基于开源ActiveMQ的电力故障分析系统

樊 鹏，邱俊宏，戚振伟，张秀娟

（许继电气股份有限公司，许昌 461000）

随着构建全球能源互联网概念的提出和十三五规划中对智能电网建设投资的力度加大，多种能源接入使系统日益庞大，故障变得更加复杂[1]，对电网安全运行的管理水平和事故分析的要求也越来越高。如何充分借助现场的采集数据，在不增加成本的同时快速分析出故障原因，并将大量可用数据清晰流畅地展示给操作人员值得研究。设计一套具有网络化、智能化、高效率、互操作性、性价比高的电力故障分析系统（以下简称分析系统）显得尤为必要。

本分析系统功能实现采用模块化设计，支持将图形展示模块以动态库和插件的方式嵌入到图形中，具有良好的功能扩展性、跨平台移植性。在数据交换过程中采用面向消息中间件的开源ActiveMQ消息队列服务，通过构建异步数据通信模式保证系统内部业务间的数据共享或者交互可靠稳定，利于对系统的管理及后期的扩展具有重要的作用。在处理大数据展示中引入Model-View架构来处理数据和终端显示之间的关系，当Model通过ActiveMQ接口侦测到消息总线服务器中有相应采集单元发送的新数据变化，会立刻通知View来同步自动刷新所有的最新数据，保证界面刷新流畅无卡顿。

1 分析系统的结构分布

目前成熟的智能变电站系统在设计上遵循分层、分布式思想，采用典型的“三层两网”结构，根据分析系统的功能定位，其在典型智能变电站中的分布如图1所示。

图1 分析系统在智能变电站中的分布Fig.1 Distribution map of analysis of system in intelligent substation

数据来源为过程层网络捕获的数据，系统功能划分上包含数据采集记录单元和数据管理单元两个子系统。

1.1 数据采集记录单元

主要实现数据的采集，是分析系统的基础，其正确性影响着数据分析和波形显示的结果，通过数据基本分析、高级分析、事件类型判别，将解析后的数据写入实时数据库，并形成COMTRADE格式的录波文件[2]。其功能子类主要包含数据采集、数据分析、数据转换存储、数据通信四大模块，分类如图2所示。

图2 数据采集记录单元功能Fig.2 Functional diagram of data acquisition and recording unit

数据采集模块对过程层网络的合并单元或智能终端发送的SV、GOOSE报文采样数据进行捕获和解析，通过FPGA为每帧采集到的报文数据打上接收时刻的时间戳和序列号。

数据分析模块对采集到的数据进行基本分析和高级分析。基本分析是指基本电气量的计算，如电压电流幅值和相位、谐波分量、序分量、相量等，将这些信息写入到实时数据库模型中供波形展示时调用。高级分析是指保护动作特性分析[3]，如谐波分析、阻抗分析、纵联保护分析及故障定位等。同时，当有故障发生或突变量启动时，记录故障发生前后的电气量和状态量信息，形成故障报文事件。

数据转换存储模块将故障数据转换并保存成COMTRADE格式的录波文件，为现场试验分析提供数据源备份存储。

数据通信模块依靠开源消息中间件ActiveMQ完成消息的可靠传送与推送。

1.2 数据管理单元

根据配置文件能够通过ActiveMQ服务接口访问消息总线服务器，总线服务器从不同的采集单元以定时召唤、查询等方式获取数据文件[4]，以波形、数据、图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结果，最终输出故障分析报告，为用户提供交互式操作，其功能如图3所示。

图3 分析系统功能Fig.3 Functional diagram of analysis system

1.3 分析系统的Model-View架构

在数据管理单元的展示，为了将大量的数据处理和图形展示有效分开，引入Model-View视图架构机制，把数据处理置于 Model模型中，把波形显示交由View视图管理，数据传输关系如图4所示，从而避免大容量的数据绘制工作，保证同一网口和时标的数据源能被多个视图用做不同的处理和显示[5]。

图4 Model-View架构关系Fig.4 Architecture diagram of Model-View

2 开源ActiveMQ的应用

2.1 开源ActiveMQ简介

Active MQ属于面向消息中间件的一种开放源码，完全实现JMS1.1和J2EE 1.4中JMS服务规范，支持主从管理、延时接收发送信息、消息持久化、点对点模式和发布/订阅通信方式，同步或异步消息传递模式等特性。分析系统将所有实时数据发送到消息总线服务器上，ActiveMQ总线接口利用高效可靠的消息传递机制和队列模型进行数据交流，并基于数据通信进行分布式系统集成和扩展进程间的通信，其可靠的异步通信也降低了系统之间的耦合度，提供企业级消息通信的可靠性、稳定性和安全性[6]。

2.2 开源ActiveMQ在本系统中的应用

在应用上包含2条相互独立、互为热备的消息总线，每条总线对应于1个消息中间件Broker，每条总线部署了2台互为主备的消息总线服务器。数据管理单元只需要连接到其1条消息总线上，与数据采集单元进行消息交互，总线接口支持异步模式和同步模式两种，其应用场景如图5所示。

图5 ActiveMQ系统应用图Fig.5 System application diagram of ActiveMQ

分析系统的总线接口作为数据传送交互的核心，充分利用ActiveMQ的业务特点和需求进行二次封装API接口，主要定义扩展API有：同步数据请求与交互类接口IDataExc、消息队列接口IMessageQueue、接收消息接口IMessageConsumer。由于是开源代码，只需要根据业务需求重载接口函数即可实现相应的功能。

2.3 ActiveMQ访问总线服务器步骤

ActiveMQ访问消息总线服务器的步骤：

步骤1使用GetClassObject函数获取IMessageQueue类对象访问接口；

步骤 2使用 IMessageQueue类的 Initialize（）函数完成初始化连接，并指定连接几个BrokerUri；

步骤3当客户端为消息生产者，若采用异步模式，使用IMessageQueue类的SendTextMessage或SendByteMessage方法完成文本或字节流类型的消息发送，并指定发送消息的主题名称DestUri和消息是否使用持久化方式。若采用同步模式，需先通过GetClassObject函数获取IDataExc类对象访问接口，创建2个IDataExc类对象指针，1个为同步数据请求用，1个为同步数据回调（接收）用。发送同步命令请求前，需使用IDataExc类的Set方法设置Data、CoresponsID、DestUri、UserType 内容，设置完成后使用IMessageQueue类的SyncSendData方法完成文本或字节流消息的同步数据请求。

步骤4当客户端为消息消费者，若采用异步模式，首先需创建一个继承自IMessageConsumer类的消费者类，重新实现OnTextMessage或者On-ByteMessage方法，以实现异步消息的回调。然后实例化一个CMsgConsumer类对象，最后使用IMessageQueue类的RegisterConsumer方法注册该消费者，此处注册需要指定接收消息的主题名称DestUri；若采用同步模式，首先需创建一个继承自IMessageConsumer类的消费者类，重新实现OnSyncRequest方法，在该方法中需设置应答数据对象的Data和UserType，然后实例化一个CMsgConsumer类对象，最后使用IMessageQueue类的RegisterSyncRequest方法注册该消费者，此处注册需指定接收消息主题名称DestUri和是否接受2个Broker的同步数据请求。

以View展示端为例，View展示端在整个服务系统中承担的角色：一方面作为同步消息的请求者，向采集单元发起同步数据请求命令；另一方面作为异步消息的消费者，接收采集单元上送的消息。其访问接口的简要步骤为

步骤1初始化-Initialize（）：创建控制中心到BrokerUri的连接，只指定1个BrokerUri。

步骤2注册异步消费者-RegisterConsumer（）：接收来自采集单元异步发送的消息，此处需要重新实现回调函数。

步骤3发送同步请求 OnTextMessage（）和OnByteMessage（）命令-SyncSendData（）：向采集单元同步请求数据。

3 试验结果与分析

在国家开普检测研究院型式测试时，通过永程科技测试仪模拟现场线路单相AN接地故障，以此来验证开发设计的分析系统对故障判别的正确性，分析系统显示的故障波形及报告如图6所示。

图6 分析系统显示的故障波形Fig.6 Analysis system display the figure of fault waveform

分析系统的显示“线路TA1保护A相电流采样值”的实时波形情况，点击动作报告以表格形式详细显示故障时间 （2016-08-09，14：46：00.613000）、启动元件（TA1保护A相电流采样值”）、故障元件（线路 1）、故障类型（AN）、故障位置（9.167），也可生成定制化的故障分析报告，详细列举故障触发原因、故障序号、生成录波文件大小等内容。

4 结语

上述基于Model-View架构和面向消息中间件开源ActiveMQ技术实现的电力故障分析系统，既保证了数据交互的流畅和数据展示的稳定，为现场运维人员提供灵活、高效、人机界面友善的数据分析和波形展示，又能为大系统使用ActiveMQ技术提供业务扩展和经验积累，目前已通过国家开普检测研究院测试试验。

参考文献：

[1]朱诚.基于光纤通讯的分布采集式故障录波系统研制[D].山东：山东大学，2010.

[2]张秋丽.电力故障录波信息的分析方法研究及系统开发 [D].湖南：湖南大学，2010.

[3]郭振华，江亚群.故障录波器后台分析软件关键问题研究[J].电力系统保护与控制，2011，39（19）：73-78.

[4]陈德.500 kV变电站故障录波综合分析系统设计与实现 [D].河北：华北电力大学，2011.

[5]付国新.智能变电站网络分析与故障录波一体化设计与实现[J].电力自动化设备，2013，33（5）：163-166.

[6]朱东升，张浩.基于综合监控的设备状态修正方案研究[J].计算机测量与控制，2017，25（6）：64-78.