CN102147268B - 一体化全景数据记录分析系统 - Google Patents

Abstract

一种电力系统检测技术领域的一体化全景数据记录分析系统，包括：采集单元和管理单元，所述的采集单元包括：通信侦听模块及与之相连的录波处理模块和一级存储模块；所述的管理单元包括：逻辑处理模块及与之相连的二级存储模块。本发明集网络报文记录、故障录波和同步相量功能于一体。

Description

一体化全景数据记录分析系统

技术领域

本发明涉及的是一种电力系统检测技术领域的装置，具体是一种一体化全景数据记录分析系统。

背景技术

国家电网公司提出了“建设坚强智能电网”的战略目标，按照“统筹安排、统一规范、自下而上、同步推进”的原则逐步实施。智能变电站是我国智能电网国家战略的重要一环，也是智能电网环境下对变电站技术形态的最新要求。国网公司近两年大力推动智能变电站的试点建设，搭建智能变电站设计、技术普及和激励创新平台，促进技术研究和储备，通过试点工程设计和应用，引导推动国内主要电气一、二设备技术创新和集成，提高变电站智能化水平，智能变电站的各项前沿技术都逐步得到了实施、技术性能也越加完善。但是在一些具体的技术领域也还依然存在一些需要解决或优化的问题。

智能变电站设备间信息交互和共享主要采用网络报文方式，智能设备和通信网络的健康状态直接影响整个变电站的可靠运行，因此需对整个智能变电站的通信报文进行记录。在电力系统故障时，不仅需要对网络原始报文进行记录，还需将网络报文解析、还原为电力系统一次设备故障波形、二次设备动作行为的记录，便于事故发生后进行故障原因分析、查找。在传统故障录波装置中实现了稳态录波，同时在同步相量测量装置中又实现了暂态记录，二者功能之间出现了重叠且不协调。从提供设备集成度、功能优化整合的角度看将同步相量测量装置动态数据记录功能和故障录波装置暂态录波功能整合在一起也显得很有必要。

构建变电站综合信息平台、实现一体化监控系统是智能变电站的又一重要特征，一体化监控系统包含快速故障分析、保护动作行为评价和记录数据按需调阅等高级应用。实现上述高级应用的技术前提是数据记录装置输出的记录文件不仅包含数据信息还应包含数据所依附的统一模型信息。

因此设计一种基于相同数据源、统一时标、统一建模，实现从动态数据到采样点到原始报文全景记录、逐层、综合分析和关联检索，集报文记录、故障录波功能和同步相量测量功能于一体的数据记录分析装置，是国家电网公司《智能变电站技术导则》精神的具体体现，也是当前智能变电站建设的客观需求。

设计一体化的全景数据记录装置需要解决如下关键技术：

1)在智能变电站中全网的通信流量极大，全景数据记录装置需接入全网重要数据，如何快速、可靠、有效地处理大流量、高速网络通信报文、隔离网络风暴成为全景数据记录分析装置的技术难点。

2)对设备及数据信息通道进行统一建模，是智能变电站高级应用对数据记录装置提出的必然要求。如何实现在兼容传统COMTRADE文件的同时，输出带有模型信息的COMTRADE文件，全面支持故障自动分析、保护动作行为评价和按需调阅等高级应用是全景数据记录装置的又一技术难点。

3)全景数据记录装置集多种功能于一体，对装置架构、运算速度都提出了较高的要求。如何设计一种适当的装置架构、快速的相量测量算法也是全景数据记录装置必须解决的难题。

目前国内记载的智能变电站数据记录分析装置基本都没有一体化实现网络报文记录、故障录波和同步相量测量功能，而且在记录数据的统一时标、统一建模，输出带有模型信息的COMTRADE文件，多层次综合分析和关联检索等方面都没有得到实现。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种一体化全景数据记录分析系统，集网络报文记录、故障录波和同步相量功能于一体。

本发明是通过以下技术方案，本发明包括：采集单元和管理单元，其中：

所述的采集单元包括：通信侦听模块及与之相连的录波处理模块和一级存储模块，其中：通信侦听模块执行硬件底层操作，并将异常报文记录文件和报文长记录文件输出至一级存储模块实现快速存储，通信侦听模块与录波处理模块采用PCI方式连接，通过PCI总线方式实现通信且通信侦听模块将解析出的原始采样点、开关量以及判别出的报文异常标志发送给录波处理模块进一步处理，录波处理模块与一级存储模块相连并写入暂态录波原始COMTRADE文件、无启动长录波COMTRADE文件和动态数据记录文件，实现数据的一级存储，同时录波处理模块从一级存储模块中读取数据记录文件供外部访问。

所述的管理单元包括：逻辑处理模块及与之相连的二级存储模块，其中：逻辑处理模块与二级存储模块相连，向二级存储模块中写入暂态录波COMTRADE分文件、异常报文记录文件和动态数据记录文件，实现数据的二级存储；并从二级存储模块中读取数据记录文件供外部访问。

本发明完全满足智能变电站数据记录分析的各项指标和功能要求，并符合《智能变电站技术导则》的总体要求。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图。

图2为采集单元示意图。

图3为管理单元示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所述，本实施例包括：包括：采集单元和管理单元，其中：

所述的采集单元包括：通信侦听模块、录波处理模块和一级存储模块，其中：通信侦听模块执行硬件底层操作，并将异常报文记录文件和报文长记录文件输出至一级存储模块实现快速存储，通信侦听模块与录波处理模块采用PCI方式连接，通过PCI总线方式实现通信且通信侦听模块将解析出的原始采样点、开关量以及判别出的报文异常标志发送给录波处理模块进一步处理，录波处理模块与一级存储模块相连并写入暂态录波原始COMTRADE文件、无启动长录波COMTRADE文件和动态数据记录文件，实现数据的一级存储，同时录波处理模块从一级存储模块中读取数据记录文件供外部访问。

所述的通信侦听模块由大规模FPGA子模块、四路HDLC通信接口和第一PCI通信接口构成，其中：FPGA子模块分别与HDLC接口、第一PCI通信接口直接相连，实现模块内数据交互，第一至第四HDLC通信接口分别连接过程层、站控层网络，实现网络报文采集并交由FPGA子模块处理。

所述的硬件底层操作包括：报文在线分析、报文在线解析和报文在线记录，其中：报文在线分析包括：报文帧格式错误分析、统计各类报文流量、判别网络风暴；报文在线解析包括：解析、还原出原始采样点信息和开关量信息；报文在线记录包括异常报文记录和报文长记录。

所述的录波处理模块由POWERPC子模块、第五HDLC通信接口以及第二PCI通信接口构成，其中：POWERPC子模块分别与HDLC通信接口和PCI通信接口相连，第二PCI通信接口与通信侦听模块的第一PCI通信接口相连并通过PCI总线方式实现通信，POWERPC子模块与通信侦听模块相连并接收解析出的原始采样点、开关量以及判别出的报文异常标志，POWERPC子模块与一级存储模块相连并向一级存储模块中写入暂态录波COMTRADE原始文件、无启动长录波COMTRADE文件和动态数据记录文件，实现数据的一级存储；同时从一级存储模块中读取数据记录文件供外部访问，POWERPC子模块向管理单元上传状态标志、暂态录波启动标志和同步相量并接收管理单元的文件读取指令、上送指定的数据记录文件。

所述的POWERPC子模块进行暂态录波处理、无启动长录波处理以及同步相量测量，其中：暂态录波处理是指：系统故障和异常报文交叉启动判别、生成缓存中的暂态录波COMTRADE文件、存储暂态录波COMTRADE原始文件；无启动长录波处理是指：抽稀采样点按时间段形成长录波COMTRADE文件、存储长录波COMTRADE文件；同步相量测量是指：同步相量计算、同步相量存储。

所述的一级存储模块采用1G容量的静态存储器，实现报文长记录、报文异常记录、无启动长录波、暂态录波和动态数据等数据文件的一级存储。

所述的同步相量测量采用基于定间隔采样的特定补偿算法对循环DFT的计算结果进行修正，在非工频和动态过程的情况下都能获得很高的测量精度。

所述的管理单元包括：逻辑处理模块和二级存储模块，其中：逻辑处理模块与二级存储模块相连，向二级存储模块中写入暂态录波COMTRADE分文件、异常报文记录文件和动态数据记录文件，实现数据的二级存储；并从二级存储模块中读取数据记录文件供外部访问。

逻辑处理模块由32位具有LINUX操作系统的ARM子模块、四个100M速率的前端通信HDLC接口、两个100M速率的站控层通信HDLC接口和两个100M速率的PMU通信HDLC接口构成，其中：第一至第四前端通信HDLC接口分别与采集单元直接连接并接收采集单元上传的状态标志、暂态录波启动标志和同步相量；并输出文件读取指令到采集单元，获取采集单元中存储的指定数据记录文件，第一和第二站控层通信HDLC接口分别与站控层相连接并实现逻辑处理模块与站控层之间基于MMS报文的通信交互，第一和第二PMU通信HDLC接口分别与PMU主站相连接并实现逻辑处理模块与PMU主站的通信交互，ARM子模块与二级存储模块连接，向二级存储模块中写入暂态录波COMTRADE分文件以及关联的异常报文记录，实现暂态录波分文件、异常报文记录和动态数据记录文件的二级存储，并从二级存储模块中读出数据记录文件。

所述的ARM子模块划分多任务分别实现设备管理处理、历史数据检索处理、离线分析处理、异常记录二级存储处理和同步相量处理，其中：设备管理处理是指：参数维护、装置配置等；历史数据检索处理是指：按单一条件检索历史记录、按组合条件检索历史记录、检索录波文件、检索报文记录文件、关联文件检索等；离线分析处理是指：SV报文波形分析、MMS报文过程分析、故障分析以及结合电气量和原始报文的综合分析等；异常记录二级存储是指：针对一次暂态录波的原始COMTRADE文件，结合模型信息进行自动故障分析，生成按故障元件划分的COMTRADE分文件并进行二级存储；同步相量处理是指：同步相量合并、同步相量存储、同步相量等间隔发送。

所述的二级存储模块采用1G容量的磁盘阵列存储器，实现异常报文记录、暂态录波、动态相量等数据文件的二级存储。

所述的ARM子模块采用COMTRADE文件扩展方法进行二级存储，该方法包括以下步骤：

第一步：在装置进入运行期间，发生一次系统故障，采集单元启动暂态录波、形成该次暂态录波的COMTRADE原始文件并通知管理单元；

第二步：管理单元读取该次暂态录波COMTRADE原始文件，利用全站设备信息模型结合录波数据进行自动故障分析，形成分析结果；

第三步：选中第一个故障元件执行第四步，如果无故障元件直接退出；

第四步：从全站设备信息模型中抽取出与故障元件相关的设备模型信息并存为COMTRADE分文件的HDR文件：

第五步：基于故障元件设备信息模型，从故障简报信息中提取与故障元件相关的故障分析结果，并存为COMTRADE分文件的INF文件；

第六步：基于故障元件设备信息模型，从CFG文件中提取通道配置信息并存为COMTRADE分文件的CFG文件；从DATA文件中提取与故障元件相关通道的数据信息，并存为COMTRADE分文件的DATA文件；

第七步：回到第三步执行。

至此，完成了一体化全景数据记录分析系统实现方法的说明。

所述的管理单元逻辑处理模块的第一至第四前端HDLC通信接口与采集单元的录波处理模块的第五HDLC通信接口相连，当采集单元的数目不大于四个时，可直接相连；当采集单元的数目较多时可通过交换机实现连接，实现采集单元和管理单元之间的数据交互。

本系统具体工作流程如下：

1)系统配置阶段完成装置和通道参数设置，导入SCD文件抽取变电站设备模型信息，获得一次设备模拟量、开关量与录波通道的关联关系，获得保护动作信号、联闭锁信号与录波通道的关联关系，形成全站设备信息模型。

2)系统运行时，采集单元经由前端通信HDLC接口监视网络报文，通信侦听模块获得原始报文一方面在线分析，判别报文异常，另一方面直接对原始报文进行一级存储；如果侦听到的报文类型是SV报文和GOOSE报文直接解析还原出采样点波形和开关量状态；通信侦听模块经由PCI总线将分析出的报文异常标志、解析出的原始采样点、开关量信息实发送到录波处理模块；

3)录波处理模块接收到原始采样点一方面直接抽稀、存储为无启动长录波数据记录文件，另一方面进行同步相量计算获得相量幅值、相位和频率等电气量信息，并保存为动态数据记录文件；录波处理模块根据相量计算结果、开关量状态和报文异常标志进行暂态录波启动判别、实现暂态录波。采集单元向管理单元实时、连续发送计算出的同步相量，在有暂态录波时向管理单元发送暂态录波标志。

4)系统运行时，管理单元连续接收采集单元送来的同步相量计算结果，一方面按照时间等间隔将同步相量送出到PMU远方主站，另一方面将动态数据文件保存到二级存储模块；当收到采集单元送来的暂态录波标志，从采集单元读取暂态录波COMTRADE文件，基于全站设备信息模型执行自动故障分析、形成故障简报和扩展的COMTRADE分文件并保存到二级存储模块。

5)管理单元接收到调阅特定数据记录文件指令(人工操作、站控层设备或PMU主站)时，管理单元首先在二级存储中搜索文件，如果检索文件存在直接送出所需数据记录；如果搜索文件不在二级存储模块中，管理单元再发送文件读取指令到相应采集单元读取数据文件。

运行在某个现场的一体化全景数据记录分析系统采用了上述COMTRADE扩展文件方法，并在软件中实现了所述的各项功能。试验及运行情况表明，本实施例完全满足智能变电站数据记录分析的各项指标和功能要求，并符合《智能变电站技术导则》的总体要求。

Claims (8)

1.一种一体化全景数据记录分析系统，包括：采集单元和管理单元，其特征在于：

所述的采集单元包括：通信侦听模块及与之相连的录波处理模块和一级存储模块；该通信侦听模块执行硬件底层操作，并将异常报文记录文件和报文长记录文件输出至一级存储模块实现快速存储，通信侦听模块与录波处理模块采用PCI方式连接，通过PCI总线方式实现通信且通信侦听模块将解析出的原始采样点、开关量以及判别出的报文异常标志发送给录波处理模块进一步处理，录波处理模块与一级存储模块相连并写入暂态录波原始COMTRADE文件、无启动长录波COMTRADE文件和动态数据记录文件，实现数据的一级存储，同时录波处理模块从一级存储模块中读取数据记录文件供外部访问；

所述的硬件底层操作包括：报文在线分析、报文在线解析和报文在线记录，其中：报文在线分析包括：报文帧格式错误分析、统计各类报文流量、判别网络风暴；报文在线解析包括：解析、还原出原始采样点信息和开关量信息；报文在线记录包括异常报文记录和报文长记录；

所述的管理单元包括：逻辑处理模块及与之相连的二级存储模块。

2.根据权利要求1所述的一体化全景数据记录分析系统，其特征是，所述的通信侦听模块由大规模FPGA子模块、四个HDLC通信接口和第一PCI通信接口构成，其中：FPGA子模块分别与HDLC通信接口、第一PCI通信接口直接相连，实现模块内数据交互，第一至第四HDLC通信接口分别连接过程层、站控层网络，实现网络报文采集并交由FPGA子模块处理。

3.根据权利要求1所述的一体化全景数据记录分析系统，其特征是，所述的录波处理模块由POWERPC子模块、第五HDLC通信接口以及第二PCI通信接口构成，其中：POWERPC子模块分别与第五HDLC通信接口和第二PCI通信接口相连，第二PCI通信接口与通信侦听模块的第一PCI通信接口相连并通过PCI总线方式实现通信，POWERPC子模块与通信侦听模块相连并接收解析出的原始采样点、开关量以及判别出的报文异常标志，POWERPC子模块与一级存储模块相连并向一级存储模块中写入暂态录波COMTRADE原始文件、无启动长录波COMTRADE文件和动态数据记录文件，实现数据的一级存储；同时从一级存储模块中读取数据记录文件供外部访问，POWERPC子模块向管理单元上传状态标志、暂态录波启动标志和同步相量并接收管理单元的文件读取指令、上送指定的数据记录文件。

4.根据权利要求3所述的一体化全景数据记录分析系统，其特征是，所述的POWERPC子模块进行暂态录波处理、无启动长录波处理以及同步相量测量，其中：暂态录波处理是指：系统故障和异常报文交叉启动判别、生成缓存中的暂态录波COMTRADE文件、存储暂态录波COMTRADE原始文件；无启动长录波处理是指：抽稀采样点按时间段形成长录波COMTRADE文件、存储长录波COMTRADE文件；同步相量测量是指：同步相量计算、同步相量存储。

5.根据权利要求1所述的一体化全景数据记录分析系统，其特征是，所述的逻辑处理模块与二级存储模块相连，向二级存储模块中写入暂态录波COMTRADE分文件、异常报文记录文件和动态数据记录文件，实现数据的二级存储；并从二级存储模块中读取数据记录文件供外部访问。

6.根据权利要求1或5所述的一体化全景数据记录分析系统，其特征是，逻辑处理模块由32位具有LINUX操作系统的ARM子模块、四个100M速率的前端通信HDLC接口、两个100M速率的站控层通信HDLC接口和两个100M速率的PMU通信HDLC接口构成，其中：第一至第四前端通信HDLC接口分别与采集单元直接连接并接收采集单元上传的状态标志、暂态录波启动标志和同步相量；并输出文件读取指令到采集单元，获取采集单元中存储的指定数据记录文件，第一和第二站控层通信HDLC接口分别与站控层相连接并实现逻辑处理模块与站控层之间基于MMS报文的通信交互，第一和第二PMU通信HDLC接口分别与PMU主站相连接并实现逻辑处理模块与PMU主站的通信交互，ARM子模块与二级存储模块连接，向二级存储模块中写入暂态录波COMTRADE分文件以及关联的异常报文记录，实现暂态录波分文件、异常报文记录和动态数据记录文件的二级存储，并从二级存储模块中读出数据记录文件。

7.根据权利要求6所述的一体化全景数据记录分析系统，其特征是，所述的ARM子模块划分多任务分别实现设备管理处理、历史数据检索处理、离线分析处理、异常记录二级存储处理和同步相量处理，其中：设备管理处理是指：参数维护、装置配置；历史数据检索处理是指：按单一条件检索历史记录、按组合条件检索历史记录、检索录波文件、检索报文记录文件、关联文件检索；离线分析处理是指：SV报文波形分析、MMS报文过程分析、故障分析以及结合电气量和原始报文的综合分析；异常记录二级存储是指：针对一次暂态录波的原始COMTRADE文件，结合模型信息进行自动故障分析，生成按故障元件划分的COMTRADE分文件并进行二级存储；同步相量处理是指：同步相量合并、同步相量存储、同步相量间隔发送。

8.根据权利要求6所述的一体化全景数据记录分析系统，其特征是，所述的ARM子模块采用COMTRADE文件扩展方法进行二级存储，该方法包括：COMTRADE文件扩展格式、设备信息模型的获取方法以及COMTRADE分文件形成方法，其中：COMTRADE文件扩展格式说明：基于传统的COMTRADE文件，完全保留其DATA文件、CFG文件，对其HDR文件和INF文件进行扩展；扩展后的HDR文件采用XML文件格式存储设备信息模型，设备信息模型面向变电站中与数据记录有关的所有设备，包括：一次设备的模拟量、开关量与录波通道的关联关系，二次设备联闭锁信号、动作信号开关量与录波通道的关联关系；扩展后的INF文件采用XML文件格式存储故障简报信，即故障分析结果信息。

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