录波格式归一化的故障回放及分析软件设计

刘大伟,雷　宇,张永东,阳　敏,林　健

(1.国网威海供电公司,山东 威海 264200; 2.71496部队,山东 烟台 265800)



录波格式归一化的故障回放及分析软件设计

刘大伟1,雷宇2,张永东1,阳敏1,林健1

(1.国网威海供电公司,山东 威海 264200; 2.71496部队,山东 烟台 265800)

针对现有录波数据格式不统一的问题,设计开发了一套能实现数据格式归一化的故障回放及分析软件,该软件具有数据批量处理功能,能极大降低实际工程应用中的工作量。通过在某特高压直流输电工程使用该软件的情况,证明了该软件的可行性和有效性。

故障回放;归一化;批量处理;自定义平台

随着数字化分布式故障录波装置在电力系统中的广泛应用,故障录波数据已成为电力系统故障分析和保护动作行为评价的重要依据[1]。实际工程应用中现有的故障录波装置及分析软件存在很多问题,如录波数据格式不统一,电网中的故障录波器来自不同制造商,种类繁多,数据格式虽都基于COMTRADE格式但互不兼容,这给电网调度部门分析电网故障带来很大的困难;现有故障分析软件大多不支持仿真数据,如EMTDC数据、RTDS数据等,而实际工程应用中的故障事故分析和保护装置定值评估往往需要在仿真平台上做大量的测试并得到大量的仿真数据;现有故障分析软件缺乏数据批量处理功能,一般实际工程中的测试数据量庞大,采用数据批量处理能够极大地简化工作量。因此,设计能够实现多种录波及仿真数据格式归一化、支持数据批量处理等功能的故障回放及分析软件,具有很高的工程实用价值[2]。本文设计了一套录波回放分析软件，介绍了软件的总体结构中格式转换、波形回放、数据分析等模块,并结合COMTRADE格式数据给出用VB.NET语言编程实现的上述模块界面。

1　故障回放分析软件总体结构

故障回放分析软件由格式转换模块、波形回放模块、数据分析模块组成,其系统结构如图1所示。

图1　故障回放分析软件系统结构图

格式转换模块是系统的基础,负责将各种类型故障录波器中获取的实际录波数据、软件仿真数据和人工设定的虚拟数据统一转换为标准的COMTRADE格式或自定义格式,实现数据格式的归一化。波形回放模块用于将转换后的数据图形展示,并提供波形打印、查找、基本运算等功能。数据分析模块主要包括数据处理和保护动作分析,其中数据处理包括数据的批量处理以及一些常规的谐波分析、相量分析等功能。

1.1格式转换模块

IEEE公布的COMTRADE格式标准中(本文以1999版本为例)包含头标文件HDR、配置文件CFG、数据文件DAT和信息文件INF[3]。

格式转换是将系统外部所有数据转换为系统可识别格式的一个必经通道,目标是将实际录波、软件仿真和动模试验模拟、人工设定等各种来源数据转换为系统定义的基于COMTRADE格式的标准。具体转换可分为类COMTRADE型以及自定义型2 种。对类COMTRADE型数据的转换只需提取线路和母线的参数组成HDR文件。自定义型需按照其本身格式提取采样板、线路、通道的信息,并将从采样板数据文件中得到的采样频率和故障时间等,按标准形成CFG和HDR文件,再按时间顺序,逐个采样时刻提取各采集板的采样值,并标上序号和时间坐标,形成DAT文件。

格式转换模块在具体实现过程中主要涉及到配置文件和数据文件的解析,通过识别文件类型,可按不同的格式去读取配置文件和数据文件。

1.1.1配置文件解析

按照COMTRADE标准中规定的配置文件的基本格式,依次读取每一行文本,配置文件均以文本格式存储。例如,COMTRADE1999配置文件中第2行格式为

TT,##A,##D

式中:TT表示通道的总数量;##A表示带有特征字母A的模拟通道的数量;##D表示带有识别字母D的状态通道数量;表示最后一个数据应以“回车/换行”终止。整个流程如图2所示。

1.1.2数据文件解析

对COMTRADE数据文件的解析与读取配置文件类似。数据文件的形式可以是文本形式,也可以是二进制形式。若是文本形式,则可以同读取配置文件一样进行数据文件的读取;但若是二进制形式,则不能直接进行读取,必须对二进制文件中存储的数据做一定的处理,才能读取到正确的采样数据。

图2　配置文件的读取流程

以文本形式数据文件为例,其数据行应分为TT+2列,其中TT是记录中通道的总数量(含模拟和状态),另外两个是采样数量和时间标记,表示为

n,timestamp,A1,A2,…,Ak,

D1,D2,…,Dm

式中:n表示采样率;timestamp表示时间标记,整数;A1～Ak表示k个模拟数据;D1～Dm表示m个状态数据;表示最后一个数据应以“回车/换行”终止。

1.2波形回放模块

录波文件中包含有丰富的故障信息,是继电保护技术人员分析故障原因、检验保护装置动作行为的重要依据。技术人员若直接对数以万计的录波数据进行分析,则会因分析难度太大、分析速度太慢而得到错误的分析结果或直接放弃。因此,将录波文件中的故障数据绘制成图形,技术人员得以直观整个故障过程中各电气量(如三相电压和电流)的波形以及开关动作情况,对降低故障分析难度和加快故障分析速度具有十分重要的作用[4]。

波形回放模块包括波形浏览、缩放、拖动对标、光标定位、打印以及查找等功能,在具体实现过程中主要涉及到通道名的管理(以目录树三级组织结构管理)、波形的绘制技术(双缓冲绘图)、波形缩放的重绘(XY轴单独缩放或绘制放大矩形框实现XY轴同时放大)、XY轴坐标刻度动态变化(随XY轴缩放比例的变化,单位刻度值应变化)、光标定位的坐标计算(逻辑单位和设备单位的转换)以及波形的打印实现等。

根据实际工程中的需求,该模块相比现有的故障回放分析软件增加了以下功能:1)能够多面板、单面板上多通道显示,方便波形的比较;2)提供多个数据文件绑定功能,打开绑定文件中某一文件的通道时,其他文件的同通道名的波形将在同一面板上显示,方便用户比较,不需要一个个手动添加;3)提供Y轴参考线,作为波形的门槛值,方便用户分析数据。

1.3数据分析模块

1.3.1数据处理

数据处理主要是针对故障录波文件所记录的电压、电流等模拟通道电气量的各种特征量进行测量计算,在这些分析结果的基础上,结合保护装置及开关动作情况和运行人员的经验来推断故障位置、故障类型及其他一些故障相关信息。现有故障回放分析软件的数据处理功能主要采用电力系统暂态分析和数字信号处理等技术来实现电气量的定量分析,主要包括谐波分析、序分量分析等[5]。

该模块主要有数据分离和数据导出功能。数据分离主要用于将EMTDC仿真文件中的数据属性量与通道量分离,并生成数据属性配置文件,其中数据属性主要包括系统运行方式、功率电压水平、故障位置、故障类型等。数据导出主要用于从整个数据中导出部分用户关心的变量,可以改变采样率和数据的开始和结束时间,数据保存为COMTRADE或EMTDC格式。

该模块的另一个重要特点在于可以批量导出数据,前提是这些数据文件具有相同的通道名,具有一致性。实际工程应用中,很多数据文件是在不同的运行方式下得到的,这些数据具有相同的通道名,批量处理具有很高的效率。

1.3.2保护动作分析

现有的电力故障录波分析软件充分利用录波数据为主的故障信息,通过对变电站主要继电保护装置的动态模拟,可视化地显示、分析继电保护装置的工作过程,正确评判其动作行为,为运行现场事故分析、保护装置不正确动作原因分析、装置运行状态评估等提供实用工具[6]。而且该分析软件能够为用户提供阻抗分析(距离保护)、功率方向判别(方向保护)、差流保护(主变、母线保护)、频率滑差(低频减载)等多种保护动作行为分析功能,并为用户提供多种设置条件,但并不能提供所有的保护。

本软件采用自定义平台来提供保护动作分析,可以解决上述不能提供所有保护的问题。在自定义平台上,用户采用VBScript语言编写保护的自定义原则,编写中可以实现保护的滤波、延时等数据处理,也可以方便地调整保护的定值,具有灵活性好、能够提供所有保护的优点。在该自定义平台上,还可以批量分析数据,如分析某一保护在不同的运行方式、故障下的保护动作情况。分析结果可以生成报告进行对比,方便用户调整保护定值。

2　波形回放分析具体实例

软件的主界面如图3所示,左侧为波形回放界面,右侧为保护动作分析自定义平台,界面底部为光标位置信息。以某特高压直流输电工程故障录波数据为例,展示波形回放模块的功能以及保护动作分析功能。

图3　软件主界面

2.1波形回放

测试数据有5个模拟通道,7个状态通道,采样率为8000,数据文件以ASCII格式存储,波形回放界面如图4所示。

图4　波形回放界面

波形回放的主界面如图4所示,左侧显示的是通道名以目录树的形式管理,分为三级目录:第一级为配置文件名(或数据文件名),第二级为信息文件(Info)和监视回路名(一个监视回路包含若干模拟通道和状态通道),第三级为通道名。模拟通道和状态通道前分别加上正弦波和方波来区分。右侧显示的是左侧通道名的波形,“11T11-T1/HV-IL1”、“11T11-T1/HV-IL2”以及“11T11-T1/HV-IL3”3个模拟信号显示在同一面板中,以便分析比较。“TIME-SYNC-PULSE”为状态通道,单独在一个面板上显示,纵坐标上只有0和1两个刻度。每一个面板有一个纵坐标和一个横坐标,方便波形的对比。可以直接拖动时间轴和坐标轴来查看波形。

该波形分析软件也能提供波形的缩放,光标定位操作,如图5所示。在图5中,光标X1、X2通过折算世界坐标和设备坐标来显示光标所在位置对应的采样点或采样时间;鼠标拖动绘制放大矩形框,当鼠标放开时,通过检测矩形框左上角和右下角的位置,将矩形框内的波形全屏显示。

图5　绘制矩形框放大及光标定位

2.2保护动作分析

以零序过电压保护为例,在自定义平台上,采用VBScript语言编写该保护的自定义原则,不考虑延时滤波控制等环节,分析该保护的动作情况,界面如图6所示。在图6中,底部提供了一些常用的数据结构,方便用户编写自定义原则;左侧目录树管理中,可以看到零序过压保护有3个输入量HV1、HV2、HV3;右侧VBScript语言代码中可以清晰看到该保护是将3个输入量相加,求取绝对值,并与保护的动作门槛值比较,若大于,则保护启动,并开始计时,如果满足延时大小,则保护动作。

将保护的启动和动作情况输入到待计算项中,结果图形展示如图7所示。在图7中,第一个面板显示的是保护中用到的3个输入变量的电压波形,第二个面板中分别表示启动和动作情况,可以很清晰地显示保护动作情况。

图6　零序过压保护的自定义平台

图7　零序过压保护动作结果

3　结　语

阐述了故障录波回放、分析软件的设计过程及该软件3个主要功能:一是统一,能将不同格式的录波数据转化成标准格式,实现归一化;二是回放,能直观地展示故障波形,便于用户分析;三是数据分析功能,能够批量分析处理数据,保护的自定义平台具有灵活性好,能够提供所有保护的优点。对于今后分析软件的设计,给出如下几点建议。

1) 建立强大的数据库系统,加强数据的管理,提高数据的共享性,拓展数据的应用范围。

2) 引进故障分析专家系统,运用专家系统、人工智能等技术进行综合判断,精确分析故障。

3) 改善电气量参数的计算算法,提高精度。.

[1] 杜新伟, 李媛, 刘涤尘. 电力故障录波数据综合处理系统[J]. 电力系统自动化, 2006, 30(12): 75-78, 96.

DU Xinwei, LI Yuan, LIU Dichen. Integrated processing system for power fault recording data[J]. Automation of Electric Power Systems, 2006, 30(12): 75-78, 96.

[2] 郭振华. 电力故障录波数据的分析方法研究及软件设计[D]. 长沙: 湖南大学, 2011.

GUO Zhenhua. Research on the analytic method of electric power fault recorded wave data and software design[D]. Changsha: Hunan University, 2011.

[3] EEE Std C37.111-1999. IEEE Standard Common Format for Transient Data Exchange(COMTRADE) for Power Systems[S].

1999.

[4] 杨洋, 唐睿, 吕飞鹏. 基于COMTRADE格式的故障录波分析软件设计[J]. 继电器, 2008, 36(7): 67-70.

YANG Yang, TANG Rui, LV Feipeng. Fault recording analysis software design based on COMTRAD format[J]. Relay, 2008, 36(7): 67-70.

[5] 刘天斌, 王永业, 柳焕章, 等. 基于COMTRADE 格式的故障分析管理系统[J]. 继电器, 2001, 29(11): 47-49.

LIU Tianbin, WANG Yongye, LIU Huanzhang, et al. The fault data management & analysis system based on COMTRADE[J]. Relay, 2001, 29(11): 47-49.

[6] 陈小林, 罗毅, 王伟平, 等. 基于故障录波数据的保护特性分析方法及其实现[J]. 电网技术, 2005, 29(18): 70-74.

CHEN Xiaolin, LUO Yi, WANG Weiping, et al. Protection characteristic analysis method based on recorded fault data and its implementation[J]. Power System Technology, 2005, 29(18):70-74.

(责任编辑侯世春)

Design of fault playback and analysis software with normalized wave recording format

LIU Dawei1, LEI Yu2, ZHANG Yongdong1, YANG Min1, LIN Jian1

(1.State Grid Weihai Power Supply Company, Weihai 264200, China; 2.No.71496 Unit, Yantai 265800, China)

Aiming at the non-uniform recorded data formats, this paper developed a fault playback and analysis software is to achieve normalized data format. It is the software which can provide data batch processing which greatly reduces the practical application workload. Through the application of the software in an ultra-high voltage dc transmission project, the feasibility and effectiveness are proved.

fault playback; normalized; batch processing; custom platform

2015-10-20。

刘大伟(1987—),男,助理工程师,主要研究方向为电力系统继电保护。

TM316.3

A

2095-6843(2016)03-0222-04