基于開源ActiveMQ的電力故障分析系統

樊 鵬，邱俊宏，戚振偉，張秀娟

（許繼電氣股份有限公司，許昌 461000）

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

本分析系統功能實現采用模塊化設計，支持將圖形展示模塊以動態庫和插件的方式嵌入到圖形中，具有良好的功能擴展性、跨平臺移植性。在數據交換過程中采用面向消息中間件的開源ActiveMQ消息隊列服務，通過構建異步數據通信模式保證系統內部業務間的數據共享或者交互可靠穩定，利于對系統的管理及后期的擴展具有重要的作用。在處理大數據展示中引入Model-View架構來處理數據和終端顯示之間的關系，當Model通過ActiveMQ接口偵測到消息總線服務器中有相應采集單元發送的新數據變化，會立刻通知View來同步自動刷新所有的最新數據，保證界面刷新流暢無卡頓。

1 分析系統的結構分布

目前成熟的智能變電站系統在設計上遵循分層、分布式思想，采用典型的“三層兩網”結構，根據分析系統的功能定位，其在典型智能變電站中的分布如圖1所示。

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

數據來源為過程層網絡捕獲的數據，系統功能劃分上包含數據采集記錄單元和數據管理單元兩個子系統。

1.1 數據采集記錄單元

主要實現數據的采集，是分析系統的基礎，其正確性影響著數據分析和波形顯示的結果，通過數據基本分析、高級分析、事件類型判別，將解析后的數據寫入實時數據庫，并形成COMTRADE格式的錄波文件[2]。其功能子類主要包含數據采集、數據分析、數據轉換存儲、數據通信四大模塊，分類如圖2所示。

圖2 數據采集記錄單元功能Fig.2 Functional diagram of data acquisition and recording unit

數據采集模塊對過程層網絡的合并單元或智能終端發送的SV、GOOSE報文采樣數據進行捕獲和解析，通過FPGA為每幀采集到的報文數據打上接收時刻的時間戳和序列號。

數據分析模塊對采集到的數據進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據庫模型中供波形展示時調用。高級分析是指保護動作特性分析[3]，如諧波分析、阻抗分析、縱聯保護分析及故障定位等。同時，當有故障發生或突變量啟動時，記錄故障發生前后的電氣量和狀態量信息，形成故障報文事件。

數據轉換存儲模塊將故障數據轉換并保存成COMTRADE格式的錄波文件，為現場試驗分析提供數據源備份存儲。

數據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 數據管理單元

根據配置文件能夠通過ActiveMQ服務接口訪問消息總線服務器，總線服務器從不同的采集單元以定時召喚、查詢等方式獲取數據文件[4]，以波形、數據、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 分析系統功能Fig.3 Functional diagram of analysis system

1.3 分析系統的Model-View架構

在數據管理單元的展示，為了將大量的數據處理和圖形展示有效分開，引入Model-View視圖架構機制，把數據處理置于 Model模型中，把波形顯示交由View視圖管理，數據傳輸關系如圖4所示，從而避免大容量的數據繪制工作，保證同一網口和時標的數據源能被多個視圖用做不同的處理和顯示[5]。

圖4 Model-View架構關系Fig.4 Architecture diagram of Model-View

2 開源ActiveMQ的應用

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JMS1.1和J2EE 1.4中JMS服務規范，支持主從管理、延時接收發送信息、消息持久化、點對點模式和發布/訂閱通信方式，同步或異步消息傳遞模式等特性。分析系統將所有實時數據發送到消息總線服務器上，ActiveMQ總線接口利用高效可靠的消息傳遞機制和隊列模型進行數據交流，并基于數據通信進行分布式系統集成和擴展進程間的通信，其可靠的異步通信也降低了系統之間的耦合度，提供企業級消息通信的可靠性、穩定性和安全性[6]。

2.2 開源ActiveMQ在本系統中的應用

在應用上包含2條相互獨立、互為熱備的消息總線，每條總線對應于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器。數據管理單元只需要連接到其1條消息總線上，與數據采集單元進行消息交互，總線接口支持異步模式和同步模式兩種，其應用場景如圖5所示。

圖5 ActiveMQ系統應用圖Fig.5 System application diagram of ActiveMQ

分析系統的總線接口作為數據傳送交互的核心，充分利用ActiveMQ的業務特點和需求進行二次封裝API接口，主要定義擴展API有：同步數據請求與交互類接口IDataExc、消息隊列接口IMessageQueue、接收消息接口IMessageConsumer。由于是開源代碼，只需要根據業務需求重載接口函數即可實現相應的功能。

2.3 ActiveMQ訪問總線服務器步驟

ActiveMQ訪問消息總線服務器的步驟：

步驟1使用GetClassObject函數獲取IMessageQueue類對象訪問接口；

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

步驟3當客戶端為消息生產者，若采用異步模式，使用IMessageQueue類的SendTextMessage或SendByteMessage方法完成文本或字節流類型的消息發送，并指定發送消息的主題名稱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函數獲取IDataExc類對象訪問接口，創建2個IDataExc類對象指針，1個為同步數據請求用，1個為同步數據回調（接收）用。發送同步命令請求前，需使用IDataExc類的Set方法設置Data、CoresponsID、DestUri、UserType 內容，設置完成后使用IMessageQueue類的SyncSendData方法完成文本或字節流消息的同步數據請求。

步驟4當客戶端為消息消費者，若采用異步模式，首先需創建一個繼承自IMessageConsumer類的消費者類，重新實現OnTextMessage或者On-ByteMessage方法，以實現異步消息的回調。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，首先需創建一個繼承自IMessageConsumer類的消費者類，重新實現OnSyncRequest方法，在該方法中需設置應答數據對象的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的同步數據請求。

以View展示端為例，View展示端在整個服務系統中承擔的角色：一方面作為同步消息的請求者，向采集單元發起同步數據請求命令；另一方面作為異步消息的消費者，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注冊異步消費者-RegisterConsumer（）：接收來自采集單元異步發送的消息，此處需要重新實現回調函數。

步驟3發送同步請求 OnTextMessage（）和OnByteMessage（）命令-SyncSendData（）：向采集單元同步請求數據。

3 試驗結果與分析

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場線路單相AN接地故障，以此來驗證開發設計的分析系統對故障判別的正確性，分析系統顯示的故障波形及報告如圖6所示。

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

分析系統的顯示“線路TA1保護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顯示故障時間 （2016-08-09，14：46：00.613000）、啟動元件（TA1保護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，詳細列舉故障觸發原因、故障序號、生成錄波文件大小等內容。

4 結語

上述基于Model-View架構和面向消息中間件開源ActiveMQ技術實現的電力故障分析系統，既保證了數據交互的流暢和數據展示的穩定，為現場運維人員提供靈活、高效、人機界面友善的數據分析和波形展示，又能為大系統使用ActiveMQ技術提供業務擴展和經驗積累，目前已通過國家開普檢測研究院測試試驗。

參考文獻：

[1]朱誠.基于光纖通訊的分布采集式故障錄波系統研制[D].山東：山東大學，2010.

[2]張秋麗.電力故障錄波信息的分析方法研究及系統開發 [D].湖南：湖南大學，2010.

[3]郭振華，江亞群.故障錄波器后臺分析軟件關鍵問題研究[J].電力系統保護與控制，2011，39（19）：73-78.

[4]陳德.500 kV變電站故障錄波綜合分析系統設計與實現 [D].河北：華北電力大學，2011.

[5]付國新.智能變電站網絡分析與故障錄波一體化設計與實現[J].電力自動化設備，2013，33（5）：163-166.

[6]朱東升，張浩.基于綜合監控的設備狀態修正方案研究[J].計算機測量與控制，2017，25（6）：64-78.