张庆伟1，郑海涛2，陈  羽1，王  力1，杨  胜1，代  莹1，王高明1，朱  冉3

　　（1.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京211104；2.甘肃省电力设计院有限公司，甘肃 兰州730050；3.国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏 南京211104）

　　摘  要： 针对目前调度系统中状态估计功能由于站端遥测数据合格率不高，导致后续处理数据不准确的问题，提出了一种站端数据采集传输过程的改进方案。通过对原有采集传输过程的逐层分析，找出了导致远动数据时间断面误差的原因。对站内测控装置的采集计算方法提出改进措施，同时对站控层通信规约提出改进方案，从数据采集根源上实现时间断面的同一化。通过对通信管理机的数据收集及转发功能提出改进方案，实现了站端异常数据的检验及转发调度数据的时标对齐功能。实践证明，改进方案简单可行，可以对提高智能变电站站端状态估计数据合格率产生较好效果。

　　关键词： 智能变电站；状态估计；数据合格率；测控装置；通信规约；时间断面

0 引言

　　状态估计是电网控制中能量管理系统中的基础软件，它是将可用的冗余信息转变为电力系统当前状态估计值的实时计算机程序和算法[1]。准确的状态估计结果是进行后续工作(如静稳态安全分析、调度员潮流和最优潮流等)必不可少的基础，同时可以及时发现电网实时量测、通道、拓扑、参数的异常。状态估计合格率可以有效地评估厂站数据的准确性，为自动化值班人员检测和辨识不良数据、补充不足量测点提供重要依据，能够提高自动化值班人员工作效率[2]。而目前站端状态估计数据合格率情况不容乐观[3]，并不能完全满足国网公司技术规范要求[4-5]。传统状态估计主要基于SCADA系统采集的量测量,由于各终端采集装置的采样既不同步，也没有统一的时标，加上量测时延及数据转发等因素，输入到状态估计的SCADA量测量所反映的时间断面有较大的差别[6]。当系统负荷变化较快时，上述时间断面的差别将引入较大的量测误差,量测量的时间断面误差对状态估计精度的影响已引起关注。文献[7]中对由于时间断面不一致导致的状态估计误差提出了进行软件补偿的方法，由于各个变电站通讯状态差异较大及实时变化的问题，导致其实用性不高。文献[8]中也是采用对不同来源数据采用不同补偿方法，同样实现难度较大。本文通过对SCADA数据采集传输过程的分析，对可能出现数据误差的环节进行了改进，提出了仅基于变电站站端的数据质量提高的方法，从误差根源上进行改进，对各种原因导致的时间断面误差有一定的改进作用。

1 电力系统远动数据存在的主要问题

　　根据电力系统的特点，状态估计主要处理对象是某一时间断面上的高维空间问题，同一时间断面对于状态估计数据的有效性尤其重要。目前按照现行国家电网公司要求遥测状态估计月可用率≥95%，调度管辖范围遥测估计合格率≥95%[5]。从网省公司统计数据来看，新建变电站尤其是网络通信情况较好的轻载变电站遥测合格率能够基本达到标准要求，而一些重负荷负荷变化快的高压、超高压变电站很难达到要求。目前用于状态估计的远动数据采用站端间隔测控装置或保测一体化测控装置进行数据采集，主要存在以下几个问题：

　　(1)远动数据在各个传输过程存在误差。电力系统一次系统状态数据通过传感器、测控装置、通信管理机传送到调度中心，其中每一个环节都有可能因干扰或设备性能、系统故障等原因造成数据误差，部分数据的相对误差甚至达到20%以上，超出了随机误差的范围。

　　（2）远动数据时间断面不同一问题，目前各个采集装置按照各自时钟进行采集计算，同时上送通信管理机也是按照召唤命令时刻或测量量变化时刻随机上送。通信管理机在上送调度系统时仅将当前实时数据库内数据按照转发表转发至调度，并未进行数据纠错及时标对齐，导致非同一时间断面的好坏数据均发送给调度主站，严重影响状态估计数据合格率。正是由于这种时间断面的不一致性，导致变电站内单个测控装置测量精度均能达到要求，但全站数据误差不能满足要求。

　　(3)远动数据缺乏“自我纠正”的能力，单纯的远动系统并不能把错误数据识别出来并加以纠正，这就是缺乏“自动修正”的能力。依靠调度人员的经验对数据的误差加以修正，几乎是不可能的，及时性和准确性都远远满足不了实时调度的要求。

2 影响站端遥测数据合格率的原因分析

　　根据状态估计的定义，理想的状态估计数据来源是全站甚至区域电网发送至调度主站的同一时间断面的一次设备测量数据[8]。在能量管理系统的实际运行过程中，状态估计合格率受多种因素的综合影响，除去现场一二次设备缺陷、基础参数不准确等客观管理问题外，目前测量数据的采集发送方式对于提供同一时间断面的变电站状态数据不利。

　　目前对于测量数据的数值误差来说微机型测控装置并不是主要的来源，往往是由于过程层一次PT、CT误差导致，在本文中不再讨论。时间误差则主要由现存的通信方式及其他原因导致。下面介绍目前站端数据采集发送的现状并对产生各种时间误差的原因进行分析。

　　2.1 站端采集发送方式简介

　　如图1中的A区域存在于变电站站端，主要包括处于采集端的站端间隔测控装置或保测一体化测控装置（简称测控装置），进行数据转发的站端通信管理机等站端数据采集传输装置。

　　2.2 测控装置采集过程

　　目前间隔层测控装置大多采用按照自身嵌入式处理器的中断间隔进行滤波采样计算的方式，在数据转换为有效值后传输给通信管理机。主要有两种方式：

　　(1)通信管理机按照定时间间隔进行单个测控装置的相关数据轮询总召唤，测控装置逐个回复相关数据。这种模式主要应用于采用IEC60870-5-103规约(简称IEC103规约)或者企业内部总线如CAN、MODBUS等站控层通信规约的变电站，或用于IEC61850通信规约初次连接过程中。

　　(2)测控装置在监测到有变化数据时主动上送相关变化数据，通信管理机被动接受测量数据，这种模式主要应用于采用IEC61850及部分IEC103规约的站控层通信规约的变电站。

　　在上述两种情况中，即使全站配有GPS对时系统或其他精准对时系统，遥测基础数据基本都不带时标，在IEC61850中时标也仅是装置发送时刻通信处理单元自身时标，并非测量采集计算时刻时标。

　　2.3 通信管理机转发调度过程

　　在后续站控层通信管理机收到测控装置发送来的测量数据后，将其按照相应转发表转发后打包发送给调度主站。在通信管理机中对测量数据不进行处理，仅是将下行通道中传输上来的数据组合或直接转发。即使有的间隔测控装置已经长时间不发送数据，有的间隔测控装置数据刚刚刷新，这两个间隔数据仍一同发送。

　　2.4 采集转发模式的主要问题

　　按照上述站端数据采集处理发送方式，一方面测控装置虽然可以实时采集数据，由于数据传输方式的原因，发送给通信管理机的数据无法实现所有间隔发送数据采用同一时间断面数据。另外一方面，由于在测控装置发送的数据报文中不包含采样时刻信息，通信管理机对数据无法进行同一时刻数据对时标处理，也就导致上送至调度数据无法实现同一时间断面处理。

　　在这种情况下，主要有以下几个问题：

　　(1)在变电站站控层网络出现不稳定的情况下，通信管理机侧经常会出现部分测控装置数据刷新频繁，个别测控装置数据长时间不刷新或者超过秒级的数据无法刷新现象。在这种情况下通信管理机并无法区分哪些数据长时间不刷新，只能按照现有数据库数据上送，会导致状态估计数据瞬时性的不合格现象。

　　(2)即使在变电站站控层网络情况良好的情况下，由于所有测控装置并未实现发送同一时间断面数据，造成发送给通信管理机的数据采样时间差可以从20 ms～1 s左右，在所测量间隔重负荷的情况下，出现负荷波动时会出现较大的状态估计数据误差，遥测数据不合格甚至出现长期整站负荷不平衡现象。

3 提高站端状态估计合格率的方法

　　针对上述问题，提出一种从数据根源解决无法发送同一时间断面数据的方法。

　　3.1 测控装置处理方法

　　为了从数据采集根源上解决数据时间断面一致性问题，提出一种测控装置采集传输数据的新方式。

　　3.1.1 数据采集计算过程

　　测控装置对原始波形数据及遥信数据仍按照原有采样率进行处理，在采集完毕后按照已经精准对时后的整百毫秒进行计算并存储，即在每0 ms、100 ms、200 ms、300 ms…900 ms进行计算。

　　3.1.2 数据发送过程

　　接下来的传输过程按照不同通信规约进行分别处理。

　　(1)IEC103通信规约

　　在IEC103通信规约中，在通信管理机总召或装置主动上送信息情况下，测控装置在发送遥测遥信信息时，利用规约报文中备用字节增加当前时间信息。规则如下：在Am Bs Cms数据上送编码时标信息为A设置为第15位～第10位数据，B设置为第9位～第4位数据，B/100设置为第3位～第0位数据，总共占用一个16位数据。例如4h 10s 300ms时标信息编码为16进制码0X10A3，默认各个间隔时间误差在目前变电站已经基本具有精准对时或秒脉冲对时的技术条件下不会大于1小时，故在时标信息中不增加小时数据。这种处理方案每次上送仅需将原报文中遥测长度字节VQS加1，同时在原有遥测测量值后面增加2位Byte时标信息，不影响原有功能。在发送变化遥测或变位遥信时，在上送报文中同样处理时标信息。这样在上送数据中包含经过准确对时的时间断面数据，能够保证不同位置间隔测控数据即使发送时间有差异，也能够保证将同一时间断面的数据发送给通信管理机。下面以某公司的IEC103上送遥测报文为例进行简单示意。

　　原有报文利用ASDU50进行顺序传输遥测值，原来按照表1第二列数据格式进行传输，修改后按照第三列数据格式进行传输。其他遥信数据或变化遥测数据可以参考本例进行修改。

　　(2)IEC61850通信规约

　　在IEC61850通信规约方式下，由于主要靠设置灵敏的变化遥测上送遥测值，在变化遥测中本身就具有时标，但是各个测控装置目前还是按照各自发送时刻上送各自当前计算的测量值。在本文中建议在测控装置发送变化遥测是按照将本间隔当前发送时间进行发送，但是时间发送值取当前时间整百毫秒值进行发送。例如，当前时刻为7h8s145ms，则发送7h8s100ms时刻计算出的数值，这样进行处理一方面可以实现所有装置可以在不同时刻发送测量量但是测量量的采集计算时间断面统一，即可实现整站同一时间断面数据的采集发送工作。由于对于IEC61850规约而言对报文内容并无改变，因此不再对报文进行举例，仅需要对测控装置内部处理方式进行改进即可。

　　3.2 通信管理机处理方法

　　对于通信管理机无论是IEC103还是IEC61850通信方式的变电站，对于遥测遥信的处理原理基本相同，普遍都是按照转发调度的信号转发表对站内原始信息进行简单处理后发送给调度。在能够保证站内装置按照同一时间断面将数据采集至通信管理机后，通信管理机可以进行以下两方面的数据处理。

　　3.2.1 站内数据校验

　　基于站内数据均已按照统一时标上送至通信管理机，通信管理机可以监控各个测控装置的测量数据是否存在个别数据长期不刷新，或者出现数据单个单次跳变的情况均可主动记录或报警，以实现站端的数据“自动纠错功能”。在IEC60870-5-104规约(简称IEC104规约)中主要处理方式如下：

　　存在长期不刷新数据时可以在上送报文中的品质描述词（QDS）中可以将相应NT（刷新标志）进行置位。

　　通过监视带时标数据，可以实现单个数据单次大幅跳变时的坏数据识别功能，这种情况下可以将IV（有效标志）进行置位，以显示当前数据无效。具体品质描述词（QDS）意义如表2。

　　3.2.2 数据统一断面上送及坏数据检验

　　在通信管理机上送测量数据时，由于所有数据均已统一时标，可以将当前已经具有同一时间标识的数据进行上送，假如部分数据长期未能刷新，则可将其相应品质描述词标识进行置位，以示区别。这种方式下，可以保证上送至调度端的测量数据为同一时间断面数据，最大程度上保证状态估计数据的合格率和真实性。同时在坏数据校验方面，由于在通信管理机内已经收集了全站各元件及支路的开关位置及电流电压功率信息，可以利用分布式状态估计中的生数据处理方法，根据在站端维护的电网模型静态数据库，以及站内开关节点的拓扑连接、节点设备连接关系以及设备参数的基础上对站内遥信进行变电站拓扑分析，形成变电站内系统拓扑。根据变电站系统接线的网络拓扑关系对部分遥测数据进行坏数据的辨识过滤，计算出设备的带电状态后，可以根据对应设备的带电状态计算设备对应的遥测量，计算信息的可信度品质位，剔除或标记疑似坏数据。加工计算后形成量测熟数据通过变电站通信服务器及调度数据网上送至调度中心实时数据库。

4 结论

　　目前电力系统状态估计遥测数据合格率不能完全满足要求的情况下，必须从根源上解决数据质量问题。本文从站端数据采集计算发送的环节入手，分析了现有测量数据采集计算发送存在的问题，提出了通过对站内测控装置及通信管理机进行同一时间断面改造的方案，主要包括对测控装置的采样数据计算方法，不同通信规约方式下的数据发送改造方案，以及通信管理机对数据转发调度时的数据品质处理及数据发送跳转方案。本文提出的提高站端状态估计数据合格率的方案，简单易行，无需对站内测控装置及通信管理机进行硬件改造，仅需对数据计算方案及传输报文进行改进即可从根源上实现同一时间断面数据采集发送，大幅提高状态估计合格率。

参考文献

　　[1] 赵红嘎，薛禹胜，汪德星，等．计及PMU支路电流相量的状态估计模型[J]．电力系统自动化，2004，28(17)：30-33．

　　[2] 李强，周京阳，于尔铿，等．基于混合量测的电力系统状态估计混合算法[J]．电力系统自动化，2005，29(19)：24-28．

　　[3] 王苹，颜廷峰，付余民.威海电网提高遥测估计合格率的方法[J].中国科技信息，2009(4).

　　[4] 国家电网公司．能量管理系统(EMS)实用化标准(试行)[S]．2009．

　　[5] 国家电网公司．能量管理系统(EMS)实用化验收办法(试行)[S]．2009．

　　[6] 薛辉，贾清泉，王海棠，等.基于PMU量测数据和SCADA数据融合的电力系统状态估计方法[J].电网技术，2008，32(14)：44-49.

　　[7] 赵红嘎，薛禹胜，高翔，等.量测量的时延差对状态估计的影响及其对策[J].电力系统自动化，2004，28(21)：12-16．

　　[8] 顾全，陈根军，陈松林，等.量测数据时差补偿状态估计方法[J].电力系统自动化，2009，33(8)：44 -49．