刘 颖， 李欣然

(湖南大学电气与信息工程学院， 长沙 410082)

综合负荷建模的故障录波数据预处理方法①

刘 颖， 李欣然

(湖南大学电气与信息工程学院， 长沙 410082)

总体测辨法是综合负荷建模的主要方法，但仍面临着实测数据来源少的难题，把电力故障录波数据应用于总体测辨法负荷建模将具有重要的现实工程意义。针对目前基于IEEE COMTRADE标准的故障录波数据文件难以直接应用于总体测辨法建模的现状，提出了一套对COMTRADE标准数据源文件进行预处理的方法。此方法由四个子模块组成，对源数据进行整合、筛选、频率规范化和基波正序提取等运算。文中阐述各子模块的实现原理和方法。预处理过程已在Visual C++.NET开发环境下实现，应用结果表明所得数据能够满足综合负荷总体测辨建模的需要。

电力系统； 综合负荷； 负荷建模； 总体测辨法； 故障录波数据； 预处理

随着系统辨识理论的日趋丰富与完善以及计算机采集与处理数据技术的发展，总体测辨负荷建模方法以其简单、实用、数据直接来源于实际系统等多种优点而受到了广泛关注，并取得了一系列理论与工程应用成果[1～6]。

采用总体测辨法建立负荷模型离不开大量的 现场实测数据，但实测数据的来源却非常有限。而采用来自各变电站故障录波装置并精确记录下了电力系统扰动时电压、电流瞬时值的故障录波数据作为实测数据样本为解决这个难题提供了一个可行的方向。

目前，大量的研究已经证明了故障录波数据应用在基于总体测辨法的动态负荷建模中的可行性和合理性[7]。然而，由于故障录波数据构成的特殊性，以及处理的复杂性，使得基于COMTRADE标准(IEEE standard common format for transient data exchange for power systems，即：电力系统暂态数据交换共用格式)的故障录波数据在负荷建模中的应用研究还未深入地展开。过去对故障录波数据的处理分析主要局限于用其作为电力系统故障分析、保护动作评价的依据[8～13]，而很少涉及将其应用于负荷建模这个领域。随着电力系统分析研究不断向纵深发展，负荷建模研究工作的重要性日益突出，对电力系统的故障录波数据特性进行全面深入的研究，以得到能用于在线实时负荷建模的有效故障录波数据，用其进行负荷模型的建立和校正，无疑具有重要的工程意义和现实意义。

本文在深入研究基于COMTRADE标准的故障录波数据的前提下，提出将COMTRADE标准的故障录波数据转换为可用于总体测辨建模的有效数据的一系列预处理方法，并具体阐述了预处理方法实现的主要步骤和过程。此方法已通过Visual C++编程语言得以成功实现，能够为总体测辨建模提供准确的数据来源。

1 基于IEEE COMTRADE标准的数据源文件

COMTRADE是依据电力系统故障动态记录技术准则记录的IEEE标准电力系统暂态数据交换通用格式。该格式意欲提供一种易于说明的数据交换通用格式，以便于利用各种设备进行自动分析、试验、计算和系统仿真，或在故障、扰动条件下进行保护方案的验证，实现不同装置之间的数据交换。IEEE于1991年提出，并于1999进行了修订和完善。

1.1COMTRADE文件组成

每个COMTRADE记录都有一组最多4个与其相关的文件，4个文件中的每一个都具有一个不同的信息等级，如下所述：

1.1.1 标题文件(xxx.HDR)

标题文件是由COMTRADE数据的原创者建立的一种可选的ASCII文本文件，标题文件的创建者可以以任何需要的顺序创建任何信息。标题文件的格式为ASCII。

1.1.2 配置文件(xxx.CFG)

配置文件为一种ASCII文本文件，用于正确地说明数据(.DAT)文件的格式，因此必须以一种具体的格式保存。该文件诠释了数据(.DAT)文件所包含信息，其中包括诸如采样速率、通道数量、频率、通道信息等项。

配置文件第一行中的一个字段识别文件所依照的COMTRADE标准版本的年份(例如1991、1999等)。如果该字段不存在或是空的，则假设文件则遵照标准的最初发行日期(1991)。配置文件还包含识别伴随的数据文件是以ASCII格式还是以二进制格式存储的字段。

1.1.3 数据文件(xxx.DAT)

数据文件包含记录中每个采样所有输入通道的值。数据文件包含一个顺序号和每次采样的时间标志。这些采样值除记录模拟输入的数据之外，也记录状态，即表示开/关信号的输入。其模拟量数据记录依据电力系统故障动态记录技术准则按时段顺序进行。

1.1.4 信息文件(xxx.INF)

信息文件是一种文件创建者希望使之对用户有用的信息之外的特别信息，是可选文件。

1.2 电力系统故障动态记录技术准则

电力行业标准《220 kV～500 kV电力系统故障动态记录技术准则》(DL/T 553-94)，是故障录波装置研制和开发中必须依据的标准。标准在3.6.5条中规定了，输出的动态过程记录数据应符合的标准格式与ANSI/IEEE Std C37.111-1991 COMTRADE兼容。同时，标准规定了电力系统发生故障的整个过程中，模拟量采集方式的数据记录按时段顺序进行，时段划分如下所示：

A时段：系统在扰动开始前的状态数据，直接输出原始采集波形，记录时间≥0.04s(2周波)；

B时段：系统大扰动初期的状态数据，直接输出原始采集波形，记录时间≥0.1s(5周波)；

C时段：系统大扰动后的中期状态数据，可输出连续工频有效值，记录时间≥1.0s；

D时段：系统动态过程数据，每0.1s输出一个工频有效值，记录时间≥20s；

E时段：系统长过程的动态数据,每0.1s输出一个工频有效值,记录时间≥10min。

这里，技术标准的数据记录有两个主要特点，一是分段记录，二是记录的数据不仅可以有按某一采样率的采样数据，而且可按一定间隔记录有效值以代替采样值。

2 数据预处理

2.1 数据预处理的必要性及目的

IEEE COMTRADE标准对故障录波数据的规范便利了数据的交换，但是要把这样的数据直接用于负荷建模却是一个难题。

2.1.1 数据预处理的必要性

基于COMTRADE标准的数据必须经过处理才可用于总体测辨建模，主要基于以下几个原因：

(1)基于COMTRADE标准的数据信息分散在四个文件中，无法方便的对相应各通道进行各种计算和分析；

(2)COMTRADE数据文件中存储的模拟通道数据并不是实际值，必须经过转换以后才能得到电压或电流的实际值；

(3)COMTRADE数据文件记录了一次扰动前后数秒的数据，数据量较大，而动态模型参数辨识所需要的真正反映暂态过程的数据只是其中的一部分，必须缩小数据量，筛选出故障暂态过程数据，才能突出故障的动态特性，缩短辨识时间，改善拟合效果；

(4)需要设定一定的突变标准，排除元件误动造成的非故障数据的干扰；

(5)在COMTRADE数据文件里记录的每一个通道的数据在不同的时间可能是按照几个不同的采样频率进行采样的，这样随着录波设备的不同设定而发生变化。这样的数据无法用来进行统一的计算；

(6)负荷建模工作所研究的是机电暂态过程，只考虑电压电流的正序基波分量，因此建模时需通过合适的算法从故障录波数据中提取上述分量。

2.1.2 预处理的目的

预处理计算的目的是将原始数据表中的电压和电流值转化为电压有效值、有功功率和无功功率3个量，使数据符合建模的需要。

2.2 数据预处理流程

预处理总体流程图如图1所示。

2.2.1 数据整合模块

该模块的作用是将分布在CFG和DAT文件中的有效信息提取出来，对应的放入一张ACCESS(microsoft office access 2003，即：微软桌面数据库)数据整合表中，并将数据转化为实际的采样值，便于后面的计算和分析。

2.2.2 数据筛选模块

本模块采用突变的原理对动态扰动进行判断，并仅对母线电压通道进行判断，当达到突变判据时，把发生突变的母线三相电压及与其相对应的三相电流挑选出来用于后面的负荷建模。

图1 预处理流程图Fig.1 Flow chart of pretreatment

2.2.3 采样频率规范化模块

此模块通过插值法和最小二乘拟合算法将筛选出的六通道数据由不同采样时段采用不同采样频率的模式统一规范化为每工频周期24个点，采样频率为1200 Hz，共3 s的3600个时间点的数据模式。

2.2.4 基波正序提取模块

此模块通过基波正序变换得到基波正序电压有效值及其对应的三相有功和无功功率3个量，使之满足建模需要。其任务：(1)将三相电压和电流的瞬时值通过离散傅里叶变换提取出基波的有效值和相角；(2)采样对称分量法从电压、电流基波分量中提取出正序分量；(3)计算有功功率和无功功率；(4)将所得电压有效值、有功功率和无功功率3个量导入实测响应数据库中用于负荷建模。

3 各分模块的实现原理和方法

3.1 数据整合的方法

CFG和DAT文件均有严格的格式，都是以逗号进行分隔的文件(CSV格式)。针对这样的文件格式，在利用Visual C++语言编程时首先构造两个类:一个是CcsvFile,用于从物理文件中读取数据；另一个是CcsvRecord,包含指定行的数据。可以看出，CcsvFile类包含CcsvRecord对象的集合，其中每个对象代表文件中的一行。CcsvFile函数每次按照一个记录的方式(即一行)将文件的数据读入指定字符串中，对每次返回的字符串实例化一个CcsvRecord，即在每个字符串中寻找逗号，把以逗号分隔的各数据分离出来存入m_arrColumns数组中。有了这两个类的支持，使用for循环调用CcsvFile函数，即可读取完指定文件下的所有的记录。

当系统有新的故障录波数据进来时，先调用上文的两个构造类来遍历CFG文件，将通道名、单位、转换因子和一次∕二次比等有效信息取出，同时创建以通道名作为字段名的ACCESS整合表；然后再调用构造类遍历DAT文件，将数据对应的存入ACCESS整合表的各通道字段名下；最后根据从CFG文件中采到的各通道转换因子和一次∕二次比对数据进行相关转换，将模拟通道的数据转化为实际瞬时值，即可得到一张包含所有有效信息的ACCESS故障整合表,存放于ACCESS原始数据库data中，其基本形式如图2所示。

图2 ACCESS故障整合表Fig.2 ACCESS aggregation table of failure

3.2 数据筛选的原理

3.2.1 突变判断

此次对母线电压进行的突变判断，不计算每个周波的有效值，而是根据实际值计算出每个周波的平均值，方法如下：

(1)

计算

(2)

将dU1与设定的判据值a比较，如果dU1>a，则计算

(3)

(4)

若dU2和dU3都大于a，则判断此时发生了动态扰动。

经过对上文采样时段进行分析，选取前7个周波，0.14 s的数据来进行突变判断即可满足判断通道数据是否发生过突变的要求。这里要注意的是，须判断0.14 s的数据是否跨越两个采样频段。当0.14 s只在第一个采样频段内时，N=f1/50(f1为第一个采样频率)；当0.14 s跨越两个采样频段时，7个工频周期内N的取值就需要根据具体情况而发生变化。

3.2.2 通道选择

当判定出母线某相电压发生突变时，先将此相电压通道名取出，根据通道名到预先设定好的通道对应表中取出此母线三相电压通道名及其对应的三相电流通道名，然后依照取出的通道名将此6通道数据从整合表中挑选出来进行后面的运算，使之最终得出可用于负荷建模的数据。

3.3 采样频率规范化的算法

针对故障录波数据是基于电力系统故障动态记录技术准则进行记录，各分时段采样频率不同，数据无法进行统一计算的状况，提出一种综合运用插值与曲线拟合原理对经过通道选择得到的6通道数据进行频率统一的计算方法，具体算法：

(1)线性插值：将低采样频率的数据归算到高采样频率。首先找到最大的采样频率，再根据电力系统频率计算出在此采样频率下一周波里可以得到多少个采样点，然后再计算出其它采样频率下一周波可以得到采样点的个数。这样就可以得到低采样频率下每两点之间应该插值的个数，从而将低采样频率的数值补足成高采样频率的形式。在此采用的插值方法是根据两点间插值个数，将相邻两点间距进行等分，以等间距变化的方式算出中间各点的近似数据。

(2)最小二乘曲线拟合：应用最小二乘法曲线拟合对给定的数据作拟合，当算法中拟合多项式阶数大于3阶时，导出的法方程组往往容易出现病态或失真，甚至是严重的失真，为了避免此现象，本次采用正交多项式做最小二乘曲线拟合，从而在运算中不需求解线形方程组，只用递推公式逐次形成曲线拟合函数。其基本算法如下：

给定n+1个数据点(xk，yk)(k=0，1，…，n)，求一个m次的最小二乘拟合多项式：

pm(x)=a0+a1x+a2x2+…+amxm=

(5)

首先构造一组次数不超过m的在给定点上正交的多项式函数系{Qj(x)(j=0，1，…，m)}，则可以用{Qj(x)(j=0，1，…，m)}作为基函数做最小二乘曲线拟合，即

Pm(x)=q0Q0(x)+q1Q1(x)+…+qmQm(x)

(6)

其中的系数qj(j=0，1，…，m)为

构造给定点上的正交多项式Qj(x)(j=0，1，…，m)的递推公式如下：

(7)

(j=1，2，…，m-1)

其中：

而

(8)

拟合中，不可避免的存在偏差。拟合法考虑到数据不一定准确，不要求拟合多项式经过所有的实验数据点(xk，yk)，只要求在给定的xk上误差按某种标准最小，而最小二乘曲线拟合就是要得到实验数据与曲线上对应值的误差之平方和最小的一条曲线。因此，此次引入三个误差参数来度量拟合误差的整体大小，分别为：拟合多项式与各数据点误差的平方和dt[0]、误差的绝对值之和dt[1]及误差绝对值的最大值dt[2]。此项目中测得dt[0]、dt[1]、dt[2]分别在0.0200233、0.5297342、0.0826929左右波动，满足拟合预期要求。

为了满足建模要求，统一把数据转换为采样频率为1200 Hz的数据。根据对采样各时段频率的分析，发现频率统一的计算需要分两种情况来进行：

①最大采样频率为1000 Hz的倍数的情况：首先取出最大采样频率(一般为第一时段采样频率f1)，通过插值法将低采样频率的数据全部归算到最高采样频率；然后取前3 s的数据进行整合，归算到采样频率为1000 Hz，3000点的情况；最后按先后顺序对每20个点进行一次最小二乘曲线拟合转化为24个数据点，即可得到统一采样频率为1200 Hz，历时3 s的数据；

②最大采样频率为1200 Hz的倍数的情况：在数据经过插值法全部归算到最高采样频率后，只需取前3 s的数据进行整合，归算到采样频率为1200 Hz，3600点的情况，即得到了所需数据。

3.4 基波正序提取算法

将采样频率规范化后所得瞬时数据依次运用离散傅里叶变换、对称分量法、功率计算公式进行计算，得到可用于建模的电压有效值、有功功率和无功功率3个量。在Visual C++.NET编程环境下调用ADO数据库操作技术将其存放入于实测响应SQL Server数据库中的基本形式如图3所示。

图3 SQL server故障数据表Fig.3 SQL server data table of failure

4 应用示例

2009年02月11日20时45分04秒，湖南永州地区蒋家田变电站的I母母线电压C相发生波动，故障录波装置启动记录线路电压、电流各项瞬时值及各开关、断路器状态量。此次故障的COMTRADE形式数据文件传入后方数据预处理平台整合后，经突变判断程序判定发生了对变电站运行有重大影响的故障，此次记录可用于总体测辨建模，通道选择程序随后启动挑选出了故障线路三相电压、电流六个通道的瞬时值，其数据波形图如图4、图5所示。

挑选出的电压、电流6通道数据由4个不同采样频率的采样时段组成，经过预处理平台的频率规范化、基波正序变换及功率计算等模块处理后导入SQL数据库，即可得到可用于总体测辨建模的电压有效值、有功功率及无功功率，其数据波形图如图6、7、8所示。

由图可知，得出的U、P、Q数据能正确反映故障时段的波动情况，同时也实现了频率的统一，达到预处理预期目标，可用于总体测辨法负荷建模。

图4 电压三相波形图Fig.4 Three-phase waveform of voltage

图5 电流三相波形图Fig.5 Three-phase waveform of current

图6 U波形图Fig.6 Waveform of U

图7 P波形图Fig.7 Waveform of P

图8 Q波形图Fig.8 Waveform of Q

5 结语

本文在对基于IEEE COMTRADE标准的故障录波数据源文件进行简要介绍及对其应用于总体测辨建模存在的难点进行简单分析的基础上，对故障录波数据应用于总体测辨建模的预处理方法进行了深入研究，较详细地介绍了预处理方法实现的流程，整合、筛选、频率规范化和基波正序变换等各模块的功能实现及其涉及的相关算法。此预处理方法各模块功能已在Visual C++.NET开发环境下得以编译实现，本文通过应用示例波形图显示了所得数据能够达到预期要求，满足总体测辨建模的需要，说明了此预处理方法的合理性与可行性，证明其成功解决了故障录波数据因结构特殊，处理复杂而难以应用于测辨建模的难题。这一难题的解决为总体测辨法建模能够有充足的实测数据样本提供了条件，有利于推动总体测辨建模的发展和工程应用。

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PretreatmentMethodofApplyingtheFaultRecorderDatatoMeasurement-BasedLoadModeling

LIU Ying， LI Xin-ran

(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University，Changsha 410082, China)

Measurement-based is the main method of composite power load modeling. But it still faces the problem that there is too little real measured data. It will be practical to apply the power fault recorder data to the measurement-based method load modeling in engineering. Due to the current status that fault recorder data file based on IEEE COMTRAD standard can hardly apply to the measurement-based method, it offers a method that can preprocess standard data file of the COMTRADE. The method includes four modules, which composes of aggregation operations, filtering, frequency standardization and positive sequence fundamental transform operation is applied to the data.This paper discuss the principle and the method of each modules in depth.The preprocessing process has been carried out in the development environment Visual C++.NET. The application results prove that the gained data can meet the need of the measurement-based method modeling.

power system； composite power load； power load modeling； measurement-based approach； fault recorder data； pre-process

2010-03-17

2010-04-20

国家自然科学基金资助项目(50977023)

TM727

A

1003-8930(2011)02-0001-07

刘 颖(1983-)，女，硕士研究生，研究方向为电力系统分析与控制、电气工程及其自动化。Email:liuying686040@sina.com

李欣然(1957-)，男，教授，工学博士，博士生导师，系主任，主要从事电力系统分析与控制及负荷建模的教学和研究工作。Email:lixr1013@yahoo.com.cn