一種電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換文件生成方案

程 立 李少卿 李德文 朱何榮 熊慕文

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,企業(yè)社會(huì)對(duì)電力的需求越來(lái)越旺盛，電網(wǎng)規(guī)模越來(lái)越大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，負(fù)荷用戶類型也越來(lái)越多。很多大型煉鋼廠、鍛造廠、電氣化鐵路出力特性不明顯、波動(dòng)性大[1]，容易產(chǎn)生諧波、間諧波，造成電壓不穩(wěn)定，電網(wǎng)電能質(zhì)量下降。另一方面，風(fēng)電、光伏等新能源[2]不斷投入，這些新能源具有易受氣候條件影響、出力不穩(wěn)定、波動(dòng)范圍廣、間歇性較強(qiáng)的特點(diǎn)，也會(huì)為電網(wǎng)帶來(lái)諧波含量增加、電壓閃變等問(wèn)題，從而影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

從電網(wǎng)角度來(lái)講，電網(wǎng)公司對(duì)提高供電水平格外重視，在電網(wǎng)的某些關(guān)鍵點(diǎn)，如風(fēng)電、光伏等新能源站、直流換流站、重要負(fù)荷點(diǎn)會(huì)安裝電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端，實(shí)時(shí)監(jiān)視電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，并加以改善。從用戶角度來(lái)講，隨著精密加工企業(yè)越來(lái)越多，這些企業(yè)生產(chǎn)精密機(jī)床、高科技芯片等，電壓暫升暫降都會(huì)導(dǎo)致次品率躍升而蒙受損失，因此這些企業(yè)額外重視電能質(zhì)量。在這些企業(yè)中，購(gòu)買安裝電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端往往是自發(fā)行為，它們更多地是監(jiān)視電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，作為電網(wǎng)對(duì)生產(chǎn)線造成影響而索賠的依據(jù)。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)所形成的數(shù)據(jù)對(duì)于電網(wǎng)和用戶來(lái)說(shuō)都很重要。電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換文件PQDIF[3]是電能質(zhì)量存儲(chǔ)管理的標(biāo)準(zhǔn)格式文件，不僅可以定時(shí)存儲(chǔ)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)（如10min數(shù)據(jù)），而且可以存儲(chǔ)暫態(tài)事件（如電壓暫升/暫降等）數(shù)據(jù)。根據(jù)IEC 61000-4-30[4]標(biāo)準(zhǔn)，PQDIF的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)基于10周波數(shù)據(jù)，而10周波數(shù)據(jù)的計(jì)算都是在實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的 DSP單元完成，而PQDIF的存儲(chǔ)往往依賴文件系統(tǒng)，在非實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)中生成。10周波數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性太強(qiáng)，傳統(tǒng)的方法都是在操作系統(tǒng)中用150周波數(shù)據(jù)替代而進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這明顯違背了IEC 61000-4-30規(guī)定的測(cè)量方法原則。

本文在深入研究電能質(zhì)量終端架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了一種電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換文件生成方案。該方案完全遵守IEC 61000-4-30測(cè)量方法原則，采用10周波數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，快速正確地生成電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換文件。通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)試方法，驗(yàn)證了本文所提出方法的有效性和正確性。

1 PQDIF文件簡(jiǎn)介

為了統(tǒng)一電能質(zhì)量數(shù)據(jù)文件的格式，在20世紀(jì)90年代IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)起草了IEEE 1159.3[5]標(biāo)準(zhǔn)文件，采用了一種電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換格式（power quality data interchange format, PQDIF）。此文件格式最早由美國(guó)電力科學(xué)研究院提出。此草案統(tǒng)一了電能質(zhì)量文件格式，給出了相關(guān)術(shù)語(yǔ)、定義和指導(dǎo)方針，解決了不同廠家數(shù)據(jù)的可交換性問(wèn)題。

PQDIF文件分為兩個(gè)視圖，即物理層和邏輯層。物理層只負(fù)責(zé)文件的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與定義，不關(guān)心存儲(chǔ)的內(nèi)容。文件存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)類似于鏈表結(jié)構(gòu)，Record之間相互鏈接，如圖1所示。圖1（a）是鏈表結(jié)構(gòu)按序存儲(chǔ)，圖1（b）是鏈表結(jié)構(gòu)跳躍式存儲(chǔ)，兩者都符合物理層的存儲(chǔ)要求。

在物理層中，每個(gè)Record包含header和body結(jié)構(gòu)，其中 header概要描述 body存儲(chǔ)信息，body包含文件詳細(xì)內(nèi)容（body可采用 zlib壓縮格式），如圖2所示。

圖1 PQDIF物理層

圖2 header和body結(jié)構(gòu)

邏輯層只關(guān)心文件的內(nèi)容，分為 Container、DataSource、MonitorSetting、Observation幾個(gè)類型，典型的邏輯層表示如圖3所示，Container包含若干DataSource，DataSource包含若干MonitorSetting和Observation。

圖3 PQDIF邏輯層

從物理層來(lái)看，各個(gè)Record是平行結(jié)構(gòu)，沒(méi)有層次關(guān)系，但從邏輯層來(lái)看，各個(gè)Record之間存在層次關(guān)系。DataSource與Observation的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

圖4 DataSource與Observation

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文實(shí)現(xiàn)方案采用嵌入式裝置[6]，硬件架構(gòu)為CPU+DSP。CPU采用 Linux[7]操作系統(tǒng)，除了板卡管理外，還負(fù)責(zé)PQDIF文件管理工作。DSP采用中斷方式，除了基本電壓/電流、諧波/間諧波、波動(dòng)和閃變[8]等計(jì)算模塊外，還負(fù)責(zé)PQDIF的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)生成。CPU與DSP之間通過(guò)HTM總線交互數(shù)據(jù)，總線速率可達(dá)到320Mbps。

DSP中包含統(tǒng)計(jì)模塊、傳輸模塊；CPU中包含接收模塊、文件生成模塊、文件管理模塊。統(tǒng)計(jì)模塊生成數(shù)據(jù)后，通過(guò)HTM分時(shí)傳輸?shù)紺PU，CPU接收模塊從HTM驅(qū)動(dòng)讀出后，push到共享內(nèi)存。文件生成模塊從共享內(nèi)存pop出數(shù)據(jù)，生成PQDIF文件，最后文件管理模塊對(duì)文件進(jìn)行存儲(chǔ)及管理并提供接口給IEC 61850[9-10]、LCD及其他APP。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 統(tǒng)計(jì)模塊

按照IEC 61000-4-30 A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，每10個(gè)周波計(jì)算一個(gè)值，15個(gè) 10周波值做均方根，每到一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期（如10min），將時(shí)間窗重新對(duì)齊，中間不允許丟點(diǎn)，如圖6所示。

圖6 IEC 61000-4-30A級(jí)數(shù)據(jù)窗

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分為4種，即最大值、最小值、平均值、95%值。最大值、最小值、平均值含義比較明確。95%值含義是指將計(jì)算的點(diǎn)按從大到小的順序排列，去掉5%最大值，剩下中最大的即為95%值。舉個(gè)例子：100到1是100個(gè)數(shù)字，減去5%的最大值，即剩余 95～1共 95個(gè)數(shù)字，那么 95%值就是95（剩余最大值）。IEC標(biāo)準(zhǔn)取95%意指時(shí)間，即觀測(cè)點(diǎn)的評(píng)估指標(biāo)應(yīng)在95%的時(shí)間內(nèi)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

這4種統(tǒng)計(jì)值都基于10周波數(shù)據(jù)，考慮到實(shí)時(shí)性，因此要放在DSP的實(shí)時(shí)中斷計(jì)算。在本算法實(shí)現(xiàn)中，統(tǒng)計(jì)模塊Statis拉取MMXU、MSQI、MHAI模塊的指針，如圖7所示。

計(jì)算中斷為50ms，因?yàn)槊?0周波計(jì)算一個(gè)數(shù)據(jù)，所以 50ms中斷不是每次都能刷到新數(shù)據(jù)。MMXU/MHAI/MSQI分別提供一個(gè) cycle10的計(jì)數(shù)器，在10周波計(jì)算完成后該計(jì)數(shù)器加一。在Statis模塊檢測(cè)到cycle10計(jì)數(shù)器變化后，對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。最大值、最小值可以直接比較得出；平均值首先要計(jì)算累加和，等到統(tǒng)計(jì)周期結(jié)束后再進(jìn)行平均計(jì)算；95%值需要將數(shù)據(jù)緩存下來(lái)，在統(tǒng)計(jì)周期結(jié)束后采用排序方法進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算 95%值，按照 10周波一個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn) 4字節(jié) float存儲(chǔ)，10min統(tǒng)計(jì)出結(jié)果，那么就需要4× 1 0× 6 0 ÷ 0 .2 = 1 2000字節(jié)，很耗費(fèi)空間。這里采用一個(gè)反向方法，只選取最大的5%大值，這樣存儲(chǔ)空間就降到12000× 5 % = 6 00字節(jié)，空間節(jié)省 95%。C代碼片段如下所示。shell_sort按照升序排列，最終的cpf95_vec[0]就是95%值。

圖7 Statis統(tǒng)計(jì)模塊

2.3 傳輸模塊

統(tǒng)計(jì)模塊生成數(shù)據(jù)后，要設(shè)法傳輸?shù)紺PU板，因此必須設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道。本方案 CPU和DSP[11]間通過(guò)HTM總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。由于還有其他應(yīng)用數(shù)據(jù)也通過(guò) HTM 傳輸，留給統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挷⒉淮?，因此要設(shè)計(jì)一種交換協(xié)議分時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本文采用的數(shù)據(jù)協(xié)議如下：

按照間隔1, 2, …, N的順序，每個(gè)間隔內(nèi)按照MMXU、MHAI、MSQI的時(shí)序傳輸，合理分配帶寬，確保在一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期（如 10min）內(nèi)將數(shù)據(jù)傳輸完畢，每個(gè)50ms中斷傳輸數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)M計(jì)算公式如下：

時(shí)序如圖8所示。

圖8 傳輸時(shí)序圖

2.4 接收模塊

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)通過(guò)HTM總線傳輸至CPU板卡之后，由HTM驅(qū)動(dòng)模塊接收并且緩存。由于HTM驅(qū)動(dòng)緩存較小，所以要及時(shí)讀取出來(lái)，否則緩存塞滿后就會(huì)丟失數(shù)據(jù)。在 Linux操作系統(tǒng)側(cè)，通過(guò)共享內(nèi)存生成一個(gè)隊(duì)列長(zhǎng)度256，每個(gè)隊(duì)列1KB的環(huán)形緩沖區(qū)，在1.25ms中斷讀取HTM數(shù)據(jù)并拷貝至環(huán)形緩沖區(qū)，由另外一個(gè)獨(dú)立的文件生成線程讀取數(shù)據(jù)，如圖9所示。

圖9 接收及生成模塊

2.5 文件生成模塊

在圖9中，采用獨(dú)立線程每3s批量讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的PQDIF生成模板，將數(shù)據(jù)組織生成文件。本文采用的PQDIF模板如下。

ChannelDef

?Voltage of A/B/C //三相電壓幅值

?Current of A/B/C //三相電流幅值

?Phase Angle of Voltage A/B/C //三相電壓相角

?Phase Angle of Current A/B/C //三相電流相角

?Unbalance of Voltage/Current //電壓電流不平衡度

?Positive/Negative/ZeroSequence of Voltage//電壓正負(fù)零序

?Positive/Negative/ZeroSequence of Current//電流正負(fù)零序

?THD of Voltage VA/VB/VC //三相電壓總畸變率

?HR of Voltage VA/VB/VC //三相電壓諧波含有率

?HRof Current IA/IB/IC //三相電流諧波含有率

?Real Power of the total/A/B/C //總及三相有功

?Active Power of the total/A/B/C //總及三相無(wú)功

?Apparent Power of the total/A/B/C //總及三相視在功率

?True Power Factor of the total/A/B/C //總及三相功率因素

?Phase Angle of Power Factor A/B/C //三相相角

?Real Power of Fundamental Frequency of the total/A/B/C //基波總及三相有功

?Acitve Power of Fundamental Frequency of the total/A/B/C //基波總及三相無(wú)功

?Apparent Power of Fundamental Frequency of the total/A/B/C //基波總及三相視在功率

?Power of Harmonic Frequency of the total/ A/B/C //總及三相諧波功率

由于PQDIF的物理層相當(dāng)于鏈表結(jié)構(gòu)，鏈表結(jié)構(gòu)在文件系統(tǒng)中操作難度較大。因此，IEEE 1159.3推薦了一種很巧妙的方法，利用內(nèi)存方式生成相應(yīng)的鏈表結(jié)構(gòu)，記錄下每個(gè)塊之間的內(nèi)存偏移（相當(dāng)于文件中鏈表的下一個(gè)塊），這種內(nèi)存方式比文件系統(tǒng)易于操作，而且要靈活的多。由于整個(gè)PQDIF文件存儲(chǔ)內(nèi)容較多，整個(gè)塊頭可能比較大，因此需要分段采用內(nèi)存鏈表結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)，每存儲(chǔ)一個(gè)段就釋放內(nèi)存，下一個(gè)段再重新利用這塊內(nèi)存，這樣可以減小內(nèi)存塊，減輕內(nèi)存資源壓力。文件體采用壓縮格式存儲(chǔ)時(shí)也可以預(yù)先在內(nèi)存中用zlib庫(kù)壓縮好后，再寫(xiě)入文件中，C代碼片斷如下。

2.6 文件管理模塊

PQDIF文件生成后采用 MySQL[12]開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。MySQL是由瑞典MySQL AB公司開(kāi)發(fā)的一款關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，后來(lái)被Oracle公司收購(gòu)。在嵌入式操作系統(tǒng)Linux中，MySQL應(yīng)用十分廣泛。文件管理模塊設(shè)計(jì)如圖10所示，由PQDIF_SERVER主進(jìn)程和insert_thread、query_thread、del_thread三個(gè)線程組成。PQDIF_SERVER主進(jìn)程初始化MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，完成數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及關(guān)鍵字的建立。insert_thread功能為：當(dāng)有新的PQDIF文件生成時(shí)，存儲(chǔ)進(jìn)特定目錄，按照間隔+時(shí)間日期關(guān)鍵字存入MySQL表結(jié)構(gòu)；query_thread功能為：為IEC 61850、LCD和其他APP提供同步和異步兩種接口，可以按照間隔+時(shí)間關(guān)鍵字的方式檢索信息，提供返回文件路徑接口。del_thread功能：定期檢測(cè)表結(jié)構(gòu)及磁盤(pán)大小，按照時(shí)間順序刪除掉最老文件，同時(shí)也刪除相應(yīng)的表結(jié)構(gòu)信息。

圖10 文件管理模塊

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文對(duì)提出的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換文件方案做了測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)試平臺(tái)硬件：CPU為PPC，主頻800MHz；DSP為T(mén)I芯片，主頻1GHz；內(nèi)存1G；SD卡為32G；操作系統(tǒng)為L(zhǎng)inux。選擇電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)如下：10%Un、150%Un，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)持續(xù) 20個(gè)周波，總共持續(xù)15min，查看PQDIF文件數(shù)據(jù)結(jié)果，見(jiàn)表1。測(cè)試結(jié)果小于標(biāo)準(zhǔn)要求精度0.2%Un，滿足工程應(yīng)用需求。

表1 測(cè)試結(jié)果摘錄

4 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行

采用本文方案研發(fā)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端已在安徽六合光伏、四川宜賓農(nóng)網(wǎng)及重慶鋁廠等項(xiàng)目中成功運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)終端采用 51.2K/s的模擬采樣，通過(guò)交換機(jī)接入路由設(shè)備，通過(guò)綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)上送到主站系統(tǒng)，規(guī)約采用IEC 61850。PQDIF文件既可通過(guò)IEC 61850的文件服務(wù)上送主站，又可通過(guò)終端本身自帶的USB進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝。組網(wǎng)方式如圖11所示。

工程項(xiàng)目自投運(yùn)以來(lái)，采用該方案實(shí)現(xiàn)的終端運(yùn)行穩(wěn)定可靠，采集和生成了大量電能質(zhì)量PQDIF數(shù)據(jù)文件，為當(dāng)?shù)仉娏Σ块T(mén)分析電網(wǎng)狀態(tài)、實(shí)施有效合理的治理措施提供了大量詳實(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖11 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

本文提出了電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換文件的生成方案，并且成功地應(yīng)用在電能質(zhì)量終端的研發(fā)上。該方案嚴(yán)格遵守IEC 61000-4-30的測(cè)量方法，采用10周波數(shù)據(jù)，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)與非實(shí)時(shí)系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送生成PQDIF文件。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案生成結(jié)果可靠正確。本文提出方案研發(fā)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端已經(jīng)被成功應(yīng)用在安徽、四川及重慶等地，為用戶提供了大量詳實(shí)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，幫助用戶分析電網(wǎng)狀態(tài)，為科學(xué)決策電能質(zhì)量治理問(wèn)題提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)依據(jù)。