、X2通過折算世界坐標(biāo)和設(shè)備坐標(biāo)來顯示光標(biāo)所在位置對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)或采樣時(shí)間;鼠標(biāo)拖動(dòng)繪制放大矩形框,當(dāng)鼠標(biāo)放開時(shí),通過檢測矩形框左上角和右下角的位置,將矩形框內(nèi)的波形全屏顯示。

圖5　繪制矩形框放大及光標(biāo)定位

2.2保護(hù)動(dòng)作分析

以零序過電壓保護(hù)為例,在自定義平臺(tái)上,采用VBScript語言編寫該保護(hù)的自定義原則,不考慮延時(shí)濾波控制等環(huán)節(jié),分析該保護(hù)的動(dòng)作情況,界面如圖6所示。在圖6中,底部提供了一些常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),方便用戶編寫自定義原則;左側(cè)目錄樹管理中,可以看到零序過壓保護(hù)有3個(gè)輸入量HV1、HV2、HV3;右側(cè)VBScript語言代碼中可以清晰看到該保護(hù)是將3個(gè)輸入量相加,求取絕對(duì)值,并與保護(hù)的動(dòng)作門檻值比較,若大于,則保護(hù)啟動(dòng),并開始計(jì)時(shí),如果滿足延時(shí)大小,則保護(hù)動(dòng)作。

將保護(hù)的啟動(dòng)和動(dòng)作情況輸入到待計(jì)算項(xiàng)中,結(jié)果圖形展示如圖7所示。在圖7中,第一個(gè)面板顯示的是保護(hù)中用到的3個(gè)輸入變量的電壓波形,第二個(gè)面板中分別表示啟動(dòng)和動(dòng)作情況,可以很清晰地顯示保護(hù)動(dòng)作情況。

圖6　零序過壓保護(hù)的自定義平臺(tái)

圖7　零序過壓保護(hù)動(dòng)作結(jié)果

3　結(jié)　語

闡述了故障錄波回放、分析軟件的設(shè)計(jì)過程及該軟件3個(gè)主要功能:一是統(tǒng)一,能將不同格式的錄波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)格式,實(shí)現(xiàn)歸一化;二是回放,能直觀地展示故障波形,便于用戶分析;三是數(shù)據(jù)分析功能,能夠批量分析處理數(shù)據(jù),保護(hù)的自定義平臺(tái)具有靈活性好,能夠提供所有保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于今后分析軟件的設(shè)計(jì),給出如下幾點(diǎn)建議。

1) 建立強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),加強(qiáng)數(shù)據(jù)的管理,提高數(shù)據(jù)的共享性,拓展數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍。

2) 引進(jìn)故障分析專家系統(tǒng),運(yùn)用專家系統(tǒng)、人工智能等技術(shù)進(jìn)行綜合判斷,精確分析故障。

3) 改善電氣量參數(shù)的計(jì)算算法,提高精度。.

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(責(zé)任編輯侯世春)

Design of fault playback and analysis software with normalized wave recording format

LIU Dawei1, LEI Yu2, ZHANG Yongdong1, YANG Min1, LIN Jian1

(1.State Grid Weihai Power Supply Company, Weihai 264200, China; 2.No.71496 Unit, Yantai 265800, China)

Aiming at the non-uniform recorded data formats, this paper developed a fault playback and analysis software is to achieve normalized data format. It is the software which can provide data batch processing which greatly reduces the practical application workload. Through the application of the software in an ultra-high voltage dc transmission project, the feasibility and effectiveness are proved.

fault playback; normalized; batch processing; custom platform

2015-10-20。

劉大偉(1987—),男,助理工程師,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。

TM316.3

A

2095-6843(2016)03-0222-04