电力系统的电能质量监测方法和装置与流程

本发明涉及电力自动化领域，尤其涉及电力系统的电能质量监测方法和装置。

背景技术：

随着智能电网的扩大和高质量用电需求的增加，大量厂商进入电能质量监测装置市场，产品竞争日益激烈。客户对监测指标灵活选配、数据记录存储量时间、装置电能质量数据记录的在线查询等装置数据的高效管理等都提出了更多要求。由于业内对电能质量监测指标的记录周期和计算方法的差异性，嵌入式装置的硬件性能限制和用户监测数据配置多样化的要求，电能质量数据的高效存储和快速检索一直是电能质量监测的难题。

现有技术的电能质量的存储机制主要包括以下三种。

其一是裸数据顺序化存储，其适用于记录单元结构规整统一、数据存储量比较小的情况。但是电能质量装置具有存储量大并且数据类别多样的特点。

其二是文件系统，其运用文件管理系统，可以根据电能质量数据的类别和记录时间划分文件进行管理。但是在监测过程中，如果用户改变电能质量数据指标的记录周期或者类别，文件管理的复杂度会大幅提高。由于电能质量数据类别较多，存取操作需要开辟大量的文件句柄，同时在检索记录时，系统还需要对句柄数据流进行串行化分析，因此文件管理的系统开销比较大，数据存取效率不高。随着数据类别的增多和数据存储量的增大，应用该方法的数据访问性能会受到影响。目前，pqdif文件存储是电能质量数据管理的一个重要方向，由于该格式的不支持序列化记录的实时数据存储，往往先通过原始数据的存储，然后集中地进行该格式的文件转化。

其三是内存数据库，其把数据管理交给内存数据库，通过位图多级映射实现记录的高效管理。但是这种方法一方面内存数据库对系统配置 要求比较高，另一方面商用内存数据库价格较高，电能质量监测装置若采取该方法会导致软硬件成本上的增高。

技术实现要素：

本发明第一方面提供了电力系统的电能质量监测方法，其中，包括如下步骤：根据索引信息查询所述电力系统中的监测记录数据，所述监测记录数据包括记录头信息和记录块信息，所述记录头信息中包括时标域、数据通道信息域和记录数据块首地址；基于索引信息提取所述电力系统中相应的记录头信息，以解析记录头信息中的时标域和数据通道信息域；获取满足所述索引信息的所述记录块信息中的数据。本发明的电能质量检测机制通过减少保存电力系统中监测记录数据的公共属性，从而进一步减少整体数据存储量。同时通过添加少量的记录头信息作为冗余信息，并结合从共性信息中逐级解析出详细的数据，以降低数据管理的复杂度。本发明还把监测记录数据的共性信息抽取出来，并与可变的记录块信息部分独立存储，那么数据管理的效率就可以得到进一步提高。此外，本发明通过索引信息能够快速地定位监测记录数据的存储位置，那么访问速度也会得到明显的提高。

进一步地，所述索引信息包括日期索性信息和时间索引信息，其中，所述提取步骤还包括：基于日期索引信息和时间索引信息分级提取所述电力系统中相应的记录头信息。

进一步地，所述索引信息包括日期索性信息和时间索引信息，其中，所述解析步骤还包括：分级解析记录头信息中的时标域和数据通道信息域。

进一步地，所述索引步骤还包括：基于所述索引信息逐层从所述记录数据块首地址偏移，以定位所述数据通道信息域对应的记录块信息中的具体数据。

进一步地，每一条所述数据通道信息域为(t,v)，其中t为时标，v为数据，

数据源集合为ο＝{oi|i＝1,…n}，记录周期集合为ρ＝{pi|i＝1,…,l}，计算方法集合为μ＝{mi|i＝1,…,m}。

进一步地，所述数据通道信息域的信息矩阵为：

其中，a和b是酉矩阵，和l0为用户配置的记录周期个数。

进一步地，所述数据块单元为：

{vi,j,k|ai,j＝1,bj,k＝1，1≤j≤m,1≤k≤n}。

进一步地，所述数据通道信息域的种类包括以下任一项或任多项：频率；电压；电压不平衡；电压谐波；电压间谐波；载波电压；供电压偏差；闪变；有功功率；无功功率。

本发明第二方面提供了电力系统的电能质量监测装置，其中，包括：查询装置，其用于根据索引信息查询所述电力系统中的监测记录数据，所述监测记录数据包括记录头信息和记录块信息，所述记录头信息中包括时标域、数据通道信息域和记录数据块首地址；提取解析装置，其用于基于索引信息提取所述电力系统中相应的记录头信息，以解析记录头信息中的时标域和数据通道信息域；获取装置，其用于获取满足索引信息的所述记录块信息中的数据。本发明的电能质量检测机制通过减少保存电力系统中监测记录数据的公共属性，从而进一步减少整体数据存储量。同时通过添加少量的记录头信息作为冗余信息，并结合从共性信息中逐级解析出详细的数据，以降低数据管理的复杂度。本发明还把监测记录数据的共性信息抽取出来，并与可变的记录块信息部分独立存储，那么数据管理的效率就可以得到进一步提高。此外，本发明通过索引信息能够快速地定位监测记录数据的存储位置，那么访问速度也会得到明显的提高。

进一步地，所述索引信息包括时间索性信息和日期索引信息，其中，所述提取解析装置还用于：基于日期索引信息和时间索引信息分级提取所述电力系统中相应的记录头信息。

进一步地，所述索引信息包括时间索性信息和日期索引信息，其中，所述提取解析装置还用于：分级解析记录头信息中的时标域和数据通道信息域。

进一步地，所述提取解析装置还用于：基于所述索引信息逐层从所述记录数据块首地址偏移，以定位所述数据通道信息域对应的记录块信息中的具体数据。

进一步地，每一条所述数据通道信息域为(t,v)，其中t为时标，v为数据，

数据源集合为ο＝{oi|i＝1,…n}，记录周期集合为ρ＝{pi|i＝1,…,l}，计算方法集合为μ＝{mi|i＝1,…,m}。

进一步地，所述数据通道信息域的信息矩阵为：

其中，a和b是酉矩阵，和l0为用户配置的记录周期个数。

进一步地，所述数据块单元为：

{vi,j,k|ai,j＝1,bj,k＝1，1≤j≤m,1≤k≤n}。

进一步地，所述数据通道信息域的种类包括以下任一项或任多项：频率；电压；电压不平衡；电压谐波；电压间谐波；载波电压；供电压偏差；闪变；有功功率；无功功率。

附图说明

图1是根据本发明一个具体实施例的电力系统的电能质量监测方法的步骤流程图；

图2是根据本发明一个具体实施例的电力系统的电能质量监测方法和装置的监测记录数据的数据结构示意图；

图3是根据本发明一个具体实施例的电力系统的电能质量监测方法和装置的监测记录数据的分级索引机制示意图；

图4是根据本发明一个具体实施例的电力系统的电能质量监测方法的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

电能质量监测装置的测量指标涉及广泛的数据来源，主要包括瞬态事件类数据和稳态统计类数据。瞬态事件类数据在国内外标准的定义指标基本相同，主要包括电压骤升、骤降、快速瞬变等事件。瞬态事件类数据记录单元存储空间较小，产生频率不确定性强，数量较少。

如表1和表2所示，稳态统计类数据在各个标准中定义区别比较大，其一般包括频率、电压、闪变、电压不平衡、谐波、间谐波、附加信号电压、偏差电压等。风电场接入标准中定义的监测数据还包括有功功率和无功功率等。计算方法有累积周期均值和最大最小值、均方根值、算术值、累积概率函数评定值等，记录周期有3秒至2小时等多种类别。然而，各省市地电力公司对电能质量监测指标、记录周期和计算方法的配置以及存储周期要求各有差异。一方面随着电能质量监测装置的运行，稳态统计类数据量将线性增加，数据的保存和检索速度会受到影响。另一方面用户可能根据上级要求随时调整该类数据的配置(例如，在用电负荷高峰时期，电能质量监测的数据源比平常更多，记录周期更短，监测指标也会基于更多计算方法)，相同的监测指标在不同时间可能基于不同的记录周期和计算方法，数据配置的追踪则增大了数据管理的复杂性。所以在电能质量监测中，该类数据的管理比较复杂，若采取传统的嵌入式装置存储策略，数据查询和管理等性能会受到很大的影响。

表1标准中电能质量监测指标的记录周期

表2标准中电能质量监测指标计算方法

电能质量监测的数据量增大导致检索数据时需要读取解析更多的数据。数据配置的变化主要表现在记录的种类和每条记录的详细内容，例如时标、数值和状态。然而，无论配置如何改变，记录中总存在一些共性，例如，部分记录可能会有相同时标信息、监测指标在装置中计算和存储的相对次序是固定的。

因此，本发明的电能质量检测机制通过减少保存电力系统中监测记录数据的公共属性，从而进一步减少整体数据存储量。同时通过添加少量的记录头信息作为冗余信息，并结合从共性信息中逐级解析出详细的数据，以降低数据管理的复杂度。本发明还把监测记录数据的共性信息抽取出来，并与可变的记录块信息部分独立存储，那么数据管理的效率就可以得到进一步提高。此外，本发明通过索引信息能够快速地定位监测记录数据的存储位置，那么访问速度也会得到明显的提高。

下面结合一个优选实施例对本发明的电力系统的电能质量监测方法进行说明。如图1所示，首先执行步骤s1，根据用户提交的索引信息查询电力系统中的监测记录数据。例如，在对某造纸厂进行电能质量检测时，用户提交的索引信息为“2015年11月11日23点20分35秒的电压vb”。其中，如图2所示，监测记录数据100包括记录头信息110和记录块信息120，所述记录头信息110中包括时标域111、数据通道信息域112和记录数据块首地址113。记录头信息是本发明刻意添加的冗余信息。其中，时标域111即是年月日分秒。数据通道信息域112的种类包括以下任一项或者任多项：频率；电压；电压不平衡；电压谐波；电压间谐 波；载波电压；供电压偏差；闪变；有功功率；无功功率。记录数据块首地址113指示的是首个数据通道信息域112的地址。

然后执行s2，基于索引信息提取电力系统中相应的记录头信息110，最后解析记录头信息110中的具体时标域111和数据通道信息域112。其中，索引信息包括日期索性信息和时间索引信息。其中，优选地，如图3所示，本发明能够基于日期索引信息210和时间索引信息220分级提取所述电力系统中相应的记录头信息110，以分级解析记录头信息110中的时标域111和数据通道信息域112。

具体地，在本实施例中，用户提交的索引信息为“2015年11月11日23点20分35秒的电压vb”中的日期索引信息210为“2015年11月11日”，时间索引信息220为“23点20分35秒”。图3示出了分级索引机制的示意图，其中，日期索引信息210包括具体日期212和时间索引信息的地址214，具体日期212为“2015年11月11日”。因此，当用户提交的索引信息为“2015年11月11日23点20分35秒的电压vb”时，提取出日期索引信息210的具体日期212为“2015年11月11日”并匹配时间索引信息“23点20分35秒”的地址214，接着根据时间索引信息“23点20分35秒”的地址214指定时间索引信息220。然后，在时间索引信息220中包括了从一天24个小时从零点一直到23点的记录头信息地址221a……221z，其中记录头信息地址221a……221z对应了具体的记录头110a……110z。因此，接着根据时间索引信息“23点20分35秒”对应的记录头信息地址应该是221z，记录头信息地址221z对应的具体的记录头应为110z。

进一步地，执行步骤s2中的如下步骤：基于索引信息逐层从记录数据块首地址113偏移，以定位所述数据通道信息域对应的记录块信息中的具体数据。如图1所示，在本实施例中，假设数据通道信息域1121为电压va，数据通道信息域1122为电压vb，数据通道信息域1123为电压vc，由于用户提交的索引信息为“2015年11月11日23点20分35秒的电压vb”，在本实施例中需要寻找的是数据通道信息域1122。因此，基于上述索引信息首先找到记录头信息110中的记录数据块首地址113偏移，即数据通道信息域1121为电压va。在从数据通道信息域1121偏移一定位数到数据通道信息域1122，从而定位数据通道信息域1122对应 的记录块信息120中的具体数据。

最后执行步骤s3，获取满足索引信息的记录块信息中的数据。在本实施例中，也就是获取满足索性信息“2015年11月11日23点20分35秒的电压vb”的记录块信息120中的具体数据，即vb的具体数值。

上述实施例仅以获取一个数据通道信息域vb的具体数据为例进行说明，当需要查询多个数据通道信息域时，例如需要查询数据通道信息域vb和vc，从数据通道信息域1121偏移到数据通道信息域1122和1123即可。

需要说明的是，本领域技术人员应当理解，上文以先执行步骤s1再执行步骤s2来描述本发明，然而，上述步骤s1和步骤s2并没有严格顺序，甚至可以并行执行s1和s2来实现本发明。

下面对本发明涉及的算法进行介绍。

首先，定义基于计算方法获得的电能质量检测的数据为一个数据通道信息域，并将每一条数据通道信息域的表示为(t，v)，其中t为时标，v为记数据。然后，设电能质量监测指标的数据源集合为：

ο＝{oi|i＝1,…n}；

记录周期集合为：

ρ＝{pi|i＝1,…,l},

计算方法集合为:

μ＝{mi|i＝1,…,m}，

其中n,l,m分别为可配置的数据源、记录周期、计算方法总个数。用户配置的记录周期矩阵为：

计算方法矩阵为：

因此，数据通道信息域的信息矩阵为：

其中a和b是酉矩阵，和l0为用户配置的记录周期个数。令st表示每一条数据通道信息域记录时标所需存储的空间大小，sv表示每一条数据通道信息域记录内容所需存储的空间大小。采取通用的存储方法，一次所有数据通道信息域记录数据总量为：

其中，基于数据通道信息域的记录头信息单元为：

(t，λom，a)

其中，a表示数据块头地址。数据块单元为：

{vi，j，k|ai，j＝1，bj，k＝1，1≤i≤l，1≤j≤m，1≤k≤n}

令sh表示基于数据通道信息域的一条记录头所需存储的空间大小,sb表示基于数据通道信息域可变长模型的一个记录块所需的存储空间大小。sλ表示数据通道信息域的信息矩阵所需的存储空间大小,sa表示目标地址信息所需的存储空间大小，因此，那么一次记录的数据总量为：

运用本发明提供的电力系统的电能质量监测机制一次所有数据通道信息域数据记录可以节省的数据量为：

由于数据通道信息域信息矩阵是0-1阵，因此可以使用比特位存储以减少所需的空间大小。由表1和表2可知，电能质量数据监测数据类别的总数是远大于用户所配置的记录周期个数的，并且时标的存储空间大于地址的存储空间。运用本发明提供的电力系统的电能质量监测机制虽然增加了少量数据通道信息，但是大大减少了冗余时标信息的存储，从而节约大量的数据存储空间。

下面对基于时标分级索引机制的检索效率进行分析。

设电能质量检测装置存储介质中数据总存储量为y天，每天的时间索引信息为x条。根据时标分级索引机制，查询任一时刻数据记录需要从存储空间中读取的最大检索数据量为：

23≤x≤25，pi∈{pj|pj∈p，cj≠0，j＝1，…，l}.

其中sd表示一条日期索引信息，sh表示一条时间索引信息。因此，查询任一时刻的记录所需的查询数据量较少且基本上是固定的，因此查询效率是高效且稳定的。因为存储介质的访问速度比较慢,嵌入式装置应该尽量减少对存储介质的操作。由于日期索引信息的空间较小，可以考虑直接放置在非易失性内存中或者在装置启动时一次性载入内存中。当日期索引在内存中更新时，应同步写入到存储介质中。

本发明第二方面还提供了电力系统的电能质量监测装置300，其中，如图4所示，电能质量检测装置300还包括查询装置310、提取解析装置320、获取装置330。其中，查询装置310用于根据索引信息查询所述电力系统中的监测记录数据。监测记录数据包括记录头信息和记录块信息，记录头信息中包括时标域、数据通道信息域和记录数据块首地址。提取解析装置320用于基于索引信息提取电力系统中相应的记录头信息，以解析记录头信息中的时标域和数据通道信息域。获取装置330用于获取满足索性信息的记录块信息中的数据。

具体地，索引信息包括时间索性信息和日期索引信息，其中，所述提取解析装置320还用于基于日期索引信息和时间索引信息分级提取电力系统中相应的记录头信息。

并且，提取解析装置320还用于分级解析记录头信息中的时标域和数据通道信息域。

进一步地所述提取解析装置320还用于基于索引信息逐层从记录数据块首地址偏移，以定位数据通道信息域对应的记录块信息中的具体数据。

其中，查询装置310是用于执行上文所述的步骤s1，提取解析装置320是用于执行上文所述的步骤s2，获取装置330用于执行上文所述的 步骤s3。至于具体算法也在上文中进行了详细描述。本领域技术人员应当理解，本发明第二方面提供的电力系统的电能质量监测装置和本发明第一方面提供的电力系统的电能质量监测方法一一对应，现有技术已经有成熟的软硬件支持，为简明起见，不再赘述。

下面以某110kv变电站电能质量监测指标为数据配置位置，在该变电站运行2小时、1天、1个月，分别对本发明和现有技术的裸数据顺序化存储、文件系统方法的电能质量监测机制的记录数据存储量和查询速度作比较。表3示出了该110v的变电站电能质量监控数据：

表3某变电站的电能质量监控数据

表4示出了本发明和现有技术的两种电力系统的电能质量监测机制的数据存储量测试结果。

表4数据存储量测试结果

由上表可知，上述四种电能质量监测机制的数据存储方法的数据存储量随着时间呈线性变化。按照文件系统方法，因为数据存储需要额外的文件存储管理信息，所以存储量最大。而本发明由于是基于数据通道 的可变长的数据模型方法，数据存储量最少。本发明减少了冗余的公共记录时标信息存储，所以整体数据存储量和数据顺序化存储方法存储相比会节约一部分空间。当装置中存储的数据通道越多，公共的记录周期越多时，运用可变长数据模型减少的冗余信息也越多，存储效率越高。

表5示出了本发明和现有技术的两种电力系统的电能质量监测机制的监测记录数据查询效率测试结果。

表5监测记录数据查询效率测试结果

上表的查询速率值是查询时刻最后1小时内的电压不平衡、第25次电压谐波、第25次电流谐波和短闪变的检索时间平均值。由表5可知，利用方法iii，对一定存储量的数据记录进行查询，数据访问效率最高。随着存储时间的累积，文件系统中生成的存储文件越来越多，文件管理的效率会略有下降，但是查询效率依然很高。根据裸数据顺序化存储方法，由于检索数据的顺序化，数据访问效率随存储量的变大而迅速变低。

综上所述，本发明的电能质量检测机制的数据存储和管理效率最高，而且稳定性最好。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其它权利要求或说明书中未列出的装置或步骤；“第一”、“第二”等词语仅用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。