綜合負荷建模的故障錄波數據預處理方法①

劉 穎， 李欣然

(湖南大學電氣與信息工程學院， 長沙 410082)

綜合負荷建模的故障錄波數據預處理方法①

劉 穎， 李欣然

(湖南大學電氣與信息工程學院， 長沙 410082)

總體測辨法是綜合負荷建模的主要方法，但仍面臨著實測數據來源少的難題，把電力故障錄波數據應用于總體測辨法負荷建模將具有重要的現實工程意義。針對目前基于IEEE COMTRADE標準的故障錄波數據文件難以直接應用于總體測辨法建模的現狀，提出了一套對COMTRADE標準數據源文件進行預處理的方法。此方法由四個子模塊組成，對源數據進行整合、篩選、頻率規范化和基波正序提取等運算。文中闡述各子模塊的實現原理和方法。預處理過程已在Visual C++.NET開發環境下實現，應用結果表明所得數據能夠滿足綜合負荷總體測辨建模的需要。

電力系統； 綜合負荷； 負荷建模； 總體測辨法； 故障錄波數據； 預處理

隨著系統辨識理論的日趨豐富與完善以及計算機采集與處理數據技術的發展，總體測辨負荷建模方法以其簡單、實用、數據直接來源于實際系統等多種優點而受到了廣泛關注，并取得了一系列理論與工程應用成果[1～6]。

采用總體測辨法建立負荷模型離不開大量的 現場實測數據，但實測數據的來源卻非常有限。而采用來自各變電站故障錄波裝置并精確記錄下了電力系統擾動時電壓、電流瞬時值的故障錄波數據作為實測數據樣本為解決這個難題提供了一個可行的方向。

目前，大量的研究已經證明了故障錄波數據應用在基于總體測辨法的動態負荷建模中的可行性和合理性[7]。然而，由于故障錄波數據構成的特殊性，以及處理的復雜性，使得基于COMTRADE標準(IEEE standard common format for transient data exchange for power systems，即：電力系統暫態數據交換共用格式)的故障錄波數據在負荷建模中的應用研究還未深入地展開。過去對故障錄波數據的處理分析主要局限于用其作為電力系統故障分析、保護動作評價的依據[8～13]，而很少涉及將其應用于負荷建模這個領域。隨著電力系統分析研究不斷向縱深發展，負荷建模研究工作的重要性日益突出，對電力系統的故障錄波數據特性進行全面深入的研究，以得到能用于在線實時負荷建模的有效故障錄波數據，用其進行負荷模型的建立和校正，無疑具有重要的工程意義和現實意義。

本文在深入研究基于COMTRADE標準的故障錄波數據的前提下，提出將COMTRADE標準的故障錄波數據轉換為可用于總體測辨建模的有效數據的一系列預處理方法，并具體闡述了預處理方法實現的主要步驟和過程。此方法已通過Visual C++編程語言得以成功實現，能夠為總體測辨建模提供準確的數據來源。

1 基于IEEE COMTRADE標準的數據源文件

COMTRADE是依據電力系統故障動態記錄技術準則記錄的IEEE標準電力系統暫態數據交換通用格式。該格式意欲提供一種易于說明的數據交換通用格式，以便于利用各種設備進行自動分析、試驗、計算和系統仿真，或在故障、擾動條件下進行保護方案的驗證，實現不同裝置之間的數據交換。IEEE于1991年提出，并于1999進行了修訂和完善。

1.1COMTRADE文件組成

每個COMTRADE記錄都有一組最多4個與其相關的文件，4個文件中的每一個都具有一個不同的信息等級，如下所述：

1.1.1 標題文件(xxx.HDR)

標題文件是由COMTRADE數據的原創者建立的一種可選的ASCII文本文件，標題文件的創建者可以以任何需要的順序創建任何信息。標題文件的格式為ASCII。

1.1.2 配置文件(xxx.CFG)

配置文件為一種ASCII文本文件，用于正確地說明數據(.DAT)文件的格式，因此必須以一種具體的格式保存。該文件詮釋了數據(.DAT)文件所包含信息，其中包括諸如采樣速率、通道數量、頻率、通道信息等項。

配置文件第一行中的一個字段識別文件所依照的COMTRADE標準版本的年份(例如1991、1999等)。如果該字段不存在或是空的，則假設文件則遵照標準的最初發行日期(1991)。配置文件還包含識別伴隨的數據文件是以ASCII格式還是以二進制格式存儲的字段。

1.1.3 數據文件(xxx.DAT)

數據文件包含記錄中每個采樣所有輸入通道的值。數據文件包含一個順序號和每次采樣的時間標志。這些采樣值除記錄模擬輸入的數據之外，也記錄狀態，即表示開/關信號的輸入。其模擬量數據記錄依據電力系統故障動態記錄技術準則按時段順序進行。

1.1.4 信息文件(xxx.INF)

信息文件是一種文件創建者希望使之對用戶有用的信息之外的特別信息，是可選文件。

1.2 電力系統故障動態記錄技術準則

電力行業標準《220 kV～500 kV電力系統故障動態記錄技術準則》(DL/T 553-94)，是故障錄波裝置研制和開發中必須依據的標準。標準在3.6.5條中規定了，輸出的動態過程記錄數據應符合的標準格式與ANSI/IEEE Std C37.111-1991 COMTRADE兼容。同時，標準規定了電力系統發生故障的整個過程中，模擬量采集方式的數據記錄按時段順序進行，時段劃分如下所示：

A時段：系統在擾動開始前的狀態數據，直接輸出原始采集波形，記錄時間≥0.04s(2周波)；

B時段：系統大擾動初期的狀態數據，直接輸出原始采集波形，記錄時間≥0.1s(5周波)；

C時段：系統大擾動后的中期狀態數據，可輸出連續工頻有效值，記錄時間≥1.0s；

D時段：系統動態過程數據，每0.1s輸出一個工頻有效值，記錄時間≥20s；

E時段：系統長過程的動態數據,每0.1s輸出一個工頻有效值,記錄時間≥10min。

這里，技術標準的數據記錄有兩個主要特點，一是分段記錄，二是記錄的數據不僅可以有按某一采樣率的采樣數據，而且可按一定間隔記錄有效值以代替采樣值。

2 數據預處理

2.1 數據預處理的必要性及目的

IEEE COMTRADE標準對故障錄波數據的規范便利了數據的交換，但是要把這樣的數據直接用于負荷建模卻是一個難題。

2.1.1 數據預處理的必要性

基于COMTRADE標準的數據必須經過處理才可用于總體測辨建模，主要基于以下幾個原因：

(1)基于COMTRADE標準的數據信息分散在四個文件中，無法方便的對相應各通道進行各種計算和分析；

(2)COMTRADE數據文件中存儲的模擬通道數據并不是實際值，必須經過轉換以后才能得到電壓或電流的實際值；

(3)COMTRADE數據文件記錄了一次擾動前后數秒的數據，數據量較大，而動態模型參數辨識所需要的真正反映暫態過程的數據只是其中的一部分，必須縮小數據量，篩選出故障暫態過程數據，才能突出故障的動態特性，縮短辨識時間，改善擬合效果；

(4)需要設定一定的突變標準，排除元件誤動造成的非故障數據的干擾；

(5)在COMTRADE數據文件里記錄的每一個通道的數據在不同的時間可能是按照幾個不同的采樣頻率進行采樣的，這樣隨著錄波設備的不同設定而發生變化。這樣的數據無法用來進行統一的計算；

(6)負荷建模工作所研究的是機電暫態過程，只考慮電壓電流的正序基波分量，因此建模時需通過合適的算法從故障錄波數據中提取上述分量。

2.1.2 預處理的目的

預處理計算的目的是將原始數據表中的電壓和電流值轉化為電壓有效值、有功功率和無功功率3個量，使數據符合建模的需要。

2.2 數據預處理流程

預處理總體流程圖如圖1所示。

2.2.1 數據整合模塊

該模塊的作用是將分布在CFG和DAT文件中的有效信息提取出來，對應的放入一張ACCESS(microsoft office access 2003，即：微軟桌面數據庫)數據整合表中，并將數據轉化為實際的采樣值，便于后面的計算和分析。

2.2.2 數據篩選模塊

本模塊采用突變的原理對動態擾動進行判斷，并僅對母線電壓通道進行判斷，當達到突變判據時，把發生突變的母線三相電壓及與其相對應的三相電流挑選出來用于后面的負荷建模。

圖1 預處理流程圖Fig.1 Flow chart of pretreatment

2.2.3 采樣頻率規范化模塊

此模塊通過插值法和最小二乘擬合算法將篩選出的六通道數據由不同采樣時段采用不同采樣頻率的模式統一規范化為每工頻周期24個點，采樣頻率為1200 Hz，共3 s的3600個時間點的數據模式。

2.2.4 基波正序提取模塊

此模塊通過基波正序變換得到基波正序電壓有效值及其對應的三相有功和無功功率3個量，使之滿足建模需要。其任務：(1)將三相電壓和電流的瞬時值通過離散傅里葉變換提取出基波的有效值和相角；(2)采樣對稱分量法從電壓、電流基波分量中提取出正序分量；(3)計算有功功率和無功功率；(4)將所得電壓有效值、有功功率和無功功率3個量導入實測響應數據庫中用于負荷建模。

3 各分模塊的實現原理和方法

3.1 數據整合的方法

CFG和DAT文件均有嚴格的格式，都是以逗號進行分隔的文件(CSV格式)。針對這樣的文件格式，在利用Visual C++語言編程時首先構造兩個類:一個是CcsvFile,用于從物理文件中讀取數據；另一個是CcsvRecord,包含指定行的數據。可以看出，CcsvFile類包含CcsvRecord對象的集合，其中每個對象代表文件中的一行。CcsvFile函數每次按照一個記錄的方式(即一行)將文件的數據讀入指定字符串中，對每次返回的字符串實例化一個CcsvRecord，即在每個字符串中尋找逗號，把以逗號分隔的各數據分離出來存入m_arrColumns數組中。有了這兩個類的支持，使用for循環調用CcsvFile函數，即可讀取完指定文件下的所有的記錄。

當系統有新的故障錄波數據進來時，先調用上文的兩個構造類來遍歷CFG文件，將通道名、單位、轉換因子和一次∕二次比等有效信息取出，同時創建以通道名作為字段名的ACCESS整合表；然后再調用構造類遍歷DAT文件，將數據對應的存入ACCESS整合表的各通道字段名下；最后根據從CFG文件中采到的各通道轉換因子和一次∕二次比對數據進行相關轉換，將模擬通道的數據轉化為實際瞬時值，即可得到一張包含所有有效信息的ACCESS故障整合表,存放于ACCESS原始數據庫data中，其基本形式如圖2所示。

圖2 ACCESS故障整合表Fig.2 ACCESS aggregation table of failure

3.2 數據篩選的原理

3.2.1 突變判斷

此次對母線電壓進行的突變判斷，不計算每個周波的有效值，而是根據實際值計算出每個周波的平均值，方法如下：

(1)

計算

(2)

將dU1與設定的判據值a比較，如果dU1>a，則計算

(3)

(4)

若dU2和dU3都大于a，則判斷此時發生了動態擾動。

經過對上文采樣時段進行分析，選取前7個周波，0.14 s的數據來進行突變判斷即可滿足判斷通道數據是否發生過突變的要求。這里要注意的是，須判斷0.14 s的數據是否跨越兩個采樣頻段。當0.14 s只在第一個采樣頻段內時，N=f1/50(f1為第一個采樣頻率)；當0.14 s跨越兩個采樣頻段時，7個工頻周期內N的取值就需要根據具體情況而發生變化。

3.2.2 通道選擇

當判定出母線某相電壓發生突變時，先將此相電壓通道名取出，根據通道名到預先設定好的通道對應表中取出此母線三相電壓通道名及其對應的三相電流通道名，然后依照取出的通道名將此6通道數據從整合表中挑選出來進行后面的運算，使之最終得出可用于負荷建模的數據。

3.3 采樣頻率規范化的算法

針對故障錄波數據是基于電力系統故障動態記錄技術準則進行記錄，各分時段采樣頻率不同，數據無法進行統一計算的狀況，提出一種綜合運用插值與曲線擬合原理對經過通道選擇得到的6通道數據進行頻率統一的計算方法，具體算法：

(1)線性插值：將低采樣頻率的數據歸算到高采樣頻率。首先找到最大的采樣頻率，再根據電力系統頻率計算出在此采樣頻率下一周波里可以得到多少個采樣點，然后再計算出其它采樣頻率下一周波可以得到采樣點的個數。這樣就可以得到低采樣頻率下每兩點之間應該插值的個數，從而將低采樣頻率的數值補足成高采樣頻率的形式。在此采用的插值方法是根據兩點間插值個數，將相鄰兩點間距進行等分，以等間距變化的方式算出中間各點的近似數據。

(2)最小二乘曲線擬合：應用最小二乘法曲線擬合對給定的數據作擬合，當算法中擬合多項式階數大于3階時，導出的法方程組往往容易出現病態或失真，甚至是嚴重的失真，為了避免此現象，本次采用正交多項式做最小二乘曲線擬合，從而在運算中不需求解線形方程組，只用遞推公式逐次形成曲線擬合函數。其基本算法如下：

給定n+1個數據點(xk，yk)(k=0，1，…，n)，求一個m次的最小二乘擬合多項式：

pm(x)=a0+a1x+a2x2+…+amxm=

(5)

首先構造一組次數不超過m的在給定點上正交的多項式函數系{Qj(x)(j=0，1，…，m)}，則可以用{Qj(x)(j=0，1，…，m)}作為基函數做最小二乘曲線擬合，即

Pm(x)=q0Q0(x)+q1Q1(x)+…+qmQm(x)

(6)

其中的系數qj(j=0，1，…，m)為

構造給定點上的正交多項式Qj(x)(j=0，1，…，m)的遞推公式如下：

(7)

(j=1，2，…，m-1)

其中：

而

(8)

擬合中，不可避免的存在偏差。擬合法考慮到數據不一定準確，不要求擬合多項式經過所有的實驗數據點(xk，yk)，只要求在給定的xk上誤差按某種標準最小，而最小二乘曲線擬合就是要得到實驗數據與曲線上對應值的誤差之平方和最小的一條曲線。因此，此次引入三個誤差參數來度量擬合誤差的整體大小，分別為：擬合多項式與各數據點誤差的平方和dt[0]、誤差的絕對值之和dt[1]及誤差絕對值的最大值dt[2]。此項目中測得dt[0]、dt[1]、dt[2]分別在0.0200233、0.5297342、0.0826929左右波動，滿足擬合預期要求。

為了滿足建模要求，統一把數據轉換為采樣頻率為1200 Hz的數據。根據對采樣各時段頻率的分析，發現頻率統一的計算需要分兩種情況來進行：

①最大采樣頻率為1000 Hz的倍數的情況：首先取出最大采樣頻率(一般為第一時段采樣頻率f1)，通過插值法將低采樣頻率的數據全部歸算到最高采樣頻率；然后取前3 s的數據進行整合，歸算到采樣頻率為1000 Hz，3000點的情況；最后按先后順序對每20個點進行一次最小二乘曲線擬合轉化為24個數據點，即可得到統一采樣頻率為1200 Hz，歷時3 s的數據；

②最大采樣頻率為1200 Hz的倍數的情況：在數據經過插值法全部歸算到最高采樣頻率后，只需取前3 s的數據進行整合，歸算到采樣頻率為1200 Hz，3600點的情況，即得到了所需數據。

3.4 基波正序提取算法

將采樣頻率規范化后所得瞬時數據依次運用離散傅里葉變換、對稱分量法、功率計算公式進行計算，得到可用于建模的電壓有效值、有功功率和無功功率3個量。在Visual C++.NET編程環境下調用ADO數據庫操作技術將其存放入于實測響應SQL Server數據庫中的基本形式如圖3所示。

圖3 SQL server故障數據表Fig.3 SQL server data table of failure

4 應用示例

2009年02月11日20時45分04秒，湖南永州地區蔣家田變電站的I母母線電壓C相發生波動，故障錄波裝置啟動記錄線路電壓、電流各項瞬時值及各開關、斷路器狀態量。此次故障的COMTRADE形式數據文件傳入后方數據預處理平臺整合后，經突變判斷程序判定發生了對變電站運行有重大影響的故障，此次記錄可用于總體測辨建模，通道選擇程序隨后啟動挑選出了故障線路三相電壓、電流六個通道的瞬時值，其數據波形圖如圖4、圖5所示。

挑選出的電壓、電流6通道數據由4個不同采樣頻率的采樣時段組成，經過預處理平臺的頻率規范化、基波正序變換及功率計算等模塊處理后導入SQL數據庫，即可得到可用于總體測辨建模的電壓有效值、有功功率及無功功率，其數據波形圖如圖6、7、8所示。

由圖可知，得出的U、P、Q數據能正確反映故障時段的波動情況，同時也實現了頻率的統一，達到預處理預期目標，可用于總體測辨法負荷建模。

圖4 電壓三相波形圖Fig.4 Three-phase waveform of voltage

圖5 電流三相波形圖Fig.5 Three-phase waveform of current

圖6 U波形圖Fig.6 Waveform of U

圖7 P波形圖Fig.7 Waveform of P

圖8 Q波形圖Fig.8 Waveform of Q

5 結語

本文在對基于IEEE COMTRADE標準的故障錄波數據源文件進行簡要介紹及對其應用于總體測辨建模存在的難點進行簡單分析的基礎上，對故障錄波數據應用于總體測辨建模的預處理方法進行了深入研究，較詳細地介紹了預處理方法實現的流程，整合、篩選、頻率規范化和基波正序變換等各模塊的功能實現及其涉及的相關算法。此預處理方法各模塊功能已在Visual C++.NET開發環境下得以編譯實現，本文通過應用示例波形圖顯示了所得數據能夠達到預期要求，滿足總體測辨建模的需要，說明了此預處理方法的合理性與可行性，證明其成功解決了故障錄波數據因結構特殊，處理復雜而難以應用于測辨建模的難題。這一難題的解決為總體測辨法建模能夠有充足的實測數據樣本提供了條件，有利于推動總體測辨建模的發展和工程應用。

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PretreatmentMethodofApplyingtheFaultRecorderDatatoMeasurement-BasedLoadModeling

LIU Ying， LI Xin-ran

(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University，Changsha 410082, China)

Measurement-based is the main method of composite power load modeling. But it still faces the problem that there is too little real measured data. It will be practical to apply the power fault recorder data to the measurement-based method load modeling in engineering. Due to the current status that fault recorder data file based on IEEE COMTRAD standard can hardly apply to the measurement-based method, it offers a method that can preprocess standard data file of the COMTRADE. The method includes four modules, which composes of aggregation operations, filtering, frequency standardization and positive sequence fundamental transform operation is applied to the data.This paper discuss the principle and the method of each modules in depth.The preprocessing process has been carried out in the development environment Visual C++.NET. The application results prove that the gained data can meet the need of the measurement-based method modeling.

power system； composite power load； power load modeling； measurement-based approach； fault recorder data； pre-process

2010-03-17

2010-04-20

國家自然科學基金資助項目(50977023)

TM727

A

1003-8930(2011)02-0001-07

劉 穎(1983-)，女，碩士研究生，研究方向為電力系統分析與控制、電氣工程及其自動化。Email:liuying686040@sina.com

李欣然(1957-)，男，教授，工學博士，博士生導師，系主任，主要從事電力系統分析與控制及負荷建模的教學和研究工作。Email:lixr1013@yahoo.com.cn