设备状态检测系统的研制.docx

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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

2011.3--11

姓名

性别

年龄

文化程度

职称

组内分工

***

男

本科

工程师

策划、实施

***

男

硕士研究生

工程师

策划、实施

***

男

硕士研究生

助理工程师

实施

***

男

硕士研究生

助理工程师

实施

***

男

本科

助理工程师

实施

***

男

本科

助理工程师

实施

***

男

本科

助理工程师

实施

***

男

大专

助理工程师

记录

***

女

本科

助理工程师

记录

***

女

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132.05，B相电压132.93，C相电压132.58，A相电流223.59，C相电流224.01，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97.46，B相电流64.3，C相电流71.85，A相电压132.71，B相电压133.03，C相电压132.9，有功7.64，无功-25.99，功率因数0.35，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

220kV

110kV

35kV

10kV

线路数量

160

539

统计：

董伟时间：

2012.3.30

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。

（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IEC60870-5-101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IEC60870-5-104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：

根据以上亲和图，QC小组决定从以下方案进行分析和评估：

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

2012.5.16

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

2012.5.16

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0.5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

2012.5.16

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

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

2012.4.15至2012.4.27

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IEC60870-5-101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；

4、确认与之对应的数据结构、算法。

办公室

2012.5.5

至2012.5.30

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、φ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

2012.6.4

至2012.9.28

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

2012.10.10

至

2012.10.26

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；

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IEC60870-5-101通讯协议。

（1）首先查阅IEC60870-5-101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。

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：

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（2≤n≤3），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：

其中：

为状态量，

为状态量增量，z为量测量，φ=A,B,C分别表示三相，W为各量测的权重矩阵，雅克比矩阵

为稀疏矩阵，当没有电流量测时，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

COSφ

953

0.99

2、220kV***变。

检测系统在对***变电站检测后的效果

测控装置状态

COSφ

253

132.15

132.86

133.21

223.91

224.63

-82.8

0.98

258

132.45

133.47

132.18

342.13

344.46

127.9

0.99

220kVI母

130.46

117.23

147.21

110kVI母

66.57

64.53

45.15

2、220kV**变。

检测系统在对**变电站检测后的效果

测控装置状态

COSφ

256

132.71

133.03

132.91

67.64

64.30

71.85

7.64

-25.99

0.351

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

10月10日

乌素图

北京四方

小于1分钟

10月11日

可镇

河南许继

小于1分钟

10月11日

裕隆

国电南自

小于1分钟

10月13日

航天

南瑞继保

小于1分钟

10月13日

南郊

南瑞科技

小于1分钟

10月13日

赛马场

东方电子

小于1分钟

10月13日

兴安

国电南自

小于1分钟

10月15日

金川

东方电子

小于1分钟

10月15日

西郊

北京四方

小于1分钟

10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的情况是存在的。

因而对这种开关状态告警，为工作人员提供辅助支持，但需要进行人工检查该开关的实际运行方式。

八、效益评估

1、先进技术

在建模初期就考虑到兼容性问题，采用标准化建模，该检测软件可以不受设备限制，可以在不同的厂家设备上使用。

考虑到计算数据庞大，在算法中引入了并行计算方式，因此在实际应用中具有计算速度快的特点。

在可靠性方面，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。

2、技术创新

该检测软件具有使用效果好，检测精确度高、检测速度快。

改项技术处于国内领先水平，在行业内具有较高的推广价值。

3、经济效应

通过本次QC活动，我们有效的减少了设备检测时间，提高了设备的检测效率，对于动辄上万元的软件采购，我们的成果相当于为企业节约了大量资金，如果将该项技术转让给其他兄弟企业，还可以为企业创造出新的价值。

4、社会效益

通过本次QC活动的完成，为设备状态检修奠定了基础，提高对设备的可靠性检测，为了保证电力系统运行的安全性、稳定性和经济性，客观、真实地为调度中心提供数据服务，保障调度中心对电力系统运行状态的判断结果，做出科学的决策方案，进而保证电网的安全、可靠、稳定的运行。

九、巩固措施

序号

巩固措施

内容

负责人

检查

继续测试软件的可靠性，确保准确性

整理资料

将技术文献等资料存入技术档案

十、总结和下一步打算

本次QC活动解决了运行设备检测效率低、精准度性差等生产中的技术难题，保证设备处于健康、稳定的状态下运行，取得了较好的成绩。

目前我们将资料进一步完善，结合去年的QC成果，准备开发一个远动数据分析系统。

小组成员决定一如既往，围绕生产中影响电网生产效率、安全稳定等实际问题继续开展QC活动。

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