變電站遙測(cè)數(shù)據(jù)頻繁跳變分析與處理

李世群，徐 峰，董利忠，馬燕全，郝寶柱

(國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司檢修分公司，北京 102488)

0 引言

電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)監(jiān)控是調(diào)度控制系統(tǒng)最基本的應(yīng)用之一，負(fù)責(zé)接收、分析和處理基礎(chǔ)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用送來的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，并對(duì)其他應(yīng)用提供可靠的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和服務(wù)。而遙測(cè)值作為基礎(chǔ)自動(dòng)化數(shù)據(jù)，也是穩(wěn)態(tài)監(jiān)控的主要數(shù)據(jù)來源，其準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性直接影響使用穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的其他應(yīng)用，如狀態(tài)估計(jì)、AVC、AGC等[1]。

遙測(cè)數(shù)據(jù)跳變的表現(xiàn)形式一般有：偶發(fā)性跳變，短時(shí)間后恢復(fù)正常；數(shù)據(jù)跳變后，故障現(xiàn)象保持；遙測(cè)數(shù)據(jù)回零跳變；遙測(cè)數(shù)據(jù)滿碼值跳變；遙測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間不刷新等[2]。

因遙測(cè)數(shù)據(jù)跳變導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)異常，進(jìn)而影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此有必要對(duì)變電站遙測(cè)數(shù)據(jù)跳變進(jìn)行分析，并有針對(duì)性的采取有效措施，防止類似故障的頻繁發(fā)生。

1 遙測(cè)跳變故障經(jīng)過

2019年，調(diào)度主站自動(dòng)化反映多座500 kV變電站發(fā)生電壓、電流、有功、無功等遙測(cè)值頻繁跳變。遙測(cè)跳變現(xiàn)象偶然出現(xiàn)且無規(guī)律可循，故障后經(jīng)短暫時(shí)間(約15 s)很快恢復(fù)，遠(yuǎn)小于后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)變化遙測(cè)數(shù)據(jù)的最短周期(60 s)，因此無法在監(jiān)控后臺(tái)進(jìn)行查看。同時(shí)由于故障持續(xù)時(shí)間短、無規(guī)律發(fā)生，測(cè)控裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置無法存儲(chǔ)實(shí)時(shí)報(bào)文，專業(yè)人員難以第一時(shí)間到現(xiàn)場(chǎng)處理。

遙測(cè)值頻繁跳變影響主站智能電網(wǎng)調(diào)度控制(D5000)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)和歷史報(bào)表的統(tǒng)計(jì)分析，急需解決和處理。

2 故障分析與排查

2.1 變電站遙測(cè)值上送機(jī)制

遙測(cè)值從變電站完成采集、處理后傳輸?shù)街髡綝5000的過程如圖1所示。

圖1 遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸原理

變電站電流互感器(CT)和變壓互感器(PT)完成電流和電壓的一/二次轉(zhuǎn)換后，通過電纜將電壓、電流二次值傳輸?shù)綔y(cè)控裝置，測(cè)控裝置完成A/D轉(zhuǎn)換和相關(guān)運(yùn)算后生成有功、無功、頻率等其他遙測(cè)值，通過網(wǎng)絡(luò)IEC103規(guī)約傳輸至站控層交換機(jī)，監(jiān)控后臺(tái)和遠(yuǎn)動(dòng)裝置可從交換機(jī)獲取相關(guān)遙測(cè)值，監(jiān)控后臺(tái)直接將一次值進(jìn)行輸出顯示，遠(yuǎn)動(dòng)裝置進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換后，輸出IEC104規(guī)約報(bào)文，通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)向主站傳輸[3]。

調(diào)度主站前置機(jī)接收到相應(yīng)IEC104遙測(cè)報(bào)文后，進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳至主站交換機(jī)，SCADA主機(jī)從交換機(jī)獲取實(shí)時(shí)遙測(cè)值，并經(jīng)遙測(cè)處理模塊進(jìn)行合理性校驗(yàn)、替代處理、零漂處理、越限判斷、跳變監(jiān)視等功能處理后更新SCADA實(shí)時(shí)庫[4]。

跳變監(jiān)視處理是指通過合理性校驗(yàn)進(jìn)入實(shí)時(shí)庫的遙測(cè)量，可根據(jù)數(shù)據(jù)庫的定義進(jìn)行跳變監(jiān)視，當(dāng)遙測(cè)量在指定時(shí)間段內(nèi)的變化超過指定范圍的變化量、變化門檻時(shí)，主動(dòng)給出告警提示。

2.2 故障定位

根據(jù)變電站遙測(cè)值上送機(jī)制，除了CT，PT至測(cè)控裝置之間為模擬量傳輸以外，其他的傳輸過程均為數(shù)字報(bào)文傳輸，因此對(duì)報(bào)文的獲取和分析是最重要和有效的故障定位手段。

測(cè)控、交換機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)裝置均沒有報(bào)文存儲(chǔ)功能，只有主站前置機(jī)具備報(bào)文存儲(chǔ)功能，而光纖通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可靠性很高，可以排除調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的問題，因此可以通過分析遙測(cè)跳變階段前置機(jī)收到的IEC104報(bào)文，來定位故障點(diǎn)位置是在主站還是變電站。

通過對(duì)主站前置機(jī)儲(chǔ)存的遙測(cè)報(bào)文圖2的分析，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)遙測(cè)跳變的時(shí)刻，主站前置機(jī)接收到的遙測(cè)報(bào)文也出現(xiàn)了跳變，也就是報(bào)文與主站顯示一致，因此可以排除主站的原因造成這些變電站遙測(cè)值跳變。

為進(jìn)一步定位變電站內(nèi)的故障點(diǎn)，對(duì)站控層交換機(jī)配置好鏡像端口，然后利用Wireshark抓包工具在站控層交換機(jī)抓取測(cè)控裝置上送遠(yuǎn)動(dòng)裝置的報(bào)文，通過對(duì)報(bào)文進(jìn)行分析，確認(rèn)主站發(fā)生遙測(cè)跳變的時(shí)刻，測(cè)控裝置上送遠(yuǎn)動(dòng)裝置的報(bào)文是否發(fā)生跳變。

分析抓取的報(bào)文可知，部分變電站測(cè)控裝置輸出報(bào)文未發(fā)生跳變，即測(cè)控裝置輸出無問題，因此將故障點(diǎn)定位到遠(yuǎn)動(dòng)裝置。

此外，還發(fā)現(xiàn)其他部分變電站測(cè)控裝置輸出報(bào)文發(fā)生了跳變，即遠(yuǎn)動(dòng)裝置無問題，因此將故障點(diǎn)定位到測(cè)控裝置。

2.3 遠(yuǎn)動(dòng)裝置故障分析

作為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的信息控制中心，造成遙測(cè)跳變的遠(yuǎn)動(dòng)裝置型號(hào)為NSC301V(軟件版本V6.10)，主要由電源板、CPU板、NET2-A4擴(kuò)展網(wǎng)卡板和串口板組成[5]。

通過遠(yuǎn)動(dòng)裝置背板總線，實(shí)現(xiàn)各板卡之間的通信如圖2所示。

圖2 NSC301V遠(yuǎn)動(dòng)裝置內(nèi)部通信情況

遠(yuǎn)動(dòng)裝置接收、處理并上送遙測(cè)數(shù)據(jù)的過程為：

(1) 由NET2-A4擴(kuò)展網(wǎng)卡板接收測(cè)控裝置通過交換機(jī)上送的IEC103遙測(cè)數(shù)據(jù)。

(2) 接收后將遙測(cè)數(shù)據(jù)寫入CPU板的雙口RAM中，CPU板再從雙口RAM讀出后寫入遠(yuǎn)動(dòng)裝置數(shù)據(jù)庫。

(3) 遠(yuǎn)動(dòng)裝置將遙測(cè)數(shù)據(jù)通過CPU板的以太網(wǎng)口以IEC104格式輸出向主站發(fā)送。

在實(shí)驗(yàn)室搭建模擬變電站現(xiàn)場(chǎng)軟硬件環(huán)境，通過2天的持續(xù)觀察和報(bào)文解析，成功復(fù)現(xiàn)了遙測(cè)跳變現(xiàn)象。隨后設(shè)置一個(gè)參照組，硬件配置與試驗(yàn)組一致，軟件版本使用V6.42，同樣經(jīng)過2天的持續(xù)觀察和報(bào)文解析，發(fā)現(xiàn)沒有發(fā)生遙測(cè)跳變現(xiàn)象。

下一步對(duì)試驗(yàn)組遠(yuǎn)動(dòng)裝置軟件版本進(jìn)行升級(jí)（升級(jí)到V6.45），繼續(xù)觀察，未發(fā)生遙測(cè)跳變現(xiàn)象。

分析如下：NSC301V遠(yuǎn)動(dòng)裝置內(nèi)部雙口RAM需寫入寫出遙測(cè)數(shù)據(jù)，如果雙口RAM硬件問題存在誤碼，CPU板讀取遙測(cè)值就會(huì)出錯(cuò)，從而出現(xiàn)遙測(cè)跳變故障。因此，V6.40以后的軟件版本在NET2-A4側(cè)對(duì)發(fā)送到CPU側(cè)的不同數(shù)據(jù)增加了校驗(yàn)功能，CPU側(cè)對(duì)收到的不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)通過后再進(jìn)行下一步處理。站內(nèi)遠(yuǎn)動(dòng)裝置不具備校驗(yàn)功能，在雙口RAM硬件問題出現(xiàn)誤碼的情況下出現(xiàn)了遙測(cè)跳變。

2.4 測(cè)控裝置故障分析

作為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，造成遙測(cè)跳變的測(cè)控裝置型號(hào)為NSD500V，其內(nèi)部通信結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 NSD500V測(cè)控裝置功能框

其中，CPU模件通過CAN網(wǎng)與其他智能I/O通信，DLM為智能交流采集模件，提供4CT+5PT的交流輸入和8個(gè)對(duì)象的控制，PTM為智能交流電壓采集模件，提供8PT交流輸入和8個(gè)對(duì)象的控制[6-7]。

由于這些變電站站控層采用IEC61850協(xié)議進(jìn)行通信，因此交流模擬量進(jìn)入PTM/DLM板經(jīng)過A/D采樣轉(zhuǎn)換之后還需要進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換，如圖4所示。

圖4 測(cè)控裝置遙測(cè)值轉(zhuǎn)換原理

NSD500V測(cè)控裝置使用的CPU芯片為POWERPC系列的MPC8247，該芯片具有浮點(diǎn)協(xié)處理器，當(dāng)配置使能協(xié)處理器時(shí)支持硬件浮點(diǎn)，未使能時(shí)支持軟件浮點(diǎn)計(jì)算。

通過現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)遙測(cè)值跳變的測(cè)控裝置版本軟件使用的是軟件浮點(diǎn)計(jì)算，其計(jì)算精度和實(shí)時(shí)性能夠滿足應(yīng)用需要，所以未使能協(xié)處理器浮點(diǎn)寄存功能。

當(dāng)CPU在浮點(diǎn)計(jì)算過程中被高優(yōu)先級(jí)中斷打斷時(shí)，計(jì)算中間值不會(huì)被存入浮點(diǎn)寄存器，導(dǎo)致中間計(jì)算值丟失，產(chǎn)生非法數(shù)錯(cuò)誤。又由于測(cè)控裝置與后臺(tái)、遠(yuǎn)動(dòng)之間的通信采用了UDP廣播及UDP/IP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)2種協(xié)議，這樣保證了信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，卻犧牲了傳輸質(zhì)量，非法數(shù)將直接上送給后臺(tái)和遠(yuǎn)動(dòng)。

現(xiàn)場(chǎng)大流量的ARP廣播報(bào)文會(huì)引起測(cè)控裝置頻繁產(chǎn)生處理網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的高優(yōu)先級(jí)中斷，導(dǎo)致裝置在進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大概率被中斷打斷，從而產(chǎn)生浮點(diǎn)非法數(shù)的錯(cuò)誤。同時(shí)，由于測(cè)控裝置上送浮點(diǎn)數(shù)時(shí)需要進(jìn)行變化死區(qū)和零值死區(qū)等參數(shù)判斷處理，出現(xiàn)一次浮點(diǎn)非法數(shù)后就一直要使用該非法數(shù)與新遙測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果仍為非法數(shù)，從而造成裝置上送的遙測(cè)數(shù)據(jù)始終保持為非法浮點(diǎn)數(shù)。

3 遙測(cè)跳變故障處理

3.1 遠(yuǎn)動(dòng)裝置故障處理

對(duì)于因遠(yuǎn)動(dòng)裝置故障造成的遙測(cè)值頻繁跳變的變電站，因?yàn)榕袛嗍请p口RAM硬件誤碼原因?qū)е拢c裝置廠家確認(rèn)后，采取的措施是廠家更換CPU板，同時(shí)升級(jí)遠(yuǎn)動(dòng)裝置軟件版本到V6.45。

采取措施后對(duì)變電站遙測(cè)值持續(xù)觀察，沒有再發(fā)生遙測(cè)值頻繁跳變的故障。

3.2 測(cè)控裝置故障處理

對(duì)于因測(cè)控裝置故障造成的遙測(cè)值頻繁跳變的變電站，采取的措施是廠家升級(jí)全站測(cè)控裝置軟件版本，使能CPU的浮點(diǎn)協(xié)處理器，將浮點(diǎn)計(jì)算由軟浮點(diǎn)修改為硬浮點(diǎn)，從而避免浮點(diǎn)計(jì)算過程被中斷影響而產(chǎn)生非法數(shù)。

采取措施后對(duì)變電站遙測(cè)值持續(xù)觀察，沒有再發(fā)生遙測(cè)值頻繁跳變的故障。

3.3 遠(yuǎn)動(dòng)裝置計(jì)劃改造

統(tǒng)計(jì)出問題的該型號(hào)遠(yuǎn)動(dòng)裝置運(yùn)行年限集中在8～10年，因此可以初步判斷雙口RAM的使用壽命也不超過10年，因此有必要對(duì)接近年限的遠(yuǎn)動(dòng)裝置提前準(zhǔn)備進(jìn)行改造和更換。

4 結(jié)論

變電站遙測(cè)數(shù)據(jù)跳變是綜自系統(tǒng)的典型故障，其原因普遍集中在測(cè)控裝置和遠(yuǎn)動(dòng)裝置故障，遠(yuǎn)動(dòng)裝置雙口RAM誤碼校驗(yàn)和測(cè)控裝置軟浮點(diǎn)值轉(zhuǎn)換受中斷影響是導(dǎo)致遙測(cè)數(shù)據(jù)頻繁跳變的2個(gè)典型原因，通過硬件更換和軟件升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)數(shù)據(jù)頻繁跳變的處理。

通過分析遙測(cè)值上送機(jī)制，并以近期多座500 kV變電站遙測(cè)值頻繁跳變?yōu)閷?duì)象，提供跳變分析和處理的正確思路和手段，如利用報(bào)文獲取和分析手段進(jìn)行故障定位等，從而提高自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。