基于開源ActiveMQ的電力故障分析系統(tǒng)

樊 鵬，邱俊宏，戚振偉，張秀娟

（許繼電氣股份有限公司，許昌 461000）

隨著構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出和十三五規(guī)劃中對智能電網(wǎng)建設(shè)投資的力度加大，多種能源接入使系統(tǒng)日益龐大，故障變得更加復(fù)雜[1]，對電網(wǎng)安全運(yùn)行的管理水平和事故分析的要求也越來越高。如何充分借助現(xiàn)場的采集數(shù)據(jù)，在不增加成本的同時快速分析出故障原因，并將大量可用數(shù)據(jù)清晰流暢地展示給操作人員值得研究。設(shè)計一套具有網(wǎng)絡(luò)化、智能化、高效率、互操作性、性價比高的電力故障分析系統(tǒng)（以下簡稱分析系統(tǒng)）顯得尤為必要。

本分析系統(tǒng)功能實現(xiàn)采用模塊化設(shè)計，支持將圖形展示模塊以動態(tài)庫和插件的方式嵌入到圖形中，具有良好的功能擴(kuò)展性、跨平臺移植性。在數(shù)據(jù)交換過程中采用面向消息中間件的開源ActiveMQ消息隊列服務(wù)，通過構(gòu)建異步數(shù)據(jù)通信模式保證系統(tǒng)內(nèi)部業(yè)務(wù)間的數(shù)據(jù)共享或者交互可靠穩(wěn)定，利于對系統(tǒng)的管理及后期的擴(kuò)展具有重要的作用。在處理大數(shù)據(jù)展示中引入Model-View架構(gòu)來處理數(shù)據(jù)和終端顯示之間的關(guān)系，當(dāng)Model通過ActiveMQ接口偵測到消息總線服務(wù)器中有相應(yīng)采集單元發(fā)送的新數(shù)據(jù)變化，會立刻通知View來同步自動刷新所有的最新數(shù)據(jù)，保證界面刷新流暢無卡頓。

1 分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分布

目前成熟的智能變電站系統(tǒng)在設(shè)計上遵循分層、分布式思想，采用典型的“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，根據(jù)分析系統(tǒng)的功能定位，其在典型智能變電站中的分布如圖1所示。

圖1 分析系統(tǒng)在智能變電站中的分布Fig.1 Distribution map of analysis of system in intelligent substation

數(shù)據(jù)來源為過程層網(wǎng)絡(luò)捕獲的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)功能劃分上包含數(shù)據(jù)采集記錄單元和數(shù)據(jù)管理單元兩個子系統(tǒng)。

1.1 數(shù)據(jù)采集記錄單元

主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，是分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其正確性影響著數(shù)據(jù)分析和波形顯示的結(jié)果，通過數(shù)據(jù)基本分析、高級分析、事件類型判別，將解析后的數(shù)據(jù)寫入實時數(shù)據(jù)庫，并形成COMTRADE格式的錄波文件[2]。其功能子類主要包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存儲、數(shù)據(jù)通信四大模塊，分類如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集記錄單元功能Fig.2 Functional diagram of data acquisition and recording unit

數(shù)據(jù)采集模塊對過程層網(wǎng)絡(luò)的合并單元或智能終端發(fā)送的SV、GOOSE報文采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲和解析，通過FPGA為每幀采集到的報文數(shù)據(jù)打上接收時刻的時間戳和序列號。

數(shù)據(jù)分析模塊對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行基本分析和高級分析。基本分析是指基本電氣量的計算，如電壓電流幅值和相位、諧波分量、序分量、相量等，將這些信息寫入到實時數(shù)據(jù)庫模型中供波形展示時調(diào)用。高級分析是指保護(hù)動作特性分析[3]，如諧波分析、阻抗分析、縱聯(lián)保護(hù)分析及故障定位等。同時，當(dāng)有故障發(fā)生或突變量啟動時，記錄故障發(fā)生前后的電氣量和狀態(tài)量信息，形成故障報文事件。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存儲模塊將故障數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并保存成COMTRADE格式的錄波文件，為現(xiàn)場試驗分析提供數(shù)據(jù)源備份存儲。

數(shù)據(jù)通信模塊依靠開源消息中間件ActiveMQ完成消息的可靠傳送與推送。

1.2 數(shù)據(jù)管理單元

根據(jù)配置文件能夠通過ActiveMQ服務(wù)接口訪問消息總線服務(wù)器，總線服務(wù)器從不同的采集單元以定時召喚、查詢等方式獲取數(shù)據(jù)文件[4]，以波形、數(shù)據(jù)、圖形方式等多元化形式展示分析界面，保存和打印波形文件和分析結(jié)果，最終輸出故障分析報告，為用戶提供交互式操作，其功能如圖3所示。

圖3 分析系統(tǒng)功能Fig.3 Functional diagram of analysis system

1.3 分析系統(tǒng)的Model-View架構(gòu)

在數(shù)據(jù)管理單元的展示，為了將大量的數(shù)據(jù)處理和圖形展示有效分開，引入Model-View視圖架構(gòu)機(jī)制，把數(shù)據(jù)處理置于 Model模型中，把波形顯示交由View視圖管理，數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系如圖4所示，從而避免大容量的數(shù)據(jù)繪制工作，保證同一網(wǎng)口和時標(biāo)的數(shù)據(jù)源能被多個視圖用做不同的處理和顯示[5]。

圖4 Model-View架構(gòu)關(guān)系Fig.4 Architecture diagram of Model-View

2 開源ActiveMQ的應(yīng)用

2.1 開源ActiveMQ簡介

Active MQ屬于面向消息中間件的一種開放源碼，完全實現(xiàn)JMS1.1和J2EE 1.4中JMS服務(wù)規(guī)范，支持主從管理、延時接收發(fā)送信息、消息持久化、點對點模式和發(fā)布/訂閱通信方式，同步或異步消息傳遞模式等特性。分析系統(tǒng)將所有實時數(shù)據(jù)發(fā)送到消息總線服務(wù)器上，ActiveMQ總線接口利用高效可靠的消息傳遞機(jī)制和隊列模型進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，并基于數(shù)據(jù)通信進(jìn)行分布式系統(tǒng)集成和擴(kuò)展進(jìn)程間的通信，其可靠的異步通信也降低了系統(tǒng)之間的耦合度，提供企業(yè)級消息通信的可靠性、穩(wěn)定性和安全性[6]。

2.2 開源ActiveMQ在本系統(tǒng)中的應(yīng)用

在應(yīng)用上包含2條相互獨(dú)立、互為熱備的消息總線，每條總線對應(yīng)于1個消息中間件Broker，每條總線部署了2臺互為主備的消息總線服務(wù)器。數(shù)據(jù)管理單元只需要連接到其1條消息總線上，與數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行消息交互，總線接口支持異步模式和同步模式兩種，其應(yīng)用場景如圖5所示。

圖5 ActiveMQ系統(tǒng)應(yīng)用圖Fig.5 System application diagram of ActiveMQ

分析系統(tǒng)的總線接口作為數(shù)據(jù)傳送交互的核心，充分利用ActiveMQ的業(yè)務(wù)特點和需求進(jìn)行二次封裝API接口，主要定義擴(kuò)展API有：同步數(shù)據(jù)請求與交互類接口IDataExc、消息隊列接口IMessageQueue、接收消息接口IMessageConsumer。由于是開源代碼，只需要根據(jù)業(yè)務(wù)需求重載接口函數(shù)即可實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

2.3 ActiveMQ訪問總線服務(wù)器步驟

ActiveMQ訪問消息總線服務(wù)器的步驟：

步驟1使用GetClassObject函數(shù)獲取IMessageQueue類對象訪問接口；

步驟 2使用 IMessageQueue類的 Initialize（）函數(shù)完成初始化連接，并指定連接幾個BrokerUri；

步驟3當(dāng)客戶端為消息生產(chǎn)者，若采用異步模式，使用IMessageQueue類的SendTextMessage或SendByteMessage方法完成文本或字節(jié)流類型的消息發(fā)送，并指定發(fā)送消息的主題名稱DestUri和消息是否使用持久化方式。若采用同步模式，需先通過GetClassObject函數(shù)獲取IDataExc類對象訪問接口，創(chuàng)建2個IDataExc類對象指針，1個為同步數(shù)據(jù)請求用，1個為同步數(shù)據(jù)回調(diào)（接收）用。發(fā)送同步命令請求前，需使用IDataExc類的Set方法設(shè)置Data、CoresponsID、DestUri、UserType 內(nèi)容，設(shè)置完成后使用IMessageQueue類的SyncSendData方法完成文本或字節(jié)流消息的同步數(shù)據(jù)請求。

步驟4當(dāng)客戶端為消息消費(fèi)者，若采用異步模式，首先需創(chuàng)建一個繼承自IMessageConsumer類的消費(fèi)者類，重新實現(xiàn)OnTextMessage或者On-ByteMessage方法，以實現(xiàn)異步消息的回調(diào)。然后實例化一個CMsgConsumer類對象，最后使用IMessageQueue類的RegisterConsumer方法注冊該消費(fèi)者，此處注冊需要指定接收消息的主題名稱DestUri；若采用同步模式，首先需創(chuàng)建一個繼承自IMessageConsumer類的消費(fèi)者類，重新實現(xiàn)OnSyncRequest方法，在該方法中需設(shè)置應(yīng)答數(shù)據(jù)對象的Data和UserType，然后實例化一個CMsgConsumer類對象，最后使用IMessageQueue類的RegisterSyncRequest方法注冊該消費(fèi)者，此處注冊需指定接收消息主題名稱DestUri和是否接受2個Broker的同步數(shù)據(jù)請求。

以View展示端為例，View展示端在整個服務(wù)系統(tǒng)中承擔(dān)的角色：一方面作為同步消息的請求者，向采集單元發(fā)起同步數(shù)據(jù)請求命令；另一方面作為異步消息的消費(fèi)者，接收采集單元上送的消息。其訪問接口的簡要步驟為

步驟1初始化-Initialize（）：創(chuàng)建控制中心到BrokerUri的連接，只指定1個BrokerUri。

步驟2注冊異步消費(fèi)者-RegisterConsumer（）：接收來自采集單元異步發(fā)送的消息，此處需要重新實現(xiàn)回調(diào)函數(shù)。

步驟3發(fā)送同步請求 OnTextMessage（）和OnByteMessage（）命令-SyncSendData（）：向采集單元同步請求數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果與分析

在國家開普檢測研究院型式測試時，通過永程科技測試儀模擬現(xiàn)場線路單相AN接地故障，以此來驗證開發(fā)設(shè)計的分析系統(tǒng)對故障判別的正確性，分析系統(tǒng)顯示的故障波形及報告如圖6所示。

圖6 分析系統(tǒng)顯示的故障波形Fig.6 Analysis system display the figure of fault waveform

分析系統(tǒng)的顯示“線路TA1保護(hù)A相電流采樣值”的實時波形情況，點擊動作報告以表格形式詳細(xì)顯示故障時間 （2016-08-09，14：46：00.613000）、啟動元件（TA1保護(hù)A相電流采樣值”）、故障元件（線路 1）、故障類型（AN）、故障位置（9.167），也可生成定制化的故障分析報告，詳細(xì)列舉故障觸發(fā)原因、故障序號、生成錄波文件大小等內(nèi)容。

4 結(jié)語

上述基于Model-View架構(gòu)和面向消息中間件開源ActiveMQ技術(shù)實現(xiàn)的電力故障分析系統(tǒng)，既保證了數(shù)據(jù)交互的流暢和數(shù)據(jù)展示的穩(wěn)定，為現(xiàn)場運(yùn)維人員提供靈活、高效、人機(jī)界面友善的數(shù)據(jù)分析和波形展示，又能為大系統(tǒng)使用ActiveMQ技術(shù)提供業(yè)務(wù)擴(kuò)展和經(jīng)驗積累，目前已通過國家開普檢測研究院測試試驗。

參考文獻(xiàn)：

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