基于Web方式的電力故障錄波數據動態(tài)發(fā)布系統(tǒng)

摘 要:故障分析是電力系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，現有的錄波分析軟件多為C/S架構，系統(tǒng)兼容性差，客戶端軟件升級與服務器維護易給用戶帶來使用不便。隨著網絡發(fā)展，電力系統(tǒng)管理趨于網絡化，在此采用B/S架構，使用Java Applet，開發(fā)在線錄波數據的檢索分析系統(tǒng)。實現錄波數據的快速檢索、波形動態(tài)顯示以及相關信號分析管理，為用戶提供一個穩(wěn)定直觀的故障查詢和管理的平臺。關鍵詞:B/S架構; IEC61850; GOOSE; Java applet

中圖分類號:TN911-34文獻標識碼:A

文章編號: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行、監(jiān)視電力系統(tǒng)運行狀況的一種自動記錄裝置。它的主要功能包括:檢測繼電器及安全自動裝置的動作行為、分析系統(tǒng)動態(tài)過程中各電參量的變化規(guī)律以及校驗電力系統(tǒng)計算程序與模型參數的正確性。對于電力系統(tǒng)的故障和誤操作，錄波裝置可記錄其波形曲線，通過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)現系統(tǒng)缺陷、減少以至避免再發(fā)生類似事故，保證電力系統(tǒng)安全運行。

對于錄波產生的大量數據，需要友好快捷的分析軟件[1-2]。現有的錄波分析軟件多為獨立的客戶端(C/S架構)，有諸多缺點[3]，例如:不能與瀏覽器結合，系統(tǒng)兼容性有限，軟件升級與服務器端的變動會被用戶實時感知，給用戶帶來更多操作。隨著網絡的發(fā)展，電力系統(tǒng)的管理趨向網絡化，基于B/S架構使用瀏覽器即可通過Web服務器與服務器端數據庫進行數據交互，將日常數據維護和用戶數據分析分別進行，方便直觀。此外，對于大量的波形數據，還需要解決數據傳輸、波形分析與顯示的速度等問題。

在此述的錄波系統(tǒng)與國家電力南京自動化股份有限公司合作研發(fā)，設備間采用高速網絡通信，實現持續(xù)高效數據記錄、數據庫信息共享、Web信息查詢。提供完善的故障判別、事件識別記錄、故障分析及故障測距功能，并采用數據冗余技術提高數據存儲可靠性。

1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)包括4部分:數據采集、協議轉換器、服務器端、Web發(fā)布。在此主要針對服務器與用戶端的系統(tǒng)軟件設計進行詳細討論。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

1.1 數據采集部分

數據采集裝置包括6塊采集板，每塊板分別有16個模擬量通道(4個群組)、32個開關量。故障錄波器接收采集到的數據，數據報文分為3種:常規(guī)存儲卡數據、基于IEC61850-9-1標準[4]的采樣值、基于IEC61850-8-1 標準的面向通用對象的變電站事件(GOOSE)。

1.2 協議轉換器部分

協議轉換器是運行于系統(tǒng)前端的硬件組成部分，采用PowerPC硬件平臺和VxWorks嵌入式系統(tǒng)，主要用于接收3種數據報文，根據同步采樣合并策略實現數據重組并上傳至服務器。同時負責監(jiān)視錄波故障及硬件日常工作狀態(tài)。

1.3 服務器端

服務器端是整個系統(tǒng)的關鍵部分，運行于系統(tǒng)上層，基于Core 2雙核E4300 1.8 GHz硬件平臺，采用Linux圖形系統(tǒng)。服務器端接收協議轉換器的數據并進行故障判別;分析協議轉換器發(fā)來的各類型數據和事件以及本地產生的信息和事件，提取有效數據;將有用信息存入數據庫;為用戶提供可視化Web發(fā)布以及系統(tǒng)參數文件的配置功能。數據庫的建立如圖2所示，其中故障信息包括:通道名;啟動時間;啟動所屬;啟動類型。測距報告包括:故障類型;故障距離;故障電壓測量值;故障電流測量值;斷路器動作時間;閘重合時間;斷路器動作類型;再次故障類型，即故障發(fā)生后再次出現的新故障的類型;再次故障電壓測量值;再次故障電流測量值;多組(5組以上)模擬量啟動類型和通道號。多組(5組以上)開入量變化狀態(tài)和時間。

圖2 數據庫建立流程

數據庫存儲信息包括:數據、事件。數據文件分為暫態(tài)數據和穩(wěn)態(tài)數據;事件包括故障信息、故障測距報告、系統(tǒng)參數配置等。通過數據庫完成上層Web發(fā)布與下層協議轉換器之間的信息交換。

1.4 Web發(fā)布部分

Web發(fā)布為用戶提供快捷直觀的常態(tài)、實時錄波文件檢索與分析，顯示暫態(tài)錄波故障報告和系統(tǒng)運行狀態(tài)，并提供系統(tǒng)校時、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

本部分涉及大量數據交換:服務器端接收用戶提供的系統(tǒng)設置信息保存至數據庫，接收用戶查詢信息;客戶端接收查詢數據庫得到的波形數據進行信號分析，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展性，可以根據用戶需要添加更多的功能。

2 關鍵技術

服務器端接收大量協議轉換器上傳的數據報文，需經過分析準確提取數據報文中有效信息，以滿足上層需要。Web發(fā)布部分面向用戶，需要保證良好的用戶體驗，主要包括:提高客戶端和服務器端的數據傳輸速度與準確性、完善波形顯示效果。

為了保證多用戶查詢時能夠實時顯示查詢結果，采用流式Socket[5]多線程[6]通信進行數據傳輸，通過多線程保證波形數據傳輸和顯示的速度，解決波形動態(tài)顯示畫面閃動的問題，提高顯示質量。

Web發(fā)布采用Java Applet[7]，優(yōu)點包括:當用戶訪問網頁時，Applet被下載到用戶計算機上執(zhí)行，因此執(zhí)行速度不受網絡帶寬或者modem存取速度的限制;Applet被設計成在“沙箱”[8]中運行，只能讀取源主機上的數據，不能讀寫本地主機，從而不會對用戶系統(tǒng)造成任何損害，具有很高的安全性。

2.1 數據提取

服務器端接收的經協議轉換器重組的數據報文有:存儲卡實時向量數據報文、GOOSE和IEC61850合并后的協議報文。分析上述報文形成穩(wěn)態(tài)錄波數據文件、暫態(tài)數據文件。

穩(wěn)態(tài)錄波數據記錄采樣率1 kHz，考慮到日常穩(wěn)態(tài)錄波數據量龐大，綜合Web端查詢便利程度，采用以子站為單位將所有通道有效數據保存至一個文件，存儲時間間隔10 min。

暫態(tài)錄波數據采用變速記錄:最高采樣速率(AB段，采樣率10 kHz，A段為故障前100 ms數據)和長錄波記錄速率(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，并記錄故障時刻過限啟動時間、啟動所屬通道或設備、啟動類型、通道名等事件標識保存至數據庫。

2.2 數據傳輸

即Web客戶端與服務器端數據交互。采用Java的Socket類和ServerSocket類來實現流式Socket通信。由于服務器端在同一時刻可能出現的并發(fā)通信，采用Linux提供的多線程通訊[6]。

客戶端與服務器端流程如圖4所示。

圖4 客戶端與服務器端流程

考慮到同時傳送多個通道數據的情況，即并行傳送多通道數據，綜合網絡速度、CPU處理速度以及用戶視覺效果，將服務器端查詢到的各通道數據分割成長度為N的小塊交叉?zhèn)鬏敚瑢嶋H應用中傳輸長度N定為1 000。客戶端接收相關波形數據流，用于下一步的信號分析與波形動態(tài)顯示。

2.3 動態(tài)顯示

動態(tài)顯示的內容包括波形和數據2部分。實現的功能包括:主界面繪制，比較java提供的3種主要構建窗口程序庫AWT，Swing和SWT，采用Swing;網絡數據交換，即客戶端Socket通信，接收數據流;數據分析，包括將接收波形數據流轉換成坐標點以及波形信號分析[10];動態(tài)顯示，顯示包括波形和信號分析結果。

為了保證波形顯示速度，程序設計時需要注意:數據接收與數據解析同步進行;波形坐標點計算與信號分析顯示同步進行。

對于動態(tài)刷新的波形與信號分析結果，為了保證良好的用戶體驗，即人機交互操作時畫面不出現明顯閃爍，需要注意:根據實時顯示波形數據量調整滾動條長度;拖動滾動條時需要實時刷新當前波形顯示區(qū)域;刷新標尺位置時需保證不影響其他波形正常顯示;拖動標尺實時更新標尺所在位置采樣點信號分析結果;根據當前接收到的采樣值大小動態(tài)調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個線程，分別用于波形和信號分析顯示、接收數據流、調整波形顯示幅值。結合Applet生命周期得出如圖5所示流程圖。

圖5 動態(tài)顯示流程

2.4 信號分析

波形信號分析分為2部分:通道數據分析，包括有效值、相位、諧波等一般信息;線路數據分析，主要是三相信號相量、功率分析。

對于包含k次諧波的周期性離散信號(電壓或電流)，對其均勻采樣，設每周期采樣點數為N，則第i點采樣值為:

f(i)=∑Nk=1Aisin(ik2πN)

有效值離散計算公式為:

F=1N∑Ni=1f(i)2

通過傅里葉變換對信號進行諧波分析:

實部:

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

采用序算法計算信號有功功率和無功功率:

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)

無功功率: Q=lm(S)

3 系統(tǒng)發(fā)布

Web端提供6項功能，包括手動錄波、常態(tài)長錄波波形顯示與分析、暫態(tài)故障信息查詢與波形文件下載、實時錄波波形顯示與分析、系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示、系統(tǒng)校時。

3.1 手動錄波

發(fā)送錄波開始命令，通知系統(tǒng)開始錄波，服務器端啟動錄波并記錄波形。

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據分析結果，如圖7所示。

可以看出圖中標尺處波形發(fā)生突變。此時進入暫態(tài)波形檢索頁面查詢故障情況。

3.3 暫態(tài)波形檢索與分析

提供時間區(qū)間、故障情況、啟動故障情況、跳閘情況4種暫態(tài)數據查詢方式，查詢后以列表方式顯示基本故障報告，如圖8所示。如需要進一步分析故障數據，則可下載對應Comtrade文件調用其他分析軟件進行分析。

圖6 常態(tài)波形檢索

圖7 常態(tài)波形與分析結果顯示

圖8 暫態(tài)波形與分析結果顯示

檢索圖8標尺對應時間的暫態(tài)Comtrade文件(由于本文撰寫時故障分析尚未完成，故這里故障分析為空，只提供故障文件下載)并下載，調用第三方分析軟件做詳細分析。

3.4 實時波形檢索與分析

實時波形檢索與常態(tài)波形檢索類似，動態(tài)顯示當前時刻波形，如圖9所示。考慮到數據量、網絡帶寬、用戶體驗等方面因素，波形刷新時間間隔為2 s。

圖9 實時波形顯示

點擊暫停鍵，分析當前數據。如圖10所示。提供雙游標，便捷分析絕對時間與相對時間。

如數據檢索采用按線路選擇方式，顯示當前線路三相相量與功率信息，如圖11所示。

圖10 實時波形與分析結果顯示

圖11 實時波形線路相量信息

3.5 系統(tǒng)運行狀態(tài)

顯示當前系統(tǒng)硬件運行工況，如圖12所示，分析系統(tǒng)硬件網口狀態(tài)以及數據通信情況。

圖12 系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示

3.6 Web校時

發(fā)送硬件校時命令，校對系統(tǒng)硬件時間。

4 結 語

本系統(tǒng)嚴格遵循DL/T663-1999《220~500 kV電力系統(tǒng)故障動態(tài)記錄技術準則》，滿足繼電保護等電力自動化裝置要求，排除硬件差異。根據接入量的不同，實現不同速率錄波，系統(tǒng)具有穩(wěn)定性較強，能夠滿足現行變電站、電廠等安全可靠運行的要求。采用B/S架構，錄波分析系統(tǒng)不再依賴系統(tǒng)平臺，具有很高的可移植性。Web部分提供直觀豐富的功能，滿足用戶分析需求，具有很高的工程應用價值。

本系統(tǒng)在功能上依然存在改進之處:當大量用戶查詢服務器端數據庫時，查詢數據有可能產生交叉，如果用戶對得到的原始數據分別進行處理，得到需要的波形坐標數據，那么從整體上看，連接到服務器端的用戶計算機做了大量重復數據分析。因此可做如下改進:將一段時間內所有向服務器端提出連接請求的客戶端看成整體，根據不同的計算能力進行數據計算，按照用戶需求分配計算結果，避免重復計算。

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