基于Web方式的電力故障錄波數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)發(fā)布系統(tǒng)

摘 要:故障分析是電力系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的錄波分析軟件多為C/S架構(gòu)，系統(tǒng)兼容性差，客戶(hù)端軟件升級(jí)與服務(wù)器維護(hù)易給用戶(hù)帶來(lái)使用不便。隨著網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，電力系統(tǒng)管理趨于網(wǎng)絡(luò)化，在此采用B/S架構(gòu)，使用Java Applet，開(kāi)發(fā)在線(xiàn)錄波數(shù)據(jù)的檢索分析系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)錄波數(shù)據(jù)的快速檢索、波形動(dòng)態(tài)顯示以及相關(guān)信號(hào)分析管理，為用戶(hù)提供一個(gè)穩(wěn)定直觀的故障查詢(xún)和管理的平臺(tái)。關(guān)鍵詞:B/S架構(gòu); IEC61850; GOOSE; Java applet

中圖分類(lèi)號(hào):TN911-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)22-0203-05

Dynamic Issue System of Power Failure Wave-recorded Data Based on Web

WANG Tong-hui， ZHOU Yu， DU Si-dan

(Department of Electronic Science and Engineering， Nanjing University， Nanjing 210093， China)

Abstract: Failure analysis is an important part in power system， but most of the existing wave-recording analysis softwares are implemented with C/S architecture， whose system compatibility is poor and is inconvenient for users to upgrade the software or server maintenance. With the network development， the power system management tends to networking. As a result， an on-line system for retrieval and analysis of wave-recorded data was developed based on B/S architecture and Java applet. The fast retrieval of recorded wave data， dynamic display of waveform and analysis of relevant signal are achieved with it， which provides users with a fault query and management platform that is stable and intuitive.Keywords: B/S architecture; IEC61850; GOOSE; Java applet

0 引 言

故障錄波器是常年運(yùn)行、監(jiān)視電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況的一種自動(dòng)記錄裝置。它的主要功能包括:檢測(cè)繼電器及安全自動(dòng)裝置的動(dòng)作行為、分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中各電參量的變化規(guī)律以及校驗(yàn)電力系統(tǒng)計(jì)算程序與模型參數(shù)的正確性。對(duì)于電力系統(tǒng)的故障和誤操作，錄波裝置可記錄其波形曲線(xiàn)，通過(guò)分析波形可以確定故障原因與故障距離，制定解決方案，從而發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)缺陷、減少以至避免再發(fā)生類(lèi)似事故，保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。

對(duì)于錄波產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，需要友好快捷的分析軟件[1-2]。現(xiàn)有的錄波分析軟件多為獨(dú)立的客戶(hù)端(C/S架構(gòu))，有諸多缺點(diǎn)[3]，例如:不能與瀏覽器結(jié)合，系統(tǒng)兼容性有限，軟件升級(jí)與服務(wù)器端的變動(dòng)會(huì)被用戶(hù)實(shí)時(shí)感知，給用戶(hù)帶來(lái)更多操作。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的管理趨向網(wǎng)絡(luò)化，基于B/S架構(gòu)使用瀏覽器即可通過(guò)Web服務(wù)器與服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將日常數(shù)據(jù)維護(hù)和用戶(hù)數(shù)據(jù)分析分別進(jìn)行，方便直觀。此外，對(duì)于大量的波形數(shù)據(jù)，還需要解決數(shù)據(jù)傳輸、波形分析與顯示的速度等問(wèn)題。

在此述的錄波系統(tǒng)與國(guó)家電力南京自動(dòng)化股份有限公司合作研發(fā)，設(shè)備間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)持續(xù)高效數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)庫(kù)信息共享、Web信息查詢(xún)。提供完善的故障判別、事件識(shí)別記錄、故障分析及故障測(cè)距功能，并采用數(shù)據(jù)冗余技術(shù)提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括4部分:數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、服務(wù)器端、Web發(fā)布。在此主要針對(duì)服務(wù)器與用戶(hù)端的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)討論。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

1.1 數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集裝置包括6塊采集板，每塊板分別有16個(gè)模擬量通道(4個(gè)群組)、32個(gè)開(kāi)關(guān)量。故障錄波器接收采集到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)報(bào)文分為3種:常規(guī)存儲(chǔ)卡數(shù)據(jù)、基于IEC61850-9-1標(biāo)準(zhǔn)[4]的采樣值、基于IEC61850-8-1 標(biāo)準(zhǔn)的面向通用對(duì)象的變電站事件(GOOSE)。

1.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換器部分

協(xié)議轉(zhuǎn)換器是運(yùn)行于系統(tǒng)前端的硬件組成部分，采用PowerPC硬件平臺(tái)和VxWorks嵌入式系統(tǒng)，主要用于接收3種數(shù)據(jù)報(bào)文，根據(jù)同步采樣合并策略實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重組并上傳至服務(wù)器。同時(shí)負(fù)責(zé)監(jiān)視錄波故障及硬件日常工作狀態(tài)。

1.3 服務(wù)器端

服務(wù)器端是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，運(yùn)行于系統(tǒng)上層，基于Core 2雙核E4300 1.8 GHz硬件平臺(tái)，采用Linux圖形系統(tǒng)。服務(wù)器端接收協(xié)議轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行故障判別;分析協(xié)議轉(zhuǎn)換器發(fā)來(lái)的各類(lèi)型數(shù)據(jù)和事件以及本地產(chǎn)生的信息和事件，提取有效數(shù)據(jù);將有用信息存入數(shù)據(jù)庫(kù);為用戶(hù)提供可視化Web發(fā)布以及系統(tǒng)參數(shù)文件的配置功能。數(shù)據(jù)庫(kù)的建立如圖2所示，其中故障信息包括:通道名;啟動(dòng)時(shí)間;啟動(dòng)所屬;啟動(dòng)類(lèi)型。測(cè)距報(bào)告包括:故障類(lèi)型;故障距離;故障電壓測(cè)量值;故障電流測(cè)量值;斷路器動(dòng)作時(shí)間;閘重合時(shí)間;斷路器動(dòng)作類(lèi)型;再次故障類(lèi)型，即故障發(fā)生后再次出現(xiàn)的新故障的類(lèi)型;再次故障電壓測(cè)量值;再次故障電流測(cè)量值;多組(5組以上)模擬量啟動(dòng)類(lèi)型和通道號(hào)。多組(5組以上)開(kāi)入量變化狀態(tài)和時(shí)間。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)建立流程

數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)信息包括:數(shù)據(jù)、事件。數(shù)據(jù)文件分為暫態(tài)數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù);事件包括故障信息、故障測(cè)距報(bào)告、系統(tǒng)參數(shù)配置等。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)完成上層Web發(fā)布與下層協(xié)議轉(zhuǎn)換器之間的信息交換。

1.4 Web發(fā)布部分

Web發(fā)布為用戶(hù)提供快捷直觀的常態(tài)、實(shí)時(shí)錄波文件檢索與分析，顯示暫態(tài)錄波故障報(bào)告和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并提供系統(tǒng)校時(shí)、錄波文件下載等輔助功能。基本框圖如圖3所示。

圖3 Web發(fā)布軟件框架

本部分涉及大量數(shù)據(jù)交換:服務(wù)器端接收用戶(hù)提供的系統(tǒng)設(shè)置信息保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，接收用戶(hù)查詢(xún)信息;客戶(hù)端接收查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)得到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)分析，接收故障信息、系統(tǒng)狀態(tài)信息顯示。

本部分具有很好的擴(kuò)展性，可以根據(jù)用戶(hù)需要添加更多的功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)

服務(wù)器端接收大量協(xié)議轉(zhuǎn)換器上傳的數(shù)據(jù)報(bào)文，需經(jīng)過(guò)分析準(zhǔn)確提取數(shù)據(jù)報(bào)文中有效信息，以滿(mǎn)足上層需要。Web發(fā)布部分面向用戶(hù)，需要保證良好的用戶(hù)體驗(yàn)，主要包括:提高客戶(hù)端和服務(wù)器端的數(shù)據(jù)傳輸速度與準(zhǔn)確性、完善波形顯示效果。

為了保證多用戶(hù)查詢(xún)時(shí)能夠?qū)崟r(shí)顯示查詢(xún)結(jié)果，采用流式Socket[5]多線(xiàn)程[6]通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)多線(xiàn)程保證波形數(shù)據(jù)傳輸和顯示的速度，解決波形動(dòng)態(tài)顯示畫(huà)面閃動(dòng)的問(wèn)題，提高顯示質(zhì)量。

Web發(fā)布采用Java Applet[7]，優(yōu)點(diǎn)包括:當(dāng)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)頁(yè)時(shí)，Applet被下載到用戶(hù)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行，因此執(zhí)行速度不受網(wǎng)絡(luò)帶寬或者modem存取速度的限制;Applet被設(shè)計(jì)成在“沙箱”[8]中運(yùn)行，只能讀取源主機(jī)上的數(shù)據(jù)，不能讀寫(xiě)本地主機(jī)，從而不會(huì)對(duì)用戶(hù)系統(tǒng)造成任何損害，具有很高的安全性。

2.1 數(shù)據(jù)提取

服務(wù)器端接收的經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器重組的數(shù)據(jù)報(bào)文有:存儲(chǔ)卡實(shí)時(shí)向量數(shù)據(jù)報(bào)文、GOOSE和IEC61850合并后的協(xié)議報(bào)文。分析上述報(bào)文形成穩(wěn)態(tài)錄波數(shù)據(jù)文件、暫態(tài)數(shù)據(jù)文件。

穩(wěn)態(tài)錄波數(shù)據(jù)記錄采樣率1 kHz，考慮到日常穩(wěn)態(tài)錄波數(shù)據(jù)量龐大，綜合Web端查詢(xún)便利程度，采用以子站為單位將所有通道有效數(shù)據(jù)保存至一個(gè)文件，存儲(chǔ)時(shí)間間隔10 min。

暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)采用變速記錄:最高采樣速率(AB段，采樣率10 kHz，A段為故障前100 ms數(shù)據(jù))和長(zhǎng)錄波記錄速率(C段，采樣率1 kHz)。判斷故障起始位置，將故障信息生成Comtrade[9]文件保存，并記錄故障時(shí)刻過(guò)限啟動(dòng)時(shí)間、啟動(dòng)所屬通道或設(shè)備、啟動(dòng)類(lèi)型、通道名等事件標(biāo)識(shí)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

即Web客戶(hù)端與服務(wù)器端數(shù)據(jù)交互。采用Java的Socket類(lèi)和ServerSocket類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)流式Socket通信。由于服務(wù)器端在同一時(shí)刻可能出現(xiàn)的并發(fā)通信，采用Linux提供的多線(xiàn)程通訊[6]。

客戶(hù)端與服務(wù)器端流程如圖4所示。

圖4 客戶(hù)端與服務(wù)器端流程

考慮到同時(shí)傳送多個(gè)通道數(shù)據(jù)的情況，即并行傳送多通道數(shù)據(jù)，綜合網(wǎng)絡(luò)速度、CPU處理速度以及用戶(hù)視覺(jué)效果，將服務(wù)器端查詢(xún)到的各通道數(shù)據(jù)分割成長(zhǎng)度為N的小塊交叉?zhèn)鬏敚瑢?shí)際應(yīng)用中傳輸長(zhǎng)度N定為1 000。客戶(hù)端接收相關(guān)波形數(shù)據(jù)流，用于下一步的信號(hào)分析與波形動(dòng)態(tài)顯示。

2.3 動(dòng)態(tài)顯示

動(dòng)態(tài)顯示的內(nèi)容包括波形和數(shù)據(jù)2部分。實(shí)現(xiàn)的功能包括:主界面繪制，比較java提供的3種主要構(gòu)建窗口程序庫(kù)AWT，Swing和SWT，采用Swing;網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換，即客戶(hù)端Socket通信，接收數(shù)據(jù)流;數(shù)據(jù)分析，包括將接收波形數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)點(diǎn)以及波形信號(hào)分析[10];動(dòng)態(tài)顯示，顯示包括波形和信號(hào)分析結(jié)果。

為了保證波形顯示速度，程序設(shè)計(jì)時(shí)需要注意:數(shù)據(jù)接收與數(shù)據(jù)解析同步進(jìn)行;波形坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算與信號(hào)分析顯示同步進(jìn)行。

對(duì)于動(dòng)態(tài)刷新的波形與信號(hào)分析結(jié)果，為了保證良好的用戶(hù)體驗(yàn)，即人機(jī)交互操作時(shí)畫(huà)面不出現(xiàn)明顯閃爍，需要注意:根據(jù)實(shí)時(shí)顯示波形數(shù)據(jù)量調(diào)整滾動(dòng)條長(zhǎng)度;拖動(dòng)滾動(dòng)條時(shí)需要實(shí)時(shí)刷新當(dāng)前波形顯示區(qū)域;刷新標(biāo)尺位置時(shí)需保證不影響其他波形正常顯示;拖動(dòng)標(biāo)尺實(shí)時(shí)更新標(biāo)尺所在位置采樣點(diǎn)信號(hào)分析結(jié)果;根據(jù)當(dāng)前接收到的采樣值大小動(dòng)態(tài)調(diào)整已顯示波形的幅值至最佳狀態(tài)。

綜上所述，軟件共包括3個(gè)線(xiàn)程，分別用于波形和信號(hào)分析顯示、接收數(shù)據(jù)流、調(diào)整波形顯示幅值。結(jié)合Applet生命周期得出如圖5所示流程圖。

圖5 動(dòng)態(tài)顯示流程

2.4 信號(hào)分析

波形信號(hào)分析分為2部分:通道數(shù)據(jù)分析，包括有效值、相位、諧波等一般信息;線(xiàn)路數(shù)據(jù)分析，主要是三相信號(hào)相量、功率分析。

對(duì)于包含k次諧波的周期性離散信號(hào)(電壓或電流)，對(duì)其均勻采樣，設(shè)每周期采樣點(diǎn)數(shù)為N，則第i點(diǎn)采樣值為:

f(i)=∑Nk=1Aisin(ik2πN)

有效值離散計(jì)算公式為:

F=1N∑Ni=1f(i)2

通過(guò)傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行諧波分析:

實(shí)部:

FRn=2N∑Nk=0f(k)cosnk2πN

虛部:

FIn=2N∑Nk=0f(k)sinnk2πN

n次諧波有效值:

Fn=FRn×FRn+FIn×FIn2

采用序算法計(jì)算信號(hào)有功功率和無(wú)功功率:

Ua=UaR+jUaI，Ub=UbR+jUbI，Uc=UcR+jUcI

正序:

U1=Ua+Ub×λ-120°i+Uc×λ120°i

負(fù)序:

U2=Ua+Ub×λ120°i+Uc×λ-120°i

零序:

U0=Ua+Ub+Uc

視在頻率[9]:

S=P+jQ=UaIa*+UbIb*+UcIc*

Ia*，Ib*，Ic*是Ia，Ib，Ic的共軛。

有功功率:P=Re(S)

無(wú)功功率: Q=lm(S)

3 系統(tǒng)發(fā)布

Web端提供6項(xiàng)功能，包括手動(dòng)錄波、常態(tài)長(zhǎng)錄波波形顯示與分析、暫態(tài)故障信息查詢(xún)與波形文件下載、實(shí)時(shí)錄波波形顯示與分析、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示、系統(tǒng)校時(shí)。

3.1 手動(dòng)錄波

發(fā)送錄波開(kāi)始命令，通知系統(tǒng)開(kāi)始錄波，服務(wù)器端啟動(dòng)錄波并記錄波形。

3.2 常態(tài)波形檢索與分析

提供按通道選擇、按線(xiàn)路選擇兩種波形檢索方式，如圖6所示。

檢索后顯示波形與數(shù)據(jù)分析結(jié)果，如圖7所示。

可以看出圖中標(biāo)尺處波形發(fā)生突變。此時(shí)進(jìn)入暫態(tài)波形檢索頁(yè)面查詢(xún)故障情況。

3.3 暫態(tài)波形檢索與分析

提供時(shí)間區(qū)間、故障情況、啟動(dòng)故障情況、跳閘情況4種暫態(tài)數(shù)據(jù)查詢(xún)方式，查詢(xún)后以列表方式顯示基本故障報(bào)告，如圖8所示。如需要進(jìn)一步分析故障數(shù)據(jù)，則可下載對(duì)應(yīng)Comtrade文件調(diào)用其他分析軟件進(jìn)行分析。

圖6 常態(tài)波形檢索

圖7 常態(tài)波形與分析結(jié)果顯示

圖8 暫態(tài)波形與分析結(jié)果顯示

檢索圖8標(biāo)尺對(duì)應(yīng)時(shí)間的暫態(tài)Comtrade文件(由于本文撰寫(xiě)時(shí)故障分析尚未完成，故這里故障分析為空，只提供故障文件下載)并下載，調(diào)用第三方分析軟件做詳細(xì)分析。

3.4 實(shí)時(shí)波形檢索與分析

實(shí)時(shí)波形檢索與常態(tài)波形檢索類(lèi)似，動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前時(shí)刻波形，如圖9所示。考慮到數(shù)據(jù)量、網(wǎng)絡(luò)帶寬、用戶(hù)體驗(yàn)等方面因素，波形刷新時(shí)間間隔為2 s。

圖9 實(shí)時(shí)波形顯示

點(diǎn)擊暫停鍵，分析當(dāng)前數(shù)據(jù)。如圖10所示。提供雙游標(biāo)，便捷分析絕對(duì)時(shí)間與相對(duì)時(shí)間。

如數(shù)據(jù)檢索采用按線(xiàn)路選擇方式，顯示當(dāng)前線(xiàn)路三相相量與功率信息，如圖11所示。

圖10 實(shí)時(shí)波形與分析結(jié)果顯示

圖11 實(shí)時(shí)波形線(xiàn)路相量信息

3.5 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

顯示當(dāng)前系統(tǒng)硬件運(yùn)行工況，如圖12所示，分析系統(tǒng)硬件網(wǎng)口狀態(tài)以及數(shù)據(jù)通信情況。

圖12 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示

3.6 Web校時(shí)

發(fā)送硬件校時(shí)命令，校對(duì)系統(tǒng)硬件時(shí)間。

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)嚴(yán)格遵循DL/T663-1999《220~500 kV電力系統(tǒng)故障動(dòng)態(tài)記錄技術(shù)準(zhǔn)則》，滿(mǎn)足繼電保護(hù)等電力自動(dòng)化裝置要求，排除硬件差異。根據(jù)接入量的不同，實(shí)現(xiàn)不同速率錄波，系統(tǒng)具有穩(wěn)定性較強(qiáng)，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)行變電站、電廠(chǎng)等安全可靠運(yùn)行的要求。采用B/S架構(gòu)，錄波分析系統(tǒng)不再依賴(lài)系統(tǒng)平臺(tái)，具有很高的可移植性。Web部分提供直觀豐富的功能，滿(mǎn)足用戶(hù)分析需求，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

本系統(tǒng)在功能上依然存在改進(jìn)之處:當(dāng)大量用戶(hù)查詢(xún)服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，查詢(xún)數(shù)據(jù)有可能產(chǎn)生交叉，如果用戶(hù)對(duì)得到的原始數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，得到需要的波形坐標(biāo)數(shù)據(jù)，那么從整體上看，連接到服務(wù)器端的用戶(hù)計(jì)算機(jī)做了大量重復(fù)數(shù)據(jù)分析。因此可做如下改進(jìn):將一段時(shí)間內(nèi)所有向服務(wù)器端提出連接請(qǐng)求的客戶(hù)端看成整體，根據(jù)不同的計(jì)算能力進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，按照用戶(hù)需求分配計(jì)算結(jié)果，避免重復(fù)計(jì)算。

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