基于智能变电站一体化监控系统的数据辨识

白万建，高军，侯广松，崔荣花，徐珂

（国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东菏泽274000）

·试验研究·

基于智能变电站一体化监控系统的数据辨识

白万建，高军，侯广松，崔荣花，徐珂

（国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东菏泽274000）

在智能变电站一体化监控系统的信息平台上，实施基于基尔霍夫电流定律的数据辨识。利用智能变电站内大量冗余的量测信息，在站内进行拓扑和量测错误的辨识，形成唯一性、一致性较好的基础数据信息。详细讨论了站内数据辨识高级应用的需求分析、整体设计架构、模块架构、功能分析等。算例分析表明，该应用能够快速、准确地辨识出不良数据，提高了模拟量和状态量的准确性，同时具有应用部署方便、软件界面友好、计算速度快等特点，有良好的应用前景。

智能变电站；数据合理性检测；站内数据辨识

0 引言

变电站的站内数据辨识是指利用厂站内高冗余度、高实时性的量测数据对变电站的数据源进行统一和简化，从而形成唯一性、一致性较好的基础数据信息，具有网络规模小、计算速度快和结果可靠性高等优点，可实现拓扑和量测错误的本地辨识，同时能够提高调度中心状态估计的可靠性和精度［1］。

传统变电站中因电气设备和保护测控装置损坏、网络通信传输不畅、网络入侵、信道干扰等多种因素，可能产生数据畸变与丢失。变电站自动化系统通过间隔层设备采集变电站的实时运行信息，并对数据进行简单预处理，在人机界面进行展示。对遥测数据，一般侧重越限管理，对每个模拟量设上限、上上限、下限、下下限，然后判断越限情况，如果越限或恢复则产生相应的记录，并进行闪烁报警提示和保存等处理。对遥信数据判断是否有变位，如果有变位则产生相应的变位记录，并进行闪烁报警提示显示变位遥信的状态［2］。传统SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统只是对遥测遥信报文在人机界面展示，并未对量测值的正确性进行验证，不能确保数据的准确性，会对自动化平台上的其他高级应用产生影响。

智能变电站内建有多种信息系统，如保护信息子站、一次设备在线监测系统、SCADA系统、故障录波系统、行波测距系统等。各数据采集信息系统普遍存在交叉重复采集、利用率不高、数据信息内容不一致与时间不统一等问题［3］。站内数据的检测与辨识对电网的运行与控制具有重要意义，已成为智能变电站重要高级应用功能之一。

结合当前电网实际，利用基尔霍夫电流定律，采用多线程编程，在智能变电站一体化监控平台上嵌入站内数据辨识功能。具有检测厂站、母线、变压器的量测数据是否正确，检测并列运行母线电压量测是否一致，结合运行方式、潮流分布检测开关状态量是否合理等功能。将数据辨识功能集成在智能变电站一体化监控系统中，一台工作站既可以完成常规SCADA监视与控制，也可以完成一次设备重要量测的监测，克服了变电站内部存在多套监控系统、运行人员需要多套系统分开监视与控制的弊端，节省了系统投资，便利了监视操作。

1 智能变电站数据辨识功能需求分析

1.1 智能变电站对数据辨识功能的需求

智能变电站建设阶段，由于众多设备和功能的增加，导致一些新的系统出现，如智能辅助系统、状态监测系统等，其结果是变电站内部存在多套监控系统，导致数据采集交叉重复、利用率不高、数据及信息内容不一致等问题，给变电站运行人员增添了巨大的工作量［4］。如变压器等一次设备在运行过程中发生异常或故障时，在线状态监测系统能够获取被监测设备的电网运行的畸变数据，但智能变电站一体化监控系统却无法辨识该信息实现故障预警。整个系统缺乏一致性和统一性，不能实现数据的共享，不仅增加了工作人员的工作量，降低工作效率，同时难以对设备出现的故障制作整体的应急预案，不利于突发事件的处理。

此外随着智能变电站高级应用的丰富，对基础数据的要求和依赖程度也越来越高，基础数据不准确会对智能变电站一体化平台中高级应用产生严重影响。不良数据会误导分析决策系统进行错误的推理，这些都会大大降低分析决策系统的运行效率。因此需要建立一个信息预处理模块，进行必要的数据辨识来剔除坏数据［5］。站内数据辨识功能在变电站内实现数据辨识与处理，保证基础测量数据正确性的同时，可以为站内其他高级应用提供支持。

智能变电站数据辨识已作为必备高级功能，列入Q／GDW 679—2011《智能变电站一体化监控系统建设技术规范》与Q／GDW 678—2011《智能变电站一体化监控系统功能规范》。因此，随着智能变电站的发展，实现站内数据辨识的需求和条件日趋成熟。

1.2 智能变电站对数据辨识功能的支持

智能电网的建设大大推动了智能变电站的发展，智能变电站采用站控层、间隔层、过程层的3层结构，应用电子式互感器、合并单元、智能一次设备和智能单元等硬件平台，采用高速以太网、IEC61850通信协议、GOOSE通信机制等先进的技术，实现了变电站全景数据的高度整合，为变电站全面实现站内数据辨识提供了强有力的技术手段和基础设备支撑［6］。

随着智能变电站的发展，高级应用功能模块化的思想越发突出，要求各高级应用功能与后台监控系统相独立将成为一个发展方向，如此可以实现不同厂家高级应用模块间的替换，这与IEC61850标准的通用性、可扩展性和互操作性的理念一致。根据这一发展思路，在后台监控系统的基础上实现各项高级应用功能，包括数据辨识功能，将是今后发展的趋势［7］。IEC61850标准的实施为变电站实现数据辨识提供了良好的技术平台。

目前智能变电站监控主机均采用64位四核处理器，具有强大的以太网通信能力和数据处理能力，这些都为数据辨识功能的实现创造了条件。

1.3 智能变电站数据辨识功能

智能变电站数据辨识的主要功能分为筛选数据和检测数据合理性两部分。

筛选数据是检测可疑数据，辨识不良数据，校核实时数据准确性，包括：检测母线，变压器的量测数据是否正确；检测并列运行母线电压量测是否一致；检测同一量测位置的有功、无功、电流量测是否匹配。

检测数据合理性是对量测值和状态量的合理性进行分析，监测范围包括检测量测值是否在合理范围，是否发生异常跳变；检测断路器、开关状态和标识牌信息是否冲突，并提供其合理状态；通过变压器各侧的母线电压和有功、无功量测值，验证有载调压分接头位置的合理性；结合运行方式、潮流分布检测开关状态量是否合理［8］。

2 软件设计

2.1 系统设计架构

智能变电站一体化监控系统体系架构如图1所示。该系统基于智能变电站站控层应用高度集成化的设计思路和目的，将系统分为应用软件、应用平台、操作系统和硬件平台4个组成部分。操作系统和硬件平台可实现国产Linux操作系统和国产服务器硬件平台的兼容；软件平台采用面向应用的架构，具有很强的模型表达能力，可以方便地扩展站控层应用，实现全站信息的统一接入、统一存储和统一展示，应用高度集成又可灵活配置部署，满足智能变电站技术导则对站控层应用的要求［9］。

2.2 模块架构

站内数据辨识功能采用面向对象技术设计，以模块方式嵌入到智能变电站信息一体化平台，提供了智能化、图形化的操作，并且采用了基于设备对象的局部集成化展现方式，用户通过点击系统中某一输变电设备对象，可调用针对该设备的集成信息展现画面，其中集成了一次设备主要量测数据的细节信息，实现对一次设备量测数据的实时状态数据的直观展示［10］。

图1 系统设计架构

站内数据辨识系统是典型的实时多任务系统，需要支持人机界面、量测一致性判断、产生零点信号、双机同步等多项任务。这些任务需要并发执行，协调完成，因此，设计为3个主线程模式，如图2所示。

图2 模块架构

3 智能变电站数据辨识功能的设计与开发

3.1 母线、厂站、变压器量测辨识分析

变电站需要进行量测辨识分析的设备主要有变压器、断路器、开关、母线等。量测辨识的内容主要有电流、电压、功率等数据。母线、厂站、变压器的电流、电压量测辨识分析均是基于基尔霍夫电流定律的数据辨识理论。即所有流入和流出一个电路节点的电流代数和为零。

而功率量测的辨识分析基于能量守恒定律，即所有流入和流出一个电路节点的有功功率代数和为零，无功功率代数和为零。

以母线功率量测分析为例加以说明。通过母线节点功率的平衡、支路功率的平衡（要考虑损耗）来发现可疑量测。在理想状态下，由式（2）（3）可知，节点功率之和应为0，但通常和不为0。对不平衡量可以设置绝对或相对或综合的阈值，如果节点功率不平衡量超过此阈值，则此节点所有量测（包括功率注入和所连支路在本节点侧的量测）置为可疑量测［11］。

对母线某一节点功率进行分析，这就要求能够获取母线所有外接设备（等值负荷、等值电源、绕组、电容器）以及这些设备的有功值或无功值，进行总加操作。对这些设备的量测处理如表1所示。

表1 母线量测处理

具体流程如下：根据电压等级、母线类型把母线分组。根据分组结果，向拓扑服务查询，构建并列运行的母线数组，从拓扑服务查询母线下挂接的所有设备，根据设备ID到映射表中查询设备对象，从而得到设备量测，计算总和，比较不平衡量与阈值，将计算结果返送实时库，在人机界面展示。

3.2 母线并列运行电压一致性判断

目前，在我国大多数220 kV变电站都采用双母线并列的运行方式。如果两组母线并列运行，对母线功率量测分析需统一进行，即两组母线上设备的相关量测均参与计算。对母线并列运行电压不一致的情况，需在监控系统人机界面的报警窗进行告警，以辅助操作人员及时发现系统潜在的异常信号识别故障的早期征兆。

两组母线是否并列运行是由拓扑服务判断，数据辨识模块从拓扑服务获取结果。相同电压等级的母线才可参与并列运行判断。整个流程判断如图4所示。

图3 并列运行电压一致性判断流程图

3.3 量测一致性判断

反应电网运行状态的参量是相互关联的，运行状态的变化会同时体现在多个有关联的电流和电压上。因此当某个模拟量发生突变而其他关联的模拟量未发生变化时，可以推断该变化的模拟量数据出现异常，为可疑量测［12］。

对母线而言，线路有功、无功、电流、电压、视在功率、功率因数之间应该保持一致性。

当量测不一致时，相互之间不符合计算公式的量测应该被设置为“量测之间不一致标识”，在人机界面将该量测以醒目颜色闪烁显示。

4 现场应用案例

智能变电站数据辨识功能已在石家庄220 kV桥西变电站中投入实际应用，以验证站内数据辨识技术的有效性。变电站监控主机服务器型号为浪潮NF8560M2，操作系统为银河麒麟Linux。

2013年8月10日11∶30∶30—11∶32∶05，桥西变电站220kVI号和II号母线出现了电压不一致的情况。

因220 kV I号母线与II号母线是并列运行状态，对母线功率量测分析需统一进行，在母线并列运行电压不一致的情况，需在监控系统人机界面的告警窗进行报警。提示“220 kV I号母线与220 kV II号母线并列运行时电压不一致，电压U1=247.25 kV，电压U2=229.76 kV。

经过一段时间，母线电压自行恢复一致，事项告警窗提示“220 kV I号母线与220 kV II号母线并列运行时电压恢复一致，电压U1=223.12 kV，电压U2= 222.85 kV。

通过在线监测系统等其他站内监控系统，同样发现该现象。变电站工作人员通过智能变电站一体化监控系统提供的上述异常告警信息，对现象发生时的数据进行分析、汇总，通过综合处理后，给出了现象发生的原因和初步的处理建议。

通过数据辨识功能，操作人员及时发现了系统潜在的异常信号，实现了多种监控系统之间的数据共享，对变电站的安全稳定运行起到了很好的辅助作用，提高了运行人员的事故处理反应速度，降低变电站的故障率，提高了供电可靠性。

［1］李青芯，孙宏斌，王晶，等.基于零阻抗支路模型的变电站三相非线性状态估计方法［J］.中国电机工程学报，2011，31（25）：73-74.

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［3］王冬青，李刚，何飞跃.智能变电站一体化信息平台的设计［J］.电网技术，2010，34（10）：20-21.

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［5］王保民.智能变电站故障信息综合分析决策系统的研究与应用［D］.北京：华北电力大学，2012.

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［8］Q／GDW 678—2011智能变电站一体化监控系统功能规范［S］.

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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

白万建（1966），男，高级工程师，主要从事电网生产管理工作；

高军（1972），女，高级工程师，从事电网调度管理工作；

侯广松（1974），男，高级工程师，从事电网分析及管理工作。