錄波格式歸一化的故障回放及分析軟件設計

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,山東 煙臺 265800)

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錄波格式歸一化的故障回放及分析軟件設計

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,山東 煙臺 265800)

針對現(xiàn)有錄波數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一的問題,設計開發(fā)了一套能實現(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,能極大降低實際工程應用中的工作量。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

隨著數(shù)字化分布式故障錄波裝置在電力系統(tǒng)中的廣泛應用,故障錄波數(shù)據(jù)已成為電力系統(tǒng)故障分析和保護動作行為評價的重要依據(jù)[1]。實際工程應用中現(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,而實際工程應用中的故障事故分析和保護裝置定值評估往往需要在仿真平臺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,設計能夠?qū)崿F(xiàn)多種錄波及仿真數(shù)據(jù)格式歸一化、支持數(shù)據(jù)批量處理等功能的故障回放及分析軟件,具有很高的工程實用價值[2]。本文設計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),負責將各種類型故障錄波器中獲取的實際錄波數(shù)據(jù)、軟件仿真數(shù)據(jù)和人工設定的虛擬數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為標準的COMTRADE格式或自定義格式,實現(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)處理和保護動作分析,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格式標準中(本文以1999版本為例)包含頭標文件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)可識別格式的一個必經(jīng)通道,目標是將實際錄波、軟件仿真和動模試驗模擬、人工設定等各種來源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)定義的基于COMTRADE格式的標準。具體轉(zhuǎn)換可分為類COMTRADE型以及自定義型2 種。對類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間等,按標準形成CFG和HDR文件,再按時間順序,逐個采樣時刻提取各采集板的采樣值,并標上序號和時間坐標,形成DAT文件。

格式轉(zhuǎn)換模塊在具體實現(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標準中規(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。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表示帶有識別字母D的狀態(tài)通道數(shù)量;表示最后一個數(shù)據(jù)應以“回車/換行”終止。整個流程如圖2所示。

1.1.2數(shù)據(jù)文件解析

對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,也可以是二進制形式。若是文本形式,則可以同讀取配置文件一樣進行數(shù)據(jù)文件的讀取;但若是二進制形式,則不能直接進行讀取,必須對二進制文件中存儲的數(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)),另外兩個是采樣數(shù)量和時間標記,表示為

n,timestamp,A1,A2,…,Ak,

D1,D2,…,Dm

式中:n表示采樣率;timestamp表示時間標記,整數(shù);A1～Ak表示k個模擬數(shù)據(jù);D1～Dm表示m個狀態(tài)數(shù)據(jù);表示最后一個數(shù)據(jù)應以“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,是繼電保護技術(shù)人員分析故障原因、檢驗保護裝置動作行為的重要依據(jù)。技術(shù)人員若直接對數(shù)以萬計的錄波數(shù)據(jù)進行分析,則會因分析難度太大、分析速度太慢而得到錯誤的分析結(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)動作情況,對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、拖動對標、光標定位、打印以及查找等功能,在具體實現(xiàn)過程中主要涉及到通道名的管理(以目錄樹三級組織結(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軸單獨縮放或繪制放大矩形框?qū)崿F(xiàn)XY軸同時放大)、XY軸坐標刻度動態(tài)變化(隨XY軸縮放比例的變化,單位刻度值應變化)、光標定位的坐標計算(邏輯單位和設備單位的轉(zhuǎn)換)以及波形的打印實現(xiàn)等。

根據(jù)實際工程中的需求,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,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,不需要一個個手動添加;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行測量計算,在這些分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,結(jié)合保護裝置及開關(guān)動作情況和運行人員的經(jīng)驗來推斷故障位置、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)字信號處理等技術(shù)來實現(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)運行方式、功率電壓水平、故障位置、故障類型等。數(shù)據(jù)導出主要用于從整個數(shù)據(jù)中導出部分用戶關(guān)心的變量,可以改變采樣率和數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束時間,數(shù)據(jù)保存為COMTRADE或EMTDC格式。

該模塊的另一個重要特點在于可以批量導出數(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。實際工程應用中,很多數(shù)據(jù)文件是在不同的運行方式下得到的,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保護動作分析

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,通過對變電站主要繼電保護裝置的動態(tài)模擬,可視化地顯示、分析繼電保護裝置的工作過程,正確評判其動作行為,為運行現(xiàn)場事故分析、保護裝置不正確動作原因分析、裝置運行狀態(tài)評估等提供實用工具[6]。而且該分析軟件能夠為用戶提供阻抗分析(距離保護)、功率方向判別(方向保護)、差流保護(主變、母線保護)、頻率滑差(低頻減載)等多種保護動作行為分析功能,并為用戶提供多種設置條件,但并不能提供所有的保護。

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

2　波形回放分析具體實例

軟件的主界面如圖3所示,左側(cè)為波形回放界面,右側(cè)為保護動作分析自定義平臺,界面底部為光標位置信息。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動作分析功能。

圖3　軟件主界面

2.1波形回放

測試數(shù)據(jù)有5個模擬通道,7個狀態(tài)通道,采樣率為8000,數(shù)據(jù)文件以ASCII格式存儲,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,分為三級目錄:第一級為配置文件名(或數(shù)據(jù)文件名),第二級為信息文件(Info)和監(jiān)視回路名(一個監(jiān)視回路包含若干模擬通道和狀態(tài)通道),第三級為通道名。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個模擬信號顯示在同一面板中,以便分析比較。“TIME-SYNC-PULSE”為狀態(tài)通道,單獨在一個面板上顯示,縱坐標上只有0和1兩個刻度。每一個面板有一個縱坐標和一個橫坐標,方便波形的對比?？梢灾苯油蟿訒r間軸和坐標軸來查看波形。

該波形分析軟件也能提供波形的縮放,光標定位操作,如圖5所示。在圖5中,光標X1、X2通過折算世界坐標和設備坐標來顯示光標所在位置對應的采樣點或采樣時間;鼠標拖動繪制放大矩形框,當鼠標放開時,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定位

2.2保護動作分析

以零序過電壓保護為例,在自定義平臺上,采用VBScript語言編寫該保護的自定義原則,不考慮延時濾波控制等環(huán)節(jié),分析該保護的動作情況,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有3個輸入量HV1、HV2、HV3;右側(cè)VBScript語言代碼中可以清晰看到該保護是將3個輸入量相加,求取絕對值,并與保護的動作門檻值比較,若大于,則保護啟動,并開始計時,如果滿足延時大小,則保護動作。

將保護的啟動和動作情況輸入到待計算項中,結(jié)果圖形展示如圖7所示。在圖7中,第一個面板顯示的是保護中用到的3個輸入變量的電壓波形,第二個面板中分別表示啟動和動作情況,可以很清晰地顯示保護動作情況。

圖6　零序過壓保護的自定義平臺

圖7　零序過壓保護動作結(jié)果

3　結(jié)　語

闡述了故障錄波回放、分析軟件的設計過程及該軟件3個主要功能:一是統(tǒng)一,能將不同格式的錄波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成標準格式,實現(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),保護的自定義平臺具有靈活性好,能夠提供所有保護的優(yōu)點。對于今后分析軟件的設計,給出如下幾點建議。

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

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

3) 改善電氣量參數(shù)的計算算法,提高精度。.

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(責任編輯侯世春)

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,主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護。

TM316.3

A

2095-6843(2016)03-0222-04