电力系统故障分析及应用系统的研究.docx
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电力系统故障分析及应用系统的研究
第1章绪论
§1.1本课题的目的与意义
近年来,由于带有事件记录能力的微机型继电保护装置和微机型电力系统动态过程记录装置在电力系统中的普遍应用,使得电力系统每次扰动发生时都伴随产生大量的数据信息。
这些信息对于电力系统运行监视、运行状态变化的过程控制、事故处理以及分析继电保护动作行为无疑是极为重要、极为有用的。
但是,这些装置的数据格式不同、存储形式不同、传输规约不同,难以组织信息传输网络和统一分析手段,致使这些信息通常没有被及时用于电力系统的运行决策。
因此,能够对电网中可能出现的各种故障以及暂态过程进行记录,并将所记录的波形数据实时传输到调度中心,进行数据管理、重现和分析,对于进行故障判断,研究保护装置动作行为,以及电气二次系统测试等都有着重要的实际意义。
§1.2国内电力系统继电保护故障分析的现状和发展趋势
1.2.1现状
自二十世纪80年代中期微机型故障录波器基本满足电网需求,逐渐取代光线式故障录波器后,将计算机技术和数据通讯技术应用于电力系统,搜集厂站端的保护动作信息,并传送到调度端,再对取得数据进行综合分析,提高电网事故分析的技术水平,成为国内电网调度运行管理部门继提高故障录波器的记录性能之后,追求的又一个目标。
上世纪90年代中浙江、湖南、天津、新疆等网省调相继开发完成以实现全网故障信息远传为主要目标的联网工作。
到上世纪末从国内有关网省局已建成的继电保护信息系统来看,只是基本实现了故障信息的联网。
其主要目的是解决事故后进行继电保护动作行为分析所需的故障录波图的自动上传问题,不涉及多种不同规约的转换。
其中的关健技术是通过Modem实现计算机的点对点通信,以完成某型号故障录波器动作报告的远传,大多叫“xx远传系统”,基本功能是故障录波报告的远传及相应的后台分析。
考虑到已在系统中普遍采用的微机型保护装置具有通过串口输出保护动作信息的能力。
为便于直接了解和分析保护的动作行为,有的方案在上述故障信息联网系统中增加了保护装置动作信息的远传,但对所搜集的故障信息仍足不过滤,不做规约转换,所有信息均直接通过modem传送至调度端。
但是,这些装置的数据格式不同、存储形式不同、传输规约不同,难以组织信息传输网络和统一分析手段,致使这些信思通常没有被实时用于电力系统的运行决策。
1.2.2存在的问题
1、故障录波数据文件格式统一问题
随着数字式录波装置在电力工业中的迅猛发展与大量应用,其自动化程度将大幅度提高。
然而现场的设备来目不同的制造商,其录波数据文件的格式互不相同,这就使得不同的用户在进行数据交换时面临很大的录波文件解析方而的困难。
尤其足对整个故障管理系统,不得不为各种不同格式的数据文件提供相应的解析软件。
各厂家录波器的软件基本都具有格式转换的功能,但是由于对于IEEE公布的暂态数据交换通用格式(即COMTRADE格式)的理解上有偏差,造成了所转换的文件相互之间还是不能通用,甚至会出现转换的失真。
例如存转换时数据是保存成二进制还是ASCⅡ码,采样频率后的数值是该频率下的采样点数还是总体的采样点数等问题上均没有一个统一的规定。
可想而知,这将大大降低数据交换的可靠陆和效率。
2、数据分类问题
目前保护和录波装置提供的信息主要有自检信息、事件信息、故障报告、装置定值、模拟量值、开关量状态、录波数据等,数据量很多,而通常装置串行口的传输速率一般比较慢,所以必须对信息进行分类传输。
例如,反映装置运行状况和保护动作情况的自检报文、事故报文等,定义为实时,应及时传送:
对于提供专业人员进行事故分析的模拟量报文、开关量报文、定值报文及录波数据等,定义为非实时,在事故后传送。
3、IEEE-COMTRADE格式自身缺陷问题
IEEE-COMTRADE格式是种国际标准通用的格式,但是它在保存数据的完整性和全面性上还有一定的缺陷,对故障分析很重要的一些参数,如线路配置、电压等级、正序零序电阻电抗,线路长度等等内容,均没有记录。
因此,有些厂家就针对这些问题对COMTRADE格式中没有具体规定的HDR文件进行了扩展,自己定义了一定的格式,来保存各种在故障分析中用到的参量,但互相之间没有统一;而有些厂家就回避了这些问题,在数据格式转换时没有对这些重要的信息进行保存,仅仅转化了配置文件和数据文件,这样不仅造成了信息的浪费,而且使各厂家转换的COMTRADE格式文件在相互的COMTRADE分析平台上或是不能识别,或是打开有错误,或是分析功能不能进行。
1.2.3发展趋势
随着信息化、网络化时代的到来,对继电保护故障数据采集和分析提出了更高的要求。
实时、准确的数据传送和正确、全面的故障分析成为了继电保护的新目标。
但是,目前对于微机保护和录波器信息的网络化管理正处在探索阶段,国家电网公司还没有统一的技术规范和实施办法,使得现阶段故障数据采集和分析还比较混乱。
目前来看,在调度中心设计采用统一的分析应用平台是较为实际的选择,但从长远看,国家应该制定相应的规范和标准,便于电力系统继电保护的更好更快发展。
§1.3本课题的主要工作
为了改善上文所指出的一系列问题,本研究课题致力于建立一个统一的故障数据采集、管理、分析、处理、调用的平台,构建的“电力系统故障分析及应用系统”应在电网正常运行和故障时,可靠采集、处理各种录波装置的信息,并提供统一的分析平台,充分利用这些信息,为继电保护运行、管理服务。
这对于调度端及时、全面、准确地掌握故障情况,统一管理录波数据,准确判断电网故障与保护动作行为,具有十分重要的工程实际应用意义。
第2章故障分析及应用系统
§2.1设计方案和技术思路
在电力系统故障分析及应用系统的设计过程中,其指导思想一定要明确。
从用户的角度考虑。
一个繁琐复杂的系统尽管可能功能非常强大,却比不上一个简单实用的系统。
所以在电力系统故障分析及应用系统的设计过程中应把握以下几个原则:
1、统一性
提出并实现“电力系统故障分析及应用系统”能在同一个系统中接受不同录波器厂家、不同格式的录波数据,避免各录波器自带软件对数据分析处理的各自为战。
要对所有故障录波数据实行统一管理,尽量解决由于各厂家录波数据在格式、配置、参数上的差异造成数据无法统一进行管理的弊端。
构建基于IEEE-COMTRADE标准的数据格式。
2、模块化设计
针对故障分析应用系统的各种功能。
能够将各种功能模块化,并且可以方便用户对各种功能模块进行组合和扩展。
3、平台化设计
系统应当具有良好的开发平台。
用户可以自主开发其他功能。
开发平台的使用可以使得系统具有灵活方便的扩展性,便于后继的开发工作和完善工作。
4、分析功能完备性
提供谐波分析矢量分析、功率分析、差流分析、频率分析、故障方向分析、阻抗分折、功率方向和序分量分析等多种全面分析功能。
并且由于格式的统一,实现了在统一平台上,依据统一标准对不同厂家录波数据进行故障分析、比较、判断。
5、操作界面的友好和直观性
要有可视化的界面,符合一般习惯,提供方便、直观的操作方式。
2.1.1整体设计方案
系统整体采用层次化设计,自下而上可分为接口层,数据层,计算层,图形层,用户层等五个层次,计算层,图形层。
可以合并称之为应用层,各层之间相互配合,相互影响,共同完成系统功能。
接口层主要负责数据远传和对远传数据的管理:
数据层负责格式转换、数据统一管理以及数据的装载;计算层从数据层得到数据,实现各种故障分析算法;图形层负责显示录波数据波形,并将计算层得到的结果形象展示,用户层负责统调配各层,可对各层进行设置、选择和查看等。
2.1.2接口层设计
数据远传应采取模块化的设计,便于扩展和升级。
在系统中,要选取常用型号录波器最为实用有效的一至两种远传方式,将不同型号录波器的远传独立而又系统的集成在同一个系统中来,并将得到的数据按照型号分别保存到固定的目录中去,管理清楚,实用性强,过渡解决没有统一的通信规约和统一的数据格式的问题,对最终实现异种录波装置的联网。
2.1.3数据层设计
1、数据管理
为了解决由于不同型号故障录波器在远传、格式等方而的差异,而造成的故障数据无法统一有效管理,数据兼容性差、易丢失、匹配错误等问题,本系统中提出一种对故障文件管理新型模式:
采用按照录波器型号进行远传,并将原厂家数据按型号分别保存到同一目录的不同文件夹中,每一组数据配套一个参数又件防止参数不对应;再对数据进行格式转换,将不同厂家、型号录波数据统一为唯一格式,存放在一个目录中,每个数据独立存放在个文件夹中,清晰明了,减少数据冗余,简化数据关系,便于调度员进行有效的查询、管理、比较、分析等工作。
对于故障记录的信息,包括地点、时间、性质、文件名称等,以ACCESS数据库记录,利用ODBC方式存取,用户可通过手动方式增加、修改、删除故障记录信息;对录波记录信息,也可进行高级查询和多条件排序,以及设备管理等功能。
2、格式转换
为了使数据统一管理,在调度端对数据进行一致化是非常必要的。
具体思路是,无论其本身录波器配置如何,只要针对各自目录波数据特点和数据格式,按照种统一的COMTRADE的规约.直接从各个厂家的原始录波文件和录波器配置信息中提取需要的量,形成配置和数据文件;对于一次录波有许多采集板数据文件的厂家,进行数据文件的合并,形成数据文件:
并对头文件的格式进行统一规定,分别从各厂家不同的文件中提取参数信息,保存成一种参数文件,这样就可以在同一个平台上进行分析和比较,也有利于调度端的有效管理。
2.1.4应用层设计
接口层和数据层所应完成的一切工作.目的都在于将系统中所有数据集中到统一平台下,采用各种算法对数据进行分析,得出结果并输出到用户,这是由应用层来实现的。
应用层将接口层、数据层与用户层衔接起来,首先响应用户输入,提供算法以及用户层交互操作的接口,最后负责将结果输出至用户。
应用层设计的具体思路是:
从数据层取得指定文件数据,按统一的数据结构装载到程序中,根据用户命令选取不同算法,对数据进行处理,再将结果通过GUI以不问的形式输出到用户层。
由此可见,应用层的所有运行环节都与用户操作相交互。
§2.2系统开发环境及软件模块
电力系统故障分析及应用系统主要以VisualC++6.0为开发平台,运行于WINDOWS9X/2000/XP操作系统下。
2.2.1面向对象的程序设计(OOP)
面向对象程序设计(Cobject-OrientedProgramming)是软件系统设计与实现的新方法,这种新方法是通过增加软件可扩充性和可重用性,来改善并提高程序员的生产能力,并控制维护软件的复杂性和软件的开销。
与传统的结构化程序设计方法相比,面向对象程序设计既吸收了结构化的程序设计的一切优点,又考虑了现实世界与面向对象解决空间的映射关系,他所追求的目标是将现实世界的问题求解尽可能简单化。
面向对象程序设计将数据及对数据的操作放在一起,作为一个相互依存、不可分割的整体来处理,它采用数据抽豫和信息隐蔽技术。
它将对对象的操作抽象成一种新的数据类型一类,并且考虑不同对象之间的联系和对象类的重用性。
面向对象程序设计优于传统的结构化群序设计,其优越性表现在,它有希望解决软件工程的两个主要问题--软件复杂性控制和软件生产率的提高,此外它还符台人类的思维习惯,能够自然地表现现实世界的实体和问题,他对软件开发过程具有重要意义。
面向对象程序设计能支持的软件开发策略有:
1)编写可重用代码:
2)共享代码:
3)精化已有的代码。
有了高质量的可重用代码就能有效地降低软件的复杂度和提面开发效率。
面向对象方法,尤其是它的继承性,是一种代码重用的有效途径。
开发者在设计软设计时利用一些已经被精心设计好并且经过测试的代码,这些可重用的代码被组织和存放在程序设计环境的类库中。
由于类库中的这些类的存在,使以后的程序设计过程变得简单,程序的复杂性不断降低、正确性不断加强,越来越易于理解、修改和扩充。
2.2.2面向对象程序的特点
现在使用的电力系统研究仿真软件大多数采用面向功能(function-oriented)的方法设计。
随着电力系统的发展,电力系统研究上作对电力系统仿真软件功能的要求越来越高,不断提出各种新的要求。
由于面向功能发计方法使系统组织方式、用户界面和计算功能的组织是专用的、固定的。
不同系统之间缺乏共同性和相互综合的可能性,也就是说,这种设计方法强调系统功能的分析与描述,软件系统是结构化的。
一般由各种应用模块组成,每个模块只能完成一种应用功能,模块之间的组合有他们之间的截面来完成。
在这种设计方法指导下的仿真软件,当需要不断扩展和修改功能时,修改工作量很大,容易导致系统冗余增大,结构变得复杂而且利用率下降,修改费用高。
进入90年代以来,面向对象(object-oriented)方法公认是解决这个难题的有效手段。
面向对象的软件设计思想和方法把描述现实系统对象(客体)的过程和方法与分析、设计和实现这个系统的过程和方法结合起来。
或者说面向对象方法是为了解决软件系统设计中的问题空间和解空间的不一致性问题提出来的。
由于面向对象系统结构与解题系统既有相互独立性(封装性)又相互联系,因此可保证软件系统不断扩展与维修。
面向对象样序具有以下优点:
1)模块性
对象是一个功能和数据独立的单元,相互之间只能通过对象认可途径进行通讯,同时也可以较为自由地为各个不同的软件系统重用;
2)封装功能
为信息隐蔽提供具体的实现手段,用户不必清楚对象的内部细节,只要了解功能描述就可以使用;
3)代码共享
继承性提供了一种代码共亨手段,可以避免重复的代码设计,使得面向对象的方法确实有效;
4)灵活性
对象的功能执行是在接收到消息时确定的,使得对象可以根据自身的特点进行功能实现,提高了程序设计的灵活性;
5)易维护性
对象实现了抽象和封装,使其中可能出现的错误限制在自身,不会向外传播,易于检测和修改;
6)增量型设计
面向对象系统可以通过继承机制不断扩充功能,而不会影啊原有软件的运行:
7)局部存储与分布处理
每个对象通过数据抽象和数据隐蔽将内容和状态置于自身独立的存储结构中。
对象的处理也是自治的,由对象构成的整个系统的运行和处理是分布式的。
2.2.3C++面向对象编程
本系统所能够的C++语言就是一种面向对象的语言,利用这种语言,我们实现了系统功能的易扩展性和可维护性。
C++系统的基本面向对象概念:
对象、类、方法、消息、子类等,实现了面向对象的主要机制:
封装、继承和多态性。
1、封装
C++提供了数据结构的封装与抽象,为定义新的数据类提供了简单而强大的工具。
在新的数摒结构中,即包含数据内容又包含对数据内容的操作,c++将这些内容和操作组合在一起,形成了封装特征。
2、继承
在C++中,通过派生类,从一个或多个己经定义的基类中继承函数和数据结构形成类的层次。
3、多态性
在C++中可以给某一个行为取一个名字或符号,使它从上到下共享一个类层次结构,但在类层次中每个类都以自己的方式实现在这一行为。
2.2.4面向对象程序设计(OOP)在本系统中的应用
本系统采用集可视化、面向对象(OOP),C++语言特有的高效性和灵活性于一身的VisualC++作为开发工具,其使用MicrosoftWindows图形用户的许多先进的特性和设计思想,采用了弹性的、可重用的和完整的面向对象技术。
在VisualC++中创建的每一个类,无论是基类还是一个派生类,它都是一个新的数据类型,一个派生类继承了它的基类的数据和行为,并且覆盖以及扩展基类的功能。
因此,我们可以无限的扩展数据类型,并采用对象来表示。
下面以一个对话框类的实现举例说明。
首先,创建一个对话框类CbusSetDialog;
然后,为对话框类定义一个划象:
CbusSetDialogbussetdlg;
激活此对话框:
bussetdlg.DoModal();
其中,DoModal函数是经过C++封装的函数,自接调用即可实现激活对话框的功能,可见,采用面向对象技术大大提高了程序的可读性与可维护性。
2.2.5MFC可视化编程
1、MFC概述
MFC(Microsoftfoundationclass)是用来编写Windows应用程序的C++类集,该类集以层次结构组织起来,其中封装了大部分windowsAPI函数和windows控件,它所包含的功能涉及到Windows操作系统。
MFC不仪为用户提供了Windows图形环境下应用程序的框架,而且还提供了创建应用程序的组件。
使用MFC类库和VISUALC++提供的高度可视的应用程序开发工具,可使应用程序开发变得更简单,极大的缩短了开发周期,提高代码的可靠性和可重用性。
MFC提供的类库对程序设计的高度抽象,使得程序员的主要精力不用放在程序设计的细节实现上,而放在程序的功能拓展上面,它同时允许在编程过程中自定义和扩展应用程序的类MFC同时还允许调用windowsAPI,从而使应用程序能以最小的规模实现最丰富的功能,而且能提供高效率的运行代码。
2、MFC的功能
MFC类库(Microsoftfoundationclasslibrary)的主要口的是为了建立Windows应用程序而提供一个比较容易实现的框架,利用MFC来进行Windows应用程序的建立也是当前Windows编程的主流。
MFC拥有相当多的c++类库的特点,例如
1)继承;
2)将代码及数据封装在类中;
3)系统的命名原则;
4)简短的代码。
5)除此之外,MFC还提供了许多高级功能,例如:
6)支持所有Windows函数控制消息初始CGI图形菜单以及对话框等;
7)利用消息影射表,将消息影射到类中的成员函数;
8)改进的渗断,支持适当地发送有关对象的消息至文件的能力,还包括合
9)法成员变量;
10)使用与传统windowsAPI相同的命名约定,因此从一个类的名称可以得到它的功能;
11)范围广泛的例外处理设计,使得应用程序代码更少受失败的影响,提供内存溢出处理;
12)使用快速执行的小代码;
13)运行时确定数据对象的类型。
3、MFC在本系统中的应用
本系统利用MFC强大的程序开发功能,实现了一个方便灵活快捷高效Windows应用程序框架。
并充分利用MFC类库的优势,完成了许多其它方法所不能完成的功能,例如将数据进行打印(具有页眉和页脚),添加一个工具栏,增加全功能的对话框控件,采用Windows图形技术实现屏幕滚动等。
第3章系统组成结构及各功能的实现
§3.1系统组成结构
根据本课题的任务和思路,提出“电力系统故障再现及分析应用系统”组成结构的总体方案。
系统分为五个大的模块:
数据远传、格式转换、数据管理、数据分析、Web服务器发布。
系统通过与各故障录波装置的连接通信,接收到录波器端数据,将不同格式的数据转换为COMTRADE统一标准格式,然后提供基于标准格式的软件分析平台,对录波数据进行波形再现、分析、故障分析以及保护动作行为分析判断等;并将各故障录波数据以标准格式保存在主站中,提供以关键字查询历史纪录为基础的数据管理功能。
§3.2数据远传
3.2.1目前数据远传的几种通信方式
1、低压电力线载波
低压电力线载波通信(PLC)是利用低压配电线(380/220V用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。
日前,国内的研究和应用开发主要集中在3个方面:
自动抄表、楼宇保安、接入Internet。
其用扩频技术调制方式的电路实现较为复杂,但传输速率可高达10kb/s,且抗扰性、可靠性和稳定性将大大提高,因此这种调制方式将是低压电力线载波通信的发展方同。
低压电力线载波数据传输可利用现有四通八达的电力网,无需布线,安装使用比较方便,开发成本低廉而获得广泛的关注。
但是,在电力线上掊载高频或低频调制信号,不是容易的事清,因为对于低压电力线上的干扰特性,阻抗变化及信号衰减情况,很难找到一个较为明确的解析式或数字模型加以描述,对通信系统的设计提出了很高的要求,是影响通信质量的主要技术障碍,再加上我国电力网污染严重,真正推广还有相当的凼难。
2、Modem
图3.2.1-1Modem网络传输结构图
利用有线Modem可以在公用电话网上实现远程数据传输。
如图3.2.1,一般基于电话网络的数据传输系统可以采用上/下位机结构(主叫/被叫结构),利用单片机、Modem芯片或模块和现成的电话网络即可实现远程双向通信。
上位机由PC和主叫Modem组成,用于拨号,下位机控制、数据管理等,下位机由被叫Modem和数据采集模块组成,用于数据的采集和控制。
Modem传输数据方式不仅可以摆脱传统的分布式总线系统繁琐的布线、中继、放大,以及运行过程中的维护问题,而且系统扩展极为方便,具有较大的推广应用前景。
Modem传输又可以分为直接拨号和拨号网络两种方式:
a)网络拨号方式
该方案适用于没有网络建设的省级电网和地区级网,通过拨号的方式使调度和录波器间建立网络连接,在连接后,就如同局域网之间通信,该方法使用方便,不受条件制约,但由于是电话线连接,传输速率也比较慢。
如3.2.1-2
图3.2.1-2局域网连接方式示意图
b)直接拨号方式
直接拨号方式适用于省级电网及没有多余专用通道的地区级网,信息传输在主站与任一录波器之间以自动拨号方式直接进行。
如图3.2.1-3,该方案结构简单,易于扩展,不占用专用通道,但信息量大时将过多地占用电话线时间。
图3.2.1-3直接拨号连接示意图
在硬件上,这两种方式需要设备的相同且非常简单,只需要普通调制解调器即可;而在软件和底层协议上,这两种方式有着本质上的不同,直接拨号方式采用AT指令与录波器MODEM建立连接,是基于串行协议的通信,拨号网络方式利用WINDOWS系统支持的RAS(远程存取服务)建立网络连接,动态分配IP地址,命令传输采用UDP(用户数据协议),文件传输采用TCP(传输控制协议),是一种基于网络协议的通信。
但是,从用户角度来看,虽然底层连接方式不同,但在应用层操作时,除了一些细微差别,从连接的过程来看是基本相同的,从而方便了用户使用,增强了程序的实用性。
3、以太网
以太网(ethernet),即是一种计算机接入局域网络的连接标准,又是一种网络互联设备数据共享的通信协议,采用具有冲突检测的载波监听多点接入CSMA/CD技术。
如图3.2.1-4,以太网了模块的实现采用多任务方式,单片机在进行数据采集或完成I/0控制任务的同时,还可完成Internet协议处理。
在应用层,还可以选择HTTP.SMTP.POPS中的任意一种作为单片机系统与Internet远程管理中心之间的通讯协议:
或者自己开发基于TCP.,UDP协议的其他程序作为应用层软件。
采用以太网方式可以利用当前的网络环境,降低布线、安装成本,而且以太网的传输速率较高,可达100Mb/s,传输安全性和可靠性,可以满足以后发展的需求,但是,但发以太网周期较长,投资大,有较高要求,并且TCP/IP协议栈需要长期深入测试、修改才达到可靠性要求。
图3.2.1-4局域网连接方式示意图
从经济运行和满足设计需要出发,本文中采用了综合条件较好Modem传输方式。
3.2.2对Modem传输方式的具体说明
Modem传输方式又可以分为直接连接方式和拨号网络方式,下面分开介绍。
1、如果是直接连接方式,则首先进行串口和MODEM设置,输入录波器号码,发出AT指令请求连接,在对方自动应答后建立连接;然后根据用户的操作从串口发出指令,利用公用电话网这个载体进行通信,录波器在接到指令后,判断传输是否正确并给予响应;在文件的传输上,采用问答式报文传输,录波器在接收到调度端的文件请求后,将请求文件分为固定大小的包,标上序号,并向调度端发送指令表示准备工作完成,调度端从第一个包开始
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