故障錄波數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

故障錄波數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)沈會(huì)斌(北京中恒博瑞數(shù)字電力科技有限公司，北京)摘要：本文闡述了故障錄波數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。通過分析電力系統(tǒng)錄波數(shù)據(jù)特征，以面向?qū)ο蟮姆椒▽︿洸〝?shù)據(jù)進(jìn)行抽象歸類，提出了開發(fā)錄波數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的具體內(nèi)核設(shè)計(jì)框架，并借助BorlandC++Builder予以實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)后的軟件系統(tǒng)已成功應(yīng)用在DR6000系統(tǒng)中。關(guān)鍵詞：錄波數(shù)據(jù)分析；面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)；C++標(biāo)準(zhǔn)模板庫STL；C++類設(shè)計(jì)；繼承與多態(tài)；軟件分層。引言在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中,故障錄波器正得到越來越廣泛的應(yīng)用。故障錄波器監(jiān)視電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況，錄波數(shù)據(jù)和波形圖為現(xiàn)場技術(shù)工作人員正確地分析事故原因、研究反事故對策、處理事故、評價(jià)繼電保護(hù)功能和裝置運(yùn)行狀況提供了正確可靠的依據(jù)。同時(shí),根據(jù)錄波數(shù)據(jù)還可分析系統(tǒng)的故障參數(shù)、諧波含量、各種電氣量的變化規(guī)律、故障點(diǎn)定位及系統(tǒng)元件參數(shù)測量。故障錄波系統(tǒng)對保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行起著十分顯著的作用,它已成為電力系統(tǒng)自動(dòng)化控制與管理的重要組成部分。我公司自主研發(fā)的錄波器，經(jīng)歷過幾代的發(fā)展，已經(jīng)從最初的單片機(jī)發(fā)展成為高性能的DSP處理平臺(tái)，在這個(gè)過程中，故障錄波數(shù)據(jù)分析一直是非常重要的環(huán)節(jié)，因此，有必要設(shè)計(jì)出性能穩(wěn)定，兼容性強(qiáng)且界面人性化的一種比較通用的故障錄波數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。本文研究的主題是故障錄波數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法：從抽象對象的屬性而構(gòu)造出合適的數(shù)據(jù)層次和相關(guān)的支持類入手，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，充分應(yīng)用BorlandC++Builder提供的所見即所得的開發(fā)方式，設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)定、重用維護(hù)靈活和易于群組開發(fā)的通用分析軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)2．1功能需求故障錄波數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)用來對故障錄波設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析。軟件采用的記錄數(shù)據(jù)文件為標(biāo)準(zhǔn)Comtrade格式，因此對所有的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件均可利用該分析系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析。其基本功能需求簡述如下：具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析解析功能，兼容符合Comtrade文件格式的所有錄波器廠家的數(shù)據(jù)文件。需要有方便靈活的錄波處理能力。能顯示標(biāo)準(zhǔn)Comtrade文件的模擬波形、開關(guān)量波形、諧波波形、頻率波形。可以有針對性有選擇的顯示相關(guān)通道的波形。

為了方便用戶分析波形，需要同軸重疊顯示和分軸并列顯示兩種方式，并且可以任意在橫向和縱向縮放波形，。為了解決數(shù)值差別較大的問題，各通道波形可以縱向獨(dú)立縮放。可與波形同步列表顯示模擬量的當(dāng)前有效值、采樣值、相位值以及最大值和最小值?？娠@示諧波波形的當(dāng)前值、諧波含量、幅值和幅角，并可選擇顯示諧波次數(shù)和顯示顏色。

具備完善的分析功能，如矢量計(jì)算、單端測距、差流計(jì)算、功率計(jì)算和序分量計(jì)算等，可以幫助用戶迅速確定故障，以及分析電網(wǎng)運(yùn)行情況。具備打印功能，以方便打印波形圖和故障報(bào)表。具備故障數(shù)據(jù)分類查詢功能，可以讓用戶方便快捷的從大量數(shù)據(jù)文件中找到自己需要的數(shù)據(jù)。2．2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)包括波形分析、波形操作、數(shù)據(jù)分析和打印功能4個(gè)主要模塊。每個(gè)模塊都包括數(shù)個(gè)子模塊，用于實(shí)現(xiàn)單個(gè)的功能點(diǎn)。系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)如圖示：2．3設(shè)計(jì)原則標(biāo)準(zhǔn)C++模板庫STL的應(yīng)用，可以高效的維護(hù)故障錄波數(shù)據(jù)序列，自動(dòng)分配和釋放數(shù)據(jù)所占據(jù)的內(nèi)存空間。1BorlandC++Builder編譯器所見即所得的開發(fā)方式，可以比較方便的設(shè)計(jì)出故障錄波數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的界面。2充分應(yīng)用C++面向?qū)ο蟮木幊虣C(jī)制：類封裝，類繼承和C++的多態(tài)性。3保證了軟件系統(tǒng)的健壯與穩(wěn)定性，同時(shí)，由于使用了比較規(guī)范的類封裝，在最初設(shè)計(jì)的CWaveDraw基類也被成功的應(yīng)用到本公司的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)分析軟件及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析模塊，具備了很好的代碼移植的特性。保證了本公司故障錄波器的各相關(guān)軟件界面的和諧統(tǒng)一。極大的縮短了軟件的開發(fā)時(shí)間。應(yīng)用軟件分層技術(shù)，不僅可以明確和突出各組成部分的功能和拓?fù)潢P(guān)系，而且對于縮短軟件開發(fā)周期，增強(qiáng)軟件維護(hù)的靈活性，限制代碼錯(cuò)誤的發(fā)作范圍，加快系統(tǒng)調(diào)試進(jìn)程，也是十分必要的。42．4數(shù)據(jù)抽象在軟件開發(fā)中，針對具體數(shù)據(jù)的抽象化是其中非常重要的環(huán)節(jié)。在本文所研究的錄波數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中，根據(jù)電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)特征，比較關(guān)鍵的數(shù)據(jù)抽象有以下幾個(gè)方面：模擬量通道的波形數(shù)據(jù)抽象（WAVE）：主要用于描述繪制模擬量的波形時(shí)的相關(guān)屬性。在此數(shù)據(jù)抽象中，根據(jù)C++類的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)賦予了外界對它進(jìn)行控制的一些方法和屬性，以便方便的對此數(shù)據(jù)抽象進(jìn)行定義或者操作。由于使用了STL，所以可以自由的往里面添加采樣數(shù)據(jù)值，數(shù)據(jù)序列的內(nèi)存維護(hù)由STL自身來完成，減少了內(nèi)存分配與釋放的瑣碎處理。主要的數(shù)據(jù)屬性定義如下所示：vector<float>Data用于保存某通道的所有采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)intLen用于保存某通道采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)TColorColor模擬量通道繪制時(shí)的顏色floatScale繪制此通道波形時(shí)縱向比例系數(shù)intiWaveWidth此波形通道占據(jù)的繪制寬度intiWavePosition;此波形通道在界面上占據(jù)的位置floatMax通道最大值floatMin通道最小值開關(guān)量通道的波形數(shù)據(jù)抽象（KGWAVE）：主要用于描述繪制開關(guān)量的波形時(shí)的相關(guān)屬性。由于開關(guān)量自身的狀態(tài)只有開與合兩種，為了節(jié)省內(nèi)存空間，用一位來表示一組開關(guān)量的狀態(tài)。定義WORD來存儲(chǔ)開關(guān)量狀態(tài)，16個(gè)通道為一組。：vector<WORD>Data用于保存16個(gè)開關(guān)量通道的狀態(tài)，取值時(shí)通過通道的數(shù)據(jù)偏移位置來指定。intLen用于保存開關(guān)量道采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)TColorColor[16]本組開關(guān)量通道繪制時(shí)的顏色模擬量通道對應(yīng)的屬性定義（SIMUCHANEL），它描述了模擬量通道的特征，成員包括通道標(biāo)識符，通道名稱，通道相位，通道單位，通道比例系數(shù)，通道最大值，通道最小值。大部分與標(biāo)準(zhǔn)Comtrade文件中的定義保持一致。開關(guān)量通道對應(yīng)的屬性定義（KGCHANEL），它描述了開關(guān)量通道的特征，成員包括通道標(biāo)識符，通道名稱，通道的常態(tài)等。采樣段屬性定義（RATE），它描述了Comtrade文件當(dāng)中各個(gè)采樣段的點(diǎn)數(shù)，采樣率。2．5關(guān)鍵類定義本系統(tǒng)主要類圖定義及繼承關(guān)系說明：CComtrade類：此類主要用于解析Comtrade文件，即讀取Dat數(shù)據(jù)文件，模擬量及開關(guān)量數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在vector<WAVE>vSimuWaves和vector<KGWAVE>vKgWaves當(dāng)中；讀取Cfg配置文件，模擬量及開關(guān)量通道屬性分別存儲(chǔ)在vector<SIMUCHANEL>vSimuChanel和vector<KGCHANEL>vKgChanel中；其采樣段屬性存儲(chǔ)在vector<RATE>vRates當(dāng)中。CWaveDraw類：此類主要用于繪制開關(guān)量或者模擬量的波形曲線，里面包含了繪制波形曲線所需要的相關(guān)控件指針，如TImage（繪制波形），滾動(dòng)條（上下左右移動(dòng)波形），TListView（顯示當(dāng)前鼠標(biāo)單擊處的相關(guān)值）等，在主窗體程序中使用此類或者其子類時(shí)需要傳遞這些控件的指針。封裝了波形曲線的橫向和縱向比例放大，鼠標(biāo)單擊事件等所有波形曲線操作所涉及到的功能。同時(shí)，提供了許多的虛擬函數(shù)用于其子類的功能實(shí)現(xiàn)。由此類繪制的波形如下圖所示：CSimuParse類：此類繼承了CWaveDraw類所有的功能，同時(shí)自身主要通過全周傅氏算法5來分析計(jì)算各個(gè)模擬量通道的有效值，相角，重載了關(guān)于數(shù)據(jù)顯示的相關(guān)函數(shù)。CSwitchParse類：此類繼承了CWaveDraw類所有的功能，同時(shí)自身主要用于分析計(jì)算各個(gè)開關(guān)量通道的當(dāng)前位置并繪制開關(guān)量波形曲線。CXieBoParse類：此類繼承了CWaveDraw類所有的功能，同時(shí)自身主要用于計(jì)算某個(gè)模擬量通道的各次諧波值，最高可以計(jì)算的諧波次數(shù)可以配置，只受故障錄波裝置最高采樣率的限制。系統(tǒng)特點(diǎn)按上所述思想創(chuàng)建的故障錄波數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，具有以下顯著優(yōu)勢和特點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次分明，有利于群組開發(fā)。將數(shù)據(jù)層同表示層分開，各層通過內(nèi)存中的STL結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)交互信息，模塊區(qū)分更明顯，各部分可專注于自身功能的實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)層可專注于數(shù)據(jù)的讀取、管理、存儲(chǔ)、計(jì)算等，而表示層可專注于數(shù)據(jù)的波形顯示、數(shù)據(jù)信息的顯示、波形的移動(dòng)縮放、波形表示特征的設(shè)置、多功能打印等等。通用性強(qiáng)，能充分發(fā)揮面向?qū)ο竽K重用機(jī)制，只需做簡單的數(shù)據(jù)接口，就能處理各種類型的錄波數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)通道的處理不受限制，只是根據(jù)配置文件中通道的數(shù)量來動(dòng)態(tài)的生成所有的數(shù)據(jù)組合。樣式套用十分方便。對于經(jīng)常處理的同類型的錄波數(shù)據(jù)，反復(fù)設(shè)置其顯示屬性，是費(fèi)時(shí)又費(fèi)力的事情。而根據(jù)CWaveDraw基類來生成各相應(yīng)子類，由子類來完成數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，可以簡化開發(fā)過程，保證界面統(tǒng)一。在本公司的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析模塊與穩(wěn)態(tài)錄波數(shù)據(jù)分析程序中也成功使用了CWaveDraw這一波形繪制的基類，充分驗(yàn)證了這一思想。系統(tǒng)運(yùn)行的主界面如下：應(yīng)用與結(jié)論本文提出的設(shè)計(jì)思想已經(jīng)成功應(yīng)用于本公司的Dr750及DR6000系列故障錄波器離線數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，成為我公司故障錄波器后臺(tái)軟件的重要組成部分之一。開發(fā)和實(shí)踐表明，充分利用標(biāo)準(zhǔn)C++模板庫STL和面向?qū)ο蟮拈_發(fā)思想，再結(jié)合BorlandC++Builder所見即所得的開發(fā)平臺(tái)，可以極大的減化開發(fā)過程，提高程序穩(wěn)定性，使縮短開發(fā)周期和快速響應(yīng)用戶要求成為可能。參考文獻(xiàn)：1NicolaiM.JosuttisThe