白萬建，高軍，侯廣松，崔榮花，徐珂

（國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東菏澤274000）

·試驗(yàn)研究·

基于智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)辨識(shí)

白萬建，高軍，侯廣松，崔榮花，徐珂

（國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東菏澤274000）

在智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)的信息平臺(tái)上，實(shí)施基于基爾霍夫電流定律的數(shù)據(jù)辨識(shí)。利用智能變電站內(nèi)大量冗余的量測信息，在站內(nèi)進(jìn)行拓?fù)浜土繙y錯(cuò)誤的辨識(shí)，形成唯一性、一致性較好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。詳細(xì)討論了站內(nèi)數(shù)據(jù)辨識(shí)高級(jí)應(yīng)用的需求分析、整體設(shè)計(jì)架構(gòu)、模塊架構(gòu)、功能分析等。算例分析表明，該應(yīng)用能夠快速、準(zhǔn)確地辨識(shí)出不良數(shù)據(jù)，提高了模擬量和狀態(tài)量的準(zhǔn)確性，同時(shí)具有應(yīng)用部署方便、軟件界面友好、計(jì)算速度快等特點(diǎn)，有良好的應(yīng)用前景。

智能變電站；數(shù)據(jù)合理性檢測；站內(nèi)數(shù)據(jù)辨識(shí)

0 引言

變電站的站內(nèi)數(shù)據(jù)辨識(shí)是指利用廠站內(nèi)高冗余度、高實(shí)時(shí)性的量測數(shù)據(jù)對(duì)變電站的數(shù)據(jù)源進(jìn)行統(tǒng)一和簡化，從而形成唯一性、一致性較好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小、計(jì)算速度快和結(jié)果可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)拓?fù)浜土繙y錯(cuò)誤的本地辨識(shí)，同時(shí)能夠提高調(diào)度中心狀態(tài)估計(jì)的可靠性和精度［1］。

傳統(tǒng)變電站中因電氣設(shè)備和保護(hù)測控裝置損壞、網(wǎng)絡(luò)通信傳輸不暢、網(wǎng)絡(luò)入侵、信道干擾等多種因素，可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)畸變與丟失。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通過間隔層設(shè)備采集變電站的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單預(yù)處理，在人機(jī)界面進(jìn)行展示。對(duì)遙測數(shù)據(jù)，一般側(cè)重越限管理，對(duì)每個(gè)模擬量設(shè)上限、上上限、下限、下下限，然后判斷越限情況，如果越限或恢復(fù)則產(chǎn)生相應(yīng)的記錄，并進(jìn)行閃爍報(bào)警提示和保存等處理。對(duì)遙信數(shù)據(jù)判斷是否有變位，如果有變位則產(chǎn)生相應(yīng)的變位記錄，并進(jìn)行閃爍報(bào)警提示顯示變位遙信的狀態(tài)［2］。傳統(tǒng)SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)只是對(duì)遙測遙信報(bào)文在人機(jī)界面展示，并未對(duì)量測值的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，不能確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，會(huì)對(duì)自動(dòng)化平臺(tái)上的其他高級(jí)應(yīng)用產(chǎn)生影響。

智能變電站內(nèi)建有多種信息系統(tǒng)，如保護(hù)信息子站、一次設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、故障錄波系統(tǒng)、行波測距系統(tǒng)等。各數(shù)據(jù)采集信息系統(tǒng)普遍存在交叉重復(fù)采集、利用率不高、數(shù)據(jù)信息內(nèi)容不一致與時(shí)間不統(tǒng)一等問題［3］。站內(nèi)數(shù)據(jù)的檢測與辨識(shí)對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行與控制具有重要意義，已成為智能變電站重要高級(jí)應(yīng)用功能之一。

結(jié)合當(dāng)前電網(wǎng)實(shí)際，利用基爾霍夫電流定律，采用多線程編程，在智能變電站一體化監(jiān)控平臺(tái)上嵌入站內(nèi)數(shù)據(jù)辨識(shí)功能。具有檢測廠站、母線、變壓器的量測數(shù)據(jù)是否正確，檢測并列運(yùn)行母線電壓量測是否一致，結(jié)合運(yùn)行方式、潮流分布檢測開關(guān)狀態(tài)量是否合理等功能。將數(shù)據(jù)辨識(shí)功能集成在智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)中，一臺(tái)工作站既可以完成常規(guī)SCADA監(jiān)視與控制，也可以完成一次設(shè)備重要量測的監(jiān)測，克服了變電站內(nèi)部存在多套監(jiān)控系統(tǒng)、運(yùn)行人員需要多套系統(tǒng)分開監(jiān)視與控制的弊端，節(jié)省了系統(tǒng)投資，便利了監(jiān)視操作。

1 智能變電站數(shù)據(jù)辨識(shí)功能需求分析

1.1 智能變電站對(duì)數(shù)據(jù)辨識(shí)功能的需求

智能變電站建設(shè)階段，由于眾多設(shè)備和功能的增加，導(dǎo)致一些新的系統(tǒng)出現(xiàn)，如智能輔助系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等，其結(jié)果是變電站內(nèi)部存在多套監(jiān)控系統(tǒng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集交叉重復(fù)、利用率不高、數(shù)據(jù)及信息內(nèi)容不一致等問題，給變電站運(yùn)行人員增添了巨大的工作量［4］。如變壓器等一次設(shè)備在運(yùn)行過程中發(fā)生異常或故障時(shí)，在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠獲取被監(jiān)測設(shè)備的電網(wǎng)運(yùn)行的畸變數(shù)據(jù)，但智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)卻無法辨識(shí)該信息實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警。整個(gè)系統(tǒng)缺乏一致性和統(tǒng)一性，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，不僅增加了工作人員的工作量，降低工作效率，同時(shí)難以對(duì)設(shè)備出現(xiàn)的故障制作整體的應(yīng)急預(yù)案，不利于突發(fā)事件的處理。

此外隨著智能變電站高級(jí)應(yīng)用的豐富，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的要求和依賴程度也越來越高，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確會(huì)對(duì)智能變電站一體化平臺(tái)中高級(jí)應(yīng)用產(chǎn)生嚴(yán)重影響。不良數(shù)據(jù)會(huì)誤導(dǎo)分析決策系統(tǒng)進(jìn)行錯(cuò)誤的推理，這些都會(huì)大大降低分析決策系統(tǒng)的運(yùn)行效率。因此需要建立一個(gè)信息預(yù)處理模塊，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)辨識(shí)來剔除壞數(shù)據(jù)［5］。站內(nèi)數(shù)據(jù)辨識(shí)功能在變電站內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)與處理，保證基礎(chǔ)測量數(shù)據(jù)正確性的同時(shí)，可以為站內(nèi)其他高級(jí)應(yīng)用提供支持。

智能變電站數(shù)據(jù)辨識(shí)已作為必備高級(jí)功能，列入Q／GDW 679—2011《智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》與Q／GDW 678—2011《智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)功能規(guī)范》。因此，隨著智能變電站的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)數(shù)據(jù)辨識(shí)的需求和條件日趨成熟。

1.2 智能變電站對(duì)數(shù)據(jù)辨識(shí)功能的支持

智能電網(wǎng)的建設(shè)大大推動(dòng)了智能變電站的發(fā)展，智能變電站采用站控層、間隔層、過程層的3層結(jié)構(gòu)，應(yīng)用電子式互感器、合并單元、智能一次設(shè)備和智能單元等硬件平臺(tái)，采用高速以太網(wǎng)、IEC61850通信協(xié)議、GOOSE通信機(jī)制等先進(jìn)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了變電站全景數(shù)據(jù)的高度整合，為變電站全面實(shí)現(xiàn)站內(nèi)數(shù)據(jù)辨識(shí)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段和基礎(chǔ)設(shè)備支撐［6］。

隨著智能變電站的發(fā)展，高級(jí)應(yīng)用功能模塊化的思想越發(fā)突出，要求各高級(jí)應(yīng)用功能與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)相獨(dú)立將成為一個(gè)發(fā)展方向，如此可以實(shí)現(xiàn)不同廠家高級(jí)應(yīng)用模塊間的替換，這與IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的通用性、可擴(kuò)展性和互操作性的理念一致。根據(jù)這一發(fā)展思路，在后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)高級(jí)應(yīng)用功能，包括數(shù)據(jù)辨識(shí)功能，將是今后發(fā)展的趨勢［7］。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施為變電站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)提供了良好的技術(shù)平臺(tái)。

目前智能變電站監(jiān)控主機(jī)均采用64位四核處理器，具有強(qiáng)大的以太網(wǎng)通信能力和數(shù)據(jù)處理能力，這些都為數(shù)據(jù)辨識(shí)功能的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。

1.3 智能變電站數(shù)據(jù)辨識(shí)功能

智能變電站數(shù)據(jù)辨識(shí)的主要功能分為篩選數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)合理性兩部分。

篩選數(shù)據(jù)是檢測可疑數(shù)據(jù)，辨識(shí)不良數(shù)據(jù)，校核實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，包括：檢測母線，變壓器的量測數(shù)據(jù)是否正確；檢測并列運(yùn)行母線電壓量測是否一致；檢測同一量測位置的有功、無功、電流量測是否匹配。

檢測數(shù)據(jù)合理性是對(duì)量測值和狀態(tài)量的合理性進(jìn)行分析，監(jiān)測范圍包括檢測量測值是否在合理范圍，是否發(fā)生異常跳變；檢測斷路器、開關(guān)狀態(tài)和標(biāo)識(shí)牌信息是否沖突，并提供其合理狀態(tài)；通過變壓器各側(cè)的母線電壓和有功、無功量測值，驗(yàn)證有載調(diào)壓分接頭位置的合理性；結(jié)合運(yùn)行方式、潮流分布檢測開關(guān)狀態(tài)量是否合理［8］。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)基于智能變電站站控層應(yīng)用高度集成化的設(shè)計(jì)思路和目的，將系統(tǒng)分為應(yīng)用軟件、應(yīng)用平臺(tái)、操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)4個(gè)組成部分。操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)Linux操作系統(tǒng)和國產(chǎn)服務(wù)器硬件平臺(tái)的兼容；軟件平臺(tái)采用面向應(yīng)用的架構(gòu)，具有很強(qiáng)的模型表達(dá)能力，可以方便地?cái)U(kuò)展站控層應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全站信息的統(tǒng)一接入、統(tǒng)一存儲(chǔ)和統(tǒng)一展示，應(yīng)用高度集成又可靈活配置部署，滿足智能變電站技術(shù)導(dǎo)則對(duì)站控層應(yīng)用的要求［9］。

2.2 模塊架構(gòu)

站內(nèi)數(shù)據(jù)辨識(shí)功能采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計(jì)，以模塊方式嵌入到智能變電站信息一體化平臺(tái)，提供了智能化、圖形化的操作，并且采用了基于設(shè)備對(duì)象的局部集成化展現(xiàn)方式，用戶通過點(diǎn)擊系統(tǒng)中某一輸變電設(shè)備對(duì)象，可調(diào)用針對(duì)該設(shè)備的集成信息展現(xiàn)畫面，其中集成了一次設(shè)備主要量測數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備量測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)的直觀展示［10］。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

站內(nèi)數(shù)據(jù)辨識(shí)系統(tǒng)是典型的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，需要支持人機(jī)界面、量測一致性判斷、產(chǎn)生零點(diǎn)信號(hào)、雙機(jī)同步等多項(xiàng)任務(wù)。這些任務(wù)需要并發(fā)執(zhí)行，協(xié)調(diào)完成，因此，設(shè)計(jì)為3個(gè)主線程模式，如圖2所示。

圖2 模塊架構(gòu)

3 智能變電站數(shù)據(jù)辨識(shí)功能的設(shè)計(jì)與開發(fā)

3.1 母線、廠站、變壓器量測辨識(shí)分析

變電站需要進(jìn)行量測辨識(shí)分析的設(shè)備主要有變壓器、斷路器、開關(guān)、母線等。量測辨識(shí)的內(nèi)容主要有電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)。母線、廠站、變壓器的電流、電壓量測辨識(shí)分析均是基于基爾霍夫電流定律的數(shù)據(jù)辨識(shí)理論。即所有流入和流出一個(gè)電路節(jié)點(diǎn)的電流代數(shù)和為零。

而功率量測的辨識(shí)分析基于能量守恒定律，即所有流入和流出一個(gè)電路節(jié)點(diǎn)的有功功率代數(shù)和為零，無功功率代數(shù)和為零。

以母線功率量測分析為例加以說明。通過母線節(jié)點(diǎn)功率的平衡、支路功率的平衡（要考慮損耗）來發(fā)現(xiàn)可疑量測。在理想狀態(tài)下，由式（2）（3）可知，節(jié)點(diǎn)功率之和應(yīng)為0，但通常和不為0。對(duì)不平衡量可以設(shè)置絕對(duì)或相對(duì)或綜合的閾值，如果節(jié)點(diǎn)功率不平衡量超過此閾值，則此節(jié)點(diǎn)所有量測（包括功率注入和所連支路在本節(jié)點(diǎn)側(cè)的量測）置為可疑量測［11］。

對(duì)母線某一節(jié)點(diǎn)功率進(jìn)行分析，這就要求能夠獲取母線所有外接設(shè)備（等值負(fù)荷、等值電源、繞組、電容器）以及這些設(shè)備的有功值或無功值，進(jìn)行總加操作。對(duì)這些設(shè)備的量測處理如表1所示。

表1 母線量測處理

具體流程如下：根據(jù)電壓等級(jí)、母線類型把母線分組。根據(jù)分組結(jié)果，向拓?fù)浞?wù)查詢，構(gòu)建并列運(yùn)行的母線數(shù)組，從拓?fù)浞?wù)查詢母線下掛接的所有設(shè)備，根據(jù)設(shè)備ID到映射表中查詢?cè)O(shè)備對(duì)象，從而得到設(shè)備量測，計(jì)算總和，比較不平衡量與閾值，將計(jì)算結(jié)果返送實(shí)時(shí)庫，在人機(jī)界面展示。

3.2 母線并列運(yùn)行電壓一致性判斷

目前，在我國大多數(shù)220 kV變電站都采用雙母線并列的運(yùn)行方式。如果兩組母線并列運(yùn)行，對(duì)母線功率量測分析需統(tǒng)一進(jìn)行，即兩組母線上設(shè)備的相關(guān)量測均參與計(jì)算。對(duì)母線并列運(yùn)行電壓不一致的情況，需在監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面的報(bào)警窗進(jìn)行告警，以輔助操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛在的異常信號(hào)識(shí)別故障的早期征兆。

兩組母線是否并列運(yùn)行是由拓?fù)浞?wù)判斷，數(shù)據(jù)辨識(shí)模塊從拓?fù)浞?wù)獲取結(jié)果。相同電壓等級(jí)的母線才可參與并列運(yùn)行判斷。整個(gè)流程判斷如圖4所示。

圖3 并列運(yùn)行電壓一致性判斷流程圖

3.3 量測一致性判斷

反應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的參量是相互關(guān)聯(lián)的，運(yùn)行狀態(tài)的變化會(huì)同時(shí)體現(xiàn)在多個(gè)有關(guān)聯(lián)的電流和電壓上。因此當(dāng)某個(gè)模擬量發(fā)生突變而其他關(guān)聯(lián)的模擬量未發(fā)生變化時(shí)，可以推斷該變化的模擬量數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，為可疑量測［12］。

對(duì)母線而言，線路有功、無功、電流、電壓、視在功率、功率因數(shù)之間應(yīng)該保持一致性。

當(dāng)量測不一致時(shí)，相互之間不符合計(jì)算公式的量測應(yīng)該被設(shè)置為“量測之間不一致標(biāo)識(shí)”，在人機(jī)界面將該量測以醒目顏色閃爍顯示。

4 現(xiàn)場應(yīng)用案例

智能變電站數(shù)據(jù)辨識(shí)功能已在石家莊220 kV橋西變電站中投入實(shí)際應(yīng)用，以驗(yàn)證站內(nèi)數(shù)據(jù)辨識(shí)技術(shù)的有效性。變電站監(jiān)控主機(jī)服務(wù)器型號(hào)為浪潮NF8560M2，操作系統(tǒng)為銀河麒麟Linux。

2013年8月10日11∶30∶30—11∶32∶05，橋西變電站220kVI號(hào)和II號(hào)母線出現(xiàn)了電壓不一致的情況。

因220 kV I號(hào)母線與II號(hào)母線是并列運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)母線功率量測分析需統(tǒng)一進(jìn)行，在母線并列運(yùn)行電壓不一致的情況，需在監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面的告警窗進(jìn)行報(bào)警。提示“220 kV I號(hào)母線與220 kV II號(hào)母線并列運(yùn)行時(shí)電壓不一致，電壓U1=247.25 kV，電壓U2=229.76 kV。

經(jīng)過一段時(shí)間，母線電壓自行恢復(fù)一致，事項(xiàng)告警窗提示“220 kV I號(hào)母線與220 kV II號(hào)母線并列運(yùn)行時(shí)電壓恢復(fù)一致，電壓U1=223.12 kV，電壓U2= 222.85 kV。

通過在線監(jiān)測系統(tǒng)等其他站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)，同樣發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象。變電站工作人員通過智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)提供的上述異常告警信息，對(duì)現(xiàn)象發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、匯總，通過綜合處理后，給出了現(xiàn)象發(fā)生的原因和初步的處理建議。

通過數(shù)據(jù)辨識(shí)功能，操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)潛在的異常信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了多種監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享，對(duì)變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了很好的輔助作用，提高了運(yùn)行人員的事故處理反應(yīng)速度，降低變電站的故障率，提高了供電可靠性。

［1］李青芯，孫宏斌，王晶，等.基于零阻抗支路模型的變電站三相非線性狀態(tài)估計(jì)方法［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（25）：73-74.

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［3］王冬青，李剛，何飛躍.智能變電站一體化信息平臺(tái)的設(shè)計(jì)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（10）：20-21.

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Data Identification Based on the Intelligent Substation Integrated Monitoring System

Based on the integrative information platform in the smart substation，a data identification method established on Kirchhoff Current Law（KCL）has been applied.Utilization of the enormous redundant measurement information in the substation helps to identify topology and analogy errors in order to form unique and consistent basic data and informations.Detailed discussion about the demand analysis，overall design architecture，modular architecture，functional analysis and algorithm for the method are given.This method is shown that it can be fast and easy to be implemented and it can provide high measurement redundancy and reliable results.Test results show considerable effectiveness of the proposed approach.

intelligent substations；data plausibility check；substation data identification

TM76

：A

：1007－9904（2014）06－0001－04

2014-09-15

白萬建（1966），男，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)生產(chǎn)管理工作；

高軍（1972），女，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度管理工作；

侯廣松（1974），男，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)分析及管理工作。