基于Web方式的电力故障录波数据动态系统

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于Web方式的电力故障录波数据动态系统范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要:故障分析是电力系统中的一个重要环节,现有的录波分析软件多为C/S架构,系统兼容性差,客户端软件升级与服务器维护易给用户带来使用不便。随着网络发展,电力系统管理趋于网络化,在此采用B/S架构,使用Java Applet,开发在线录波数据的检索分析系统。实现录波数据的快速检索、波形动态显示以及相关信号分析管理,为用户提供一个稳定直观的故障查询和管理的平台。关键词:B/S架构; IEC61850; GOOSE; Java applet

中图分类号:TN911-34文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)22-0203-05

Dynamic Issue System of Power Failure Wave-recorded Data Based on Web

WANG Tong-hui, ZHOU Yu, DU Si-dan

(Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China)

Abstract: Failure analysis is an important part in power system, but most of the existing wave-recording analysis softwares are implemented with C/S architecture, whose system compatibility is poor and is inconvenient for users to upgrade the software or server maintenance. With the network development, the power system management tends to networking. As a result, an on-line system for retrieval and analysis of wave-recorded data was developed based on B/S architecture and Java applet. The fast retrieval of recorded wave data, dynamic display of waveform and analysis of relevant signal are achieved with it, which provides users with a fault query and management platform that is stable and intuitive.Keywords: B/S architecture; IEC61850; GOOSE; Java applet

0 引 言

故障录波器是常年运行、监视电力系统运行状况的一种自动记录装置。它的主要功能包括:检测继电器及安全自动装置的动作行为、分析系统动态过程中各电参量的变化规律以及校验电力系统计算程序与模型参数的正确性。对于电力系统的故障和误操作,录波装置可记录其波形曲线,通过分析波形可以确定故障原因与故障距离,制定解决方案,从而发现系统缺陷、减少以至避免再发生类似事故,保证电力系统安全运行。

对于录波产生的大量数据,需要友好快捷的分析软件[1-2]。现有的录波分析软件多为独立的客户端(C/S架构),有诸多缺点[3],例如:不能与浏览器结合,系统兼容性有限,软件升级与服务器端的变动会被用户实时感知,给用户带来更多操作。随着网络的发展,电力系统的管理趋向网络化,基于B/S架构使用浏览器即可通过web服务器与服务器端数据库进行数据交互,将日常数据维护和用户数据分析分别进行,方便直观。此外,对于大量的波形数据,还需要解决数据传输、波形分析与显示的速度等问题。

在此述的录波系统与国家电力南京自动化股份有限公司合作研发,设备间采用高速网络通信,实现持续高效数据记录、数据库信息共享、Web信息查询。提供完善的故障判别、事件识别记录、故障分析及故障测距功能,并采用数据冗余技术提高数据存储可靠性。

1 系统设计

系统包括4部分:数据采集、协议转换器、服务器端、Web。在此主要针对服务器与用户端的系统软件设计进行详细讨论。系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架

1.1 数据采集部分

数据采集装置包括6块采集板,每块板分别有16个模拟量通道(4个群组)、32个开关量。故障录波器接收采集到的数据,数据报文分为3种:常规存储卡数据、基于IEC61850-9-1标准[4]的采样值、基于IEC61850-8-1 标准的面向通用对象的变电站事件(GOOSE)。

1.2 协议转换器部分

协议转换器是运行于系统前端的硬件组成部分,采用PowerPC硬件平台和VxWorks嵌入式系统,主要用于接收3种数据报文,根据同步采样合并策略实现数据重组并上传至服务器。同时负责监视录波故障及硬件日常工作状态。

1.3 服务器端

服务器端是整个系统的关键部分,运行于系统上层,基于Core 2双核E4300 1.8 GHz硬件平台,采用Linux图形系统。服务器端接收协议转换器的数据并进行故障判别;分析协议转换器发来的各类型数据和事件以及本地产生的信息和事件,提取有效数据;将有用信息存入数据库;为用户提供可视化Web以及系统参数文件的配置功能。数据库的建立如图2所示,其中故障信息包括:通道名;启动时间;启动所属;启动类型。测距报告包括:故障类型;故障距离;故障电压测量值;故障电流测量值;断路器动作时间;闸重合时间;断路器动作类型;再次故障类型,即故障发生后再次出现的新故障的类型;再次故障电压测量值;再次故障电流测量值;多组(5组以上)模拟量启动类型和通道号。多组(5组以上)开入量变化状态和时间。

图2 数据库建立流程

数据库存储信息包括:数据、事件。数据文件分为暂态数据和稳态数据;事件包括故障信息、故障测距报告、系统参数配置等。通过数据库完成上层Web与下层协议转换器之间的信息交换。

1.4 Web部分

Web为用户提供快捷直观的常态、实时录波文件检索与分析,显示暂态录波故障报告和系统运行状态,并提供系统校时、录波文件下载等辅助功能。基本框图如图3所示。

图3 Web软件框架

本部分涉及大量数据交换:服务器端接收用户提供的系统设置信息保存至数据库,接收用户查询信息;客户端接收查询数据库得到的波形数据进行信号分析,接收故障信息、系统状态信息显示。

本部分具有很好的扩展性,可以根据用户需要添加更多的功能。

2 关键技术

服务器端接收大量协议转换器上传的数据报文,需经过分析准确提取数据报文中有效信息,以满足上层需要。Web部分面向用户,需要保证良好的用户体验,主要包括:提高客户端和服务器端的数据传输速度与准确性、完善波形显示效果。

为了保证多用户查询时能够实时显示查询结果,采用流式Socket[5]多线程[6]通信进行数据传输,通过多线程保证波形数据传输和显示的速度,解决波形动态显示画面闪动的问题,提高显示质量。

Web采用Java Applet[7],优点包括:当用户访问网页时,Applet被下载到用户计算机上执行,因此执行速度不受网络带宽或者modem存取速度的限制;Applet被设计成在“沙箱”[8]中运行,只能读取源主机上的数据,不能读写本地主机,从而不会对用户系统造成任何损害,具有很高的安全性。

2.1 数据提取

服务器端接收的经协议转换器重组的数据报文有:存储卡实时向量数据报文、GOOSE和IEC61850合并后的协议报文。分析上述报文形成稳态录波数据文件、暂态数据文件。

稳态录波数据记录采样率1 kHz,考虑到日常稳态录波数据量庞大,综合Web端查询便利程度,采用以子站为单位将所有通道有效数据保存至一个文件,存储时间间隔10 min。

暂态录波数据采用变速记录:最高采样速率(AB段,采样率10 kHz,A段为故障前100 ms数据)和长录波记录速率(C段,采样率1 kHz)。判断故障起始位置,将故障信息生成Comtrade[9]文件保存,并记录故障时刻过限启动时间、启动所属通道或设备、启动类型、通道名等事件标识保存至数据库。

2.2 数据传输

即Web客户端与服务器端数据交互。采用Java的Socket类和ServerSocket类来实现流式Socket通信。由于服务器端在同一时刻可能出现的并发通信,采用Linux提供的多线程通讯[6]。

客户端与服务器端流程如图4所示。

图4 客户端与服务器端流程

考虑到同时传送多个通道数据的情况,即并行传送多通道数据,综合网络速度、CPU处理速度以及用户视觉效果,将服务器端查询到的各通道数据分割成长度为N的小块交叉传输,实际应用中传输长度N定为1 000。客户端接收相关波形数据流,用于下一步的信号分析与波形动态显示。

2.3 动态显示

动态显示的内容包括波形和数据2部分。实现的功能包括:主界面绘制,比较java提供的3种主要构建窗口程序库AWT,Swing和SWT,采用Swing;网络数据交换,即客户端Socket通信,接收数据流;数据分析,包括将接收波形数据流转换成坐标点以及波形信号分析[10];动态显示,显示包括波形和信号分析结果。

为了保证波形显示速度,程序设计时需要注意:数据接收与数据解析同步进行;波形坐标点计算与信号分析显示同步进行。

对于动态刷新的波形与信号分析结果,为了保证良好的用户体验,即人机交互操作时画面不出现明显闪烁,需要注意:根据实时显示波形数据量调整滚动条长度;拖动滚动条时需要实时刷新当前波形显示区域;刷新标尺位置时需保证不影响其他波形正常显示;拖动标尺实时更新标尺所在位置采样点信号分析结果;根据当前接收到的采样值大小动态调整已显示波形的幅值至最佳状态。

综上所述,软件共包括3个线程,分别用于波形和信号分析显示、接收数据流、调整波形显示幅值。结合Applet生命周期得出如图5所示流程图。

图5 动态显示流程

2.4 信号分析

波形信号分析分为2部分:通道数据分析,包括有效值、相位、谐波等一般信息;线路数据分析,主要是┤相信号相量、功率分析。

对于包含k次谐波的周期性离散信号(电压或电流),对其均匀采样,设每周期采样点数为N,则第iУ悴裳值为:

f(i)=∑Nk=1Aisin(ik2πN)

有效值离散计算公式为:

F=1N∑Ni=1f(i)2

通过傅里叶变换对信号进行谐波分析:

实部:

FRn=2N∑Nk=0f(k)cosnk2πN

虚部:

FIn=2N∑Nk=0f(k)sinnk2πN

n次谐波有效值:

Fn=FRn×FRn+FIn×FIn2

采用序算法计算信号有功功率和无功功率:

Ua=UaR+jUaI,Ub=UbR+jUbI,Uc=UcR+jUcI

正序:

U1=Ua+Ub×λ-120°i+Uc×λ120°i

负序:

U2=Ua+Ub×λ120°i+Uc×λ-120°i

零序:

U0=Ua+Ub+Uc

视在频率[9]:

S=P+jQ=UaIa*+UbIb*+UcIc*

Ia*,Ib*,Ic*是Ia,Ib,IcУ墓查睢

有功功率:P=Re(S)

无功功率: Q=lm(S)

3 系统

Web端提供6项功能,包括手动录波、常态长录波波形显示与分析、暂态故障信息查询与波形文件下载、实时录波波形显示与分析、系统运行状态显示、系统校时。

3.1 手动录波

发送录波开始命令,通知系统开始录波,服务器端启动录波并记录波形。

3.2 常态波形检索与分析

提供按通道选择、按线路选择两种波形检索方式,如图6所示。

检索后显示波形与数据分析结果,如图7所示。

可以看出图中标尺处波形发生突变。此时进入暂态波形检索页面查询故障情况。

3.3 暂态波形检索与分析

提供时间区间、故障情况、启动故障情况、跳闸情况4种暂态数据查询方式,查询后以列表方式显示基本故障报告,如图8所示。如需要进一步分析故障数据,则可下载对应Comtrade文件调用其他分析软件进行分析。

图6 常态波形检索

图7 常态波形与分析结果显示

图8 暂态波形与分析结果显示

检索图8标尺对应时间的暂态Comtrade文件(由于本文撰写时故障分析尚未完成,故这里故障分析为空,只提供故障文件下载)并下载,调用第三方分析软件做详细分析。

3.4 实时波形检索与分析

实时波形检索与常态波形检索类似,动态显示当前时刻波形,如图9所示。考虑到数据量、网络带宽、用户体验等方面因素,波形刷新时间间隔为2 s。

图9 实时波形显示

点击暂停键,分析当前数据。如图10所示。提供双游标,便捷分析绝对时间与相对时间。

如数据检索采用按线路选择方式,显示当前线路┤相相量与功率信息,如图11所示。

图10 实时波形与分析结果显示

图11 实时波形线路相量信息

3.5 系统运行状态

显示当前系统硬件运行工况,如图12所示,分析系统硬件网口状态以及数据通信情况。

图12 系统运行状态显示

3.6 Web校时

4 结 语

本系统严格遵循DL/T663-1999《220~500 kV电力系统故障动态记录技术准则》,满足继电保护等电力自动化装置要求,排除硬件差异。根据接入量的不同,实现不同速率录波,系统具有稳定性较强,能够满足现行变电站、电厂等安全可靠运行的要求。采用B/S架构,录波分析系统不再依赖系统平台,具有很高的可移植性。Web部分提供直观丰富的功能,满足用户分析需求,具有很高的工程应用价值。

本系统在功能上依然存在改进之处:当大量用户查询服务器端数据库时,查询数据有可能产生交叉,如果用户对得到的原始数据分别进行处理,得到需要的波形坐标数据,那么从整体上看,连接到服务器端的用户计算机做了大量重复数据分析。因此可做如下改进:将一段时间内所有向服务器端提出连接请求的客户端看成整体,根据不同的计算能力进行数据计算,按照用户需求分配计算结果,避免重复计算。

参考文献

[1]骆健,丁网林.国内外故障录波器的比较[J].电力自动化设备,2001,21(7):27-31.

[2]郑敏,黄华林,吕鹏,等.故障录波数据通用分析与管理软件的设计[J].电网技术,2001,25(2):75-77.

[3]桂勋,郭凯,谭永东,等.基于网络的全图形化故障录波分析软件系统[J].继电器,2004,32(24):44-49.

[4]中华人民共和国国家发展和改革委员会.变电站通信网络和系统第2部分:术语:中国,DL/T 860.3-2004/IEC 61850-2[P].2000.

[5]刘邦桂,李正凡.用 Java 实现流式 Socket 通信[J].华东交通大学学报,2007,24(5):110-112.

[6]王枫,罗家融.Linux 下多线程 Socket 通讯的研究与应用[J].计算机工程与应用,2004,40(16):106-109.

[7]高小清,邓兆祥,卢海峰.基于 Java Applet 的网络图形交互功能的实现[J].计算机应用,2007,27(B6):332-334.

[8]赵全明.基于沙箱的 Java 安全体系结构[J].民营科技,2007(1):13.

[9]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.电力继电器 第24部分:电力系统暂态数据交换通用格式:中国,GB/T-2007/IEC 60255-24[P].2001.

[10]赵永胜,丛培建,赵正聪.交流信号采样离散计算公式[J].电子技术应用,2007,33(10):75-77.

[11]黄晓青,王晓茹,王德林,等.非正弦非平衡电力系统视在功率研究[J].继电器,2006,34(12):30-34.

[12]肖锋,梅颜.继电保护及故障信息管理系统的应用研究[J].电子设计工程,2010(8):109-112.