CN104483836A - 一种遥测数据的在线稳态处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种遥测数据的在线稳态处理方法，包括建立遥测数据的在线稳态处理系统的步骤；解析模块接收遥测数据，解析并筛选数据的步骤；预处理模块对遥测数据进行低通滤波处理及重抽样处理的步骤；稳态处理模块对遥测数据进行稳态处理的步骤；本发明成功实现了稳态处理程序与D5000调度系统电力调度的自动化程序在线实时接口；实现了省调主站电力遥测数据的实时在线稳态处理，实时剔除了坏数据、抑制了炼钢负荷的剧烈波动，提高了遥测数据的精度；同时提高了状态估计合格率，解决了多年以来数据采集与监视控制系统遥测数据中存在坏数据的问题，为智能调度的高级应用提供了精确可靠的数据源。

Description

一种遥测数据的在线稳态处理方法

技术领域

本发明属于电力系统数据采集与监视控制系统遥测数据处理技术领域，涉及一种遥测数据的在线稳态处理方法。

背景技术

1970年Schweppe和Larson几乎同时发现了电网调度数据采集与监视控制系统遥测数据中有坏数据，并提出用状态估计加以剔除。由于状态估计剔除坏数据的前提是电网元件参数是精确的，遗憾的是，无论理论计算还是实测参数误差都很大，因此时至今日遥测坏数据仍然没有得到很好的解决。数据采集与监视控制系统是电力调度的基础，遥测数据是电网的基础数据，直接决定着电网潮流、短路和稳定等计算的可靠性，不能出错。

专利号为ZL200910158370.7的发明专利公开了连续物理量测量装置及方法，专利号为ZL201110161132.9的发明专利公开了交流电物理量测量和数据采集装置和方法。

众所周知，潮流程序以及众多的EMS程序都基于电力系统的稳态模型，所以，输入这些程序的数据都应当是稳态值；反之，若输入非稳态数据，输出就会有问题。连续物理量的值在相当长一段时间维持基本不变或变化不大，称为稳态过程；两个稳态过程之间的短时间的过渡称为暂态过程。通过研究发现了遥测坏数据的机理，在于暂态混入遥测数据、不同步和重抽样频率低而混频，其中暂态混入遥测数据占65%的比例。因此，要保证计算的精度，就必须能够剔除数据采集与监视控制系统遥测数据中的暂态数据，降低对同步时钟的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够剔除暂态混入遥测数据、降低对同步时钟要求的遥测数据的在线稳态处理方法。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种遥测数据的在线稳态处理方法，包括如下步骤：

（1）建立遥测数据的在线稳态处理系统，所述在线处理系统包括解析模块、预处理模块、稳态处理模块和还原模块；所述解析模块依次经预处理模块、稳态处理模块接还原模块；

（2）所述解析模块接收D5000调度系统的FTP客户端实时遥测数据区发布的数据采集与监视控制系统遥测数据的E格式DT文件；并按照模型结构的数据，将需要处理的相关测点的有功遥测量P、无功量测量Q、电压量测量U、电流量测量I的数据筛选出来，解析并筛选DT文件为内存数据、位置信息和保留数据，以二进制格式存储到计算机内存中；

（3）所述预处理模块对以二进制格式存储到计算机内存中的遥测数据首先进行标度变换，然后对超过采样频率上限的遥测数据进行低通滤波处理，对未达到采样频率下限的遥测数据进行重抽样处理；使得遥测数据既满足采样频率的下限又满足采样频率的上限要求，即

                              ，

其中为采样频率，为采样频率上限，为S域可接受的最大误差，为Z域的截断误差；

（4）所述稳态处理模块对满足采样频率上、下限的遥测数据进行稳态处理，它是基于连续物理量测量方法及交流电物理量测量和数据采集方法，利用t分布判断暂态和稳态，在稳态时段对稳态数据求平均值，对暂态时段的数据计算强迫分量做稳态值；

稳态判据：

对于连续物理量x经过采样和预处理后输出，如果系统处于稳态，测量受到随机干扰，由概率统计可知，，x属于平稳随机过程，服从t分布，其中

 

这里，k为该稳态过程中的第k次测量，为第k次测量值，为前k次测量值的均值，为前k次测量值的标准方差，t为学生分布，α为风险水平；若F＝1则为稳态，若F=0则为暂态；

上报数据：

当到达上报时间，稳态过程中上报均值而不是瞬时值作为遥测数据，而暂态过程中上报，因为第k-1次测量距离上报时间很短，于是，上报的遥测数据中只有稳态数据而没有暂态数据；

（5）所述还原模块将经稳态处理后的二进制格式稳态数据进行ASC转换、插入到保留的数据中，生成DT文件，还原回符合D5000调度系统要求的E格式DT文件，发回D5000调度系统的FTP服务器的遥测数据状态估计区。

所述解析模块包括FTP接收服务器、数据解析模块和格式转换模块；所述FTP接收服务器接收由实时数据区发来的等间隔的E文件格式的遥测数据DT文件，所述数据解析模块将每个测点的有功遥测值P、无功量测值Q、电压量测值U、电流量测值I数据解析出来，所述格式转换模块将解析出来的数据转成二进制格式文件。

所述预处理模块包括标度变换模块、判断模块、低通滤波模块、重抽样模块和预处理缓冲模块；所述标度变换模块将数据解析出的二进制格式文件进行标度变换，由标幺值转换为有名值；所述判断模块根据奈奎斯特采样定理判断遥测数据是否低于采样频率下限或超过采样频率上限；所述低通滤波模块对超过采样频率上限的物理量进行滤波处理，所述重抽样模块对低于采样频率下限的物理量进行重抽样处理；所述预处理缓冲模块存放高于采样频率下限且低于采样频率上限的遥测数据。

所述稳态处理模块将预处理模块中的遥测数据进行稳态处理，处理过程如下：

通过获取数据采集与监视控制系统的n个物理量y₁,y₂,…,y_n，得到数据序列

其中k为当前数据点号，m为时间窗口宽度，，n为整数；

对于数据序列

判断其当前数据值，，是处于暂态过程还是稳态过程； 判断当前数据值处于暂态过程还是稳态过程的判据是：

 

其中，当F＝1时，处于稳态过程；当F=0时，处于暂态过程；其中为平均值，为标准方差，t(k)是自由度为k的t分布；

如果当前数据值，，处于暂态过程，根据计算强迫分量作为稳态值；

如果当前数据值，，处于稳态过程，根据计算平均值作为稳态值；

输出稳态值。

所述还原模块包括格式转换还原模块、数据解析还原模块和FTP发送客户端；所述格式转换还原模块将二进制格式的稳态数据转换成D5000调度系统要求的E格式，所述数据解析还原模块是数据解析模块的逆转换，所述数据解析还原模块将格式转换还原模块转换好的数据还原成E格式DT文件，所述FTP发送客户端将所述E格式DT文件发送到D5000调度系统的状态估计区中，提供给D5000调度系统的EMS。

本发明的有益效果是：成功实现了稳态处理程序与D5000调度系统电力调度的自动化程序在线实时接口；实现了省调主站电力遥测数据的实时在线稳态处理，实时剔除了坏数据、抑制了炼钢负荷的剧烈波动，提高了遥测数据的精度；同时提高了状态估计合格率，解决了多年以来数据采集与监视控制系统遥测数据中存在坏数据的问题，为智能调度的高级应用提供了精确可靠的数据源。

附图说明

图1为遥测数据的在线稳态处理流程图。

图2为遥测数据与稳态处理后数据曲线对比图。

图3为S域与Z域示意图。

图4为S域与Z域重叠示意图。

图5 Z域及其栅格示意图。

图6为采样频率10Hz时S域与Z域栅格影响图。

图7为采样频率30Hz时S域与Z域栅格影响图。

图8为数据结构图。

具体实施方式

由图1-8所示的实施例可知，遥测数据的在线稳态处理方法，包括如下步骤：

（1）建立遥测数据的在线稳态处理系统，所述在线处理系统包括解析模块、预处理模块、稳态处理模块和还原模块；所述解析模块依次经预处理模块、稳态处理模块接还原模块；

（2）所述解析模块接收D5000调度系统的FTP客户端实时遥测数据区发布的数据采集与监视控制系统遥测数据的E格式DT文件（Q／GDW_215-2008，电力系统数据标记语言—E语言规范）；并按照模型结构（调度系统CIME文件）的数据，将需要处理的相关测点的有功遥测量P、无功量测量Q、电压量测量U、电流量测量I的数据筛选出来，解析并筛选DT文件为内存数据、位置信息和保留数据，以二进制格式存储到计算机内存中；

（3）所述预处理模块对以二进制格式存储到计算机内存中的遥测数据首先进行标度变换，然后对超过采样频率上限的遥测数据进行低通滤波处理，对未达到采样频率下限的遥测数据进行重抽样处理（重抽样就是将密集采集的数据重新采样，例如要采样数据间隔为10ms，即每秒钟采样100个点，重抽样间隔要大于10ms，如果重抽样采样数据间隔为100ms，即重抽样后，每秒钟采样10个点）；使得遥测数据既满足采样频率的下限又满足采样频率的上限要求，即

   ，

其中为采样频率，采样频率上限，为S域可接受的最大误差，为Z域的截断误差；

采样频率不是固定的值。根据不同的应用，取值不同。如下所示：

l   保护与录波要求

①采样频率：对于保护至少每周12点即600Hz，对于录波现行标准是每周100点或200点即5kHz或10kHz到0.1s，之后，中段对电压电流有效值连续记录到1s，每0.1s记录一次到20s，每1s记录一次到10min；②ADC位数：12位以上；③同时性：保护要求两侧同时，录波要求全网同时，不同时1ms以内；④保护还需要量测的延迟小。

电力计量要求

大电费结算需高精度：①电压、电流精度0.2％；②采样频率：至少每周128点即6.4kHz；②ADC位数：12位以上；③同时性：期望电压电流同步（不同步1us），全网不同时2s。

就地控制

①采样频率：每周16点即800Hz；②ADC位数：12位以上；③输出有效值重抽样频率：每周一点即50Hz；④精度：1%。

电网自动化

①采样频率：每周16点即800Hz；②ADC位数：12位以上；③输出基波正负零序及其功率（含有功和无功）的稳态值，重抽样频率：每秒一点即1Hz；④精度：0.5%；③同时性：期望全网同时，不同时在10ms之内；

而采样频率的上下限是有要求的。

（4）所述稳态处理模块对满足采样频率上、下限的遥测数据进行稳态处理，其原理是基于连续物理量测量方法及交流电物理量测量和数据采集方法，利用t分布判断暂态和稳态，在稳态时段对稳态数据求平均值，对暂态时段的数据计算强迫分量做稳态值；

稳态判据：

对于连续物理量x经过采样和预处理后输出，如果系统处于稳态，测量受到随机干扰，由概率统计可知，，x属于平稳随机过程，服从t分布，其中

这里，k为该稳态过程中的第k次测量，为第k次测量值，为前k次测量值的均值，为前k次测量值的标准方差，t为学生分布，α为风险水平；若F＝1则为稳态，若F=0则为暂态；

上报数据：

当到达上报时间，稳态过程中上报均值而不是瞬时值作为遥测数据，而暂态过程中上报因为第k-1次测量距离上报时间很短；于是，上报的遥测数据中只有稳态数据而没有暂态数据；

（5）所述还原模块将经稳态处理后的二进制格式稳态数据进行ASC转换、插入到保留的数据中，生成DT文件，还原回符合D5000调度系统要求的E格式DT文件，发回D5000调度系统的FTP服务器的遥测数据状态估计区。

所述解析模块包括FTP接收服务器、数据解析模块和格式转换模块；所述FTP接收服务器接收由实时数据区发来的等间隔的E文件格式的遥测数据DT文件，所述数据解析模块将每个测点的有功遥测值P、无功量测值Q、电压量测值U、电流量测值I数据解析出来，所述格式转换模块将解析出来的数据转成二进制格式文件。

所述预处理模块包括标度变换模块、判断模块、低通滤波模块、重抽样模块和预处理缓冲模块；所述标度变换模块将数据解析出的二进制格式文件进行标度变换，由标幺值转换为有名值；所述判断模块根据奈奎斯特采样定理判断遥测数据是否低于采样频率下限或超过采样频率上限；所述低通滤波模块对超过采样频率上限的物理量进行滤波处理，所述重抽样模块对低于采样频率下限的物理量进行重抽样处理；所述预处理缓冲模块存放高于采样频率下限且低于采样频率上限的遥测数据。

时域的微分方程到Z域的传递函数H(Z)：

对时域模拟量进行采样，经过A/D转换后获得采样数据，在数字自动控制理论中，这种采样被认为是将时域变换到Z域。

时域动态模型为对时间的微分方程，变换到Z域后，微分方程为传递函数H(z)；时域的微分方程还可以经过拉普拉斯变换到S域，得S域的传递函数G(s)。自动控制中已证明，G(s)与微分方程严格对应，没有失真，好比微分方程为“物”，G(s)为平面镜中的“像”，像与物没有失真；H(z)为微分方程的另一种“像”。

H(z)有失真：

S域的左半平面映射到Z域的单位圆，事实上，S域特别左边的用不到，只是靠近虚轴的部分才有用，如图3的“常用区域”；常用区域映射到Z域，是一个外半径为1的圆环。

常用区域的ω在取值，Z域在单位圆环内取值； 若ω在取值，即图4的“区域1”，Z域上的映射仍是同一个圆环；同理，若ω在取值， Z域上的映射还是同一个圆环；以此类推，S域上的多个区域对应Z域上同一个圆环，从而，造成S域上的多点映射到Z域的一个点，即Z域的H(z)是时域微分方程的曲面中的“像”有失真。

采样定理：

S域上的一点对应一个频率、多点对应多个频率，即S域多个频率共同映射到Z域的一点上，形成频率混叠错误。为了避免混叠错误，则必须只保留常用区域、删除其它区域，物理上，采用滤波器滤除的高频信号，滤波器的截止频率为，可见，，或，即著名的奈奎斯特采样定理采样频率要大于2倍的信号截止频率，否则，将造成混叠错误。

作为采样定理的推论，重抽样频率也应该满足采样定理，否则，也将产生混叠错误。

采样频率上限的推导：

Z域有栅格：

Z域不仅有混频失真的可能，由于A/D位数有限、数值在计算机中表示的位数有限，Z域是不连续的，还有栅格，Z域的取值必定在栅格上，而栅格中间是不能取值的，见图5。

Z域栅格的大小ε与A/D分辨率δ_adc、计算机的数值截断误差δ_cpu有关，A/D分辨率越高、CPU的截断误差越小，则ε越小；反之，则ε越大。如果，计算机的硬件一定，即δ_adc和δ_cpu一定，那么，ε也一定。

Z域造成S域的栅格：

S域到Z域的变换为；反之Z域到S域的变换为。记和，有：

，

 ，

，

由于S域的靠近虚轴的左半平面映射到Z域接近半径为1的圆环上，，所以，

 

于是，S域x方向的栅格和y方向的栅格分别为：

 

所以S域的栅格为：

 

即S域的栅格是Z域栅格的倍。

采样频率的上限

为了保证S域的栅格在可以接受的范围内，采样频率应当满足：

 

即采样频率的上限。

于是，连同奈奎斯特采样定理，采样频率应当满足：

 

栅格影响

当采样频率f_s=10Hz时，将S域的(-10～0, -31.42～31.42)映射到Z域的内半径为0.3679、外半径为1的圆环上，见图6；当f_s=30Hz时，将S域的(-10～0, -94.25～94.25)映射到Z域的内半径为0.7165、外半径为1的圆环上，见图7。

对比图6和图7可见，图7比图6，S域面积扩大3倍、Z域缩小6.39倍。换句话讲，因采样频率提高3倍，Z域同样的面积代表的S域面积将扩大19倍。

由于Z域中存在栅格，所以，S域也将存在栅格，并且，计算机的硬件一定、Z域栅格一定，随着采样频率的加快将造成Z域面积缩小和S域面积尤其是栅格扩大很多倍。因此，为了保证S域的误差，就必须要限定采样频率不能太快。

常用上限：

通常A/D分辨率为12位，其中，1位符号位，δ_adc＝1/2¹¹＝1/2047≈0.05％，后续计算采用双精度浮点数，δ_cpu可以忽略，于是，ε＝0.05％。

一般S域中的允许误差为0.01，则f_sh＝0.01/0.0005=20Hz，可见，采样频率的上限很小，很容易超过，这可能就是自适应控制、参数辨识经常失败的原因。

提高采样频率上限的方法：

应用中需要提高采样频率的上限，由于S域的允许误差不可变，所以，只能减小Z域的栅格ε，最有效的办法是提高ADC分辨率，对于上述算例，若采用14位ADC，ε＝0.012％，采样频率的上限f_sh＝82Hz；若采用16位ADC，f_sh＝328Hz；采用24位ADC，f_sh＝83.886kHz。

降低采样频率：

现实应用中，就地采样频率高而需要的采样频率低，最简单的办法就是直接重抽样，如DL/T860等。然而，按照上述采样理论，直接重抽样是有问题的，正确的办法是在重抽样之前加入低通滤波，其截止频率要小于0.5倍的重抽样频率；重抽样频率要满足采样频率的上限。这样的重抽样，既满足采样频率的下限，又满足上限。

所述稳态处理模块将预处理模块中的遥测数据进行稳态处理，处理过程如下：

通过获取数据采集与监视控制系统的n个物理量y₁,y₂,…,y_n（每个测点的有功遥测值P、无功量测值Q、电压量测值U、电流量测值I数据），得到数据序列

其中k为当前数据点号，m为时间窗口宽度，，n为整数；

对于数据序列

判断其当前数据值，，是处于暂态过程还是稳态过程； 判断当前数据值处于暂态过程还是稳态过程的判据是：

 

其中，当F＝1时，处于稳态过程；当F=0时，处于暂态过程；其中为平均值，为标准方差，t(k)是自由度为k的t分布；

如果当前数据值，，处于暂态过程，根据计算强迫分量作为稳态值；

如果当前数据值，，处于稳态过程，根据计算平均值作为稳态值；

输出稳态值。

所述还原模块包括格式转换还原模块、数据解析还原模块和FTP发送客户端；所述格式转换还原模块将二进制格式的稳态数据转换成D5000调度系统要求的E格式，所述数据解析还原模块是数据解析模块的逆转换，所述数据解析还原模块将格式转换还原模块转换好的数据还原成E格式DT文件，所述FTP发送客户端将所述E格式DT文件发送到D5000调度系统的状态估计区中，提供给D5000调度系统的EMS。

从Z域映射开始，介绍了Z域有重叠，导出采样频率下限；Z域有栅格，造成S域也有栅格，且S域的栅格是Z域栅格的f_s倍；Z域栅格决定于计算机硬件，S域栅格受应用的要求，导出采样频率上限；通常上限只有20Hz，容易突破。

稳态数据处理实例如表1所示。

在表1中，在线稳态处理系统中的FTP服务器每分钟接收一次E格式数据，经数据解析后变成内存的二进制格式数据，再由数据预处理把内存中的二进制格式数据进行标度变换，由稳态处理模块进行稳态处理；最后由数据还原模块，把稳态结果数据还原成E格式文件，经由FTP客户端发送模块发送到D5000调度系统的FTP服务器。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

表1稳态数据处理实例

续表1

续表1

续表1

续表1

Claims (5)

1.一种遥测数据的在线稳态处理方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）建立遥测数据的在线稳态处理系统，所述在线处理系统包括解析模块、预处理模块、稳态处理模块和还原模块；所述解析模块依次经预处理模块、稳态处理模块接还原模块；

（2）所述解析模块接收D5000调度系统的FTP客户端实时遥测数据区发布的数据采集与监视控制系统遥测数据的E格式DT文件；并按照模型结构的数据，将需要处理的相关测点的有功遥测量P、无功量测量Q、电压量测量U、电流量测量I的数据筛选出来，解析并筛选DT文件为内存数据、位置信息和保留数据，以二进制格式存储到计算机内存中；

（3）所述预处理模块对以二进制格式存储到计算机内存中的遥测数据首先进行标度变换，然后对超过采样频率上限的遥测数据进行低通滤波处理，对未达到采样频率下限的遥测数据进行重抽样处理；使得遥测数据既满足采样频率的下限又满足采样频率的上限要求，即 

                              ，

其中为采样频率，为采样频率上限，为S域可接受的最大误差，为Z域的截断误差；

（4）所述稳态处理模块对满足采样频率上、下限的遥测数据进行稳态处理，它是基于连续物理量测量方法及交流电物理量测量和数据采集方法，利用t分布判断暂态和稳态，在稳态时段对稳态数据求平均值，对暂态时段的数据计算强迫分量做稳态值；

稳态判据：

对于连续物理量x经过采样和预处理后输出，如果系统处于稳态，测量受到随机干扰，由概率统计可知，，x属于平稳随机过程，服从t分布，其中

这里，k为该稳态过程中的第k次测量，为第k次测量值，为前k次测量值的均值，为前k次测量值的标准方差，t为学生分布，α为风险水平；若F＝1则为稳态，若F=0则为暂态；

上报数据：

当到达上报时间，稳态过程中上报均值而不是瞬时值作为遥测数据，而暂态过程中上报，因为第k-1次测量距离上报时间很短，于是，上报的遥测数据中只有稳态数据而没有暂态数据；

（5）所述还原模块将经稳态处理后的二进制格式稳态数据进行ASC转换、插入到保留的数据中，生成DT文件，还原回符合D5000调度系统要求的E格式DT文件，发回D5000调度系统的FTP服务器的遥测数据状态估计区。

2.根据权利要求1所述的一种遥测数据的在线稳态处理方法，其特征在于：所述解析模块包括FTP接收服务器、数据解析模块和格式转换模块；所述FTP接收服务器接收由实时数据区发来的等间隔的E文件格式的遥测数据DT文件，所述数据解析模块将每个测点的有功遥测值P、无功量测值Q、电压量测值U、电流量测值I数据解析出来，所述格式转换模块将解析出来的数据转成二进制格式文件。

3.根据权利要求2所述的一种遥测数据的在线稳态处理方法，其特征在于：所述预处理模块包括标度变换模块、判断模块、低通滤波模块、重抽样模块和预处理缓冲模块；所述标度变换模块将数据解析出的二进制格式文件进行标度变换，由标幺值转换为有名值；所述判断模块根据奈奎斯特采样定理判断遥测数据是否低于采样频率下限或超过采样频率上限；所述低通滤波模块对超过采样频率上限的物理量进行滤波处理，所述重抽样模块对低于采样频率下限的物理量进行重抽样处理；所述预处理缓冲模块存放高于采样频率下限且低于采样频率上限的遥测数据。

4.根据权利要求3所述的一种遥测数据的在线稳态处理方法，其特征在于：所述稳态处理模块将预处理模块中的遥测数据进行稳态处理，处理过程如下：

通过获取数据采集与监视控制系统的n个物理量y₁,y₂,…,y_n，得到数据序列

其中k为当前数据点号，m为时间窗口宽度，，n为整数；

对于数据序列

判断其当前数据值，，是处于暂态过程还是稳态过程； 判断当前数据值处于暂态过程还是稳态过程的判据是：

 

其中，当F＝1时，处于稳态过程；当F=0时，处于暂态过程；其中为平均值，为标准方差，t(k)是自由度为k的t分布；

如果当前数据值，，处于暂态过程，根据计算强迫分量作为稳态值；

如果当前数据值，，处于稳态过程，根据计算平均值作为稳态值；

输出稳态值。

5.根据权利要求4所述的一种遥测数据的在线稳态处理方法，其特征在于：所述还原模块包括格式转换还原模块、数据解析还原模块和FTP发送客户端；所述格式转换还原模块将二进制格式的稳态数据转换成D5000调度系统要求的E格式，所述数据解析还原模块是数据解析模块的逆转换，所述数据解析还原模块将格式转换还原模块转换好的数据还原成E格式DT文件，所述FTP发送客户端将所述E格式DT文件发送到D5000调度系统的状态估计区中，提供给D5000调度系统的EMS。