黃佳胤 張 弛 丁曉兵 劉 剛

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心 廣州 510663）（2.北京四方繼保自動(dòng)化有限公司 北京 100085）

1 引言

智能電網(wǎng)中的智能控制系統(tǒng)高度依賴于整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量。新一代數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)設(shè)施可以確保測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性［1］。將網(wǎng)絡(luò)安全策略應(yīng)用于廣域網(wǎng)（WAN）上的數(shù)據(jù)傳輸鏈路可以降低數(shù)據(jù)受到攻擊或操縱的風(fēng)險(xiǎn)。此外，從數(shù)據(jù)源層面提高電力測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量是另一個(gè)需要解決的問題。在現(xiàn)代數(shù)字變電站中，電流和電壓由儀表變壓器測(cè)量，其次級(jí)側(cè)連接到智能變電站合并單元（MU），后者將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)編碼為數(shù)據(jù)包，供電力系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)使用。對(duì)于儀表變壓器，數(shù)據(jù)不良的原因可能是儀表變壓器飽和、接線錯(cuò)誤、電線松動(dòng)以及儀表變壓器故障。由于非飽和度和高精度特性，非傳統(tǒng)的互感器（NCIT）如電流互感器（CT）和羅氏線圈被引入變電站以取代傳統(tǒng)的儀表變壓器。然而，它們都依賴于正確的校準(zhǔn)，這意味著不正確的校準(zhǔn)和設(shè)置也是不良數(shù)據(jù)的來源［2］。此外，通信網(wǎng)絡(luò)中的廣播風(fēng)暴和MU故障也可能分別向應(yīng)用程序引入不良數(shù)據(jù)。不良數(shù)據(jù)對(duì)保護(hù)應(yīng)用的影響可能導(dǎo)致不正確的跳閘或功能故障，從而危及電力系統(tǒng)的可靠性［3］。然而，作為解決上述問題的對(duì)策，不良數(shù)據(jù)檢測(cè)長(zhǎng)期得不到重視。隨著電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)已被廣泛用于識(shí)別由于不完全計(jì)量、不正確建模、通信錯(cuò)誤和意外系統(tǒng)變化導(dǎo)致的測(cè)量誤差［4～6］，因此，基于電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的不良數(shù)據(jù)檢測(cè)方法開始得到關(guān)注。

基于上述考慮，本文提出了一種新型的變電站級(jí)不良數(shù)據(jù)檢測(cè)方法。所提出不良數(shù)據(jù)檢測(cè)方法通過對(duì)符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)［7～9］的變電站規(guī)范模型描述文件SSD的解析獲取電網(wǎng)設(shè)備的物理連接、電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及設(shè)備的在線狀態(tài)，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建電網(wǎng)初始狀態(tài)關(guān)聯(lián)矩陣H。然后采用線性最小二乘算法（WLS）［10～13］對(duì)輸入的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查過濾，如果檢測(cè)出不良數(shù)據(jù)，則對(duì)H 矩陣中的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)修改，如果沒有檢測(cè)出不良數(shù)據(jù)則輸出所獲得的最終估計(jì)狀態(tài)。為了驗(yàn)證所提出的算法，本文選擇不同類型的不良數(shù)據(jù)對(duì)上述檢測(cè)方法進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，在保證可觀察性的同時(shí)，所提出的不良數(shù)據(jù)檢測(cè)方法可以在靜態(tài)和故障狀態(tài)下減少誤差。

2 變電站層面的不良數(shù)據(jù)檢測(cè)

2.1 檢測(cè)方法概述

圖1 不良數(shù)據(jù)檢測(cè)工作流程

本文提出的變電站級(jí)不良數(shù)據(jù)檢測(cè)方法包括四個(gè)主要部分：線性WLS 狀態(tài)估計(jì)、拓?fù)渥R(shí)別和H矩陣生成、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查以及不良數(shù)據(jù)檢測(cè)和處理。檢測(cè)流程如圖1所示。

不良數(shù)據(jù)檢測(cè)開始于從變電站規(guī)范模型文件（SSD）輸入識(shí)別當(dāng)前變電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。物理連接拓?fù)浜团潆娋W(wǎng)拓?fù)涫峭ㄟ^使用本文所述的算法1和算法2 解析SSD 文件而獲得的。斷路器和隔離開關(guān)狀態(tài)通過使用本文所述的算法3來獲得在線H矩陣。H 矩陣用于線性WLS 狀態(tài)估計(jì)。然后將線性WLS 狀態(tài)估計(jì)的輸出用于不良數(shù)據(jù)檢測(cè)和不良數(shù)據(jù)處理過程。如果檢測(cè)到不良數(shù)據(jù)，則相應(yīng)地更新H矩陣和權(quán)重矩陣。如果沒有檢測(cè)到不良數(shù)據(jù)，則輸出所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.2 線性WLS的狀態(tài)估計(jì)

由于測(cè)量數(shù)據(jù)很少能夠完全反映真實(shí)電力系統(tǒng)狀態(tài)值的，所以收集的測(cè)量值與真實(shí)系統(tǒng)狀態(tài)之間的關(guān)系可以通過以下等式來解釋［14］：

其中z 是測(cè)量矢量，x 是系統(tǒng)狀態(tài)矢量，H 是將測(cè)量矢量與狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的測(cè)量函數(shù)矩陣，r 是殘差矢量。在變電站內(nèi)，電力系統(tǒng)可以被認(rèn)為具有零阻抗，此外，由于測(cè)量是時(shí)間同步的并且來自相同的時(shí)間步長(zhǎng)，因此變電站系統(tǒng)可以被視為準(zhǔn)線性系統(tǒng)［15～17］。因此可以通過線性WLS 方法來檢測(cè)不良數(shù)據(jù)。線性WLS計(jì)算方法為

其中W 是加權(quán)矩陣。它是對(duì)角矩陣，矩陣中的每個(gè)權(quán)重反映了其相應(yīng)測(cè)量的可信賴水平。

對(duì)于每一相位，電流瞬時(shí)值滿足基爾霍夫電流法關(guān)于母線和連通性節(jié)點(diǎn)以及整個(gè)變電站。當(dāng)沒有發(fā)生故障時(shí)，每個(gè)母線、連通性節(jié)點(diǎn)和整個(gè)變電站的每個(gè)相位的注入電流瞬時(shí)值為零。因此，可以得到：

其中Iinj_BB、Iinj_CN、Iinj_SS為每個(gè)母線總注入電流的偽測(cè)量值，本文分別將連接節(jié)點(diǎn)和整個(gè)變電站視為關(guān)鍵且無誤差，AKCL_BB、AKCL_CN、AKCL_SS是基于變電站電網(wǎng)拓?fù)涞年P(guān)聯(lián)矩陣，rinj_BB、rinj_CN、rinj_SS是對(duì)應(yīng)的殘差向量，x是相關(guān)測(cè)量的狀態(tài)向量，?BB、?CN是零向量，它們的大小是變電站的母線數(shù)量和連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量。以下等式說明了電流測(cè)量與當(dāng)前狀態(tài)之間的關(guān)系：

其中Imea是測(cè)量矩陣，I 是單位矩陣，rmea是相應(yīng)的殘差向量?；谑剑?）和式（4），式（1）可以重寫如下：

從式（5）可知不同的權(quán)重分配導(dǎo)致不同的估計(jì)結(jié)果。在變電站中，儀表變壓器分為測(cè)量型和保護(hù)型。測(cè)量型儀表變壓器提供比保護(hù)類型更高的精度，但具有相對(duì)較小的線性范圍。已有研究指出，不合適的輸出權(quán)重分配會(huì)嚴(yán)重影響不良數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果的性能［18］。因此，根據(jù)儀表變壓器的類型、儀表的不同精度等級(jí)，為其輸出數(shù)據(jù)分配相應(yīng)的權(quán)重。本文將相對(duì)較大的權(quán)重分配給偽測(cè)量。其他測(cè)量數(shù)據(jù)的權(quán)重相比較小并且取決于它們的精度等級(jí)：wi=ai。其中wi是權(quán)重矩陣W 中的第i個(gè)對(duì)角線元素，表示分配給測(cè)量數(shù)據(jù)i 的權(quán)重。為了確保狀態(tài)估計(jì)算法能夠正確工作，在變電站的配置改變的情況下，應(yīng)連續(xù)更新關(guān)聯(lián)矩陣H。因此本文提出了自動(dòng)拓?fù)涮幚砗驮诰€拓?fù)涓聶C(jī)制以便自動(dòng)更新H矩陣。

圖2 拓?fù)涮幚砗虷矩陣形成的算法

2.3 拓?fù)涮幚砗虷矩陣形成

從式（5）可以看出，H 矩陣基于變電站拓?fù)?。然而，由于拓?fù)涞闹匦屡渲茫磾嗦菲骱透綦x開關(guān)的狀態(tài)改變），H 矩陣必須定期更新。如上所述，變電站拓?fù)淇梢詮腎EC61850 所定義的SSD 文件中獲得。這種拓?fù)湫畔H描述了所有變電站部件（例如母線、斷路器、電力變壓器、儀表變壓器等）的物理連接。物理連接拓?fù)涮幚砣鐖D2中的算法1。算法導(dǎo)入SSD文件并分析文件中的子站部分，在完成在變電站的物理拓?fù)涞耐瑫r(shí)檢索并列出所有電力設(shè)備。而共享相同連接節(jié)點(diǎn)的任何兩個(gè)組件都被視為具有物理連接關(guān)系。

在物理連接拓?fù)渲?，斷路器和隔離開關(guān)被認(rèn)為是拓?fù)渲械囊粋€(gè)組件，H 矩陣本身不需要它們，但是它們的狀態(tài)決定了H矩陣的大小，進(jìn)而影響到不良數(shù)據(jù)檢測(cè)算法的計(jì)算負(fù)擔(dān)。因此，通過如圖2 所示的算法2，將斷路器和隔離開關(guān)的狀態(tài)集成到電網(wǎng)拓?fù)渲?。所?shí)現(xiàn)的電網(wǎng)拓?fù)浒瑑x表變壓器、母線、饋線、電力變壓器的連接。在獲得的電網(wǎng)拓?fù)渲?，兩個(gè)組件之間的連接類型可以斷開、直接連接或有條件連接。直接連接意味著這兩個(gè)組件之間沒有斷路器或隔離開關(guān)，而有條件連接取決于這兩個(gè)組件之間的斷路器和隔離開關(guān)的狀態(tài)。為了進(jìn)一步減少計(jì)算負(fù)擔(dān)，可以對(duì)變電站中的每個(gè)電壓電平并行運(yùn)行不良數(shù)據(jù)檢測(cè)。

在之前的工作中，H 矩陣是手工導(dǎo)入的，測(cè)量向量z不能被修改以適應(yīng)可能的拓?fù)涓淖?。這個(gè)缺點(diǎn)通過使用電網(wǎng)拓?fù)渥詣?dòng)更新來克服。電網(wǎng)拓?fù)湓试S使用如圖2所示的算法3在線形成H矩陣。通過添加母線行、連接節(jié)點(diǎn)行和變電站行分別初始化H 矩陣。與電流互感器以外的部件對(duì)應(yīng)的列在合并它們的連接條件之后被移除。從IED 獲得斷路器和隔離開關(guān)的狀態(tài)以確定線性WLS 所對(duì)應(yīng)的H矩陣。

2.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

在數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查過程中，根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)質(zhì)量屬性排除不良數(shù)據(jù)。在IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)中，每個(gè)質(zhì)量屬性包含13位，指示13個(gè)不同的質(zhì)量方面，例如溢出、超出范圍、不良引用、振蕩和過期。本文從質(zhì)量屬性的價(jià)值出發(fā)，將數(shù)據(jù)質(zhì)量分為三類。

1）質(zhì)量好：沒有數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。

2）質(zhì)量不良：存在質(zhì)量問題，如數(shù)據(jù)溢出和/或超出范圍。

3）質(zhì)量差：溢出或超出閾值以外的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。

在質(zhì)量檢查過程中直接丟棄質(zhì)量差的數(shù)據(jù)。具有良好質(zhì)量的數(shù)據(jù)直接用于線性WLS 狀態(tài)估計(jì)。 質(zhì)量不良的數(shù)據(jù)有條件地用于估算過程，并且由于其不確定性，其權(quán)重適當(dāng)減少以降低其對(duì)其他數(shù)據(jù)的影響。 在質(zhì)量檢查之后，斷路器和隔離開關(guān)的狀態(tài)數(shù)據(jù)用于產(chǎn)生H 矩陣。與測(cè)量數(shù)據(jù)一起，然后將H矩陣用于線性WLS狀態(tài)估計(jì)。

2.5 質(zhì)量不良數(shù)據(jù)的檢測(cè)

為了檢測(cè)質(zhì)量不良數(shù)據(jù)，使用最大的歸一化殘差方法。為此需要解決以下兩個(gè)問題：第一是線性WLS算法適用的情況；第二是是否可以檢測(cè)到不良的數(shù)據(jù)源。對(duì)于第一個(gè)問題，假設(shè)在式（5）中H 是m×n，I是單位矩陣，x是n×1狀態(tài)矩陣。當(dāng)m＞n時(shí)，系統(tǒng)是一個(gè)高估的系統(tǒng)，它滿足了不良數(shù)據(jù)檢測(cè)的先決條件。然而，當(dāng)m=n時(shí)，可以獲得估計(jì)結(jié)果但不足以檢測(cè)不良數(shù)據(jù)。因此，不良數(shù)據(jù)檢測(cè)算法的先決條件是m＞n，其可以由H 矩陣確定。對(duì)于第二個(gè)問題，已有研究已經(jīng)指出，在某些系統(tǒng)中，當(dāng)這兩個(gè)數(shù)據(jù)源的殘差之間的相關(guān)系數(shù)等于1 時(shí)，不可能在兩個(gè)數(shù)據(jù)源之間識(shí)別不良數(shù)據(jù)源。殘差之間的相關(guān)系數(shù)的計(jì)算可以如下進(jìn)行：從式（1），可以獲得測(cè)量的殘差r=z-Hx，其中x 可以從式（2）獲得。歸一化殘差可以通過以下公式計(jì)算：

其中Rr是殘差的協(xié)方差矩陣，可以得到Rr=W-H（H′ W-1H）-1H。歸一化殘差的協(xié)方差矩陣可以如下獲得：

根據(jù)式（7），可以通過受H 矩陣影響的協(xié)方差矩陣來確定不良數(shù)據(jù)檢測(cè)的能力。因此，當(dāng)變電站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變時(shí)，檢查協(xié)方差矩陣的不良數(shù)據(jù)檢測(cè)能力。

該算法基于最大殘差用于識(shí)別不良數(shù)據(jù)的想法，因此，必須設(shè)置閾值以從良好數(shù)據(jù)中識(shí)別不良數(shù)據(jù)。閾值的選擇會(huì)影響不良數(shù)據(jù)檢測(cè)算法的成功檢測(cè)率，因?yàn)檫^低的閾值可能會(huì)拒絕良好的數(shù)據(jù)，而過高的閾值可能會(huì)導(dǎo)致不良的數(shù)據(jù)被接受。另一個(gè)挑戰(zhàn)是相同的閾值可能不適用于不同的電流幅度。為了優(yōu)化所提出的不良數(shù)據(jù)檢測(cè)算法的性能，需要進(jìn)行迭代研究以獲得靜態(tài)電流和故障電流下不同閾值。

2.6 不良數(shù)據(jù)的處理過程

圖3 不良數(shù)據(jù)處理過程

3 案例分析

為了驗(yàn)證所提出的不良數(shù)據(jù)檢測(cè)算法，對(duì)IEEE 14 總線系統(tǒng)中的一個(gè)變電站進(jìn)行了實(shí)例研究。根據(jù)IEC600 44 中定義的CT 精度等級(jí)的測(cè)量不確定度納入考慮。本文在MU 中采用飽和特性的CT作為測(cè)量數(shù)據(jù)輸入。

3.1 變電站建模

案例研究所使用包括母線1和母線2的變電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4 所示。母線1 和母線2 通過變壓器連接。母線1 可以被視為用于不良數(shù)據(jù)檢測(cè)的單獨(dú)區(qū)域。圖4 中的變電站拓?fù)洳捎秒p斷路器配置，每個(gè)饋線和每個(gè)斷路器都有自己的測(cè)量和保護(hù)精度等級(jí)的CT。測(cè)量CT 的精度等級(jí)為1 級(jí)，在額定一次電流下誤差最大為1%。保護(hù)CT 的精度等級(jí)為5P 級(jí)，一次電流額定值誤差最大5%。電流的正方向定義為朝向母線。

圖4 IEEE 14總線系統(tǒng)中母線配置

3.2 測(cè)量誤差

測(cè)量裝置的特性帶來測(cè)量不確定性。主電流通過CT 轉(zhuǎn)換為低信號(hào)電平，由MU 處理。由于激勵(lì)鐵芯磁化的影響，CT 并不是將所有一次電流都轉(zhuǎn)換為二次輸出電流，這造成了比例誤差。然而，這種誤差屬于CT 的制造誤差，由其設(shè)計(jì)所確定。在本實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)誤差被建模為精度等級(jí)范圍內(nèi)的1%到0.5%之間隨機(jī)值，并分配給變電站內(nèi)的不同CT。為了保護(hù)CT，在額定電流下，CT 誤差被隨機(jī)建模在5%到4%之間。相應(yīng)地，測(cè)量CT 和保護(hù)CT數(shù)據(jù)的權(quán)重分別為0.01和0.05。

3.3 典型的不良數(shù)據(jù)場(chǎng)景

為了驗(yàn)證該算法對(duì)不同不良數(shù)據(jù)場(chǎng)景的適用性，考慮了交互式多個(gè)不良數(shù)據(jù)和非交互式多個(gè)不良數(shù)據(jù)。以下CT 故障案例在圖5 中進(jìn)行了建模和說明。

圖5 質(zhì)量不良的測(cè)量數(shù)據(jù)

1）單一不良數(shù)據(jù)

MU的故障：具有良好質(zhì)量屬性的恒定輸出（如圖5中的0.1s～0.2s所示）。

配置不正確：使用采樣值中的次級(jí)輸出（圖5中在0.2s～0.3s之間示出）和光纖電壓傳感器的錯(cuò)誤配置（圖5中在0.3s～0.4s之間示出）。

數(shù)據(jù)包丟失。缺少一個(gè)采樣值數(shù)據(jù)包（如圖5中的0.4s～0.5s所示）。

2）交互多個(gè)不良數(shù)據(jù)

由故障電流引起的多次測(cè)量CT 飽和（如圖5中0.5s～0.6s所示）。

3）不相互作用的多個(gè)不良數(shù)據(jù)

混合多個(gè)相互獨(dú)立的不良數(shù)據(jù)。

4）混合多個(gè)不良數(shù)據(jù)

混合不同類型的不良數(shù)據(jù)。

在算法的測(cè)試中，在不同的數(shù)據(jù)源中隨機(jī)地將上述類型的不良數(shù)據(jù)注入到系統(tǒng)中。測(cè)試中采用了三相接地故障模擬CT 飽和，以產(chǎn)生不良測(cè)量數(shù)據(jù)。

3.4 結(jié)果和討論

如上所述，需要進(jìn)行迭代研究以獲得最優(yōu)閾值。本實(shí)驗(yàn)所測(cè)試的在同一時(shí)刻發(fā)生的1 個(gè)不良數(shù)據(jù)（1BD）、2 個(gè)不良數(shù)據(jù)（2BD）和3 個(gè)不良數(shù)據(jù)（3BD）的結(jié)果如圖6 所示。當(dāng)靜態(tài)情況下閾值為= 108，故障情況下閾值為= 600 時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最好的檢測(cè)率。檢測(cè)率作為正確檢測(cè)與所研究的所有樣品之間的比率獲得。檢測(cè)失敗包括將正確的數(shù)據(jù)源檢測(cè)為錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)源并丟失任何錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)源。但是，由于圖5 所示的不良數(shù)據(jù)生成方法，一些不良數(shù)據(jù)接近或等于真實(shí)數(shù)據(jù)。這些仍被標(biāo)記為不良數(shù)據(jù)。因此，不良數(shù)據(jù)檢測(cè)成功率可能會(huì)相對(duì)降低。

圖6 不同的閾值對(duì)不良數(shù)據(jù)檢測(cè)成功率的影響

在以下實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量屬性自適應(yīng)地設(shè)置閾值。如果沒有CT 溢出或超出范圍，則=108；否則，=600。

從圖7 和圖8 中可以看出，來自所提出的算法的處理過的數(shù)據(jù)在靜態(tài)和故障情況下提供最小的電流誤差?；谶\(yùn)行在PC 機(jī)（8 核3.4GHz 處理器，8GB 內(nèi)存）上的Matlab 代碼，采集了該算法的處理時(shí)間。在電力系統(tǒng)的靜態(tài)過程中，每個(gè)采樣步驟的處理時(shí)間小于1ms。在故障情況下，由于需要處理更多的不良數(shù)據(jù)以及修改H和W 的概率較高，算法處理速度高于于2ms。變電站內(nèi)快速保護(hù)功能的最大限制要求為3ms，因此所提出的算法的處理時(shí)間可以滿足信號(hào)延遲要求。

值得注意的是，當(dāng)插入的CT故障數(shù)量增加時(shí)，不良數(shù)據(jù)檢測(cè)算法可能不能檢測(cè)所有不良數(shù)據(jù)源，如圖6 所示。在這種情況下，不良數(shù)據(jù)檢測(cè)的性能急劇下降。為了克服這樣的缺點(diǎn)，引入來自相鄰變電站的冗余測(cè)量是可行的解決方案。然而，由于系統(tǒng)不再是零阻抗系統(tǒng)，因此需要修改H矩陣以包括來自相鄰變電站的測(cè)量，這是未來需要解決的一個(gè)問題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新的變電站級(jí)不良數(shù)據(jù)檢測(cè)算法。它從符合IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的變電站規(guī)范文件中獲得電網(wǎng)拓?fù)?。然后利用斷路器和隔離開關(guān)的可用狀態(tài)自動(dòng)更新關(guān)聯(lián)H 矩陣。最后在獲取電網(wǎng)拓?fù)涞幕A(chǔ)上利用電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)不良數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查。在數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查過程中，首先根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量屬性排除不良數(shù)據(jù)，隨后采用線性WLS 狀態(tài)估計(jì)，利用最大歸一化殘差法識(shí)別不良數(shù)據(jù)。實(shí)例研究的結(jié)果表明，在靜態(tài)和故障情況下，與采用測(cè)量CT 或保護(hù)CT 輸出相比，該算法的輸出提供了最小的誤差。

圖7 靜態(tài)情況下的檢測(cè)結(jié)果

圖8 故障情況下的檢測(cè)結(jié)果