面向故障分析的多源數據COMTRADE格式建模方法研究*

陳泗貞，盧迪勇，梁競雷，曾子縣，鄧效榮

（廣東電網有限責任公司東莞供電局，廣東東莞 523000）

0 引言

近些年來，電網自動化技術的高速發展不斷完善了電網自動化系統的功能，推動了電力系統運行管理工作的自動化進程，使其自動化程度水平得到了很大的提升。各種繼電保護數據信息由變電站內各種錄波、保護等設備和安全裝置實時記錄并上傳，由此產生了大量的數據信息，為電網的故障分析和處理提供了強大的數據支撐。但是，這些數據信息往往缺乏統一有效的管理，使得對系統故障以及保護動作進行分析管理的自動化水平十分落后。

目前，電網已經建立了一批基礎的繼電保護故障信息采集和分析系統，主要表現形式為SCADA系統、故障錄波管理系統或保護及故障錄波信息管理系統。雖然保護及故障錄波信息管理系統已經發展了若干年，但是依然存在一些問題：接入該系統的二次設備僅包含保護裝置和故障錄波裝置，不包含其他裝置，信息來源不足；部分系統仍采用輪詢方式上傳信息，速度慢、實時性差，因此只能用于事后的離線分析；已經建立了的系統中，有的只有保護裝置信息，有的只接受故障錄波數據，或者缺少關鍵變電站或線路的故障信息；缺乏對故障數據的有效融合等。

鑒于上述情況，建立繼電保護信息管理網絡，將組織和應用數據依照業務劃分，提升繼電保護運行和維護的自動化水平勢在必行。

關于繼電保護故障分析的數據的相關研究，國內外學者提出了許多行之有效的解決方法。文獻[1]從繼電保護系統、通信系統、人為因素和二次設備因素四個方面對智能變電站二次系統的狀態進行評估，提出了基于模糊綜合評判原理的二次系統評估方案。文獻[2]提出了變電站二次設備的狀態檢修方法，分析了二次設備狀態檢修的必要性和可行性，并將傳統檢修方式與二次設備的狀態檢修進行了對比。文獻[3]分析了智能變電站二次系統在線檢測的特征量，包括二次設備的自檢信息，通信系統的狀態信息以及部分傳統二次回路的狀態信息，并設計了一智能變電站二次系統的在線監測系統，給出了系統的架構。文獻[4-7]均針對繼電保護的狀態檢修問題進行了研究，各有側重，其中提出的繼電保護故障診斷方法，二次回路狀態評估方法以及繼電保護的故障模式和風險分析等內容對于本文具有重要意義。

本文通過研究從故障錄波子站、保護故障信息系統子站、SCADA、遠動系統采集得到的故障波形文件、保護動作報告、開關動作狀態等有用多源故障數據信息，并將其合理分配到COMTRADE格式文件的子文件CFG文件、DAT文件、INF文件、HDR文件中，然后分析了將SV、GOOSE、MMS數據與COMTRADE格式文件進行整合的理論依據，最后完成了基于MMS數據信息與COMTRADE錄波文件的整合模型建模，為智能變電站后續的故障分析和處理提供了有力的數據支撐。

1 多源數據采集

多源數據采集平臺（如圖1所示）是一個從故障錄波子站、保護故障信息系統子站、SCADA、遠動系統采集故障錄波簡報、開關動作事件、保護動作事件等故障信息的采樣平臺。

（1）故障錄波信息系統子站

故障錄波裝置記錄故障發生前后相關電氣量和狀態的變化情況，完整映射事故后的瞬時變化和繼電保護的動作信息，同時完成數據整理存檔以及故障反演分析。

本文的多源數據采集平臺從故障錄波信息系統子站中主要采集錄波簡報以及故障錄波文件等信息。

（2）二次設備在線監視系統（保護故障信息系統子站）

二次設備在線監視系統為電力系統故障及保護動作行為分析提供了一種重要途徑，記錄的信息主要包括斷路器跳閘信息，保護動作事件信息，來源于錄波裝置的電氣模擬量信息，并與保護整定值信息相關聯，用以判別相關保護動作行為正確與否。

本文的多源數據采集平臺從二次設備在線監視系統主要采集保護事件，保護告警等信息。

（3）SCADA系統

SCADA系統，是數據采集與監控系統，借助于計算機完成生產過程和調度的自動化，在電力領域應用極其廣泛。本文中，SCADA系統將采集到的遙信變位以及SOE（事件順序記錄）等信息上傳到多源數據采集平臺中。

（4）網絡報文分析系統

網絡報文分析系統記錄智能變電站過程層網絡中以SV、GOOSE報文為主的所有類型報文，記錄智能變電站站控層網絡中以MMS報文為主的所有報文。當電力系統

發生故障時，借助網絡報文分析系統完成故障反演分析。系統采集示意圖如圖1所示。

圖1 多源數據采集示意圖

2 多源數據在COMTRADE文件中的分配機制

2.1 COMTRADE格式

COMTRADE是IEEE標準電力系統暫態數據交換通用格式，每一個COMTRADE記錄包含一組不多于4個與其關聯的文件，分別是：配置文件（CFG）、數據文件（DAT）、標題文件（HDR）以及信息文件（INF）。

（1）標題文件（HDR）

標題文件由COMTRADE數據的創建者建立，是一種可選的ASCII文本文件。標題文件的創建者能以任何需要的順序建立任何信息。

（2）配置文件（CFG）

配置文件是一種ASCII文本文件，用來準確地闡述數據文件的格式，所以其保存格式必須具體。配置文件說明了數據文件含有的信息，如頻率、通道數量、采樣速率、通道信息等。配置文件依照的COMTRADE標準版本的年份由文件第一行的一個字段識別，若該字段不存在抑或是空的，則認為文件依照標準的初始發行日期。配置文件中還有一段特殊的字段，用以識別關聯的數據文件存儲格式是ASCII格式還是二進制格式。

（3）數據文件（DAT）

每個采樣所有輸入通道的值記錄在數據文件中。數據文件含有每次采樣，每個順序號以及時間標志。這些采樣值不但記錄模擬輸入的數據，而且記錄狀態。

（4）信息文件（INF）

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

2.2 故障數據在COMTRADE文件中的分配

把采集得到的大量故障信息按一定規則分配到COM?TRADE文件的子文件CFG文件、DAT文件、INF文件、HDR文件中，并按一定的規則進行整合，從而生成系統反演分析用的COMTRADE文件，實現大規模電網數據的統一管理及有效分析。本小節只討論SCADA系統、故障錄波系統子站以及保護故障信息系統子站采集到的故障信息在COMTRADE格式中的CFG、DAT、HDR、INF文件中的分配情況，第3節將會詳細討論網絡報文分析系統與COMTRADE格式文件的整合。

（1）DAT文件與故障數據信息

DAT文件與故障數據信息對應情況如表1所示，由表1可知，采樣得到的電網模擬輸入量以及表征開/關信號輸入的狀態信息應該被分配到DAT文件中，因此將SCADA系統中的遙信變位信息與保護故障信息系統中的保護信息分配到DAT文件中。

（2）CFG文件與故障數據信息

CFG文件詮釋了DAT文件包含的信息，用于正確地說明DAT文件的格式，，因此故障數據信息在CFG文件中的分配應與DAT文件保持一致。

表1 DAT文件與故障數據信息對應表

（3）HDR文件與故障數據信息

作為引導文件，HDR文件主要為用戶提供一個附加信息的說明樣本，便于用戶清楚地了解暫態記錄的條件，可將故障信息中的動作類型如差動、速斷、失靈、距離保護一段等融合到HDR文件中。保護故障信息系統子站中的保護告警信息分配到HDR文件中。

（4）INF文件與故障數據信息

作為信息之外的特別信息，可將故障信息中的波形信息、地理位置信息、動作事件、SOE信息等融入到INF文件中。SCADA系統中的SOE、故障錄波系統子站中的錄波簡報和故障錄波文件以及保護故障信息系統子站中的保護事件分配到INF文件中。

多源故障數據在COMTRADE文件中的分配情況如圖2所示。

圖2 故障數據在COMTRADE文件中的分配

3 SV、GOOSE、MMS數據與 COM?TRADE格式文件的整合

無論是智能變電站過程層網絡中以SV、GOOSE報文為主的所有類型報文，還是記錄智能變電站站控層網絡中以MMS報文為主的所有報文都可與COMTRADE錄波文件進行整合建模。這里只給出了基于站控層MMS數據信息與COMTRADE錄波文件的整合模型建模過程，SV、GOOSE報文與COMTRADE錄波文件的整合建模過程與此類似。

建立整合模型的基本原理：根據站控層MMS信息中保護動作、保護告警和開關刀閘變位信息，確定相應一次設備位置，將其和COMTRADE錄波文件中相關一次設備的錄波通道關聯起來，從而完成了基于站控層MMS信息與COMTRADE錄波文件的整合過程。電力系統發生故障時，基于站控層MMS信息與COMTRADE錄波文件整合模型實時記錄并上傳變電站內相關繼電保護裝置產生的保護動作、保護告警以及斷路器刀閘變位事件等信息。

基于MMS信息與COMTRADE錄波文件整合模型建立方法如圖3所示，

圖3展現了基于MMS信息與COMTRADE錄波文件整合模型建立的過程，這一過程可分為六個步驟。

步驟1：獲取電網故障事件發生時間[t1，t2]內MMS信息的InformationReport服務報文.

步驟2：從AccessResults的Data-reference中獲取該報文傳輸的數據集的當前值名稱。

步驟3：從AccessResults的Value中獲取具體的保護動作、保護告警以及開關刀閘變位的當前值。

步驟4：從AccessResults的DatSet中解析出發出該服務報文的二次設備的裝置名（IEDName）和邏輯節點（LNode）。

步驟5：根據二次設備的裝置名在SCD（或SSD文件中）尋找相關聯的一次設備名，同時在SCD文件中尋找Substation中包含對應IEDName的LNode，借助此LNode關聯的ConductingEquipment定位一次設備名。

步驟6：由一次設備名，在COMTRADE錄波文件中的CFG文件中獲取該一次設備名對應的錄波通道編號，然后在COMTRADE錄波文件的DAT文件對應的錄波通道編號中獲取對應的模擬量采樣值以及開關量狀態值。

由上述過程可知，Data-reference中對應的數據集當前值名稱和對應的Value能夠將保護動作、保護告警以及開關刀閘變位等信息與具體的一次設備相關聯，同時根據一次設備名易從COMTRADE錄波文件中對相應的錄波通道進行定位，從而以一次設備名作為連接點，將MMS信息中的保護動作、保護告警以及開關刀閘變位信息與COM?TRADE錄波文件中的錄波通道信息相關聯。

根據以上方法獲取整合模型相關信息，建立以數據表為載體的MMS信息與COMTRADE錄波文件的整合模型。

圖3 基于MMS信息與COMTRADE錄波文件整合模型建立方法

基于MMS信息與COMTRADE整合模型信息層級結構包括三部分：一次設備名，MMS信息要素以及COM?TRADE錄波文件要素。一次設備名用于區分不同研究對象，是整合模型的主要特征。MMS信息要素包括保護動作信息列表、保護告警信息列表和開關刀閘位置變位列表，其中保護動作列表可分為保護動作狀態值和保護動作時間，保護告警列表可分為保護告警內容和保護告警時間，開關刀閘位置變位列表可分為開關位置變位狀態值、開關位置變位時間、刀閘位置變位狀態值和刀閘位置變位時間。COMTRADE錄波文件要素包括模擬通道采樣值列表和開關量通道狀態值列表，其中模擬量通道采樣值列表包括采樣值時間和采樣值和計算值，開關量通道采樣值列表包括采樣值時間和采樣值狀態。

該整合模型的信息層次結構如圖4所示，

4 結束語

本文基于目前用于繼電保護故障分析的數據分散在不同的、相對較獨立的系統中，還沒有一套完整系統來整合這些獨立系統的采集數據這一現狀，提出了將從故障錄波子站、保護故障信息系統子站、SCADA、遠動系統采集得到的故障波形文件、保護動作報告、開關動作狀態等有用多源故障數據信息進行整合，并將其與COMTRADE格式文件的子文件CFG文件、DAT文件、INF文件、HDR文件進行互聯，完成了基于MMS數據信息與COMTRADE錄波文件的整合模型建模，有效解決了數據不全等問題，能夠實現變電站二次數據的綜合利用，為設備的狀態評估提供有力的數據支撐。

圖4 基于MMS信息與COMTRADE錄波文件的整合模型信息層級結構

下一步的工作將圍繞對采集數據信息進行綜合分析來展開，以期還原整個故障系統的信息，為繼電保護和故障分析提供依據；基于該整合數據，還可開發故障信息綜合分析系統的高級分析功能，實現故障定位和保護動作邏輯時序分析。

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