設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)的研制

1、設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)的研制*供電局調(diào)度管理處自動化運檢一班QC小組一、小組概況 小組名稱調(diào)度管理處運檢一班QC小組成立時間2001年3月課題類型創(chuàng)新型成員人數(shù)10人注冊編號活動時數(shù)32小時/人活動次數(shù)10次出勤率100%活動時間2011.3-11姓 名性別年齡文化程度職稱組內(nèi)分工*男39本科工程師策劃、實施*男33碩士研究生工程師策劃、實施*男26碩士研究生助理工程師實施*男26碩士研究生助理工程師實施*男36本科助理工程師實施*男36本科助理工程師實施*男22本科助理工程師實施*男39大專助理工程師記錄*女39本科助理工程師記錄*女48本科助理工程師記錄二、選題理由隨著現(xiàn)代化進程的不斷進步，政治

2、、經(jīng)濟、軍事等對電能的需求日益增加，使得電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行方式日趨復(fù)雜，為了保證電力系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，電力系統(tǒng)調(diào)度中心的自動化水平需要不斷地提高。電力系統(tǒng)調(diào)度中心的主要任務(wù)是迅速、準(zhǔn)確、全面地掌握電力系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)并預(yù)測和分析系統(tǒng)未來的運行趨勢，從而對運行中的各種問題能夠及時準(zhǔn)確地提出解決對策。1、課題背景目前電力系統(tǒng)調(diào)度中心廣泛應(yīng)用數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)進行數(shù)據(jù)的采集和傳輸，是電壓幅值和功率型量測，通過遠動系統(tǒng)采集變電站內(nèi)一次設(shè)備的測量電壓和電流，開關(guān)、刀閘位置等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)信息再由遠動通道接口送到調(diào)度中心的計算機。其中的數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗^程均

3、有可能產(chǎn)生誤差，各個過程有時還可能受到干擾或出現(xiàn)故障，因此調(diào)度中心計算機接收到的數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)之間難免存在一定的差異，這些量測信息數(shù)據(jù)會影響調(diào)度中心對電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的判斷結(jié)果，產(chǎn)生決策錯誤，有時會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。現(xiàn)代電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行主要依賴于能量管理系統(tǒng)(EMS)，其功能是根據(jù)電力系統(tǒng)的各種量測信息，為電力系統(tǒng)調(diào)度中心做出相應(yīng)的決策方案。EMS以測量為基礎(chǔ)，因此各種量測信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響調(diào)度中心的決策行為，更直接關(guān)系到電網(wǎng)安全運行與否。2、課題現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集異常實例：（1）220kV*變電站。2012年7月5日，接到*電力調(diào)度中心通知：烏閣I回253線路負荷異常，要求立即核實該線路實際

4、負荷情況?，F(xiàn)場測控裝置顯示情況為：A相電壓132.05，B相電壓132.93，C相電壓132.58，A相電流223.59，C相電流224.01，B相電流缺失，造成比實際負荷缺少三分之一的情況。同時對其他線路進行了排查，發(fā)現(xiàn)烏東線258線路同樣是B相電流缺失問題。（2）220kV*變電站。2012年7月13日，接到*電力調(diào)度中心通知：可杜線256線路負荷異常，要求立即核實該線路實際負荷情況。現(xiàn)場測控裝置顯示情況為A相電流97.46，B相電流64.3，C相電流71.85， A相電壓132.71，B相電壓133.03，C相電壓132.9，有功7.64，無功-25.99，功率因數(shù)0.35，造成有功、無

5、功與對端杜爾博特風(fēng)電場不一致的情況。綜上所述的這些問題，都發(fā)生在數(shù)據(jù)采集階段，及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集裝置異常，快速檢測設(shè)備狀態(tài)是否正常成為迫切需要解決的難題。調(diào)度管理處自動化運檢一班外勤人員8名，負責(zé)管理維護*市區(qū)、郊區(qū)以及周邊*縣、*縣、*縣、*縣、*縣等地區(qū)80余座變電站，線路共計836條，由于工作人員嚴(yán)重不足，對設(shè)備只能進行計劃巡檢，定期對設(shè)備進行巡視，巡視周期長達60天。由于目前國內(nèi)沒有相關(guān)的設(shè)備檢測工具，所以變電站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)檢查只能依靠人工來完成：設(shè)備狀態(tài)檢查需要三個人互相配合，1人檢查設(shè)備，1人操作監(jiān)控機，1人在調(diào)度主站核對數(shù)據(jù)；一座變電站設(shè)備狀態(tài)檢查需要2小時，而且巡視間隔期間無法發(fā)現(xiàn)

6、設(shè)備異常情況。線路統(tǒng)計表電壓等級220kV110kV35kV10kV線路數(shù)量6716070539統(tǒng)計：董偉 時間：2012.3.30隨著2012年*供電局調(diào)控一體化進程的實施，對無人值班變電站的設(shè)備運行狀態(tài)提出了更高的要求，如何尋求一種可以實現(xiàn)快速、高效的設(shè)備狀態(tài)檢測工具，小組就此展開了“創(chuàng)新型”QC 課題活動。3、確定課題2010年開始，公司對可靠性供電提出了嚴(yán)格的要求，因此實現(xiàn)計劃巡檢到狀態(tài)檢查的轉(zhuǎn)變，才能達到可靠性指標(biāo)要求。為了實現(xiàn)對設(shè)備的狀態(tài)檢查這一目標(biāo)，我們迫切需要一種對設(shè)備進行快速檢測的軟件系統(tǒng)。根據(jù)當(dāng)前需求，小組做了大量的市場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前市場沒有研制過此類軟件系統(tǒng)。小組只能研制

7、一種可以實現(xiàn)對設(shè)備的狀態(tài)檢測的軟件系統(tǒng)。因此，小組確定以設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)的研制，作為本次活動的課題。三、設(shè)定目標(biāo)及可行性分析（一）目標(biāo)設(shè)定：1、研制一種遠程監(jiān)測變電站內(nèi)運行設(shè)備狀態(tài)的軟件系統(tǒng)。2、對變電站內(nèi)運行設(shè)備的狀態(tài)檢查，檢查時間由2小時降低為5分鐘。設(shè)備狀態(tài)檢測時間分鐘（二）目標(biāo)可行性分析：1、小組擁有2名工程師，8名助理工程師，小組成員具有豐富的工作經(jīng)驗。2、小組成員具有碩士研究生學(xué)歷三名，對國內(nèi)的相關(guān)科技前沿進行了技術(shù)追蹤，并查閱了當(dāng)前國內(nèi)相關(guān)的技術(shù)文獻80余篇，具備良好的理論基礎(chǔ)。3、小組成員針對*地區(qū)變電站數(shù)據(jù)通信的特點進行了討論，根據(jù)數(shù)據(jù)通信采用模擬通道的特點，數(shù)據(jù)報文采用IE

8、C 60870-5-101通訊協(xié)議。4、小組成員根據(jù)*地區(qū)變電站使用大規(guī)模分層分布式變電站構(gòu)架模型設(shè)計的特點，同時考慮到將來所使用的數(shù)據(jù)通信IEC 60870-5-104通訊協(xié)議，所以按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)進行標(biāo)準(zhǔn)化建模，在數(shù)據(jù)模型上采用服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)的分層結(jié)構(gòu)。5、在本課題進行初期，組織小組成員進行了預(yù)研，對相關(guān)技術(shù)進行了建模，并對核心技術(shù)進行了技術(shù)論證。6、隨著當(dāng)代計算機系統(tǒng)飛速發(fā)展、計算頻率越來越快，引入先進的算法理念，我們相信完全可以達到預(yù)期目標(biāo)，變電站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)檢查時間縮小為5分鐘。四、擬定方案并選擇最佳方案1、提出方案QC小組研制的思路和預(yù)期效果本著結(jié)合現(xiàn)場實際

9、情況，以及*地區(qū)變電站內(nèi)數(shù)據(jù)通信采用模擬通道的特點，小組成員查詢了相關(guān)的技術(shù)資料，并根據(jù)實際調(diào)查以及大家提出的建議，運用“頭腦風(fēng)暴法”集思廣益，并用親和圖歸納整理：設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測方法變電站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測法調(diào)度主站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測法人工檢查設(shè)備工況速度慢、效率低，精準(zhǔn)度低，檢查周期2個月需要至少2人互相配合人工檢查設(shè)備工況速度慢、效率低，檢查周期2天要求通道、RTU設(shè)備工作正常需要其他班組配合工作軟件檢測法軟件自動檢測設(shè)備工況檢測速度快，精準(zhǔn)度高遙信、遙測邏輯關(guān)聯(lián)狀態(tài)電流、電壓、有功、無功、功率因數(shù)邏輯狀態(tài)狀態(tài)根據(jù)以上親和圖，QC小組決定從以下方案進行分析和評估：設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測方案變電站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測法

10、調(diào)度主站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測法軟件檢測法2、方案分析：小組成員對這三種方案進行了模擬測試、評估。方案一：變電站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測法測試地點*變測試時間2012.5.16測試人模擬測試1、設(shè)備狀態(tài)檢查需要三個人互相配合，1人檢查設(shè)備，1人操作監(jiān)控機，1人在調(diào)度主站核對數(shù)據(jù)；2、檢測邏輯節(jié)點遙信、遙測邏輯關(guān)系狀態(tài)是否正確；3、檢測邏輯節(jié)點電流、電壓、有功、無功、功率因數(shù)等量測數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)是否正確；4、檢測電源側(cè)、負荷側(cè)數(shù)據(jù)是否正確。分析結(jié)果缺點：1、檢測速度慢，工作效率低，全站設(shè)備檢查需要2小時，不包括路程消耗的時間；2、設(shè)備巡檢周期長達2個月3、人工檢測，完全依賴工作經(jīng)驗，精確度無法保證。優(yōu)點：檢測全面，發(fā)

11、現(xiàn)設(shè)備故障，可以直接處理。結(jié)論不采用方案二：調(diào)度主站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測法測試地點調(diào)度機房測試時間2012.5.16測試人模擬測試1、設(shè)備狀態(tài)檢查需要1人工作 ；2、檢測邏輯節(jié)點遙信、遙測邏輯關(guān)系狀態(tài)是否正確；3、檢測邏輯節(jié)點電流、電壓、有功、無功、功率因數(shù)等量測數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)是否正確；4、檢測電源側(cè)、負荷側(cè)數(shù)據(jù)是否正確。分析結(jié)果缺點：1、檢測速度慢，工作效率低，全站設(shè)備檢查需要0.5小時；2、設(shè)備巡檢周期需要5天；3、人工檢測，完全依賴工作經(jīng)驗，精確度無法保證。優(yōu)點：1、節(jié)省路程消耗的時間。2、結(jié)論不采用方案三：軟件檢測法測試地點調(diào)度機房測試時間2012.5.16測試人模擬測試1、設(shè)備狀態(tài)檢查需要1人

12、工作 ；2、程序自動解析通信數(shù)據(jù)報文，根據(jù)變電站內(nèi)傳送的數(shù)據(jù)報文，自動檢測邏輯節(jié)點遙信、遙測邏輯關(guān)系狀態(tài)是否正確，輯節(jié)點電流、電壓、有功、無功、功率因數(shù)等量測數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)是否正確，電源側(cè)、負荷側(cè)數(shù)據(jù)是否正確。分析結(jié)果缺點：1、要求通信通道暢通；2、要求變電站內(nèi)RTU工作正常優(yōu)點：1、全站檢測5分鐘即可檢測完畢，檢測速度快，工作效率高； 2、計算速度快，根據(jù)當(dāng)前的數(shù)據(jù)就可以檢測變電站內(nèi)設(shè)備運行狀態(tài)； 3、智能化檢測，精確度高，不依賴工作人員經(jīng)驗； 4、節(jié)省路程消耗時間；結(jié)論采用3、確定最佳方案至此，設(shè)備狀態(tài)檢測方法選擇完畢，通過一系列的選擇，我們確定了最優(yōu)方案。以往的人工檢查設(shè)備狀態(tài)，在技術(shù)層面

13、上提高設(shè)備檢查效率不可能有實質(zhì)上的提高，歸根結(jié)底是因為人工檢查的方法不能自動識別數(shù)據(jù)、自動檢查設(shè)備狀態(tài)。要想從根本上提高設(shè)備檢查效率，徹底解決人工檢查效率低下的問題，必須提出新技術(shù)，采用新方法，因此以我們大膽提出了軟件改造方案，解決方案定為從軟件技術(shù)開展，決定使用“軟件檢測法”方案。五、制定對策根據(jù)最佳方案，我們不再沿用多年的人工檢測方法，QC小組提出了一個創(chuàng)新的方法，設(shè)備狀態(tài)檢測方法創(chuàng)新，引入計算機軟件系統(tǒng)，通過計算機高速的計算功能，快速檢測變電站內(nèi)運行設(shè)備的工作狀態(tài)，根據(jù)確定的最新方案，制定如下對策表。序號對策目標(biāo)措施地點時間負責(zé)人1建立遙信、遙測數(shù)據(jù)庫為變電站內(nèi)運行設(shè)備建立一個遙信、遙測

14、數(shù)據(jù)庫1、統(tǒng)計變電站內(nèi)運行設(shè)備，記錄各設(shè)備的測點信息調(diào)度機房2012.4.15至2012.4.272通信數(shù)據(jù)報文解析程序自動讀取數(shù)據(jù)報文，解析報文中的數(shù)據(jù)信息1、查閱IEC60870-5-101通訊協(xié)議，確認數(shù)據(jù)報文格式；2、解析數(shù)據(jù)，獲取源碼值；3、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將源碼值轉(zhuǎn)換為實際測量值；4、確認與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法。辦公室2012.5.5至2012.5.303軟件系統(tǒng)建模通過建立數(shù)學(xué)模型，確認相關(guān)的算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1、按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建模；2、壞數(shù)據(jù)檢測3、不平衡度檢測； 4、建立輯節(jié)點U、I、P、Q、等量測數(shù)據(jù)，以及電源側(cè)、負荷側(cè)數(shù)據(jù)，進行全站非一致性狀態(tài)檢測；調(diào)度機房2012.6

15、.4至2012.9.284系統(tǒng)測試經(jīng)過測試驗證，確認軟件運算結(jié)果正確軟件完成之后，必須進行系統(tǒng)測試，確保計算過程穩(wěn)定，計算結(jié)果正確。變電站2012.10.10至2012.10.26六、對策實施實施（一）：建立遙信、遙測數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計各個變電站的遙信數(shù)據(jù)、遙測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的邏輯信息包括：（1）遙信、遙測數(shù)據(jù)位置信息；（2）線路編號、線路名稱、CT、PT信息；遙測數(shù)據(jù)庫遙信數(shù)據(jù)庫實施（二）：通信數(shù)據(jù)報文解析QC小組根據(jù)*地區(qū)變電站數(shù)據(jù)通信的特點，數(shù)據(jù)通信采用模擬通道，因此數(shù)據(jù)報文采用IEC 60870-5-101通訊協(xié)議。（1）首先查閱IEC60870-5-101通訊協(xié)議，分析報文結(jié)構(gòu)格式，并建立了相應(yīng)

16、的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和解析算法。（2）解析數(shù)據(jù)，獲取源碼值；（3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將源碼值轉(zhuǎn)換為實際量測值。數(shù)據(jù)報文算法原始報文數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)解析程序規(guī)格化的報文數(shù)據(jù)信息提取后的報文帶信息地址的源碼值實施（三）：軟件系統(tǒng)建模（1）綜合數(shù)據(jù)平臺的搭建，要按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)進行標(biāo)準(zhǔn)化建模，因此在數(shù)據(jù)模型上采用了服務(wù)器(Server)+邏輯設(shè)備(Logical_Device)+邏輯節(jié)點(Logical_Node)+數(shù)據(jù)(Data)的分層結(jié)構(gòu)。按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)進行標(biāo)準(zhǔn)化建模的分層結(jié)構(gòu)（2）壞數(shù)據(jù)檢測，當(dāng)數(shù)據(jù)報文中的壞數(shù)據(jù)個數(shù)達到一定數(shù)量時，說明此刻量測質(zhì)量較差或者出現(xiàn)了數(shù)據(jù)中斷，將給出信息提示，保證檢測結(jié)果的

17、及時性。（3）根據(jù)當(dāng)前采集到的電流、電壓的量測數(shù)據(jù)進行不平衡度檢測，當(dāng)三相不平衡度過大時，給出信息提示。三相不平衡度算法為：其中：為三相電壓或電流的正序分量幅值，為三相電壓或電流的負序分量幅值。電壓的不平和度較小，一般低于2%，電流三相不平衡度稍大一些。（4）開關(guān)非一致性運行檢測，通常情況下，電網(wǎng)處于三相一致運行狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)三相不一致時，為了更可靠的區(qū)別電網(wǎng)故障或者產(chǎn)生了遙信壞數(shù)據(jù)，我們放棄了通常的檢測機制，從數(shù)據(jù)報文中獲取開關(guān)位置信息。去了計算出更可靠、更精確的狀態(tài)，我們提出了更復(fù)雜的計算方法“基于多信息融合的開關(guān)非一致性檢測”方案。基于多信息融合的開關(guān)非一致性檢測方案：首先以變壓器為分界點

18、，按電壓等級劃分為n層（2n3），在各電壓等級中忽略零阻抗支路的相間互感，三相自然解耦，同時在各開關(guān)中增加多源三相量測（三相電流、電壓），依次進行零阻抗電壓和零阻抗功率計算開關(guān)閉合狀態(tài)。其中，零阻抗電壓實際是對開關(guān)內(nèi)各節(jié)點電壓量測進行加權(quán)平均，為線性不需迭代，不存在收斂性問題，計算速度快。零阻抗功率中考慮了電流幅值量測，得到非線性量測方程，其算法如下：其中：為狀態(tài)量，為狀態(tài)量增量，z為量測量，=A,B,C分別表示三相，W為各量測的權(quán)重矩陣，雅克比矩陣為稀疏矩陣，當(dāng)沒有電流量測時，H為常數(shù)陣。實施（四）：軟件系統(tǒng)運行情況1、110kV裕隆變。第一醫(yī)院為雙電源用戶，裕隆變第一醫(yī)院線953此刻狀態(tài)為

19、第二電源點，因此開關(guān)閉合，開關(guān)上功率為0，該特殊運行方式正確。所以系統(tǒng)計算出的結(jié)果為告警狀態(tài)，而非故障狀態(tài)。測控裝置狀態(tài)UaUbUcIaIbIcPQCOS953000000.992、220kV*變。檢測系統(tǒng)在對*變電站檢測后的效果測控裝置狀態(tài)UaUbUcIaIbIcPQCOS253132.15132.86133.21223.910224.63-82.8230.98258132.45133.47132.18342.130344.46127.9130.99220kVI母130.46117.23147.21110kVI母66.5764.5345.152、220kV*變。檢測系統(tǒng)在對*變電站檢測后的效

20、果測控裝置狀態(tài)UaUbUcIaIbIcPQCOS256132.71133.03132.9167.6464.3071.857.64-25.990.351七、效果確認1、目標(biāo)完成情況檢查(1)開發(fā)了一種能夠快速檢測變電站運行設(shè)備狀態(tài)的軟件系統(tǒng)；(2)該系統(tǒng)自主開發(fā)，完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)，行業(yè)內(nèi)屬于領(lǐng)先技術(shù)。2、使用效果統(tǒng)計設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)軟件研制完成后，在10月份進行了測試，對測試工作進行統(tǒng)計：系統(tǒng)測試統(tǒng)計表序號測試時間變電站設(shè)備對象檢測時間測試人110月10日烏素圖北京四方小于1分鐘210月11日可鎮(zhèn)河南許繼小于1分鐘310月11日裕隆國電南自小于1分鐘410月13日航天南瑞繼保小于1分鐘510

21、月13日南郊南瑞科技小于1分鐘610月13日賽馬場東方電子小于1分鐘710月13日興安國電南自小于1分鐘810月15日金川東方電子小于1分鐘910月15日西郊北京四方小于1分鐘1010月16青城南瑞繼保小于1分鐘平均1分鐘由統(tǒng)計表可以看出，QC小組共對10座變電站進行了設(shè)備檢測工作，檢測時間為1分鐘，目標(biāo)實現(xiàn)。3、檢測軟件使用前后效果對照4、檢測軟件特點(1)采用更精確的三相模型和多源三相量測進行估計，有利于實現(xiàn)對電網(wǎng)三相不平衡度的實時監(jiān)控并及時發(fā)現(xiàn)非全相運行情況；(2)基于基爾霍夫電流定律建立量測方程，實現(xiàn)了開關(guān)閉合狀態(tài)錯誤和遙測壞數(shù)據(jù)的解耦辨識，不但提高了錯誤辨識的可靠性，而且易于實現(xiàn)；(3)利用多源三相量測可顯著提高局部冗余度，進一步判斷開關(guān)位置的可靠性。(4)在不同的工況下對拓撲狀態(tài)能有很好辨識效果。但是為保守起見，部分情況開關(guān)辨識為可疑狀態(tài)，檢測計算后給出的結(jié)論為告警級而非故障級，例如當(dāng)原本斷開的開關(guān)錯誤的閉合時，可以計算出開關(guān)上面的功率為零( 裕隆變案例) ，但是開關(guān)閉合