电能质量监测数据一致性定义及检测方法

邱丽羚，马素霞，马晨霞，李树超

（华北电力大学控制与计算机工程学院，北京102206）

引言

电能质量监测是电力公司了解电力系统性能使之能满足用户需求的前提，是分析和解决电能质量问题的第一步，是在电力市场交易中建立电能质量等级服务标准和检验供电部门是否能达到合同约定的电能质量水平的技术和数据基础［1］。

电能质量数据监测和分析涉及广泛庞杂的数据来源，如果对不同类型的数据描述形态各异，对数据内容及各项指标不能建立统一标准，终会导致电能质量监测和分析数据管理混乱［2］。

电能质量数据交换格式PQDIF（power quality data interchange format）是IEEE标准委员会制定的IEEE P1159.3标准中提出的、用于电能质量数据源和系统或者系统与系统之间交换数据的格式［3］。PQDIF文件的物理结构由标准的二进制数据组成，使得文件无论是在嵌入式设备还是计算机上均可保存和生成。通过IEEE1159.3标准定义的逻辑树层次关系，PQDIF能够实现大部分电能质量指标的数据存储。相对于传统的通讯协议方式，PQDIF文件具有自解释、文件体积小、适应各种系统等特点，因此常被作为电能质量监测网底层数据交换格式［4］。

IEEE P1159.3标准对部分通道标签和序列标签做了定义，然而随着电能质量分析需求和监测终端技术的发展，只凭借IEEE P1159.3标准中定义的关于电能质量的指标已不能满足我国电网公司对电能质量监测数据分析及高级应用的发展需求。因此，各级电网公司往往会根据自身需求对IEEE P1159.3标准中定义的电能质量指标进行扩展。此外，IEEE P1159.3标准中对一些电能指标的标签存在多种定义，如谐波可用ID_QC_SPECTRA（谐波频谱）定义，也可用ID_QC_SPECTRA_HGROUP（谐波组）定义。

由于PQDIF标准本身的结构复杂性和定义多样性，各电力公司对PQDIF规范的制定以及各厂家对标准的理解存在诸多差异，在实现PQDIF规范时会出现通道标签集或是序列标签集定义不统一的问题，导致不同厂家设备生成的PQDIF文件必须由对应厂家的程序进行解析。多数情况下第三方程序直接解析会出现部分数据类型无法识别或者直接错误退出的情况，因此只能针对不同定义结构频繁修改源代码重新编译。这不但妨碍了PQDIF标准的推广，而且违背了提出PQDIF的初衷［5］。本文在充分研究标准和定义检测方案的基础上，结合某厂家的PQDIF文件阐述了其标准规范的定义及其在实际电能质量分析系统中的运用。

1 PQDIF文件格式简介

1.1 PQDIF的物理结构

在PQDIF文件中，每个记录类型都有相同的基础结构，即由记录头和记录体两部分组成［6］。

（1）记录头。每个记录都有一个具有唯一标识符GUID的记录头，记录头中指定了该记录的标签名、记录头大小、记录体大小。

（2）记录体。记录体由一系列元素组成，可分为3种类型：集合、标量和向量［6］。集合实质上是一些标识及与其相关链接组成的数组，属分层结构；标量是一个特定物理类型量的数值；向量代表一组相同类型的数值。记录体总是以一个集合元素开始，该元素在记录中的位置被标记为第一个元素，它是通过记录头中的标签来识别的。因而，记录体由记录头的标签确定。

1.2 PQDIF的逻辑结构

PQDIF的逻辑结构是由记录的逻辑层次构成的，即以一个容器记录开始，它包含一个或多个数据源记录；每个数据源记录又包含一个或多个监测仪设置记录和观测记录；同时还可以通过定义新的标记来“扩展”记录。记录的顺序是由每个记录头文件中的绝对链接定义好。PQDIF逻辑结构层次如图1所示。

图1 PQDIF逻辑结构层次Fig.1 Logical structure of PQDIF

基于PQDIF逻辑层定义、物理层定义以及所具有的标识继承性结构，可以用于对电能质量数据的记录［7］。以任一数据源记录为例进行说明。

tagRecDatasource//数据源记录标签

tagChannldefns//某一通道定义

tagPhaseID//相位

tagQuantityMeasuredID//测量类型

tagQuantityType//数据类型

tagSeriesDefns//时间或数据序列定义

…

tagRecmonitorSettings//仪器设置

tagRecObservation//观测记录标签

tagObservationName//观测记录名称

tagTimeCreater//创建时间

tagTimeStart//发生时间

…

tagChannelInstances//某一个通道实例

tagOneChannelInst//确定一个通道

tagChannelDefnldx//通道定义对于的一相电流或电压

tagSeriesInstance//数据序列（时间、采样数据）

上述标签及其包含的数据类型均由IEEE提出的PQDIF数据标准定义，通过标签继承性可以得到电能质量监测数据的拓朴结构。其中：tagChanneldefns为数据源通道定义，可通过tagPhaseID、tag QuantityMeasuredID和tagQuantityType 3个标签唯一确定；tagChannelInstances代表记录的数据序列，通过参数定义索引与tagChanneldefns相关联。由于采用通道定义和数据序列分离的结构，两者通常位于PQDIF文件的不同部分，多种扰动现象就需要用多通道和多数据序列定义，这给查询和修改文件带来很大的困难。

2 电能质量监测数据一致性定义

2.1 一致性定义的必要性

在IEEE 1159.3标准的基础上，本文提出一种电能质量监测数据一致性定义方案，使得满足这一方案的电能质量监测数据完全独立于监测设备的软、硬件，较好地解决多数据源数据的兼容问题并实现电能质量物理属性的多角度观察功能，符合电能质量监测技术的发展需要。

同时，为了解决电能质量数据定义差异化并尽最大可能地兼容各种应用功能，在监测终端接入电能质量在线监测系统之前，对各设备厂家的PQDIF数据格式进行一致性定义，并建立电能质量数据格式标准库，以满足其接入当前在线监测系统的要求，由此解决不同厂家实现PQDIF规范时会出现通道标签集或是序列标签集定义不统一，导致PQDIF标准的推广受阻的问题，为构造兼容统一的电能质量一体化数据平台提供了技术支持。

2.2 一致性定义的方案

PQDIF中的数据源记录根据逻辑结构可划分为数据源定义、通道定义和序列定义3个层次。在第1节中已对数据源记录的逻辑结构做了详细介绍。本文所论述的电能质量检测数据的一致性定义主要是针对通道定义和序列定义进行的标准规范化。

待解析的各PQDIF文件所参照的标准规范可通过配置文件进行选择，且该标准规范可存储于数据库中形成标准库，管理员可对标准库进行自定义升级和维护。标准库中存储了标准通道定义表和标准序列定义表，标准通道定义表的各字段定义如表1所示。

表1 标准通道定义Tab.1 Standard channel definition

tagPhaseID、tagQuantityMeasuredID 和 tagQuantityCharacteristicID这3个标签值可唯一确定一个通道，例如：相位标签值为ID_PHASE_AN、测量类型标签值ID_QM_CURRENT、特征标签为ID_QC_AN GLE_FUND，即此通道为A相电流相角。由于每一通道拥有唯一通道号，因此标准通道的一致性定义实际上就是PQDIF文件的数据源记录中各通道对这3个标签值的定义。

标准序列定义表的各字段定义如表2所示。

表2 标准序列定义Tab.2 Standard sequence definition

tagValueTypeID、tagQuantityUnitsID 和 tagTriggerMethodID这3个标签描述了某一通道下的序列值类型、单位以及数据类型，而limitField、maxLimit和minLimit则描述了某一有限值通道下序列值的数值名称和大小。因此标准序列的一致性定义是PQDIF文件的数据源记录以及观测记录下这6个标签值的定义。

2.3 标准库升级与回滚

随着电能质量监测技术的不断发展，相应的电能质量监测系统以及相关应用也在迅速增加和变化，人们对设备的识别效率和知识能力的需求也在逐步增强。为了使监测系统可以更加高效及时地识别并成功解析PQDIF文件，通道标准和序列标准随着需求不断发生变化，管理员需要升级维护设备中的一致性定义标准库。

标准库包括标准通道定义表、标准序列定义表以及版本信息表，版本信息表用于存放一致性定义标准库的版本号、文件名称、存储路径、发布时间以及发布信息。每一版本的通道定义表、标准序列定义表都以文件的形式存放于服务器的指定路径下，并有唯一文件名称。版本信息表的各字段定义如表3所示。

表3 版本信息Tab.3 Version information

随着电能质量监测技术的不断发展，相应的电能质量监测系统以及相关应用也在迅速增加和变化，人们对设备的识别效率和知识能力的需求也在逐步增强。为了使监测系统可以更加高效及时地识别并成功解析PQDIF文件，通道标准和序列标准随着需求不断发生变化，管理员需要升级维护设备中的一致性定义标准库。

标准库的升级方式如下：①定时自动升级，是指系统根据管理员设置的时间定期从服务器处自动下载并更新标准库；②立即自动升级，是指管理员发现需要应用新的标准，而设备的定时自动升级时间尚未达到时，选择立即执行升级操作的升级方式；③手动升级，是指管理员通过手动执行操作来升级一致性定义标准库。

如果当前标准库版本在使用中，误报率较高或者出现异常情况时，可以进行标准库回滚。标准库回滚方式如下：①回滚到初始设置；②回滚到上一版本。

3 电能质量监测数据检测方案

电能质量监测数据检测设备从电能质量监测终端获取电能质量监测数据后，为了判断电能质量数据交换格式PQDIF文件是否符合标准，需要对其进行检测。从PQDIF文件的数据源记录中分别获取通道标签、序列特征，与标准库中的标准通道定义表或者标准序列定义表进行比较，检测流程如图2所示。

图2 电能质量监测数据检测流程Fig.2 Detection process of power quality monitoring data

首先，在监测终端获取电能质量监测数据即PQDIF文件，由于稳态数据和事件数据所需要的指标不完全相同，在对不同的数据文件进行检测时应手动选择相应的标准通道定义和标准序列定义，然后进行如下操作。

（1）解析PQDIF文件获取通道标签，并与标准库中的标准通道定义表进行比较，判断所述获得的通道标签中是否有多余、缺失或是错误的通道标签。其中，判断多余通道标签方法如下：将待检测PQDIF文件的通道标签记录作为通道定义表，遍历标准库中的标准通道定义表，与通道定义表对比，如果标准通道定义表中记录的标准通道标签存在于通道定义表中，则删除通道定义表中的所述通道标签，将通道定义表中剩余的通道标签作为是否包含多余通道的检测结果；判断缺失通道标签方法如下：遍历待检测PQDIF文件的通道定义表，与标准库中的标准通道定义表对比，如果通道定义表中记录的通道标签存在于标准通道定义表中，则删除标准通道定义表中的所述通道标签，将标准通道定义表中剩余的通道标签作为是否缺少预存的标准通道标签的检测结果；判断错误通道标签方法如下：遍历标准库中的标准通道定义表，与通道定义表对比，如果标准通道定义表中记录的标准通道标签存在于通道定义表中，则删除通道定义表中和标准通道定义表中的所述通道标签，将通道定义表和标准通道定义表中剩余的结果作为错误通道标签检测的结果。

（2）从PQDIF文件中获取序列特征，并与标准库中的标准序列定义表进行比较，判断是否有多余、缺失或是错误的序列标签，方法与上述判断是否有多余、缺失或是错误的通道标签一致。

（3）从PQDIF文件的观测序列中获序列值均值，再从标准库中获取相应通道下序列值的上下限值，判断是否在其范围内。若超出上下限值范围，则认为该采样的序列值错误；反之，则正确。

将检测结果生成相应检测报告反馈给电能质量分析服务器，符合电能质量在线监测系统要求的监测数据解析后存入基础数据库，作为电能质量高级计算的基础数据，不符合电能质量在线监测系统要求的监测数据反馈给监测终端，监测终端根据标准定义重新生成PQDIF文件，最终实现PQDIF标准统一。

某厂家的部分检测报告如图3所示。

检测报告中给出了212个缺失通道标签，不符合标准，电能质量监测设备厂家可根据检测报告对相应的通道标签进行调整，确保其按照统一的基于PQDIF数据格式生成电能质量指标数据文件，进而可以正确解析并存入标准数据库。

图3 检测报告Fig.3 Detection report

4 结语

通过采用本文所制定的电能质量监测数据一致性标准规范，即PQDIF通道定义和序列定义的标准规范对各监测终端的监测数据进行快速检测，判断所检测的监测终端是否满足接入电能质量分析系统的条件。此方案原理简单，易于实现，具有较高的实用性和可靠性，由此大大简化了电网公司对监测终端的筛选工作。

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