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.甘肅省電力設計院有限公司，甘肅 蘭州730050；3.國電南瑞南京控制系統有限公司，江蘇 南京211104）

　　摘  要： 針對目前調度系統中狀態估計功能由于站端遙測數據合格率不高，導致后續處理數據不準確的問題，提出了一種站端數據采集傳輸過程的改進方案。通過對原有采集傳輸過程的逐層分析，找出了導致遠動數據時間斷面誤差的原因。對站內測控裝置的采集計算方法提出改進措施，同時對站控層通信規約提出改進方案，從數據采集根源上實現時間斷面的同一化。通過對通信管理機的數據收集及轉發功能提出改進方案，實現了站端異常數據的檢驗及轉發調度數據的時標對齊功能。實踐證明，改進方案簡單可行，可以對提高智能變電站站端狀態估計數據合格率產生較好效果。

　　關鍵詞： 智能變電站；狀態估計；數據合格率；測控裝置；通信規約；時間斷面

0 引言

　　狀態估計是電網控制中能量管理系統中的基礎軟件，它是將可用的冗余信息轉變為電力系統當前狀態估計值的實時計算機程序和算法[1]。準確的狀態估計結果是進行后續工作(如靜穩態安全分析、調度員潮流和最優潮流等)必不可少的基礎，同時可以及時發現電網實時量測、通道、拓撲、參數的異常。狀態估計合格率可以有效地評估廠站數據的準確性，為自動化值班人員檢測和辨識不良數據、補充不足量測點提供重要依據，能夠提高自動化值班人員工作效率[2]。而目前站端狀態估計數據合格率情況不容樂觀[3]，并不能完全滿足國網公司技術規范要求[4-5]。傳統狀態估計主要基于SCADA系統采集的量測量,由于各終端采集裝置的采樣既不同步，也沒有統一的時標，加上量測時延及數據轉發等因素，輸入到狀態估計的SCADA量測量所反映的時間斷面有較大的差別[6]。當系統負荷變化較快時，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估計精度的影響已引起關注。文獻[7]中對由于時間斷面不一致導致的狀態估計誤差提出了進行軟件補償的方法，由于各個變電站通訊狀態差異較大及實時變化的問題，導致其實用性不高。文獻[8]中也是采用對不同來源數據采用不同補償方法，同樣實現難度較大。本文通過對SCADA數據采集傳輸過程的分析，對可能出現數據誤差的環節進行了改進，提出了僅基于變電站站端的數據質量提高的方法，從誤差根源上進行改進，對各種原因導致的時間斷面誤差有一定的改進作用。

1 電力系統遠動數據存在的主要問題

　　根據電力系統的特點，狀態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估計數據的有效性尤其重要。目前按照現行國家電網公司要求遙測狀態估計月可用率≥95%，調度管轄范圍遙測估計合格率≥95%[5]。從網省公司統計數據來看，新建變電站尤其是網絡通信情況較好的輕載變電站遙測合格率能夠基本達到標準要求，而一些重負荷負荷變化快的高壓、超高壓變電站很難達到要求。目前用于狀態估計的遠動數據采用站端間隔測控裝置或保測一體化測控裝置進行數據采集，主要存在以下幾個問題：

　　(1)遠動數據在各個傳輸過程存在誤差。電力系統一次系統狀態數據通過傳感器、測控裝置、通信管理機傳送到調度中心，其中每一個環節都有可能因干擾或設備性能、系統故障等原因造成數據誤差，部分數據的相對誤差甚至達到20%以上，超出了隨機誤差的范圍。

　　（2）遠動數據時間斷面不同一問題，目前各個采集裝置按照各自時鐘進行采集計算，同時上送通信管理機也是按照召喚命令時刻或測量量變化時刻隨機上送。通信管理機在上送調度系統時僅將當前實時數據庫內數據按照轉發表轉發至調度，并未進行數據糾錯及時標對齊，導致非同一時間斷面的好壞數據均發送給調度主站，嚴重影響狀態估計數據合格率。正是由于這種時間斷面的不一致性，導致變電站內單個測控裝置測量精度均能達到要求，但全站數據誤差不能滿足要求。

　　(3)遠動數據缺乏“自我糾正”的能力，單純的遠動系統并不能把錯誤數據識別出來并加以糾正，這就是缺乏“自動修正”的能力。依靠調度人員的經驗對數據的誤差加以修正，幾乎是不可能的，及時性和準確性都遠遠滿足不了實時調度的要求。

2 影響站端遙測數據合格率的原因分析

　　根據狀態估計的定義，理想的狀態估計數據來源是全站甚至區域電網發送至調度主站的同一時間斷面的一次設備測量數據[8]。在能量管理系統的實際運行過程中，狀態估計合格率受多種因素的綜合影響，除去現場一二次設備缺陷、基礎參數不準確等客觀管理問題外，目前測量數據的采集發送方式對于提供同一時間斷面的變電站狀態數據不利。

　　目前對于測量數據的數值誤差來說微機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誤差導致，在本文中不再討論。時間誤差則主要由現存的通信方式及其他原因導致。下面介紹目前站端數據采集發送的現狀并對產生各種時間誤差的原因進行分析。

　　2.1 站端采集發送方式簡介

　　如圖1中的A區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），進行數據轉發的站端通信管理機等站端數據采集傳輸裝置。

　　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行濾波采樣計算的方式，在數據轉換為有效值后傳輸給通信管理機。主要有兩種方式：

　　(1)通信管理機按照定時間間隔進行單個測控裝置的相關數據輪詢總召喚，測控裝置逐個回復相關數據。這種模式主要應用于采用IEC60870-5-103規約(簡稱IEC103規約)或者企業內部總線如CAN、MODBUS等站控層通信規約的變電站，或用于IEC61850通信規約初次連接過程中。

　　(2)測控裝置在監測到有變化數據時主動上送相關變化數據，通信管理機被動接受測量數據，這種模式主要應用于采用IEC61850及部分IEC103規約的站控層通信規約的變電站。

　　在上述兩種情況中，即使全站配有GPS對時系統或其他精準對時系統，遙測基礎數據基本都不帶時標，在IEC61850中時標也僅是裝置發送時刻通信處理單元自身時標，并非測量采集計算時刻時標。

　　2.3 通信管理機轉發調度過程

　　在后續站控層通信管理機收到測控裝置發送來的測量數據后，將其按照相應轉發表轉發后打包發送給調度主站。在通信管理機中對測量數據不進行處理，僅是將下行通道中傳輸上來的數據組合或直接轉發。即使有的間隔測控裝置已經長時間不發送數據，有的間隔測控裝置數據剛剛刷新，這兩個間隔數據仍一同發送。

　　2.4 采集轉發模式的主要問題

　　按照上述站端數據采集處理發送方式，一方面測控裝置雖然可以實時采集數據，由于數據傳輸方式的原因，發送給通信管理機的數據無法實現所有間隔發送數據采用同一時間斷面數據。另外一方面，由于在測控裝置發送的數據報文中不包含采樣時刻信息，通信管理機對數據無法進行同一時刻數據對時標處理，也就導致上送至調度數據無法實現同一時間斷面處理。

　　在這種情況下，主要有以下幾個問題：

　　(1)在變電站站控層網絡出現不穩定的情況下，通信管理機側經常會出現部分測控裝置數據刷新頻繁，個別測控裝置數據長時間不刷新或者超過秒級的數據無法刷新現象。在這種情況下通信管理機并無法區分哪些數據長時間不刷新，只能按照現有數據庫數據上送，會導致狀態估計數據瞬時性的不合格現象。

　　(2)即使在變電站站控層網絡情況良好的情況下，由于所有測控裝置并未實現發送同一時間斷面數據，造成發送給通信管理機的數據采樣時間差可以從20 ms～1 s左右，在所測量間隔重負荷的情況下，出現負荷波動時會出現較大的狀態估計數據誤差，遙測數據不合格甚至出現長期整站負荷不平衡現象。

3 提高站端狀態估計合格率的方法

　　針對上述問題，提出一種從數據根源解決無法發送同一時間斷面數據的方法。

　　3.1 測控裝置處理方法

　　為了從數據采集根源上解決數據時間斷面一致性問題，提出一種測控裝置采集傳輸數據的新方式。

　　3.1.1 數據采集計算過程

　　測控裝置對原始波形數據及遙信數據仍按照原有采樣率進行處理，在采集完畢后按照已經精準對時后的整百毫秒進行計算并存儲，即在每0 ms、100 ms、200 ms、300 ms…900 ms進行計算。

　　3.1.2 數據發送過程

　　接下來的傳輸過程按照不同通信規約進行分別處理。

　　(1)IEC103通信規約

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

　　原有報文利用ASDU50進行順序傳輸遙測值，原來按照表1第二列數據格式進行傳輸，修改后按照第三列數據格式進行傳輸。其他遙信數據或變化遙測數據可以參考本例進行修改。

　　(2)IEC61850通信規約

　　在IEC61850通信規約方式下，由于主要靠設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，但是各個測控裝置目前還是按照各自發送時刻上送各自當前計算的測量值。在本文中建議在測控裝置發送變化遙測是按照將本間隔當前發送時間進行發送，但是時間發送值取當前時間整百毫秒值進行發送。例如，當前時刻為7h8s145ms，則發送7h8s100ms時刻計算出的數值，這樣進行處理一方面可以實現所有裝置可以在不同時刻發送測量量但是測量量的采集計算時間斷面統一，即可實現整站同一時間斷面數據的采集發送工作。由于對于IEC61850規約而言對報文內容并無改變，因此不再對報文進行舉例，僅需要對測控裝置內部處理方式進行改進即可。

　　3.2 通信管理機處理方法

　　對于通信管理機無論是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，普遍都是按照轉發調度的信號轉發表對站內原始信息進行簡單處理后發送給調度。在能夠保證站內裝置按照同一時間斷面將數據采集至通信管理機后，通信管理機可以進行以下兩方面的數據處理。

　　3.2.1 站內數據校驗

　　基于站內數據均已按照統一時標上送至通信管理機，通信管理機可以監控各個測控裝置的測量數據是否存在個別數據長期不刷新，或者出現數據單個單次跳變的情況均可主動記錄或報警，以實現站端的數據“自動糾錯功能”。在IEC60870-5-104規約(簡稱IEC104規約)中主要處理方式如下：

　　存在長期不刷新數據時可以在上送報文中的品質描述詞（QDS）中可以將相應NT（刷新標志）進行置位。

　　通過監視帶時標數據，可以實現單個數據單次大幅跳變時的壞數據識別功能，這種情況下可以將IV（有效標志）進行置位，以顯示當前數據無效。具體品質描述詞（QDS）意義如表2。

　　3.2.2 數據統一斷面上送及壞數據檢驗

　　在通信管理機上送測量數據時，由于所有數據均已統一時標，可以將當前已經具有同一時間標識的數據進行上送，假如部分數據長期未能刷新，則可將其相應品質描述詞標識進行置位，以示區別。這種方式下，可以保證上送至調度端的測量數據為同一時間斷面數據，最大程度上保證狀態估計數據的合格率和真實性。同時在壞數據校驗方面，由于在通信管理機內已經收集了全站各元件及支路的開關位置及電流電壓功率信息，可以利用分布式狀態估計中的生數據處理方法，根據在站端維護的電網模型靜態數據庫，以及站內開關節點的拓撲連接、節點設備連接關系以及設備參數的基礎上對站內遙信進行變電站拓撲分析，形成變電站內系統拓撲。根據變電站系統接線的網絡拓撲關系對部分遙測數據進行壞數據的辨識過濾，計算出設備的帶電狀態后，可以根據對應設備的帶電狀態計算設備對應的遙測量，計算信息的可信度品質位，剔除或標記疑似壞數據。加工計算后形成量測熟數據通過變電站通信服務器及調度數據網上送至調度中心實時數據庫。

4 結論

　　目前電力系統狀態估計遙測數據合格率不能完全滿足要求的情況下，必須從根源上解決數據質量問題。本文從站端數據采集計算發送的環節入手，分析了現有測量數據采集計算發送存在的問題，提出了通過對站內測控裝置及通信管理機進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據計算方法，不同通信規約方式下的數據發送改造方案，以及通信管理機對數據轉發調度時的數據品質處理及數據發送跳轉方案。本文提出的提高站端狀態估計數據合格率的方案，簡單易行，無需對站內測控裝置及通信管理機進行硬件改造，僅需對數據計算方案及傳輸報文進行改進即可從根源上實現同一時間斷面數據采集發送，大幅提高狀態估計合格率。

參考文獻

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