一種電能質量數據交換文件生成方案

程 立 李少卿 李德文 朱何榮 熊慕文

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

隨著我國經濟的持續發展,企業社會對電力的需求越來越旺盛，電網規模越來越大，電網結構趨于復雜，負荷用戶類型也越來越多。很多大型煉鋼廠、鍛造廠、電氣化鐵路出力特性不明顯、波動性大[1]，容易產生諧波、間諧波，造成電壓不穩定，電網電能質量下降。另一方面，風電、光伏等新能源[2]不斷投入，這些新能源具有易受氣候條件影響、出力不穩定、波動范圍廣、間歇性較強的特點，也會為電網帶來諧波含量增加、電壓閃變等問題，從而影響電網的電能質量。

從電網角度來講，電網公司對提高供電水平格外重視，在電網的某些關鍵點，如風電、光伏等新能源站、直流換流站、重要負荷點會安裝電能質量監測終端，實時監視電網的電能質量水平，并加以改善。從用戶角度來講，隨著精密加工企業越來越多，這些企業生產精密機床、高科技芯片等，電壓暫升暫降都會導致次品率躍升而蒙受損失，因此這些企業額外重視電能質量。在這些企業中，購買安裝電能質量監測終端往往是自發行為，它們更多地是監視電網的電壓質量，作為電網對生產線造成影響而索賠的依據。

電能質量監測所形成的數據對于電網和用戶來說都很重要。電能質量數據交換文件PQDIF[3]是電能質量存儲管理的標準格式文件，不僅可以定時存儲穩態數據（如10min數據），而且可以存儲暫態事件（如電壓暫升/暫降等）數據。根據IEC 61000-4-30[4]標準，PQDIF的穩態數據基于10周波數據，而10周波數據的計算都是在實時性很強的 DSP單元完成，而PQDIF的存儲往往依賴文件系統，在非實時的操作系統中生成。10周波數據的實時性太強，傳統的方法都是在操作系統中用150周波數據替代而進行統計，這明顯違背了IEC 61000-4-30規定的測量方法原則。

本文在深入研究電能質量終端架構設計的基礎上，提出了一種電能質量數據交換文件生成方案。該方案完全遵守IEC 61000-4-30測量方法原則，采用10周波數據作為數據源，快速正確地生成電能質量數據交換文件。通過設計相應的測試方法，驗證了本文所提出方法的有效性和正確性。

1 PQDIF文件簡介

為了統一電能質量數據文件的格式，在20世紀90年代IEEE標準委員會起草了IEEE 1159.3[5]標準文件，采用了一種電能質量數據交換格式（power quality data interchange format, PQDIF）。此文件格式最早由美國電力科學研究院提出。此草案統一了電能質量文件格式，給出了相關術語、定義和指導方針，解決了不同廠家數據的可交換性問題。

PQDIF文件分為兩個視圖，即物理層和邏輯層。物理層只負責文件的存儲結構與定義，不關心存儲的內容。文件存儲結構類似于鏈表結構，Record之間相互鏈接，如圖1所示。圖1（a）是鏈表結構按序存儲，圖1（b）是鏈表結構跳躍式存儲，兩者都符合物理層的存儲要求。

在物理層中，每個Record包含header和body結構，其中 header概要描述 body存儲信息，body包含文件詳細內容（body可采用 zlib壓縮格式），如圖2所示。

圖1 PQDIF物理層

圖2 header和body結構

邏輯層只關心文件的內容，分為 Container、DataSource、MonitorSetting、Observation幾個類型，典型的邏輯層表示如圖3所示，Container包含若干DataSource，DataSource包含若干MonitorSetting和Observation。

圖3 PQDIF邏輯層

從物理層來看，各個Record是平行結構，沒有層次關系，但從邏輯層來看，各個Record之間存在層次關系。DataSource與Observation的對應關系如圖4所示。

圖4 DataSource與Observation

2 系統設計

2.1 系統結構

本文實現方案采用嵌入式裝置[6]，硬件架構為CPU+DSP。CPU采用 Linux[7]操作系統，除了板卡管理外，還負責PQDIF文件管理工作。DSP采用中斷方式，除了基本電壓/電流、諧波/間諧波、波動和閃變[8]等計算模塊外，還負責PQDIF的統計數據生成。CPU與DSP之間通過HTM總線交互數據，總線速率可達到320Mbps。

DSP中包含統計模塊、傳輸模塊；CPU中包含接收模塊、文件生成模塊、文件管理模塊。統計模塊生成數據后，通過HTM分時傳輸到CPU，CPU接收模塊從HTM驅動讀出后，push到共享內存。文件生成模塊從共享內存pop出數據，生成PQDIF文件，最后文件管理模塊對文件進行存儲及管理并提供接口給IEC 61850[9-10]、LCD及其他APP。

圖5 系統結構

2.2 統計模塊

按照IEC 61000-4-30 A級標準，每10個周波計算一個值，15個 10周波值做均方根，每到一個統計周期（如10min），將時間窗重新對齊，中間不允許丟點，如圖6所示。

圖6 IEC 61000-4-30A級數據窗

統計數據分為4種，即最大值、最小值、平均值、95%值。最大值、最小值、平均值含義比較明確。95%值含義是指將計算的點按從大到小的順序排列，去掉5%最大值，剩下中最大的即為95%值。舉個例子：100到1是100個數字，減去5%的最大值，即剩余 95～1共 95個數字，那么 95%值就是95（剩余最大值）。IEC標準取95%意指時間，即觀測點的評估指標應在95%的時間內符合標準要求。

這4種統計值都基于10周波數據，考慮到實時性，因此要放在DSP的實時中斷計算。在本算法實現中，統計模塊Statis拉取MMXU、MSQI、MHAI模塊的指針，如圖7所示。

計算中斷為50ms，因為每10周波計算一個數據，所以 50ms中斷不是每次都能刷到新數據。MMXU/MHAI/MSQI分別提供一個 cycle10的計數器，在10周波計算完成后該計數器加一。在Statis模塊檢測到cycle10計數器變化后，對新數據進行統計。最大值、最小值可以直接比較得出；平均值首先要計算累加和，等到統計周期結束后再進行平均計算；95%值需要將數據緩存下來，在統計周期結束后采用排序方法進行計算。

計算 95%值，按照 10周波一個點，每個點 4字節 float存儲，10min統計出結果，那么就需要4× 1 0× 6 0 ÷ 0 .2 = 1 2000字節，很耗費空間。這里采用一個反向方法，只選取最大的5%大值，這樣存儲空間就降到12000× 5 % = 6 00字節，空間節省 95%。C代碼片段如下所示。shell_sort按照升序排列，最終的cpf95_vec[0]就是95%值。

圖7 Statis統計模塊

2.3 傳輸模塊

統計模塊生成數據后，要設法傳輸到CPU板，因此必須設計一個數據傳輸通道。本方案 CPU和DSP[11]間通過HTM總線進行數據交互。由于還有其他應用數據也通過 HTM 傳輸，留給統計數據傳輸的帶寬并不大，因此要設計一種交換協議分時進行數據傳輸。本文采用的數據協議如下：

按照間隔1, 2, …, N的順序，每個間隔內按照MMXU、MHAI、MSQI的時序傳輸，合理分配帶寬，確保在一個統計周期（如 10min）內將數據傳輸完畢，每個50ms中斷傳輸數據個數M計算公式如下：

時序如圖8所示。

圖8 傳輸時序圖

2.4 接收模塊

統計數據通過HTM總線傳輸至CPU板卡之后，由HTM驅動模塊接收并且緩存。由于HTM驅動緩存較小，所以要及時讀取出來，否則緩存塞滿后就會丟失數據。在 Linux操作系統側，通過共享內存生成一個隊列長度256，每個隊列1KB的環形緩沖區，在1.25ms中斷讀取HTM數據并拷貝至環形緩沖區，由另外一個獨立的文件生成線程讀取數據，如圖9所示。

圖9 接收及生成模塊

2.5 文件生成模塊

在圖9中，采用獨立線程每3s批量讀取數據，根據預先設置的PQDIF生成模板，將數據組織生成文件。本文采用的PQDIF模板如下。

ChannelDef

?Voltage of A/B/C //三相電壓幅值

?Current of A/B/C //三相電流幅值

?Phase Angle of Voltage A/B/C //三相電壓相角

?Phase Angle of Current A/B/C //三相電流相角

?Unbalance of Voltage/Current //電壓電流不平衡度

?Positive/Negative/ZeroSequence of Voltage//電壓正負零序

?Positive/Negative/ZeroSequence of Current//電流正負零序

?THD of Voltage VA/VB/VC //三相電壓總畸變率

?HR of Voltage VA/VB/VC //三相電壓諧波含有率

?HRof Current IA/IB/IC //三相電流諧波含有率

?Real Power of the total/A/B/C //總及三相有功

?Active Power of the total/A/B/C //總及三相無功

?Apparent Power of the total/A/B/C //總及三相視在功率

?True Power Factor of the total/A/B/C //總及三相功率因素

?Phase Angle of Power Factor A/B/C //三相相角

?Real Power of Fundamental Frequency of the total/A/B/C //基波總及三相有功

?Acitve Power of Fundamental Frequency of the total/A/B/C //基波總及三相無功

?Apparent Power of Fundamental Frequency of the total/A/B/C //基波總及三相視在功率

?Power of Harmonic Frequency of the total/ A/B/C //總及三相諧波功率

由于PQDIF的物理層相當于鏈表結構，鏈表結構在文件系統中操作難度較大。因此，IEEE 1159.3推薦了一種很巧妙的方法，利用內存方式生成相應的鏈表結構，記錄下每個塊之間的內存偏移（相當于文件中鏈表的下一個塊），這種內存方式比文件系統易于操作，而且要靈活的多。由于整個PQDIF文件存儲內容較多，整個塊頭可能比較大，因此需要分段采用內存鏈表結構進行存儲，每存儲一個段就釋放內存，下一個段再重新利用這塊內存，這樣可以減小內存塊，減輕內存資源壓力。文件體采用壓縮格式存儲時也可以預先在內存中用zlib庫壓縮好后，再寫入文件中，C代碼片斷如下。

2.6 文件管理模塊

PQDIF文件生成后采用 MySQL[12]開源數據庫進行管理。MySQL是由瑞典MySQL AB公司開發的一款關系型數據庫，后來被Oracle公司收購。在嵌入式操作系統Linux中，MySQL應用十分廣泛。文件管理模塊設計如圖10所示，由PQDIF_SERVER主進程和insert_thread、query_thread、del_thread三個線程組成。PQDIF_SERVER主進程初始化MySQL數據庫，完成數據庫表結構的構建及關鍵字的建立。insert_thread功能為：當有新的PQDIF文件生成時，存儲進特定目錄，按照間隔+時間日期關鍵字存入MySQL表結構；query_thread功能為：為IEC 61850、LCD和其他APP提供同步和異步兩種接口，可以按照間隔+時間關鍵字的方式檢索信息，提供返回文件路徑接口。del_thread功能：定期檢測表結構及磁盤大小，按照時間順序刪除掉最老文件，同時也刪除相應的表結構信息。

圖10 文件管理模塊

3 試驗驗證

本文對提出的電能質量數據交換文件方案做了測試進行驗證。測試平臺硬件：CPU為PPC，主頻800MHz；DSP為TI芯片，主頻1GHz；內存1G；SD卡為32G；操作系統為Linux。選擇電壓監測點如下：10%Un、150%Un，每個監測點持續 20個周波，總共持續15min，查看PQDIF文件數據結果，見表1。測試結果小于標準要求精度0.2%Un，滿足工程應用需求。

表1 測試結果摘錄

4 現場運行

采用本文方案研發的電能質量監測終端已在安徽六合光伏、四川宜賓農網及重慶鋁廠等項目中成功運行。現場終端采用 51.2K/s的模擬采樣，通過交換機接入路由設備，通過綜合數據網上送到主站系統，規約采用IEC 61850。PQDIF文件既可通過IEC 61850的文件服務上送主站，又可通過終端本身自帶的USB進行數據拷貝。組網方式如圖11所示。

工程項目自投運以來，采用該方案實現的終端運行穩定可靠，采集和生成了大量電能質量PQDIF數據文件，為當地電力部門分析電網狀態、實施有效合理的治理措施提供了大量詳實的運行數據。

圖11 網絡結構圖

5 結論

本文提出了電能質量數據交換文件的生成方案，并且成功地應用在電能質量終端的研發上。該方案嚴格遵守IEC 61000-4-30的測量方法，采用10周波數據，在實時系統與非實時系統間進行數據傳送生成PQDIF文件。試驗結果表明，該方案生成結果可靠正確。本文提出方案研發的電能質量監測終端已經被成功應用在安徽、四川及重慶等地，為用戶提供了大量詳實的電能質量數據，幫助用戶分析電網狀態，為科學決策電能質量治理問題提供了堅實的數據依據。