设备状态检测系统的研制

设备状态检测系统的研制供电局调度管理处自动化运检一班QC小组一、小组概况小组名称调度管理处运检一班QC小组成立时间2001年3月课题类型创新型成员人数10人注册编号活动时数32小时/人活动次数10次出勤率100活动时间2011311姓名性别年龄文化程度职称组内分工男39本科工程师策划、实施男33硕士研究生工程师策划、实施男26硕士研究生助理工程师实施男26硕士研究生助理工程师实施男36本科助理工程师实施男36本科助理工程师实施男22本科助理工程师实施男39大专助理工程师记录女39本科助理工程师记录女48本科助理工程师记录二、选题理由随着现代化进程的不断进步，政治、经济、军事等对电能的需求日益增加，使得电力系统的结构和运行方式日趋复杂，为了保证电力系统运行的安全性、稳定性和经济性，电力系统调度中心的自动化水平需要不断地提高。电力系统调度中心的主要任务是迅速、准确、全面地掌握电力系统的实际运行状态并预测和分析系统未来的运行趋势，从而对运行中的各种问题能够及时准确地提出解决对策。1、课题背景目前电力系统调度中心广泛应用数据采集和监控系统SCADA进行数据的采集和传输，是电压幅值和功率型量测，通过远动系统采集变电站内一次设备的测量电压和电流，开关、刀闸位置等数据，这些数据信息再由远动通道接口送到调度中心的计算机。其中的数据采集、模数转换和数据传输等过程均有可能产生误差，各个过程有时还可能受到干扰或出现故障，因此调度中心计算机接收到的数据与真实数据之间难免存在一定的差异，这些量测信息数据会影响调度中心对电力系统运行状态的判断结果，产生决策错误，有时会导致严重的后果。现代电网的安全经济运行主要依赖于能量管理系统EMS，其功能是根据电力系统的各种量测信息，为电力系统调度中心做出相应的决策方案。EMS以测量为基础，因此各种量测信息数据的准确性直接影响调度中心的决策行为，更直接关系到电网安全运行与否。2、课题现状数据采集异常实例（1）220KV变电站。2012年7月5日，接到电力调度中心通知乌阁I回253线路负荷异常，要求立即核实该线路实际负荷情况。现场测控装置显示情况为A相电压13205，B相电压13293，C相电压13258，A相电流22359，C相电流22401，B相电流缺失，造成比实际负荷缺少三分之一的情况。同时对其他线路进行了排查，发现乌东线258线路同样是B相电流缺失问题。（2）220KV变电站。2012年7月13日，接到电力调度中心通知可杜线256线路负荷异常，要求立即核实该线路实际负荷情况。现场测控装置显示情况为A相电流9746，B相电流643，C相电流7185，A相电压13271，B相电压13303，C相电压1329，有功764，无功2599，功率因数035，造成有功、无功与对端杜尔博特风电场不一致的情况。综上所述的这些问题，都发生在数据采集阶段，及时发现数据采集装置异常，快速检测设备状态是否正常成为迫切需要解决的难题。调度管理处自动化运检一班外勤人员8名，负责管理维护市区、郊区以及周边县、县、县、县、县等地区80余座变电站，线路共计836条，由于工作人员严重不足，对设备只能进行计划巡检，定期对设备进行巡视，巡视周期长达60天。由于目前国内没有相关的设备检测工具，所以变电站内设备状态检查只能依靠人工来完成设备状态检查需要三个人互相配合，1人检查设备，1人操作监控机，1人在调度主站核对数据；一座变电站设备状态检查需要2小时，而且巡视间隔期间无法发现设备异常情况。线路统计表电压等级220KV110KV35KV10KV线路数量6716070539统计董伟时间2012330随着2012年供电局调控一体化进程的实施，对无人值班变电站的设备运行状态提出了更高的要求，如何寻求一种可以实现快速、高效的设备状态检测工具，小组就此展开了“创新型”QC课题活动。3、确定课题2010年开始，公司对可靠性供电提出了严格的要求，因此实现计划巡检到状态检查的转变，才能达到可靠性指标要求。为了实现对设备的状态检查这一目标，我们迫切需要一种对设备进行快速检测的软件系统。根据当前需求，小组做了大量的市场调查，发现当前市场没有研制过此类软件系统。小组只能研制一种可以实现对设备的状态检测的软件系统。因此，小组确定以设备状态检测系统的研制，作为本次活动的课题。三、设定目标及可行性分析（一）目标设定1、研制一种远程监测变电站内运行设备状态的软件系统。2、对变电站内运行设备的状态检查，检查时间由2小时降低为5分钟。（设备状态检测时间12050306090120150现状目标现状目标分钟二）目标可行性分析1、小组拥有2名工程师，8名助理工程师，小组成员具有丰富的工作经验。2、小组成员具有硕士研究生学历三名，对国内的相关科技前沿进行了技术追踪，并查阅了当前国内相关的技术文献80余篇，具备良好的理论基础。3、小组成员针对地区变电站数据通信的特点进行了讨论，根据数据通信采用模拟通道的特点，数据报文采用IEC608705101通讯协议。4、小组成员根据地区变电站使用大规模分层分布式变电站构架模型设计的特点，同时考虑到将来所使用的数据通信IEC608705104通讯协议，所以按照IEC61850标准进行标准化建模，在数据模型上采用服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据的分层结构。5、在本课题进行初期，组织小组成员进行了预研，对相关技术进行了建模，并对核心技术进行了技术论证。6、随着当代计算机系统飞速发展、计算频率越来越快，引入先进的算法理念，我们相信完全可以达到预期目标，变电站内设备状态检查时间缩小为5分钟。四、拟定方案并选择最佳方案1、提出方案QC小组研制的思路和预期效果本着结合现场实际情况，以及地区变电站内数据通信采用模拟通道的特点，小组成员查询了相关的技术资料，并根据实际调查以及大家提出的建议，运用“头脑风暴法”集思广益，并用亲和图归纳整理设备状态监测方法变电站内设备状态监测法调度主站设备状态监测法人工检查设备工况速度慢、效率低，精准度低，检查周期2个月需要至少2人互相配合人工检查设备工况速度慢、效率低，检查周期2天要求通道、RTU设备工作正常需要其他班组配合工作软件检测法软件自动检测设备工况检测速度快，精准度高遥信、遥测逻辑关联状态电流、电压、有功、无功、功率因数逻辑状态状态根据以上亲和图，QC小组决定从以下方案进行分析和评估设备状态监测方案变电站内设备状态监测法调度主站设备状态监测法软件检测法2、方案分析小组成员对这三种方案进行了模拟测试、评估。方案一变电站内设备状态监测法测试地点变测试时间2012516测试人模拟测试1、设备状态检查需要三个人互相配合，1人检查设备，1人操作监控机，1人在调度主站核对数据；2、检测逻辑节点遥信、遥测逻辑关系状态是否正确；3、检测逻辑节点电流、电压、有功、无功、功率因数等量测数据逻辑状态是否正确；4、检测电源侧、负荷侧数据是否正确。分析结果缺点1、检测速度慢，工作效率低，全站设备检查需要2小时，不包括路程消耗的时间；2、设备巡检周期长达2个月3、人工检测，完全依赖工作经验，精确度无法保证。优点检测全面，发现设备故障，可以直接处理。结论不采用方案二调度主站设备状态监测法测试地点调度机房测试时间2012516测试人模拟测试1、设备状态检查需要1人工作；2、检测逻辑节点遥信、遥测逻辑关系状态是否正确；3、检测逻辑节点电流、电压、有功、无功、功率因数等量测数据逻辑状态是否正确；4、检测电源侧、负荷侧数据是否正确。分析结果缺点1、检测速度慢，工作效率低，全站设备检查需要05小时；2、设备巡检周期需要5天；3、人工检测，完全依赖工作经验，精确度无法保证。优点1、节省路程消耗的时间。2、结论不采用方案三软件检测法测试地点调度机房测试时间2012516测试人模拟测试1、设备状态检查需要1人工作；2、程序自动解析通信数据报文，根据变电站内传送的数据报文，自动检测逻辑节点遥信、遥测逻辑关系状态是否正确，辑节点电流、电压、有功、无功、功率因数等量测数据逻辑状态是否正确，电源侧、负荷侧数据是否正确。分析结果缺点1、要求通信通道畅通；2、要求变电站内RTU工作正常优点1、全站检测5分钟即可检测完毕，检测速度快，工作效率高；2、计算速度快，根据当前的数据就可以检测变电站内设备运行状态；3、智能化检测，精确度高，不依赖工作人员经验；4、节省路程消耗时间；结论采用3、确定最佳方案至此，设备状态检测方法选择完毕，通过一系列的选择，我们确定了最优方案。以往的人工检查设备状态，在技术层面上提高设备检查效率不可能有实质上的提高，归根结底是因为人工检查的方法不能自动识别数据、自动检查设备状态。要想从根本上提高设备检查效率，彻底解决人工检查效率低下的问题，必须提出新技术，采用新方法，因此以我们大胆提出了软件改造方案，解决方案定为从软件技术开展，决定使用“软件检测法”方案。五、制定对策根据最佳方案，我们不再沿用多年的人工检测方法，QC小组提出了一个创新的方法，设备状态检测方法创新，引入计算机软件系统，通过计算机高速的计算功能，快速检测变电站内运行设备的工作状态，根据确定的最新方案，制定如下对策表。序号对策目标措施地点时间负责人1建立遥信、遥测数据库为变电站内运行设备建立一个遥信、遥测数据库1、统计变电站内运行设备，记录各设备的测点信息调度机房2012415至20124272通信数据报文解析程序自动读取数据报文，解析报文中的数据信息1、查阅IEC608705101通讯协议，确认数据报文格式；2、解析数据，获取源码值；3、数据转换，将源码值转换为实际测量值；办公室201255至20125304、确认与之对应的数据结构、算法。3软件系统建模通过建立数学模型，确认相关的算法、数据结构1、按照IEC61850标准建模；2、坏数据检测3、不平衡度检测；4、建立辑节点U、I、P、Q、等量测数据，以及电源侧、负荷侧数据，进行全站非一致性状态检测；调度机房201264至20129284系统测试经过测试验证，确认软件运算结果正确软件完成之后，必须进行系统测试，确保计算过程稳定，计算结果正确。变电站20121010至20121026六、对策实施实施（一）建立遥信、遥测数据库统计各个变电站的遥信数据、遥测数据，数据的逻辑信息包括（1）遥信、遥测数据位置信息；（2）线路编号、线路名称、CT、PT信息；遥测数据库遥信数据库实施（二）通信数据报文解析QC小组根据地区变电站数据通信的特点，数据通信采用模拟通道，因此数据报文采用IEC608705101通讯协议。（1）首先查阅IEC608705101通讯协议，分析报文结构格式，并建立了相应的数据结构和解析算法。（2）解析数据，获取源码值；（3）数据转换，将源码值转换为实际量测值。数据报文算法原始报文数据数据解析程序规格化的报文数据信息提取后的报文带信息地址的源码值实施（三）软件系统建模（1）综合数据平台的搭建，要按照IEC61850标准进行标准化建模，因此在数据模型上采用了服务器SERVER逻辑设备LOGICAL_DEVICE逻辑节点LOGICAL_NODE数据DATA的分层结构。按照IEC61850标准进行标准化建模的分层结构（2）坏数据检测，当数据报文中的坏数据个数达到一定数量时，说明此刻量测质量较差或者出现了数据中断，将给出信息提示，保证检测结果的及时性。（3）根据当前采集到的电流、电压的量测数据进行不平衡度检测，当三相不平衡度过大时，给出信息提示。三相不平衡度算法为210F其中为三相电压或电流的正序分量幅值，为三相电压或电流的1F2F负序分量幅值。电压的不平和度较小，一般低于2，电流三相不平衡度稍大一些。（4）开关非一致性运行检测，通常情况下，电网处于三相一致运行状态。当开关三相不一致时，为了更可靠的区别电网故障或者产生了遥信坏数据，我们放弃了通常的检测机制，从数据报文中获取开关位置信息。去了计算出更可靠、更精确的状态，我们提出了更复杂的计算方法“基于多信息融合的开关非一致性检测”方案。基于多信息融合的开关非一致性检测方案首先以变压器为分界点，按电压等级划分为N层（2N3），在各电压等级中忽略零阻抗支路的相间互感，三相自然解耦，同时在各开关中增加多源三相量测（三相电流、电压），依次进行零阻抗电压和零阻抗功率计算开关闭合状态。其中，零阻抗电压实际是对开关内各节点电压量测进行加权平均，为线性不需迭代，不存在收敛性问题，计算速度快。零阻抗功率中考虑了电流幅值量测，得到非线性量测方程，其算法如下1TTKKKXHWHZHXXXX其中为状态量，为状态量增量，Z为量测量，A,B,C分别表示X三相，W为各量测的权重矩阵，雅克比矩阵为稀疏矩阵，当没THHX有电流量测时，H为常数阵。实施（四）软件系统运行情况1、110KV裕隆变。第一医院为双电源用户，裕隆变第一医院线953此刻状态为第二电源点，因此开关闭合，开关上功率为0，该特殊运行方式正确。所以系统计算出的结果为告警状态，而非故障状态。测控装置状态UAUBUCIAIBICPQCOS953000000992、220KV变。检测系统在对变电站检测后的效果测控装置状态UAUBUCIAIBICPQCOS253132151328613321223910224638282309825813245133471321834213034446127913099220KVI母130461172314721110KVI母6657645345152、220KV变。检测系统在对变电站检测后的效果测控装置状态UAUBUCIAIBICPQCOS25613271133031329167646430718576425990351七、效果确认1、目标完成情况检查1开发了一种能够快速检测变电站运行设备状态的软件系统；2该系统自主开发，完全具有自主知识产权，行业内属于领先技术。2、使用效果统计设备状态检测系统软件研制完成后，在10月份进行了测试，对测试工作进行统计系统测试统计表序号测试时间变电站设备对象检测时间测试人110月10日乌素图北京四方小于1分钟210月11日可镇河南许继小于1分钟310月11日裕隆国电南自小于1分钟410月13日航天南瑞继保小于1分钟510月13日南郊南瑞科技小于1分钟610月13日赛马场东方电子小于1分钟710月13日兴安国电南自小于1分钟810月15日金川东方电子小于1分钟910月15日西郊北京四方小于1分钟1010月16青城南瑞继保小于1分钟平均1分钟由统计表可以看出，QC小组共对10座变电站进行了设备检测工作，检测时间为1分钟，目标实现。3、检测软件使用前后效果对照4、检测软件特点1采用更精确的三相模型和多源三相量测进行估计，有利于实现对电网三相不平衡度的实时监控并及时发现非全相运行情况；2基于基尔霍夫电流定律建立量测方程，实现了开关闭合状态错误和遥测坏数据的解耦辨识，不但提高了错误辨识的可靠性，而且易于实现；3利用多源三相量测可显著提高局部冗余度，进一步判断开关位置的可靠性。4在不同的工况下对拓扑状态能有很好辨识效果。但是为保守起见，部分情况开关辨识为可疑状态，检测计算后给出的结论为告警级而非故障级，例如当原本断开的开关错误的闭合时，可以计算出开关上面的功率为零裕隆变案例，但是开关闭合，开关上功率为0的情况是存