PQDIF在嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測終端上的實現(xiàn)與應用

朱偉立，王俊，王巍，金耘嶺

（1.南京燦能電氣自動化有限公司，江蘇南京211100；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102）

進入21世紀以來，電能質(zhì)量問題在國內(nèi)受到了越來越多的關(guān)注。國家發(fā)改委《能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》把“電能質(zhì)量監(jiān)測與控制”列入了重點發(fā)展的先進適用技術(shù)?！秶抑虚L期科學和發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020）》把“電能質(zhì)量監(jiān)測與控制”列為重點研究的技術(shù)之一。國家電網(wǎng)公司近年來針對電氣化鐵路和風力發(fā)電并網(wǎng)接入進行了多項專題研究。國家質(zhì)監(jiān)局和標委會先后制訂和修訂了多項關(guān)于電能質(zhì)量的國家標準，對電能質(zhì)量的概念、測量方法和運行規(guī)范提出了科學和明確的要求，很好地指導并規(guī)范著電能質(zhì)量專業(yè)的發(fā)展。電能質(zhì)量監(jiān)測也成為了我國當今建設(shè)“智能電網(wǎng)”的一項不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)最基本的功能就是實現(xiàn)監(jiān)測終端（裝置）與監(jiān)測系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，然而目前國內(nèi)已建的監(jiān)測網(wǎng)在終端與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換上存在一個突出的問題——沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議。終端設(shè)備廠家采用不同的通信介質(zhì)和通信協(xié)議，需要通過復雜的通信接口和協(xié)議轉(zhuǎn)換實現(xiàn)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的傳輸，導致整個系統(tǒng)的復雜度大為提高，運行可靠性降低，系統(tǒng)維護工作量巨大。實際上，2002年IEEE制定的1159標準規(guī)定了電能質(zhì)量數(shù)據(jù)標準交換格式（PQDIF），可以作為異構(gòu)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換的標準格式，具有很好的通用性。國內(nèi)對PQDIF的研究和實踐有很多成果，文獻[1—3]對PQDIF文件格式做了詳細的剖析，文獻[4—7]對PQDIF在監(jiān)測系統(tǒng)中的應用做了介紹，但所有這些都是在系統(tǒng)端，也即在計算機上的應用，文獻[8，9]在實際的監(jiān)測終端的研制中坦承在嵌入式設(shè)備上實現(xiàn)PQDIF不太現(xiàn)實。所有這一切都說明，PQDIF作為電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的標準交換格式得到了認同并在系統(tǒng)端得到了廣泛的應用，但在嵌入式監(jiān)測終端實現(xiàn)PQDIF文件尚需技術(shù)突破。嵌入式監(jiān)測終端上如直接將電能質(zhì)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PQDIF文件，將大大簡化終端設(shè)備與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，減少對通信網(wǎng)絡(luò)的依賴和對帶寬的占用。

本文通過分析PQDIF文件結(jié)構(gòu)、資源需求基礎(chǔ)上，結(jié)合我公司PQS-880系列嵌入式電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置的研制，介紹了PQDIF在嵌入式終端上實現(xiàn)方法和過程，并對其前景做了闡述。

1 PQDIF文件結(jié)構(gòu)分析

PQDIF是由美國電科院EPRI聯(lián)合若干設(shè)備廠家在20世紀90年代制定的一個標準，后在IEEE SCC22標委會及1559工作組的努力下，使之成為IEEE標準。制定該標準的初衷是能夠在不同設(shè)備廠家和系統(tǒng)之間提供標準的、獨立于具體設(shè)備的格式文件以交換電能質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)。

PQDIF是一個特殊格式二進制文件，具有兩層結(jié)構(gòu)：物理結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)。物理結(jié)構(gòu)用于描述PQDIF文件二進制流的存儲方式，與存儲的內(nèi)容無關(guān)。邏輯結(jié)構(gòu)用于標定PQDIF文件中各項目的層次關(guān)系，并根據(jù)該層次關(guān)系決定物理結(jié)構(gòu)的存儲順序。因此邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)是相互聯(lián)系，相互補充的。

1.1 物理結(jié)構(gòu)

PQDIF格式文件是由一系列的記錄所組成的記錄集合（物理結(jié)構(gòu)如圖1所示）。這些記錄是按照鏈表的形式排列的，每個記錄中都有記錄自己長度，以及下個記錄的位置。

每個記錄均具有相同的基本結(jié)構(gòu)，包含記錄頭和記錄體。每個記錄頭都有一個全球惟一的標記符（GUID）來標識，記錄頭還包括用標簽（Tag）來標識的記錄類型、記錄頭的大小、記錄體的大小以及一個指向下一個記錄的鏈接。記錄體由一系列元素組成，分為3種類型：集合（Collection）、標量（Scalar）、向量（Vector）。集合實質(zhì)上是由標識和元素所構(gòu)成的一個分層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它可以包含標量、向量，還可以包含集合。標量（Scalar）指一個特定物理類型（如INT4、REAL8）的單值。向量（Vector）指一個特定物理類型的任意大小的數(shù)列。

圖1 PQDIF文件物理結(jié)構(gòu)

從物理結(jié)構(gòu)可以看出，PQDIF是一個具備“自解釋”能力的文件，這是它的優(yōu)點同時也是缺點。優(yōu)點是只要交換雙方遵循同樣的規(guī)則，能夠識別標識和標簽，可以很方便的提取出數(shù)據(jù)；缺點是這些自解釋的內(nèi)容占用了大量的存儲空間。

1.2 邏輯結(jié)構(gòu)

基本的邏輯結(jié)構(gòu)由一個容器記錄（Container record）、一個或多個數(shù)據(jù)源記錄（Data source record）、監(jiān)測器設(shè)置記錄（Monitor setting record）和觀測值記錄（Observation record）組成，如圖2所示。而每個記錄的物理結(jié)構(gòu)如1.1所述，這樣就建立了物理結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。

圖2 邏輯結(jié)構(gòu)

PQDIF文件的所有記錄之間的關(guān)系由邏輯結(jié)構(gòu)解釋，而記錄的存儲格式則由物理結(jié)構(gòu)來解釋。兩者是相互聯(lián)系，密布可分的。物理結(jié)構(gòu)中每個記錄的記錄頭類型標識（GUID）標識了本記錄屬于邏輯結(jié)構(gòu)的名稱和層次，同時標識了與下一個記錄體的絕對鏈接，標明了邏輯結(jié)構(gòu)中的線性連接。邏輯結(jié)構(gòu)則規(guī)定了物理結(jié)構(gòu)記錄體內(nèi)存儲數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)?；蛘哒f，物理結(jié)構(gòu)實現(xiàn)所有記錄的存儲，邏輯結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，使整個文件具有很好的擴展性，同時又有較強的容錯、糾錯能力。

2 數(shù)據(jù)源記錄和觀測值記錄

PQDIF文件中，數(shù)據(jù)源記錄和觀測值記錄是最重要的2種記錄，2種記錄是相互關(guān)聯(lián)的，數(shù)據(jù)源記錄為觀測值記錄提供測量的測量序列類型、測量值名稱、測量值單位、測量值類型、相位等信息，而觀測值記錄則根據(jù)對應的數(shù)據(jù)源記錄定義記錄測量值。

2.1 數(shù)據(jù)源記錄

一般來說數(shù)據(jù)源記錄（指記錄體）按照邏輯結(jié)構(gòu)可以分成3種層次。第一層為數(shù)據(jù)源定義（Datasource definition）；第二層為通道定義（Onechannel definition）；第三層為測量值序列定義（Series definition）。數(shù)據(jù)源記錄邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)源記錄邏輯結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)源定義，主要記錄數(shù)據(jù)源記錄里面常用的一些基本信息，如：儀器型號、廠家標識、數(shù)據(jù)源標識、時區(qū)、地理位置。

通道定義，主要記錄如下信息：通道名稱、相位、數(shù)據(jù)類型（波形，趨勢，統(tǒng)計值，瞬時值等）、測量類型（電流、電壓、功率等）等。

值序列定義，主要保存通常對所有觀測值都需要的信息。如：類型（時間、最大值、最小值、平均值、95概率大值等）、單位（秒、伏、安、乏，等）、特性（時間序列，瞬時值序列，等）及存儲方式（等級增長、值數(shù)組、值刻度等）等。

以上3個層次中，第一層內(nèi)的信息是惟一的，第二層通道定義和第三層值序列定義的數(shù)量則取決于監(jiān)測終端的功能及系統(tǒng)需求2個方面，也就是說對功能確定的監(jiān)測終端來說，該記錄的內(nèi)容完全取決于系統(tǒng)需求，可能是變化的。

2.2 觀測值記錄

觀測值記錄是數(shù)據(jù)源記錄的實例，它保存的就是數(shù)據(jù)源記錄中所定義的通道的具體信息（電能質(zhì)量數(shù)據(jù)）。觀測值記錄（指記錄體）按照邏輯結(jié)構(gòu)可以分成3種層次（如圖4所示）：第一層為觀測值定義（Observation definition）、第二層為通道實例（Onechannel instance）、第三層為測量值序列實例（Oneseries instance）。

觀測值定義，主要記錄觀測值記錄的一些基本信息，如名稱、創(chuàng)建時間、起始時間、觸發(fā)方式等。

通道實例，主要記錄通道屬性和所對應的通道定義的索引，如通道頻率、通道定義索引等。

測量值序列實例，主要保存序列值（實時數(shù)據(jù)）及是否共享等信息，如比例系數(shù)、偏移量、共享通道索引、共享序列索引、以及最重要的值序列。

圖4 觀測值記錄邏輯結(jié)構(gòu)

以上3個層次中，第一層內(nèi)的信息是惟一的，第二層通道實例通過通道定義索引對應數(shù)據(jù)源記錄中相應的通道定義，通道實例數(shù)目與數(shù)據(jù)源記錄中的通道定義應對應，否則為無效通道。第三層測量值序列實例的個數(shù)和順序必須和數(shù)據(jù)源記錄中相應通道定義下的測量值序列的個數(shù)和數(shù)量吻合。

PQDIF提供了數(shù)據(jù)共享的一個機制，主要是針對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的時間標簽。這在實際應用中非常實用。數(shù)據(jù)共享示意圖見圖5。

另外，PQDIF文件的記錄中的記錄體（除容器記錄外）均可以采取數(shù)據(jù)壓縮算法，以減少文件存儲空間。目前支持的文件壓縮算法有2種，即ZLIB和PKZIP。主要原因是這2種算法的版權(quán)是免費的。

圖5 值序列共享示意圖

3 監(jiān)測終端實現(xiàn)PQDIF的平臺支撐

通過對上述分析，在監(jiān)測終端上實現(xiàn)PQDIF文件生成在技術(shù)上完全可行，但實現(xiàn)該功能需要硬件和軟件上的雙重支撐，現(xiàn)有的監(jiān)測終端實現(xiàn)困難的主要原因有：

（1）硬件方面：CPU處理能力的限制、內(nèi)存的限制、存儲空間的限制；

（2）軟件方面：多任務(wù)實時操作系統(tǒng)的支持、文件系統(tǒng)的支持等。

下面簡單地對生成PQDIF所需要的內(nèi)存資源做一個估算。一個電能質(zhì)量監(jiān)測點一般包括：三相電壓和三相電流，對于統(tǒng)計數(shù)據(jù)（基本的穩(wěn)態(tài)測量指標）一個點的數(shù)據(jù)量是5 K字節(jié)左右，按照國標要求，最短要支持1 min產(chǎn)生一個統(tǒng)計數(shù)據(jù)，而一分鐘的數(shù)據(jù)類型可能包括：最大、最小、平均、CP95值4種。如果每天生成1個PQDIF文件，則1天會產(chǎn)生14404 個數(shù)據(jù)。為保存這些數(shù)據(jù)，需要占用1440 ×4×5=28800 K字節(jié)的內(nèi)存。由此可見，對硬件資源的需求相當大。因此，需要監(jiān)測終端具有較高的CPU處理能力，較大的內(nèi)存容量和存儲空間，以及在軟件上支持多任務(wù)實時操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)是實現(xiàn)裝置層面生成PQDIF的關(guān)鍵。

4 PQDIF文件的實現(xiàn)

4.1 應具備的功能

根據(jù)上述分析，確定了在PQS-880監(jiān)測裝置上實現(xiàn)PQDIF的方案，它應該具有如下功能：（1）數(shù)據(jù)源可配置，主要是通道定義和值序列定義及可根據(jù)客戶要求進行定制，同時可定制不同的數(shù)據(jù)標簽；（2）統(tǒng)計數(shù)據(jù)時間間隔最短可至1 min，這時所需的系統(tǒng)資源是最高的；（3）數(shù)據(jù)只包括穩(wěn)態(tài)的電能質(zhì)量指標，如電壓、電流幅值，電壓偏差、頻率偏差、2～50次諧波電壓、電流等，不包括暫態(tài)電能質(zhì)量事件的瞬時值數(shù)據(jù)；（4）可以根據(jù)用戶要求的任意時間段生成文件，如可每天生成一個文件或者每隔若干小時生成一個文件；（5）按監(jiān)測點生成文件，可支持多監(jiān)測點的監(jiān)測終端。

4.2 實現(xiàn)步驟

4.2.1 下載配置文件

實現(xiàn)數(shù)據(jù)源可配置的功能，由于各地監(jiān)測系統(tǒng)對PQDIF文件需要交互的數(shù)據(jù)有一些差異，主要體現(xiàn)在某些標簽和數(shù)據(jù)類型上。如：諧波次數(shù)的標簽會不同；也可能會需要最大、最小、平均和CP95值4種類型中的一種或多種，由此必須在生成PQDIF文件之前配置這些信息。通過在系統(tǒng)端提供的PQDIF配置工具生成配置文件，下裝到終端的存儲介質(zhì)上。終端在上電后讀取配置文件，并將配置信息保存至內(nèi)存結(jié)構(gòu)中。如果上電檢測出存儲介質(zhì)出錯或不存在配置文件，則讀取缺省的配置表。

4.2.2 數(shù)據(jù)重組

PQDIF記錄的是一個時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，如：一天的監(jiān)測指標數(shù)據(jù)，是按照每個通道從該段時間的開始至結(jié)束的所有數(shù)據(jù)的組合，因此合理的數(shù)據(jù)排布方式應該是：通道1數(shù)據(jù)（起始時刻-結(jié)束時刻），通道2數(shù)據(jù)，……，通道n數(shù)據(jù)。而正常的統(tǒng)計數(shù)據(jù)保存方式是按照設(shè)定的統(tǒng)計時間間隔進行的，每個時間點將監(jiān)測點的一組監(jiān)測數(shù)據(jù)保存下來，也就是正常的數(shù)據(jù)排布方式是：起始時刻數(shù)據(jù)（通道1～通道n），……，結(jié)束時刻數(shù)據(jù)（通道1～通道n），如果按照正常的數(shù)據(jù)排布方式來搜索，效率會非常低。因此，為了適應PQDIF文件生成的需要，需要對監(jiān)測指標的數(shù)據(jù)要進行重組，在內(nèi)存中開辟獨立的空間，作為數(shù)據(jù)重組后的存放之用。數(shù)據(jù)重組如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)重組示意圖

4.2.3 文件生成

每個監(jiān)測點生成一個PQDIF文件，文件命名規(guī)則為：監(jiān)測點名稱+時間跨度.PQD。如每天生成一個PQDIF文件，則監(jiān)測點1的PQDIF文件名為：Line1-20100801-0000-2400.PQD。

5 討論

5.1 應用優(yōu)勢

PQDIF作為電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換的國際標準格式，標準的制定者充分考慮了電能質(zhì)量監(jiān)測專業(yè)的特點，針對性很強，具備很好的通用性和擴展性，對于電能質(zhì)量監(jiān)測終端、監(jiān)測系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)之間交互電能質(zhì)量數(shù)據(jù)起了很好的作用。在監(jiān)測終端上實現(xiàn)PQDIF文件，將給終端的應用和系統(tǒng)的運行帶來很多好處，如：減少對實時通信的依賴，不需要復雜的通信規(guī)約來傳輸數(shù)據(jù)；減少對通信網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用，可以靈活的在網(wǎng)絡(luò)空閑時提取PQDIF文件。

對監(jiān)測系統(tǒng)來說，不需要過多考慮監(jiān)測終端點數(shù)的限制；另外在企業(yè)用戶或沒有條件傳輸實時數(shù)據(jù)的孤立運行點，可以定期通過方便的應用軟件（如FTP客戶端軟件），從當?shù)靥崛〕霰４嬖诮K端中的PQDIF文件，再傳輸給系統(tǒng)，不需要任何的轉(zhuǎn)換即可使用數(shù)據(jù)；這些都是在終端端實現(xiàn)PQDIF文件的現(xiàn)實意義。

5.2 局限性

隨著“智能電網(wǎng)”、“數(shù)字化變電站”建設(shè)的推進，PQDIF也顯示出其局限性。PQDIF以文件方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的效率不高，不能滿足實時系統(tǒng)的實時性要求，似乎更適合于離線的數(shù)據(jù)交互。另外，PQDIF采用了一套完整的、自定義的物理和邏輯結(jié)構(gòu)以及標識和標簽體系來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自解釋，但該套體系并不具備廣泛的通用性，文件的生成和解碼都需要專用的軟件來完成，限制了PQDIF的應用范圍。隨著IEC61850標準的不斷完善，其先進性、通用性和可擴展性，使其在今后可能成為電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域的統(tǒng)一的通信協(xié)議。IEC61850標準也已將電能質(zhì)量監(jiān)測納入其體系范圍，在IEC61850-7-4（V2.0）標準（2010年3月發(fā)布）中已經(jīng)形成了完整的電能質(zhì)量監(jiān)測的建模?？梢灶A見，作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，實時電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)以IEC61850為標準的通信協(xié)議實現(xiàn)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交互將成為趨勢，而PQDIF仍可以在離線應用以及不同系統(tǒng)之間（未聯(lián)網(wǎng)）交互數(shù)據(jù)方面發(fā)揮其應有的作用。

6 結(jié)束語

在最新研制的PQS-880系列在線電能質(zhì)量監(jiān)測裝置中，成功實現(xiàn)了就地PQDIF文件的生成功能，這是當前嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測終端研制的一個突破。通過PQDIF文件實現(xiàn)監(jiān)測終端與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，可以克服目前監(jiān)測終端與系統(tǒng)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換所帶來的通信環(huán)節(jié)過多，故障率較高的問題，同時大為降低對網(wǎng)絡(luò)的依賴，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，具有比較現(xiàn)實的應用意義。

[1] 赫偉珊，齊林海，林天華.電能質(zhì)量分析系統(tǒng)中異構(gòu)數(shù)據(jù)交換的實現(xiàn)方法[J].電力科學與工程，2009，25（11）：45-47．

[2] 丁屹峰，程浩忠，占勇，等.基于PQDIF格式壓縮的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)模型[J].繼電器，2005，33(7)：55-58.

[3] 郭繼紅，顏湘武，馬甲軍.電能質(zhì)量數(shù)據(jù)PQDIF格式及其實現(xiàn)[J].電測與儀表，2004，41(9)：41-44.

[4] 張志生，孔德紅.Pqdif規(guī)范在電能質(zhì)量監(jiān)測中的應用[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2009，3(11)：178-180.

[5] 袁曉冬，羅曦，顧偉.電能質(zhì)量監(jiān)測統(tǒng)一平臺及PQDIF數(shù)據(jù)格式研究[J].江蘇電機工程，2009（5）：29-32，51.

[6] 馬玉林，覃劍永，李輝杰.基于PQDIF的集成式電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應用[J].廣西電力，2009，32(2)：18-22.

[7] 劉小舟，丁華強.PQDIF在電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中的應用[J].華北電力技術(shù)，2007（4）：33-35，39.

[8] 李樹軍，石新春，付超.基于PQDIF的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].大功率變流技術(shù)，2009（2）：49-52.

[9] 劉偉明，陳建元.嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2008，31(11)：164-167.