萬玉建 朱 峰 薛建中

（南京磐能電力科技股份有限公司，南京 210061）

隨著我國智能電網(wǎng)進入全面建設階段，對于智能變電站出線間隔采集數(shù)據(jù)辨識要求也越來越高，國家電網(wǎng)公司在《智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設技術規(guī)范》一文中要求對于智能變電站一個間隔內的采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)要具有檢測可疑數(shù)據(jù)、辨識不良數(shù)據(jù)并可以向相關人員發(fā)出告警功能。

傳統(tǒng)的可疑數(shù)據(jù)識別技術基本上是在調度主站端使用狀態(tài)估計算法，狀態(tài)估計是面向全網(wǎng)數(shù)據(jù)，需要提供全網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲和所有變壓器和線路的阻抗參數(shù)參于計算，維護比較復雜，相對于一個間隔的數(shù)據(jù)辯識精度不夠。因而，這種方法不適合一個間隔小范圍內可疑數(shù)據(jù)的鑒別。

另一方面，一個間隔內數(shù)據(jù)通常使用凍結監(jiān)控畫面，截取同一時間點數(shù)據(jù)，然后通過人工離線計算的方法得到不良數(shù)據(jù)，這種方法既麻煩又消耗人力并且還容易誤判。

這些問題的存在，就要求盡快形成一套解決方案，能實現(xiàn)在線地、實時地在間隔采集數(shù)據(jù)中找到可疑數(shù)據(jù)，并且利用系統(tǒng)的告警平臺發(fā)出告警。這套方案涉及兩個方面：一方面是實現(xiàn)小范圍內可疑數(shù)據(jù)辯識算法的優(yōu)化，保證多個間隔可以同時準確并快速地檢測和鑒別出可疑數(shù)據(jù)，另一方面如何充分利用智能變電站一體化監(jiān)控平臺現(xiàn)有功能模塊，既減少重復勞動，又保證與監(jiān)控平臺無縫銜接，保持系統(tǒng)平臺的一體化特點和風格統(tǒng)一。

1 技術方案

本技術方案的目的是，基于智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)，對傳統(tǒng)間隔可疑數(shù)據(jù)辨識方法進行改進，使其能夠實現(xiàn)根據(jù)智能變電站間隔實時數(shù)據(jù)鑒別出其中的可疑數(shù)據(jù)，并且集合智能告警模塊向相關人員發(fā)出告警。

如圖1所示智能變電站間隔可疑數(shù)據(jù)實時辯識方案圖，除了下面部分虛線框中新增模塊圖形展現(xiàn)的是智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)部分數(shù)據(jù)流圖，本發(fā)明技術方案充分運用智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)中現(xiàn)有的公式計算服務、系統(tǒng)內存庫、告警服務等模塊，利用公式計算引擎系統(tǒng)，擴展一種新的公式調用新增模塊—數(shù)據(jù)辯識模塊，并且通過告警服務模塊產(chǎn)生告警信息。

圖1 智能變電站間隔可疑數(shù)據(jù)實時辯識方案圖

用戶通過公式錄入工具，將智能變電站各間隔內需要參與計算的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源作為參數(shù)，生成這種新公式，每個公式計算一個間隔數(shù)據(jù)，將所有公式錄入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫；公式計算服務模塊從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中讀取公式列表，根據(jù)公式參數(shù)中的數(shù)據(jù)源從系統(tǒng)內存庫中讀取實時數(shù)據(jù)（系統(tǒng)內存庫中存放實時數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)采集模塊實時采集放入），然后再根據(jù)公式名稱調用相關計算模塊，如果是新增公式則調用間隔數(shù)據(jù)辯識模塊，間隔數(shù)據(jù)辯識模塊將計算結果提交到系統(tǒng)內存庫；告警服務模塊實時調用系統(tǒng)內存庫判別產(chǎn)生告警信息，通知告警展示模塊，告警展示模塊可以通過告警窗口顯示、語音提示、發(fā)短信等多種方式通知用戶。

間隔數(shù)據(jù)辯識模塊輸入間隔數(shù)據(jù)有功P、無功Q、電流I、電壓U、功率因數(shù)cosφ等實時數(shù)據(jù)，以及判斷閾值和電壓基準值，共7個參數(shù)，根據(jù)電力系統(tǒng)中有功、無功、電流、電壓、功率因數(shù)5個物理量之間的數(shù)學關系，結合這些電力系統(tǒng)中物理量的實際應用中約束特點，逐個運用最小二乘法綜合判別每個物理量是否可疑，輸出判別結果：數(shù)據(jù)正常或者某個物理量可疑或者多個物理量可疑。

2 具體實現(xiàn)方法

2.1 智能變電站間隔數(shù)據(jù)和具體要求

一個智能變電站有十幾個到幾十個間隔，每個間隔內監(jiān)控平臺采集數(shù)據(jù)主要包括：有功P、無功Q、電流I、電壓U和功率因數(shù)cosφ等5個數(shù)據(jù)，由于這5個數(shù)據(jù)在電力系統(tǒng)中是有著數(shù)字關系的物理量，當這5個數(shù)據(jù)中只有1個數(shù)據(jù)是錯誤時，根據(jù)5個數(shù)據(jù)之間關系，系統(tǒng)實時識別出錯誤的那個數(shù)據(jù)；如果有多個數(shù)據(jù)錯誤時理論上無法識別出具體是哪一個數(shù)據(jù)有錯誤，但至少需要識別出是否有錯誤數(shù)據(jù)；系統(tǒng)識別出上面兩種有錯誤數(shù)據(jù)的情況應同時發(fā)出相應的告警信息，提醒用戶檢查該間隔數(shù)據(jù)。

2.2 P、Q、I、U、cosφ 之間關系

電力系統(tǒng)中有功P、無功Q、電流I、電壓U、功率因數(shù)cosφ這個5個量之間的數(shù)學關系為

注：公式（1）sinφ是功率因數(shù)cosφ對應的正弦值，為了便于計算引入；

由公式（2）、公式（3）和公式（4）可以推導出每個量由其他幾個量表達的公式如下。

2.3 間隔數(shù)據(jù)辯識模塊

間隔數(shù)據(jù)辯識模塊是系統(tǒng)算法實現(xiàn)部分，也是系統(tǒng)的核心模塊。該模塊的輸入?yún)?shù)包括：P為有功值(kW)，Q為無功值(Kvar)，Ua為相電壓(kV)，Ia為線電流(A)、cosφ為功率因數(shù)等5個參于辯識的實時數(shù)據(jù)，以及判斷閾值yuzhi（默認0.065）和線電壓基準值vol（單位：kV，參見表1）。模塊通過一些列判別和計算返回一個整數(shù)結果：0為正常，1為P有問題，2為Q有問題，3為U有問題，4為Ia有問題，5為cosφ有問題，6為多個數(shù)據(jù)有問題。

表1 電壓基準值對照表

間隔數(shù)據(jù)辯識模塊流程圖如圖2和圖3所示，主要有電壓U值判斷、參數(shù)檢查、調用數(shù)據(jù)檢測模塊、判斷P、Q、I、cosφ值是否可疑等部分組成。

1）電壓U值判斷

在電力系統(tǒng)中電壓值是個穩(wěn)定的值，正常在基準值附近，因此，只要以其基準值vol為參考值計算其誤差率deltaU（公式如下），如果誤差率deltaU小于判斷閾值yuzhi即認為電壓U值是正常，否則U值可疑，模塊返回3。

圖2 間隔數(shù)據(jù)辯識模塊流程圖

圖3 判斷P、Q、I、cosφ 值是否可疑流程圖

注：這里輸入?yún)?shù)電壓U是相電壓，而電壓基準值vol是線電壓，因此電壓U計算前要換算成線電壓值。

2）參數(shù)檢查

根據(jù)電力系統(tǒng)實際應用束約特點，對輸入?yún)?shù)進行數(shù)值大小的檢查是否在正常范圍內，并對0等特殊值進行處理。

例如：cosφ值只能大于等于0且小于等于1，如果cosφ值不在這個范圍，則返回5為cosφ有問題；再如：當有功P等于0，而電流I和cosφ值都不等于0時，則返回1為P有問題，等等。

3）調用數(shù)據(jù)檢測模塊

數(shù)據(jù)檢測模塊因為下面會多次調用，將其獨立為子模塊，該模塊的作用是運用最小二乘法判別輸入?yún)?shù)P、Q、U、I、cosφ五個數(shù)據(jù)估算值和輸入值的誤差率是否小于判斷閾值，如果5個數(shù)據(jù)的估算誤差率都小于判斷閾值yuzhi則認為這個5個數(shù)據(jù)都是正常的返回真，否則返回假，并返回最大估算誤差率delta。詳見“2.4數(shù)據(jù)檢測模塊”。

間隔數(shù)據(jù)辯識模塊主流程中調用數(shù)據(jù)檢測模塊，輸入?yún)?shù)即為本模塊的輸入?yún)?shù)P、Q、U、I、cosφ數(shù)值，如果返回為真，只說明5個輸入?yún)?shù)為正常，沒有可疑數(shù)據(jù)，模塊返回0－正常。

4）判斷P、Q、I、cosφ值是否可疑

上面調用數(shù)據(jù)檢測模塊如果返回假，說明5個數(shù)據(jù)中至少有1個數(shù)據(jù)可疑，而電壓U在前面已經(jīng)判斷為真了，只剩下P、Q、I、cosφ四個數(shù)據(jù)里有可疑數(shù)據(jù)。如圖3所示判斷P、Q、I、cosφ值是否可疑流程圖，它判斷的思想是這樣的，假設P數(shù)據(jù)有問題，其他4個數(shù)據(jù)都沒有問題，則根據(jù)其他4個數(shù)可以由式（2）、式（5）、式（6）分別計算出三個沒有問題的有功P，用通過計算出來的三個ReplaceP分別替換原來P，這樣用Replace、Q、U、I、cosφ五個數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)調用數(shù)據(jù)檢測模塊，如果返回真，則說明P有可能真是有問題的，這里為什么說有可能P有問題而不能肯定問題，因為假如實際上P是沒有問題，而是其他三個數(shù)（Q、I、cosφ）有問題， 用式（2）、式（5）、式（6）計算出來數(shù)據(jù)ReplaceP實際是用有問題的數(shù)據(jù)算出來的，最終調用數(shù)據(jù)檢測模塊只要誤差率小于閾值就會返回真，所以說即使返回真只能說明原來的P極有可能有問題。那么如何確認究竟哪一數(shù)據(jù)有問題呢？思路是這樣的，將P、Q、I、cosφ四個數(shù)據(jù)，分別假設每一個數(shù)據(jù)有問題，其余數(shù)據(jù)沒有問題，分別用其對應的3個公式計算出3個替換數(shù)據(jù)，這樣4個數(shù)據(jù)每個數(shù)據(jù)3個公式，共12次調用數(shù)據(jù)檢測模塊，將當中所有返回值為真時的所返回的最大估算誤差率delta值中最小delta時所假設的那個數(shù)據(jù)即為最有可能的可疑數(shù)據(jù)。如果12次調用都返回假，說明P、Q、I、cosφ四個數(shù)據(jù)里有多個數(shù)據(jù)可疑。詳見圖3。

2.4 數(shù)據(jù)檢測模塊

數(shù)據(jù)檢測模塊運用最小二乘法判別輸入?yún)?shù)P、Q、U、I、cosφ五個數(shù)據(jù)估算值和輸入值的誤差率是否小于判斷閾值，如果5 個數(shù)據(jù)的估算誤差率都小于判斷閾值yuzhi則認為這個5 個數(shù)據(jù)都是正常的返回真，否則返回假，并返回最大估算誤差率delta。

最小二乘法（又稱最小平方法）是一種數(shù)學優(yōu)化技術。它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。

假設數(shù)據(jù)X是個客觀存在物理量，通過n種測量方法可以得到X1X2…Xn共n個X的數(shù)值，那么可得到函數(shù)J(X)等于X與每一個Xi的誤差的平方和：

當函數(shù)J(X)最小時的X 值最接近真實值，可以通過對函數(shù)J(X)求一次導數(shù)等于0時J(X)最小的方法求得X值：

即X值等于X1X2…Xn的平均值時最接近其真實值。

由上面推導可以看出，只對一個未知數(shù)據(jù)的估算的最小二乘法演變成了平均值法了，這樣相對于多個未知量用矩陣法求解方法，平均值法計算速度大大提高。

輸入?yún)?shù)P、Q、U、I、cosφ五個數(shù)據(jù)是通過采集裝置、測量儀表、傳感器產(chǎn)生，再經(jīng)過數(shù)字化轉換、編碼，通過通信規(guī)約傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺，最終監(jiān)控平臺獲得的數(shù)據(jù)與真實值總會有一些誤差，以有功P為例，假設有功P的最接近真實值為Pr，那么除了P本身，還可以通過式（2）、式（5）、式（6）由其他采集的數(shù)據(jù)計算得到有功值，共有4 個有功值，根據(jù)上述理論，Pr等于4 個數(shù)據(jù)平均值，再通過本身P值用下面公式計算誤差率deltaP

依此類推，計算出其他4 個量的各自的誤差率deltaQ、deltaU、deltaI、deltacosφ，統(tǒng)計這5 個誤差率中最大的誤差率maxdelta，模塊輸出最大誤差率，同時如果maxdelta小于閾值yuzhi則表示輸入的5 數(shù)據(jù)誤差在正常范圍內，模塊返回真true，否則返回假false。

3 應用舉例

某變電站10kV 母線五條出線某時間刻數(shù)據(jù)如表2所示，此時母線電壓為10.36kV，折算為相電壓為5.982kV，判斷閾值為0.065。通過上述方法計算結果如表2所示（此處的有功和無功是指單相A相功率，不是三相總功率）。

表2 某變電站10kV 母線五條出線數(shù)據(jù)辯識計算表

當表2中的某些數(shù)據(jù)重新設置成其他數(shù)據(jù)時計算結果將隨之改變。如表3所示，1#出線有功P由原來的602kW 設置為802kW時，計算結果變?yōu)?有功可疑；2#出線無功Q由原來的505kVar 設置為705kVar時，計算結果變?yōu)? 無功可疑；3#出線電壓U由原來的5.982kV 設置為6.982kV時，計算結果變?yōu)? 電壓可疑；4#出線電流I由原來的544A 設置為644A時，計算結果變?yōu)? 電流可疑；5#出線功率因數(shù)cosφ由原來的0.87 設置為0.77時，計算結果變?yōu)? 功率因數(shù)可疑；5#出線無功Q由原來的2436kVar 設置為3436kVar，同時電流I 由原來的819A 設置為719A時，計算結果變?yōu)? 多數(shù)據(jù)可疑。

表3 數(shù)據(jù)變化后數(shù)據(jù)辯識計算結果表

4 結論

這種辨識方法，實時、準確地完成了間隔可疑數(shù)據(jù)的鑒別和告警，系統(tǒng)充分利用數(shù)據(jù)間的數(shù)學關系，對數(shù)據(jù)中蘊涵的信息進行進一步地挖掘，使得用戶能即時發(fā)現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)，迅速排除電力安全隱患，滿足了用戶的需求，同時也提高了系統(tǒng)平臺的智能性和可維護性。本辯識方法已經(jīng)通過申請發(fā)明性專利保護。