一种单／多文件模式录波分析软件工具实现

陈明恩，施广德，战 锋，汪贤浩

（国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 211100）

0 引言

随着新能源行业以及电力电子技术的迅速发展，直流输电、大功率整流器、大功率逆变器等得到了广泛应用，电网电压畸变、电网波形受到污染，供电质量恶化成为影响电能质量的重要因数。此外，电网容量不断扩大，高电压等级输电线路的稳定性和安全性越来越重要，除了安装必备的线路保护外，重要线路都加装了微机故障录波器，录波装置得到了广泛应用。

故障录波装置一般包括信号接收单元、报文解析单元、稳态录波单元、电能质量故障录波分析单元、信息交互单元、电源单元等，采集和保存故障发生时的信息，主要实现模拟信号与数字信号的采集与分析、故障判定与录波启动及采样数据的压缩与存储［1］。

故障录波文件用来回放、图形展示、分析对比和报告故障时信息。通常采用COMTRADE标准格式［2］，供厂家或用户等不同场合离线分析使用。而现有监测装置和录波仪大都相当于可自行存储的示波器，主要是记录数据，不具备分析能力或者较为简单的离线故障分析功能。当出现电能质量问题或系统故障时，通常需要另外的专业化分析工具。随着录波装置被越来越广泛使用，录波分析软件也越来越受重视。

1 单/多文件模式录波工具原理

1.1 现有录波软件分析

研究主流的录波分析工具软件发现，录波文件通常以COMTRADE通用标准对数据进行存储和监控分析［2］，已有分析工具参考资料较少，设计架构与功能比较简单，一般采用单文件模式［3-4］，具有基本分析能力，可初步诊断故障原因并进行分析等［5-6］。

单文件模式难以同时加载与分析多个装置点或者文件，也难以扩展更多高级分析。因此，提出多文件模式设计方案，方案包括多文件模式的配置与数据加载、模型建立过程、行为分析与结果展示，可支持多装置点或者多故障录波文件多通道曲线交换、叠加、对比与综合分析，对同一支路或者馈线的多录波点的多个文件进行分析，同时提供整体直观形象，通过不同文件同一通道曲线对比与叠加，分析曲线趋势一致性，依据每个故障文件的故障分析报告，可以更快速地综合分析是否接地故障。此外，方案还可为后续进行更多数据挖掘和高级分析，提供大量数据准备工作。这样一款单/多文件模式工具，是工程开发的重要发展方向。

1.2 多文件录波框架与原理

设计一款单／多文件模式故障录波分析工具，其总体方案、框架原理和功能模块见图1。主要包括几个部分：录波配置文件与数据文件的加载；故障录波的专业分析与算法实现功能模块；曲线数据与图形显示；分析报告模块；单／多文件模式的切换控制；单文件模式的模型和行为操作的设计与实现；多文件模式的模型和行为操作的设计与实现过程。

图1 软件工具设计框架原理

鉴于篇幅和录波分析专业原理复杂等因素，不对这些专业模块的模型原理和算法设计过多阐述，读者可查阅国内外专家学者相关文献。同时也不对工具软件通用功能过多介绍。本文着重阐述录波工具的多文件模式框架与原理设计与实现。

1.3 多文件模型设计与实现

多文件模式录波分析过程，主要是加载配置文件与数据文件，模型建立如图2所示。主要包括多文件加载模块、故障点分析模块、一次设备数据采集点模型模块、故障特征量模块、显示界面模块和报告生成模块。

图2 多文件模式建模流程

文件加载模块用于加载故障点录波文件、读取多个录波配置文件，数据文件。文件加载后，模块可在软件内存中建立全部文件的配置模型和数据模型，从配置cfg文件中获取厂站名称、采样率、通道数目、线路频率、通道信息等配置文件信息，从dat数据文件读取实际录波数据，为专业化功能分析和曲线操作功能与显示做好数据准备。

故障点分析模块用于配置和数据信息分析。将获取的数据文件中的数据利用通道转换系数转换为实际采样值。根据转换的实际采样值建立相应的通道坐标曲线内存数据区，将转换后数据以曲线方式按通道依次映射在各自坐标轴内。

一次设备数据采集点关系和分析模型可根据多个录波文件的配置和数据信息，实现全局整体配置和数据逻辑关系与组织关系，建立电力系统一次设备数据多个采集点模型对应关系，录波通道关联关系，形成录波分析模型，存入内存数据区供故障诊断和事故分析使用。

故障特征量模块提取故障时刻前后一段时间内的录波数据，计算一次设备元件的故障特征量，运用矢量、谐波、定位、序量、测距、曲线分析、属性、通道和接地故障分析等相关算法和技术分析［7-8］进行逻辑推算。

显示界面模块用于展示多通道故障分析曲线，如模拟量 A 相电压 （Ua）、B相电压 （Ub）、C相电压（Uc）、零序电压（U0）、A 相电流（Ia）、B 相电流（Ib）、C相电流（Ic）与零序电流（I0）等，显示界面模块还可实现曲线交换、叠加、拉伸、放大、缩小、还原、颜色设置、分页显示、幅值和打印等功能。

报告生成模块用于生成故障分析报告。包括矢量、谐波、定位、序量、测距、曲线分析、属性、通道和接地故障等分析报表的各种专业计算和进行逻辑分析后的图形显示和视觉表达展示［7］。

在此数据输入和整理基础上，实现单/多文件模式的故障录波分析工具的故障录波专业性功能和曲线显示操作功能分析与显示。

2 故障分析和曲线显示

2.1 专业模块分析与显示

专业化功能主要包括矢量、谐波、定位、序量、测距、曲线、属性、通道和接地故障等的分析。依据故障特征量提取故障时刻前后一段时间内的故障录波数据，计算一次设备元件的故障特征量，运用相关算法和技术分析［7-9］，进行逻辑推算。下面重点介绍矢量分析与接地故障分析功能。

2.1.1 矢量分析

矢量分析展示主要包括矢量图显示和矢量表格显示两部分，可参见图3矢量分析样例。基准矢量可选择项无、Ua、Ub、 Uc、U0、Ia、Ib、 Ic、 I0，通道选择可包括 Ua、Ub、 Uc、U0、Ia、 Ib、 Ic、 I0，谐波选择可选择基波、2～11次谐波，参数选择主要包括设置显示模式、傅里叶变换模式。其中，显示模式可选择幅值／相角模式与使用复数模式两种类型；傅里叶变换模式可选计算点向前或向后取一个周波。矢量图和矢量表格根据各参数设置，展示不同数据或图表供分析研究。

2.1.2 接地故障分析与判据实现

1）接地故障分析。

接地故障分析主要包括配置设置、矢量表格显示与触发故障分析总结3个部分，如图4所示。矢量表格根据各参数设置，展示不同数据。按下分析按钮，经过故障算法与逻辑分析后，会展示故障／无故障结论。

图3 矢量分析功能模块界面

接地故障分析是本软件的重要功能。采用零序导纳算法来研究馈线接地故障的分析和判据实现。

2）零序导纳接地故障判据实现。

在不直接接地电网中，假定有数条馈电线路，根据该电网正常运行时的零序回路，利用消弧线圈适当的脱谐状况和位移电压的相应改变，便可将每条馈线零序阻抗的不对称分量，即对地导纳和导纳系数计算出来。如果所有的零序导纳系数都不超过电网限定的允许值，则零序导纳矩阵被存储起来作为相应馈线的参考值。当任何一条馈线发生单相接地故障时，就相当于产生了一个附加的不对称电源，这就会导致零序电压和馈线零序电流发生变化。此时计算出该条馈线的对地导纳系数，比较接地故障前后馈线零序导纳系数的变化，以此检出故障馈线。小电流系统接地故障前后零序测量导纳的分析步骤：1）线路k正常，其他线路故障，线路k的零序导纳分析；2）故障线路的零序测量导纳分析；3）启动元件和动作判据［10］。该算法实现过程非常专业和繁杂，可查阅相关文献。

图4 接地故障分析功能模块界面

2.2 曲线操作功能

曲线操作功能主要包括交换、叠加、拉伸、放大、缩小、还原、颜色设置、分页显示、幅值和打印等功能和显示。

曲线各类操作只是为使用者提供窗口视图，与配置信息及数据加载，分析模型建立与单／多文件模式尤为相关。

2.2.1 单文件模型和行为模式

单文件模式的数据模型建立过程与多文件模式相似。而单文件行为操作在单文件数据模型、数据内存分配与参数建模的基础上，采用静态和动态维护属性表，动态属性重装载方法来建立单故障点分析模块曲线展示与各类分析报告等系列过程。

单文件模式的数据模型和行为设计，可参考多文件模式的模型和行为。

2.2.2 多文件模型和行为模式

多文件模式模型建立过程上文已经详细说明。在此基础上，多文件行为模式主要用于曲线展示和报告等表达方面。

多文件行为操作模式在模型建立后，结合全局属性分配表、静态属性重装载器、左目录树选择器、动态属性控制器来展示界面和生成对比分析报告，如图1所示。

全局属性分配表根据多文件模型来建立模拟量和数字量的通道名字与内存地址的全局映射关系，以此建立内存地址表和映射关系表。内存地址表是查找、交换、叠加等所有曲线操作和分析归纳的数据指针。其由全局属性表统一新建分配或销毁，其他模块只能使用或索引。每当打开或关闭文件时，动态更新全局属性分配表，静态属性重装载器，并依此更新其他全局的或非全局的信息。

静态属性重装载器是全局属性分配表中部分数据元素的快速索引，由全局映射的关键字和全局内存地址hash表等构成。

左目录树选择器以文件或装置名称为一级目录，模拟量和数字量通道号为子目录，可进行单选或多选，采用全局设计与分配，对于任意通道，都可以交换、对比、叠加。

动态属性控制器初始化时依据左目录树的选项顺序隐藏的关键字列表，从静态属性重装载器的内存指针拷贝，建立链表顺序索引，链表顺序跟随曲线的交换、叠加行为而发生改变。

每当触发场景还原触发器时，动态属性控制器会清空当前的链表顺序索引，从静态属性重装载器的内存指针再次拷贝建立链表索引，进行初始化，达到随时恢复左目录树选择的顺序场景的目的。

展示界面模块展示选中通道的曲线。曲线显示水平时间轴，对于同一文件或装置而言，是完全一样的，而对于多文件场景，可设置为以起点为参考点的相对时间，也可以在故障发生时，通过遍历波形数据找到该突变点，进行多故障录波数据的波形对齐。

图5 多文件模式曲线展示界面

对比分析报告模块用于生成分析报告。在多文件模式可支持单文件模式报告功能，计算各一次设备元件故障前后电压与电流的有效值、11次谐波值、直流分量及时间衰减常数、序分量、差流值、线路测量阻抗、频率特征量、故障测距特征量、保护动作特征量和断路器动作特征量。上述功能是故障录波分析工具的基本功能，也是该软件后续高级专业分析的开发设计基础。

图5为多文件模式录波分析工具软件界面，展示了多条曲线叠加、对比、交换的窗口。对于同一馈线多个录波文件，提供多曲线趋势演示，综合分析得出更为可靠的故障／非故障结论。

3 结语

主要阐述离线分析故障录波实现原理，可支持单文件模式数据加载和行为，同时支持多文件模式曲线交换、叠加、对比综合分析功能，可快速对每个故障点得出故障分析报告，可对同一馈线多点录波故障结论综合判断提供参考。提供强大数据对比分析报告、故障监测波形，为电力系统追溯故障根源、整体运行情况和缺陷综合、联动及因果分析、故障决策提供有效依据。

此外多文件模式为故障录波研究做了大量数据与分析准备工作，这是单文件模式难以做到的，为进一步数据挖掘、高级分析和人工智能等决策分析提供了基础。