CN102957202A - 集成型数据记录分析装置及comtrade分文件方法 - Google Patents

Abstract

一种数据记录分析装置及COMTRADE分文件方法，包括采集单元和管理单元，采集单元是前端设备，完成报文的采集、分析、一级存储功能；管理单元是后端设备，实现参数和配置管理，离线分析、二级存储等功能；COMTRADE分文件方法，其步骤为：1.运行期间，一次故障，采集暂态录波、形成分文件并通知管理单元；2.管理单元进行故障分析；3.选中第一个故障元件执行第四步；4.取与故障元件信息存分文件的HDR文件；5.提取故障分析结果，并存为分文件的INF文件；6.提取配置信息存为分文件的CFG文件；提取与故障元件相关信息，并存为分文件的DATA文件；7.回到第三步执行。本数据记录分析装置及COMTRADE分文件方法可提高设备集成度、简化变电站配置。

Description

集成型数据记录分析装置及COMTRADE分文件方法

技术领域：

本发明涉及的是一种智能变电站综合自动化领域，具体是一种集网络报文记录和故障录波功能于一体的智能变电站数据记录分析装置及COMTRADE分文件方法。

背景技术：

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***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***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。采用一体化方案，可支持报文异常、故障扰动的交叉启动记录获得全面的记录数据。

构建变电站综合信息平台、实现一体化监控***是智能变电站的一个重要特征，一体化监控***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重高级应用。因此设计一种基于相同数据源、统一时标、统一建模，实现从采样点到原始报文的逐层、综合分析和关联检索，集报文记录和故障录波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。

经过对现有技术的检索发现：目前国内记载的各种智能变电站数据记录分析装置只有个别实现了网络报文和故障录波功能，但是在记录数据的统一建模，输出带有模型信息的COMTRADE文件，从采样点到原始报文的逐层、综合分析和关联检索方面都还没有实现。

发明内容：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种集网络报文记录和故障录波功能于一体的智能变电站数据记录分析装置。本发明另一目的在于提供一种COMTRADE分文件方法。本记录分析装置可提高设备集成度、简化变电站配置，记录统一时标、统一建模的原始报文和录波信息、支持关联检索，自动生成带有完整模型信息、具有语义的COMTRADE分文件，从而也为事故后自动故障分析、保护动作行为评价、按需调阅等高级应用功能的实现创造必要条件。

本发明是通过以下技术方案实现的：

  该集成型数据记录分析装置，所述的记录分析装置主要包括：采集单元和管理单元，其中：采集单元是数据记录装置的前端设备，完成网络报文的采集、在线分析、数据一级存储功能；管理单元是数据记录装置的后端设备，实现装置的参数和配置管理，离线分析、数据二级存储等功能，同时还提供站控层高级应用数据访问的接口，

所述的采集单元包括：通信侦听模块、录波处理模块、一级存储模块，其中：

通信侦听模块主要由一个大规模FPGA子模块、四路HDLC通信接口和一路PCI通信接口构成，在通信侦听模块内FPGA分别与HDLC接口、PCI通信接口直接相连，实现模块内数据交互， 

通信侦听模块的HDLC通信接口对外连接过程层、站控层网络，实现网络报文采集并交由FPGA处理，通信侦听模块的PCI接口与录波处理模块的PCI接口相连，通过PCI总线方式实现两个模块间的通信，将FPGA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，通信侦听模块的FPGA与一级存储模块直接相连，FPGA执行硬件底层操作直接实现异常报文记录文件和报文长记录文件的快速存储，在录波处理模块内POWERPC直接与HDLC通信接口、PCI通信接口相连，

录波处理模块的POWERPC芯片与一级存储模块相连，实现硬盘数据访问，录波处理模块的HDLC通信接口与管理单元中逻辑处理模块的前端通信HDLC接口相连，实现采集单元和管理单元之间的数据交互，一级存储模块与报文侦听模块的FPGA直接相连，FPGA通过硬件方式将报文长记录数据文件和报文异常记录数据文件直接写入硬盘，一级存储模块与录波处理模块的POWERPC芯片直接相连，POWERPC通过软件操作方式访问硬盘，POWERPC一方面向硬盘中写入暂态录波原始COMTRADE文件、无启动长录波COMTRADE文件，实现数据的一级存储；另一方面从硬盘中读取各种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、二级存储模块，其中：          

逻辑处理模块由32位ARM芯片（配合实时多任务LINUX操作***）、四个100M速率的前端通信HDLC接口和两个100M速率的站控层通信HDLC接口构成，在逻辑处理模块内部ARM芯片分别直接和前端通信HDLC接口、站控层通信HDLC接口连接，ARM芯片经由通信接口实现各种通信交互，逻辑处理模块的四个前端通信HDLC接口可分别与四个采集单元直接连接，实现逻辑处理模块和采集单元之间的数据交互，

逻辑处理模块的两个站控层HDLC接口对外直接连接到站控层，实现逻辑处理模块与站控层之间基于MMS报文的通信交互，逻辑处理模块的ARM芯片与二级存储模块连接，实现硬盘数据访问，二级存储模块与逻辑处理模块的ARM芯片直接相连，ARM通过软件操作方式访问硬盘。

所述COMTRADE分文件步骤：

第一步：在装置进入运行期间，发生一次***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。

由于数据记录分析装置，主要包括采集单元和管理单元，其中：采集单元是数据记录装置的前端设备，完成网络报文的采集、在线分析、数据一级存储功能，实现报文长记录、无启动长录波、暂态录波和异常报文记录等应用功能，其中暂态录波仅实现COMTRADE原始文件记录，采集单元与管理单元相连，实时主动上送在线分析结果标识到管理单元，同时根据管理单元的要求上传各种数据记录文件。管理单元是数据记录装置的后端设备，实现装置的参数和配置管理，离线分析、数据二级存储等功能，同时还提供站控层高级应用数据访问的接口，一个管理单元可连接多个采集单元，获取采集单元主动上送的在线分析结果标识、读取采集单元中的数据记录文件，管理单元中采用COMTRADE文件扩展方法实现带有模型信息、具有完整语义的COMTRADE文件二级存储，COMTRADE文件扩展方法是装置实现关键功能的核心方法，采用该方法形成的COMTRADE文件不仅包含传统的录波数据信息，还包括故障简报信息、设备与录波通道关联关系的模型信息。该记录分析装置及COMTRADE分文件方法可提高设备集成度、简化变电站配置，记录统一时标、统一建模的原始报文和录波信息、支持关联检索，自动生成带有完整模型信息、具有语义的COMTRADE分文件，从而也为事故后自动故障分析、保护动作行为评价、按需调阅等高级应用功能的实现创造必要条件。

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。

具体实施方案

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所示，本实施例包括：本发明涉及的集成型数据记录分析装置，主要包括：采集单元和管理单元。其中：

采集单元是数据记录装置的前端设备，完成网络报文的采集、在线分析、数据一级存储功能，具体实现报文长记录、无启动长录波、暂态录波和异常报文记录等应用功能，其中暂态录波仅实现COMTRADE原始文件记录。采集单元与管理单元相连，实时主动上送在线分析结果标识到管理单元，同时根据管理单元的要求上传各种数据记录文件。

管理单元是数据记录装置的后端设备，实现装置的参数和配置管理，离线分析、数据二级存储等功能，同时还提供站控层高级应用数据访问的接口。一个管理单元可连接多个采集单元，获取采集单元主动上送的在线分析结果标识、读取采集单元中的数据记录文件。管理单元中采用COMTRADE文件扩展方法实现带有模型信息、具有完整语义的COMTRADE文件二级存储。COMTRADE文件扩展方法是装置实现关键功能的核心方法，采用该方法形成的COMTRADE文件不仅包含传统的录波数据信息，还包括故障简报信息、设备与录波通道关联关系的模型信息。

如图2所示，所述的采集单元包括：通信侦听模块、录波处理模块、一级存储模块。其中：

通信侦听模块主要由一个大规模FPGA子模块、四路HDLC通信接口和一路PCI通信接口构成，是采集单元的关键部件。通信侦听模块利用FPGA的并行、线速处理技术，采用硬件方式处理网络通信报文，分别实现报文在线分析功能、报文在线解析功能、报文在线记录功能。实现的报文在线分析功能包括：报文帧格式错误分析、统计各类报文流量、判别网络风暴等；实现的报文在线解析功能包括：解析、还原出原始采样点信息和开关量信息；报文在线记录功能包括异常报文记录和报文长记录。

在通信侦听模块内FPGA分别与HDLC接口、PCI通信接口直接相连，实现模块内数据交互。 

通信侦听模块的HDLC通信接口对外连接过程层、站控层网络，实现网络报文采集并交由FPGA处理。

通信侦听模块的PCI接口与录波处理模块的PCI接口相连，通过PCI总线方式实现两个模块间的通信，将FPGA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。

通信侦听模块的FPGA与一级存储模块直接相连，FPGA执行硬件底层操作直接实现异常报文记录文件和报文长记录文件的快速存储。

录波处理模块由一块高性能POWERPC芯片、一路HDLC通信接口以及一路PCI通信接口构成。录波处理模块利用POWERPC芯片的强大计算能力实现暂态录波和无启动长录波以及与管理单元通信功能。实现的暂态录波功能包括：***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；实现的无启动长录波功能包括：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；实现的与管理单元通信功能包括：主动上送采集单元各种状态标志、启动标志到管理单元；接收管理单元读取文件指令上送各种数据记录文件。

在录波处理模块内POWERPC直接与HDLC通信接口、PCI通信接口相连。

录波处理模块的PCI通信接口与通信侦听模块的PCI通信接口相连，通过PCI总线方式实现两个模块的通信。POWERPC芯片经由PCI接口获取通信侦听模块解析出的原始采样点、开关量信息以及报文异常标志。

录波处理模块的POWERPC芯片与一级存储模块相连，实现硬盘数据访问。POWERPC一方面向硬盘中写入暂态录波原始COMTRADE文件、无启动长录波COMTRADE文件，实现数据的一级存储；另一方面从硬盘中读取各种数据记录文件供外部访问。

录波处理模块的HDLC通信接口与管理单元中逻辑处理模块的前端通信HDLC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。一方面，POWERPC芯片向管理单元主动上送各种状态标志、暂态录波启动标志；另一方面，POWERPC芯片接受管理单元的文件读取指令、上送指定的数据记录文件。

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、无启动长录波和暂态录波等数据文件的一级存储。

一级存储模块与报文侦听模块的FPGA直接相连，FPGA通过硬件方式将报文长记录数据文件和报文异常记录数据文件直接写入硬盘。

一级存储模块与录波处理模块的POWERPC芯片直接相连，POWERPC通过软件操作方式访问硬盘。POWERPC一方面向硬盘中写入暂态录波原始COMTRADE文件、无启动长录波COMTRADE文件，实现数据的一级存储；另一方面从硬盘中读取各种数据记录文件供外部访问。

如图3所示，所述的管理单元包括：逻辑处理模块、二级存储模块。其中：

逻辑处理模块是管理单元的核心部件，由32位ARM芯片（配合实时多任务LINUX操作***）、四个100M速率的前端通信HDLC接口和两个100M速率的站控层通信HDLC接口构成。逻辑处理模块依赖ARM芯片实现设备管理、历史数据检索、离线分析、异常记录二级存储以及通信功能。实现的设备管理功能包括：参数维护、装置配置等；实现的历史数据检索功能包括：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；实现的离线分析功能包括：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；实现的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；通信功能包括：与采集单元之间的通信、与站控层设备的通信。

在逻辑处理模块内部ARM芯片分别直接和前端通信HDLC接口、站控层通信HDLC接口连接，ARM芯片经由通信接口实现各种通信交互。

逻辑处理模块的四个前端通信HDLC接口可分别与四个采集单元直接连接（当采集单元数目较多时可通过交换机实现连接），实现逻辑处理模块和采集单元之间的数据交互。一方面，逻辑处理模块可接收采集单元主动上送的各种状态标志、暂态录波启动标志；另一方面，逻辑处理模块下达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。

逻辑处理模块的两个站控层HDLC接口对外直接连接到站控层，实现逻辑处理模块与站控层之间基于MMS报文的通信交互。

逻辑处理模块的ARM芯片与二级存储模块连接，实现硬盘数据访问。在一次暂态录波时，ARM向硬盘中写入暂态录波COMTRADE分文件以及关联的异常报文记录，实现暂态录波分文件和异常报文记录的二级存储；有应用需要调阅暂态录波文件或异常报文记录文件时，从硬盘中读出指定的记录文件。

二级级存储模块采用1G容量的磁盘阵列存储器，实现异常报文记录和暂态录波等数据文件的二级存储。

二级存储模块与逻辑处理模块的ARM芯片直接相连，ARM通过软件操作方式访问硬盘。一方面向硬盘中写入暂态录波COMTRADE分文件、异常报文记录文件，实现数据的二级存储；另一方面从硬盘中读取各种数据记录文件供外部访问。

逻辑处理模块中采用了COMTRADE文件扩展方法，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、动作信号等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（故障分析结果信息），故障简报信息针对一个具体的故障元件，包括：故障元件、故障类型、故障时间、故障相别、故障测距以及相关断路器位置状态和相关保护动作、联闭锁信号状态等信息。

上述所有与设备有关的关联关系全部采用61850标准中的参引表达。

设备信息模型的获取方法说明：装置配置阶段导入全站SCD文件，抽取其中的设备描述信息，结合数据记录装置录波通道配置信息即可形成全站设备信息模型文件。针对一个故障元件，可以从全站设备信息模型文件中提取出对应的故障元件设备信息模型文件。

COMTRADE分文件方法步骤：

第一步：在装置进入运行期间，发生一次***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。

经过实际运用，运行在某个现场的集成型数据记录分析装置采用了本方法提出的硬件架构和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，本方法设计的数据记录分析装置，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 (4)

1.一种集成型数据记录分析装置，其特征在于：所述的记录分析装置主要包括：采集单元和管理单元；其中采集单元是数据记录装置的前端设备，完成网络报文的采集、在线分析、数据一级存储功能，管理单元是数据记录装置的后端设备，实现装置的参数和配置管理，离线分析、数据二级存储等功能，同时还提供站控层高级应用数据访问的接口。

2.根据权利要求1 所述的采集单元包括：通信侦听模块、录波处理模块、一级存储模块；其中：通信侦听模块主要由一个大规模FPGA子模块、四路HDLC通信接口和一路PCI通信接口构成，在通信侦听模块内FPGA分别与HDLC接口、PCI通信接口直接相连，实现模块内数据交互；通信侦听模块的HDLC通信接口对外连接过程层、站控层网络，实现网络报文采集并交由FPGA处理，通信侦听模块的PCI接口与录波处理模块的PCI接口相连，通过PCI总线方式实现两个模块间的通信，将FPGA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；通信侦听模块的FPGA与一级存储模块直接相连，FPGA执行硬件底层操作直接实现异常报文记录文件和报文长记录文件的快速存储，在录波处理模块内POWERPC直接与HDLC通信接口、PCI通信接口相连，录波处理模块的POWERPC芯片与一级存储模块相连，实现硬盘数据访问；录波处理模块的HDLC通信接口与管理单元中逻辑处理模块的前端通信HDLC接口相连，实现采集单元和管理单元之间的数据交互；一级存储模块与报文侦听模块的FPGA直接相连，FPGA通过硬件方式将报文长记录数据文件和报文异常记录数据文件直接写入硬盘，一级存储模块与录波处理模块的POWERPC芯片直接相连，POWERPC通过软件操作方式访问硬盘，POWERPC一方面向硬盘中写入暂态录波原始COMTRADE文件、无启动长录波COMTRADE文件，实现数据的一级存储；另一方面从硬盘中读取各种数据记录文件供外部访问。

3.根据权利要求1 所述的管理单元包括：逻辑处理模块、二级存储模块；其中逻辑处理模块由32位ARM芯片（配合实时多任务LINUX操作***）、四个100M速率的前端通信HDLC接口和两个100M速率的站控层通信HDLC接口构成，在逻辑处理模块内部ARM芯片分别直接和前端通信HDLC接口、站控层通信HDLC接口连接，ARM芯片经由通信接口实现各种通信交互；逻辑处理模块的四个前端通信HDLC接口可分别与四个采集单元直接连接，实现逻辑处理模块和采集单元之间的数据交互；逻辑处理模块的两个站控层HDLC接口对外直接连接到站控层，实现逻辑处理模块与站控层之间基于MMS报文的通信交互；逻辑处理模块的ARM芯片与二级存储模块连接，实现硬盘数据访问，二级存储模块与逻辑处理模块的ARM芯片直接相连，ARM通过软件操作方式访问硬盘。

4.一种COMTRADE分文件方法，其特征在于：步骤为：

第一步：在装置进入运行期间，发生一次***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。

Images