張慶偉1，鄭海濤2，陳  羽1，王  力1，楊  勝1，代  瑩1，王高明1，朱  冉3

　　（1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京211104；2.甘肅省電力設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州730050；3.國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京211104）

　　摘  要： 針對目前調(diào)度系統(tǒng)中狀態(tài)估計功能由于站端遙測數(shù)據(jù)合格率不高，導(dǎo)致后續(xù)處理數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問題，提出了一種站端數(shù)據(jù)采集傳輸過程的改進(jìn)方案。通過對原有采集傳輸過程的逐層分析，找出了導(dǎo)致遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)時間斷面誤差的原因。對站內(nèi)測控裝置的采集計算方法提出改進(jìn)措施，同時對站控層通信規(guī)約提出改進(jìn)方案，從數(shù)據(jù)采集根源上實現(xiàn)時間斷面的同一化。通過對通信管理機(jī)的數(shù)據(jù)收集及轉(zhuǎn)發(fā)功能提出改進(jìn)方案，實現(xiàn)了站端異常數(shù)據(jù)的檢驗及轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度數(shù)據(jù)的時標(biāo)對齊功能。實踐證明，改進(jìn)方案簡單可行，可以對提高智能變電站站端狀態(tài)估計數(shù)據(jù)合格率產(chǎn)生較好效果。

　　關(guān)鍵詞： 智能變電站；狀態(tài)估計；數(shù)據(jù)合格率；測控裝置；通信規(guī)約；時間斷面

0 引言

　　狀態(tài)估計是電網(wǎng)控制中能量管理系統(tǒng)中的基礎(chǔ)軟件，它是將可用的冗余信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏ο到y(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)估計值的實時計算機(jī)程序和算法[1]。準(zhǔn)確的狀態(tài)估計結(jié)果是進(jìn)行后續(xù)工作(如靜穩(wěn)態(tài)安全分析、調(diào)度員潮流和最優(yōu)潮流等)必不可少的基礎(chǔ)，同時可以及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)實時量測、通道、拓?fù)?、參?shù)的異常。狀態(tài)估計合格率可以有效地評估廠站數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為自動化值班人員檢測和辨識不良數(shù)據(jù)、補(bǔ)充不足量測點提供重要依據(jù)，能夠提高自動化值班人員工作效率[2]。而目前站端狀態(tài)估計數(shù)據(jù)合格率情況不容樂觀[3]，并不能完全滿足國網(wǎng)公司技術(shù)規(guī)范要求[4-5]。傳統(tǒng)狀態(tài)估計主要基于SCADA系統(tǒng)采集的量測量,由于各終端采集裝置的采樣既不同步，也沒有統(tǒng)一的時標(biāo)，加上量測時延及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等因素，輸入到狀態(tài)估計的SCADA量測量所反映的時間斷面有較大的差別[6]。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷變化較快時，上述時間斷面的差別將引入較大的量測誤差,量測量的時間斷面誤差對狀態(tài)估計精度的影響已引起關(guān)注。文獻(xiàn)[7]中對由于時間斷面不一致導(dǎo)致的狀態(tài)估計誤差提出了進(jìn)行軟件補(bǔ)償?shù)姆椒?，由于各個變電站通訊狀態(tài)差異較大及實時變化的問題，導(dǎo)致其實用性不高。文獻(xiàn)[8]中也是采用對不同來源數(shù)據(jù)采用不同補(bǔ)償方法，同樣實現(xiàn)難度較大。本文通過對SCADA數(shù)據(jù)采集傳輸過程的分析，對可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差的環(huán)節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了僅基于變電站站端的數(shù)據(jù)質(zhì)量提高的方法，從誤差根源上進(jìn)行改進(jìn)，對各種原因?qū)е碌臅r間斷面誤差有一定的改進(jìn)作用。

1 電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)存在的主要問題

　　根據(jù)電力系統(tǒng)的特點，狀態(tài)估計主要處理對象是某一時間斷面上的高維空間問題，同一時間斷面對于狀態(tài)估計數(shù)據(jù)的有效性尤其重要。目前按照現(xiàn)行國家電網(wǎng)公司要求遙測狀態(tài)估計月可用率≥95%，調(diào)度管轄范圍遙測估計合格率≥95%[5]。從網(wǎng)省公司統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，新建變電站尤其是網(wǎng)絡(luò)通信情況較好的輕載變電站遙測合格率能夠基本達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，而一些重負(fù)荷負(fù)荷變化快的高壓、超高壓變電站很難達(dá)到要求。目前用于狀態(tài)估計的遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)采用站端間隔測控裝置或保測一體化測控裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主要存在以下幾個問題：

　　(1)遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)在各個傳輸過程存在誤差。電力系統(tǒng)一次系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)通過傳感器、測控裝置、通信管理機(jī)傳送到調(diào)度中心，其中每一個環(huán)節(jié)都有可能因干擾或設(shè)備性能、系統(tǒng)故障等原因造成數(shù)據(jù)誤差，部分?jǐn)?shù)據(jù)的相對誤差甚至達(dá)到20%以上，超出了隨機(jī)誤差的范圍。

　　（2）遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)時間斷面不同一問題，目前各個采集裝置按照各自時鐘進(jìn)行采集計算，同時上送通信管理機(jī)也是按照召喚命令時刻或測量量變化時刻隨機(jī)上送。通信管理機(jī)在上送調(diào)度系統(tǒng)時僅將當(dāng)前實時數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)按照轉(zhuǎn)發(fā)表轉(zhuǎn)發(fā)至調(diào)度，并未進(jìn)行數(shù)據(jù)糾錯及時標(biāo)對齊，導(dǎo)致非同一時間斷面的好壞數(shù)據(jù)均發(fā)送給調(diào)度主站，嚴(yán)重影響狀態(tài)估計數(shù)據(jù)合格率。正是由于這種時間斷面的不一致性，導(dǎo)致變電站內(nèi)單個測控裝置測量精度均能達(dá)到要求，但全站數(shù)據(jù)誤差不能滿足要求。

　　(3)遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)缺乏“自我糾正”的能力，單純的遠(yuǎn)動系統(tǒng)并不能把錯誤數(shù)據(jù)識別出來并加以糾正，這就是缺乏“自動修正”的能力。依靠調(diào)度人員的經(jīng)驗對數(shù)據(jù)的誤差加以修正，幾乎是不可能的，及時性和準(zhǔn)確性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實時調(diào)度的要求。

2 影響站端遙測數(shù)據(jù)合格率的原因分析

　　根據(jù)狀態(tài)估計的定義，理想的狀態(tài)估計數(shù)據(jù)來源是全站甚至區(qū)域電網(wǎng)發(fā)送至調(diào)度主站的同一時間斷面的一次設(shè)備測量數(shù)據(jù)[8]。在能量管理系統(tǒng)的實際運(yùn)行過程中，狀態(tài)估計合格率受多種因素的綜合影響，除去現(xiàn)場一二次設(shè)備缺陷、基礎(chǔ)參數(shù)不準(zhǔn)確等客觀管理問題外，目前測量數(shù)據(jù)的采集發(fā)送方式對于提供同一時間斷面的變電站狀態(tài)數(shù)據(jù)不利。

　　目前對于測量數(shù)據(jù)的數(shù)值誤差來說微機(jī)型測控裝置并不是主要的來源，往往是由于過程層一次PT、CT誤差導(dǎo)致，在本文中不再討論。時間誤差則主要由現(xiàn)存的通信方式及其他原因?qū)е隆Ｏ旅娼榻B目前站端數(shù)據(jù)采集發(fā)送的現(xiàn)狀并對產(chǎn)生各種時間誤差的原因進(jìn)行分析。

　　2.1 站端采集發(fā)送方式簡介

　　如圖1中的A區(qū)域存在于變電站站端，主要包括處于采集端的站端間隔測控裝置或保測一體化測控裝置（簡稱測控裝置），進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的站端通信管理機(jī)等站端數(shù)據(jù)采集傳輸裝置。

　　2.2 測控裝置采集過程

　　目前間隔層測控裝置大多采用按照自身嵌入式處理器的中斷間隔進(jìn)行濾波采樣計算的方式，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有效值后傳輸給通信管理機(jī)。主要有兩種方式：

　　(1)通信管理機(jī)按照定時間間隔進(jìn)行單個測控裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)輪詢總召喚，測控裝置逐個回復(fù)相關(guān)數(shù)據(jù)。這種模式主要應(yīng)用于采用IEC60870-5-103規(guī)約(簡稱IEC103規(guī)約)或者企業(yè)內(nèi)部總線如CAN、MODBUS等站控層通信規(guī)約的變電站，或用于IEC61850通信規(guī)約初次連接過程中。

　　(2)測控裝置在監(jiān)測到有變化數(shù)據(jù)時主動上送相關(guān)變化數(shù)據(jù)，通信管理機(jī)被動接受測量數(shù)據(jù)，這種模式主要應(yīng)用于采用IEC61850及部分IEC103規(guī)約的站控層通信規(guī)約的變電站。

　　在上述兩種情況中，即使全站配有GPS對時系統(tǒng)或其他精準(zhǔn)對時系統(tǒng)，遙測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基本都不帶時標(biāo)，在IEC61850中時標(biāo)也僅是裝置發(fā)送時刻通信處理單元自身時標(biāo)，并非測量采集計算時刻時標(biāo)。

　　2.3 通信管理機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度過程

　　在后續(xù)站控層通信管理機(jī)收到測控裝置發(fā)送來的測量數(shù)據(jù)后，將其按照相應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)表轉(zhuǎn)發(fā)后打包發(fā)送給調(diào)度主站。在通信管理機(jī)中對測量數(shù)據(jù)不進(jìn)行處理，僅是將下行通道中傳輸上來的數(shù)據(jù)組合或直接轉(zhuǎn)發(fā)。即使有的間隔測控裝置已經(jīng)長時間不發(fā)送數(shù)據(jù)，有的間隔測控裝置數(shù)據(jù)剛剛刷新，這兩個間隔數(shù)據(jù)仍一同發(fā)送。

　　2.4 采集轉(zhuǎn)發(fā)模式的主要問題

　　按照上述站端數(shù)據(jù)采集處理發(fā)送方式，一方面測控裝置雖然可以實時采集數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)傳輸方式的原因，發(fā)送給通信管理機(jī)的數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)所有間隔發(fā)送數(shù)據(jù)采用同一時間斷面數(shù)據(jù)。另外一方面，由于在測控裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)報文中不包含采樣時刻信息，通信管理機(jī)對數(shù)據(jù)無法進(jìn)行同一時刻數(shù)據(jù)對時標(biāo)處理，也就導(dǎo)致上送至調(diào)度數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)同一時間斷面處理。

　　在這種情況下，主要有以下幾個問題：

　　(1)在變電站站控層網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況下，通信管理機(jī)側(cè)經(jīng)常會出現(xiàn)部分測控裝置數(shù)據(jù)刷新頻繁，個別測控裝置數(shù)據(jù)長時間不刷新或者超過秒級的數(shù)據(jù)無法刷新現(xiàn)象。在這種情況下通信管理機(jī)并無法區(qū)分哪些數(shù)據(jù)長時間不刷新，只能按照現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)上送，會導(dǎo)致狀態(tài)估計數(shù)據(jù)瞬時性的不合格現(xiàn)象。

　　(2)即使在變電站站控層網(wǎng)絡(luò)情況良好的情況下，由于所有測控裝置并未實現(xiàn)發(fā)送同一時間斷面數(shù)據(jù)，造成發(fā)送給通信管理機(jī)的數(shù)據(jù)采樣時間差可以從20 ms～1 s左右，在所測量間隔重負(fù)荷的情況下，出現(xiàn)負(fù)荷波動時會出現(xiàn)較大的狀態(tài)估計數(shù)據(jù)誤差，遙測數(shù)據(jù)不合格甚至出現(xiàn)長期整站負(fù)荷不平衡現(xiàn)象。

3 提高站端狀態(tài)估計合格率的方法

　　針對上述問題，提出一種從數(shù)據(jù)根源解決無法發(fā)送同一時間斷面數(shù)據(jù)的方法。

　　3.1 測控裝置處理方法

　　為了從數(shù)據(jù)采集根源上解決數(shù)據(jù)時間斷面一致性問題，提出一種測控裝置采集傳輸數(shù)據(jù)的新方式。

　　3.1.1 數(shù)據(jù)采集計算過程

　　測控裝置對原始波形數(shù)據(jù)及遙信數(shù)據(jù)仍按照原有采樣率進(jìn)行處理，在采集完畢后按照已經(jīng)精準(zhǔn)對時后的整百毫秒進(jìn)行計算并存儲，即在每0 ms、100 ms、200 ms、300 ms…900 ms進(jìn)行計算。

　　3.1.2 數(shù)據(jù)發(fā)送過程

　　接下來的傳輸過程按照不同通信規(guī)約進(jìn)行分別處理。

　　(1)IEC103通信規(guī)約

　　在IEC103通信規(guī)約中，在通信管理機(jī)總召或裝置主動上送信息情況下，測控裝置在發(fā)送遙測遙信信息時，利用規(guī)約報文中備用字節(jié)增加當(dāng)前時間信息。規(guī)則如下：在Am Bs Cms數(shù)據(jù)上送編碼時標(biāo)信息為A設(shè)置為第15位～第10位數(shù)據(jù)，B設(shè)置為第9位～第4位數(shù)據(jù)，B/100設(shè)置為第3位～第0位數(shù)據(jù)，總共占用一個16位數(shù)據(jù)。例如4h 10s 300ms時標(biāo)信息編碼為16進(jìn)制碼0X10A3，默認(rèn)各個間隔時間誤差在目前變電站已經(jīng)基本具有精準(zhǔn)對時或秒脈沖對時的技術(shù)條件下不會大于1小時，故在時標(biāo)信息中不增加小時數(shù)據(jù)。這種處理方案每次上送僅需將原報文中遙測長度字節(jié)VQS加1，同時在原有遙測測量值后面增加2位Byte時標(biāo)信息，不影響原有功能。在發(fā)送變化遙測或變位遙信時，在上送報文中同樣處理時標(biāo)信息。這樣在上送數(shù)據(jù)中包含經(jīng)過準(zhǔn)確對時的時間斷面數(shù)據(jù)，能夠保證不同位置間隔測控數(shù)據(jù)即使發(fā)送時間有差異，也能夠保證將同一時間斷面的數(shù)據(jù)發(fā)送給通信管理機(jī)。下面以某公司的IEC103上送遙測報文為例進(jìn)行簡單示意。

　　原有報文利用ASDU50進(jìn)行順序傳輸遙測值，原來按照表1第二列數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳輸，修改后按照第三列數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳輸。其他遙信數(shù)據(jù)或變化遙測數(shù)據(jù)可以參考本例進(jìn)行修改。

　　(2)IEC61850通信規(guī)約

　　在IEC61850通信規(guī)約方式下，由于主要靠設(shè)置靈敏的變化遙測上送遙測值，在變化遙測中本身就具有時標(biāo)，但是各個測控裝置目前還是按照各自發(fā)送時刻上送各自當(dāng)前計算的測量值。在本文中建議在測控裝置發(fā)送變化遙測是按照將本間隔當(dāng)前發(fā)送時間進(jìn)行發(fā)送，但是時間發(fā)送值取當(dāng)前時間整百毫秒值進(jìn)行發(fā)送。例如，當(dāng)前時刻為7h8s145ms，則發(fā)送7h8s100ms時刻計算出的數(shù)值，這樣進(jìn)行處理一方面可以實現(xiàn)所有裝置可以在不同時刻發(fā)送測量量但是測量量的采集計算時間斷面統(tǒng)一，即可實現(xiàn)整站同一時間斷面數(shù)據(jù)的采集發(fā)送工作。由于對于IEC61850規(guī)約而言對報文內(nèi)容并無改變，因此不再對報文進(jìn)行舉例，僅需要對測控裝置內(nèi)部處理方式進(jìn)行改進(jìn)即可。

　　3.2 通信管理機(jī)處理方法

　　對于通信管理機(jī)無論是IEC103還是IEC61850通信方式的變電站，對于遙測遙信的處理原理基本相同，普遍都是按照轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度的信號轉(zhuǎn)發(fā)表對站內(nèi)原始信息進(jìn)行簡單處理后發(fā)送給調(diào)度。在能夠保證站內(nèi)裝置按照同一時間斷面將數(shù)據(jù)采集至通信管理機(jī)后，通信管理機(jī)可以進(jìn)行以下兩方面的數(shù)據(jù)處理。

　　3.2.1 站內(nèi)數(shù)據(jù)校驗

　　基于站內(nèi)數(shù)據(jù)均已按照統(tǒng)一時標(biāo)上送至通信管理機(jī)，通信管理機(jī)可以監(jiān)控各個測控裝置的測量數(shù)據(jù)是否存在個別數(shù)據(jù)長期不刷新，或者出現(xiàn)數(shù)據(jù)單個單次跳變的情況均可主動記錄或報警，以實現(xiàn)站端的數(shù)據(jù)“自動糾錯功能”。在IEC60870-5-104規(guī)約(簡稱IEC104規(guī)約)中主要處理方式如下：

　　存在長期不刷新數(shù)據(jù)時可以在上送報文中的品質(zhì)描述詞（QDS）中可以將相應(yīng)NT（刷新標(biāo)志）進(jìn)行置位。

　　通過監(jiān)視帶時標(biāo)數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)單個數(shù)據(jù)單次大幅跳變時的壞數(shù)據(jù)識別功能，這種情況下可以將IV（有效標(biāo)志）進(jìn)行置位，以顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)無效。具體品質(zhì)描述詞（QDS）意義如表2。

　　3.2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)一斷面上送及壞數(shù)據(jù)檢驗

　　在通信管理機(jī)上送測量數(shù)據(jù)時，由于所有數(shù)據(jù)均已統(tǒng)一時標(biāo)，可以將當(dāng)前已經(jīng)具有同一時間標(biāo)識的數(shù)據(jù)進(jìn)行上送，假如部分?jǐn)?shù)據(jù)長期未能刷新，則可將其相應(yīng)品質(zhì)描述詞標(biāo)識進(jìn)行置位，以示區(qū)別。這種方式下，可以保證上送至調(diào)度端的測量數(shù)據(jù)為同一時間斷面數(shù)據(jù)，最大程度上保證狀態(tài)估計數(shù)據(jù)的合格率和真實性。同時在壞數(shù)據(jù)校驗方面，由于在通信管理機(jī)內(nèi)已經(jīng)收集了全站各元件及支路的開關(guān)位置及電流電壓功率信息，可以利用分布式狀態(tài)估計中的生數(shù)據(jù)處理方法，根據(jù)在站端維護(hù)的電網(wǎng)模型靜態(tài)數(shù)據(jù)庫，以及站內(nèi)開關(guān)節(jié)點的拓?fù)溥B接、節(jié)點設(shè)備連接關(guān)系以及設(shè)備參數(shù)的基礎(chǔ)上對站內(nèi)遙信進(jìn)行變電站拓?fù)浞治?，形成變電站?nèi)系統(tǒng)拓?fù)洹８鶕?jù)變電站系統(tǒng)接線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系對部分遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行壞數(shù)據(jù)的辨識過濾，計算出設(shè)備的帶電狀態(tài)后，可以根據(jù)對應(yīng)設(shè)備的帶電狀態(tài)計算設(shè)備對應(yīng)的遙測量，計算信息的可信度品質(zhì)位，剔除或標(biāo)記疑似壞數(shù)據(jù)。加工計算后形成量測熟數(shù)據(jù)通過變電站通信服務(wù)器及調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)上送至調(diào)度中心實時數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié)論

　　目前電力系統(tǒng)狀態(tài)估計遙測數(shù)據(jù)合格率不能完全滿足要求的情況下，必須從根源上解決數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。本文從站端數(shù)據(jù)采集計算發(fā)送的環(huán)節(jié)入手，分析了現(xiàn)有測量數(shù)據(jù)采集計算發(fā)送存在的問題，提出了通過對站內(nèi)測控裝置及通信管理機(jī)進(jìn)行同一時間斷面改造的方案，主要包括對測控裝置的采樣數(shù)據(jù)計算方法，不同通信規(guī)約方式下的數(shù)據(jù)發(fā)送改造方案，以及通信管理機(jī)對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度時的數(shù)據(jù)品質(zhì)處理及數(shù)據(jù)發(fā)送跳轉(zhuǎn)方案。本文提出的提高站端狀態(tài)估計數(shù)據(jù)合格率的方案，簡單易行，無需對站內(nèi)測控裝置及通信管理機(jī)進(jìn)行硬件改造，僅需對數(shù)據(jù)計算方案及傳輸報文進(jìn)行改進(jìn)即可從根源上實現(xiàn)同一時間斷面數(shù)據(jù)采集發(fā)送，大幅提高狀態(tài)估計合格率。

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