一種單／多文件模式錄波分析軟件工具實現(xiàn)

陳明恩，施廣德，戰(zhàn) 鋒，汪賢浩

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

隨著新能源行業(yè)以及電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，直流輸電、大功率整流器、大功率逆變器等得到了廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)電壓畸變、電網(wǎng)波形受到污染，供電質(zhì)量惡化成為影響電能質(zhì)量的重要因數(shù)。此外，電網(wǎng)容量不斷擴(kuò)大，高電壓等級輸電線路的穩(wěn)定性和安全性越來越重要，除了安裝必備的線路保護(hù)外，重要線路都加裝了微機(jī)故障錄波器，錄波裝置得到了廣泛應(yīng)用。

故障錄波裝置一般包括信號接收單元、報文解析單元、穩(wěn)態(tài)錄波單元、電能質(zhì)量故障錄波分析單元、信息交互單元、電源單元等，采集和保存故障發(fā)生時的信息，主要實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號的采集與分析、故障判定與錄波啟動及采樣數(shù)據(jù)的壓縮與存儲［1］。

故障錄波文件用來回放、圖形展示、分析對比和報告故障時信息。通常采用COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)格式［2］，供廠家或用戶等不同場合離線分析使用。而現(xiàn)有監(jiān)測裝置和錄波儀大都相當(dāng)于可自行存儲的示波器，主要是記錄數(shù)據(jù)，不具備分析能力或者較為簡單的離線故障分析功能。當(dāng)出現(xiàn)電能質(zhì)量問題或系統(tǒng)故障時，通常需要另外的專業(yè)化分析工具。隨著錄波裝置被越來越廣泛使用，錄波分析軟件也越來越受重視。

1 單/多文件模式錄波工具原理

1.1 現(xiàn)有錄波軟件分析

研究主流的錄波分析工具軟件發(fā)現(xiàn)，錄波文件通常以COMTRADE通用標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和監(jiān)控分析［2］，已有分析工具參考資料較少，設(shè)計架構(gòu)與功能比較簡單，一般采用單文件模式［3-4］，具有基本分析能力，可初步診斷故障原因并進(jìn)行分析等［5-6］。

單文件模式難以同時加載與分析多個裝置點或者文件，也難以擴(kuò)展更多高級分析。因此，提出多文件模式設(shè)計方案，方案包括多文件模式的配置與數(shù)據(jù)加載、模型建立過程、行為分析與結(jié)果展示，可支持多裝置點或者多故障錄波文件多通道曲線交換、疊加、對比與綜合分析，對同一支路或者饋線的多錄波點的多個文件進(jìn)行分析，同時提供整體直觀形象，通過不同文件同一通道曲線對比與疊加，分析曲線趨勢一致性，依據(jù)每個故障文件的故障分析報告，可以更快速地綜合分析是否接地故障。此外，方案還可為后續(xù)進(jìn)行更多數(shù)據(jù)挖掘和高級分析，提供大量數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作。這樣一款單/多文件模式工具，是工程開發(fā)的重要發(fā)展方向。

1.2 多文件錄波框架與原理

設(shè)計一款單／多文件模式故障錄波分析工具，其總體方案、框架原理和功能模塊見圖1。主要包括幾個部分：錄波配置文件與數(shù)據(jù)文件的加載；故障錄波的專業(yè)分析與算法實現(xiàn)功能模塊；曲線數(shù)據(jù)與圖形顯示；分析報告模塊；單／多文件模式的切換控制；單文件模式的模型和行為操作的設(shè)計與實現(xiàn)；多文件模式的模型和行為操作的設(shè)計與實現(xiàn)過程。

圖1 軟件工具設(shè)計框架原理

鑒于篇幅和錄波分析專業(yè)原理復(fù)雜等因素，不對這些專業(yè)模塊的模型原理和算法設(shè)計過多闡述，讀者可查閱國內(nèi)外專家學(xué)者相關(guān)文獻(xiàn)。同時也不對工具軟件通用功能過多介紹。本文著重闡述錄波工具的多文件模式框架與原理設(shè)計與實現(xiàn)。

1.3 多文件模型設(shè)計與實現(xiàn)

多文件模式錄波分析過程，主要是加載配置文件與數(shù)據(jù)文件，模型建立如圖2所示。主要包括多文件加載模塊、故障點分析模塊、一次設(shè)備數(shù)據(jù)采集點模型模塊、故障特征量模塊、顯示界面模塊和報告生成模塊。

圖2 多文件模式建模流程

文件加載模塊用于加載故障點錄波文件、讀取多個錄波配置文件，數(shù)據(jù)文件。文件加載后，模塊可在軟件內(nèi)存中建立全部文件的配置模型和數(shù)據(jù)模型，從配置cfg文件中獲取廠站名稱、采樣率、通道數(shù)目、線路頻率、通道信息等配置文件信息，從dat數(shù)據(jù)文件讀取實際錄波數(shù)據(jù)，為專業(yè)化功能分析和曲線操作功能與顯示做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

故障點分析模塊用于配置和數(shù)據(jù)信息分析。將獲取的數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)利用通道轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換為實際采樣值。根據(jù)轉(zhuǎn)換的實際采樣值建立相應(yīng)的通道坐標(biāo)曲線內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)，將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)以曲線方式按通道依次映射在各自坐標(biāo)軸內(nèi)。

一次設(shè)備數(shù)據(jù)采集點關(guān)系和分析模型可根據(jù)多個錄波文件的配置和數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)全局整體配置和數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系與組織關(guān)系，建立電力系統(tǒng)一次設(shè)備數(shù)據(jù)多個采集點模型對應(yīng)關(guān)系，錄波通道關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成錄波分析模型，存入內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)供故障診斷和事故分析使用。

故障特征量模塊提取故障時刻前后一段時間內(nèi)的錄波數(shù)據(jù)，計算一次設(shè)備元件的故障特征量，運用矢量、諧波、定位、序量、測距、曲線分析、屬性、通道和接地故障分析等相關(guān)算法和技術(shù)分析［7-8］進(jìn)行邏輯推算。

顯示界面模塊用于展示多通道故障分析曲線，如模擬量 A 相電壓 （Ua）、B相電壓 （Ub）、C相電壓（Uc）、零序電壓（U0）、A 相電流（Ia）、B 相電流（Ib）、C相電流（Ic）與零序電流（I0）等，顯示界面模塊還可實現(xiàn)曲線交換、疊加、拉伸、放大、縮小、還原、顏色設(shè)置、分頁顯示、幅值和打印等功能。

報告生成模塊用于生成故障分析報告。包括矢量、諧波、定位、序量、測距、曲線分析、屬性、通道和接地故障等分析報表的各種專業(yè)計算和進(jìn)行邏輯分析后的圖形顯示和視覺表達(dá)展示［7］。

在此數(shù)據(jù)輸入和整理基礎(chǔ)上，實現(xiàn)單/多文件模式的故障錄波分析工具的故障錄波專業(yè)性功能和曲線顯示操作功能分析與顯示。

2 故障分析和曲線顯示

2.1 專業(yè)模塊分析與顯示

專業(yè)化功能主要包括矢量、諧波、定位、序量、測距、曲線、屬性、通道和接地故障等的分析。依據(jù)故障特征量提取故障時刻前后一段時間內(nèi)的故障錄波數(shù)據(jù)，計算一次設(shè)備元件的故障特征量，運用相關(guān)算法和技術(shù)分析［7-9］，進(jìn)行邏輯推算。下面重點介紹矢量分析與接地故障分析功能。

2.1.1 矢量分析

矢量分析展示主要包括矢量圖顯示和矢量表格顯示兩部分，可參見圖3矢量分析樣例?；鶞?zhǔn)矢量可選擇項無、Ua、Ub、 Uc、U0、Ia、Ib、 Ic、 I0，通道選擇可包括 Ua、Ub、 Uc、U0、Ia、 Ib、 Ic、 I0，諧波選擇可選擇基波、2～11次諧波，參數(shù)選擇主要包括設(shè)置顯示模式、傅里葉變換模式。其中，顯示模式可選擇幅值／相角模式與使用復(fù)數(shù)模式兩種類型；傅里葉變換模式可選計算點向前或向后取一個周波。矢量圖和矢量表格根據(jù)各參數(shù)設(shè)置，展示不同數(shù)據(jù)或圖表供分析研究。

2.1.2 接地故障分析與判據(jù)實現(xiàn)

1）接地故障分析。

接地故障分析主要包括配置設(shè)置、矢量表格顯示與觸發(fā)故障分析總結(jié)3個部分，如圖4所示。矢量表格根據(jù)各參數(shù)設(shè)置，展示不同數(shù)據(jù)。按下分析按鈕，經(jīng)過故障算法與邏輯分析后，會展示故障／無故障結(jié)論。

圖3 矢量分析功能模塊界面

接地故障分析是本軟件的重要功能。采用零序?qū)Ъ{算法來研究饋線接地故障的分析和判據(jù)實現(xiàn)。

2）零序?qū)Ъ{接地故障判據(jù)實現(xiàn)。

在不直接接地電網(wǎng)中，假定有數(shù)條饋電線路，根據(jù)該電網(wǎng)正常運行時的零序回路，利用消弧線圈適當(dāng)?shù)拿撝C狀況和位移電壓的相應(yīng)改變，便可將每條饋線零序阻抗的不對稱分量，即對地導(dǎo)納和導(dǎo)納系數(shù)計算出來。如果所有的零序?qū)Ъ{系數(shù)都不超過電網(wǎng)限定的允許值，則零序?qū)Ъ{矩陣被存儲起來作為相應(yīng)饋線的參考值。當(dāng)任何一條饋線發(fā)生單相接地故障時，就相當(dāng)于產(chǎn)生了一個附加的不對稱電源，這就會導(dǎo)致零序電壓和饋線零序電流發(fā)生變化。此時計算出該條饋線的對地導(dǎo)納系數(shù)，比較接地故障前后饋線零序?qū)Ъ{系數(shù)的變化，以此檢出故障饋線。小電流系統(tǒng)接地故障前后零序測量導(dǎo)納的分析步驟：1）線路k正常，其他線路故障，線路k的零序?qū)Ъ{分析；2）故障線路的零序測量導(dǎo)納分析；3）啟動元件和動作判據(jù)［10］。該算法實現(xiàn)過程非常專業(yè)和繁雜，可查閱相關(guān)文獻(xiàn)。

圖4 接地故障分析功能模塊界面

2.2 曲線操作功能

曲線操作功能主要包括交換、疊加、拉伸、放大、縮小、還原、顏色設(shè)置、分頁顯示、幅值和打印等功能和顯示。

曲線各類操作只是為使用者提供窗口視圖，與配置信息及數(shù)據(jù)加載，分析模型建立與單／多文件模式尤為相關(guān)。

2.2.1 單文件模型和行為模式

單文件模式的數(shù)據(jù)模型建立過程與多文件模式相似。而單文件行為操作在單文件數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)內(nèi)存分配與參數(shù)建模的基礎(chǔ)上，采用靜態(tài)和動態(tài)維護(hù)屬性表，動態(tài)屬性重裝載方法來建立單故障點分析模塊曲線展示與各類分析報告等系列過程。

單文件模式的數(shù)據(jù)模型和行為設(shè)計，可參考多文件模式的模型和行為。

2.2.2 多文件模型和行為模式

多文件模式模型建立過程上文已經(jīng)詳細(xì)說明。在此基礎(chǔ)上，多文件行為模式主要用于曲線展示和報告等表達(dá)方面。

多文件行為操作模式在模型建立后，結(jié)合全局屬性分配表、靜態(tài)屬性重裝載器、左目錄樹選擇器、動態(tài)屬性控制器來展示界面和生成對比分析報告，如圖1所示。

全局屬性分配表根據(jù)多文件模型來建立模擬量和數(shù)字量的通道名字與內(nèi)存地址的全局映射關(guān)系，以此建立內(nèi)存地址表和映射關(guān)系表。內(nèi)存地址表是查找、交換、疊加等所有曲線操作和分析歸納的數(shù)據(jù)指針。其由全局屬性表統(tǒng)一新建分配或銷毀，其他模塊只能使用或索引。每當(dāng)打開或關(guān)閉文件時，動態(tài)更新全局屬性分配表，靜態(tài)屬性重裝載器，并依此更新其他全局的或非全局的信息。

靜態(tài)屬性重裝載器是全局屬性分配表中部分?jǐn)?shù)據(jù)元素的快速索引，由全局映射的關(guān)鍵字和全局內(nèi)存地址hash表等構(gòu)成。

左目錄樹選擇器以文件或裝置名稱為一級目錄，模擬量和數(shù)字量通道號為子目錄，可進(jìn)行單選或多選，采用全局設(shè)計與分配，對于任意通道，都可以交換、對比、疊加。

動態(tài)屬性控制器初始化時依據(jù)左目錄樹的選項順序隱藏的關(guān)鍵字列表，從靜態(tài)屬性重裝載器的內(nèi)存指針拷貝，建立鏈表順序索引，鏈表順序跟隨曲線的交換、疊加行為而發(fā)生改變。

每當(dāng)觸發(fā)場景還原觸發(fā)器時，動態(tài)屬性控制器會清空當(dāng)前的鏈表順序索引，從靜態(tài)屬性重裝載器的內(nèi)存指針再次拷貝建立鏈表索引，進(jìn)行初始化，達(dá)到隨時恢復(fù)左目錄樹選擇的順序場景的目的。

展示界面模塊展示選中通道的曲線。曲線顯示水平時間軸，對于同一文件或裝置而言，是完全一樣的，而對于多文件場景，可設(shè)置為以起點為參考點的相對時間，也可以在故障發(fā)生時，通過遍歷波形數(shù)據(jù)找到該突變點，進(jìn)行多故障錄波數(shù)據(jù)的波形對齊。

圖5 多文件模式曲線展示界面

對比分析報告模塊用于生成分析報告。在多文件模式可支持單文件模式報告功能，計算各一次設(shè)備元件故障前后電壓與電流的有效值、11次諧波值、直流分量及時間衰減常數(shù)、序分量、差流值、線路測量阻抗、頻率特征量、故障測距特征量、保護(hù)動作特征量和斷路器動作特征量。上述功能是故障錄波分析工具的基本功能，也是該軟件后續(xù)高級專業(yè)分析的開發(fā)設(shè)計基礎(chǔ)。

圖5為多文件模式錄波分析工具軟件界面，展示了多條曲線疊加、對比、交換的窗口。對于同一饋線多個錄波文件，提供多曲線趨勢演示，綜合分析得出更為可靠的故障／非故障結(jié)論。

3 結(jié)語

主要闡述離線分析故障錄波實現(xiàn)原理，可支持單文件模式數(shù)據(jù)加載和行為，同時支持多文件模式曲線交換、疊加、對比綜合分析功能，可快速對每個故障點得出故障分析報告，可對同一饋線多點錄波故障結(jié)論綜合判斷提供參考。提供強(qiáng)大數(shù)據(jù)對比分析報告、故障監(jiān)測波形，為電力系統(tǒng)追溯故障根源、整體運行情況和缺陷綜合、聯(lián)動及因果分析、故障決策提供有效依據(jù)。

此外多文件模式為故障錄波研究做了大量數(shù)據(jù)與分析準(zhǔn)備工作，這是單文件模式難以做到的，為進(jìn)一步數(shù)據(jù)挖掘、高級分析和人工智能等決策分析提供了基礎(chǔ)。