CN107431380A - 一种换流阀故障预警方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种换流阀故障预警方法，在预定的时间范围内，记录换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息，采用偏差统计方法对各时间信息进行统计和比较，对偏差超过预设值所对应的晶闸管级进行标记，根据标记结果判断该晶闸管发生故障的可能性。本发明还公开一种换流阀故障预警系统，包括用于存放换流阀各晶闸管级偏差数据的寄存器数组以及用于对晶闸管控制单元反馈的状态指示信号采用偏差统计方法进行处理的高速处理器。此方案可识别出发生故障可能性较大的晶闸管级，实现提前预警，并可作为更换设备的依据，进而降低直流系统由于晶闸管级故障停运的可能性，也可作为换流阀设备性能优化及回路设计优化的参考。

Description

一种换流阀故障预警方法及系统
技术领域
本发明属于大功率电力电子领域，特别涉及一种对换流阀故障进行预警的方法及系统。
背景技术
高压直流输电(High Voltage Direction Current,HVDC)是电力电子技术应用中最为重要、最为传统，也是发展最为活跃的技术。换流阀作为高压直流输电工程中的核心一次设备，其工作性能直接关系到直流输电运行的稳定性。实现对换流阀在各种运行工况下的控制功能是由换流阀控制系统完成的。换流阀控制系统主要由直流控制保护系统、换流阀控制单元(Valve Control Unit,VCU)以及晶闸管控制单元(Thyristor Control Unit,TCU)组成。其中换流阀控制单元是直流控制保护系统与换流阀之间的桥梁，其主要功能就是接收直流控制保护系统发送的控制信号，并根据这些控制信号通过逻辑算法产生触发脉冲发送给换流阀。同时，换流阀控制单元接收换流阀返回的各晶闸管级状态指示信号，经过处理后反馈给直流控制保护系统，用于监视换流阀的运行状态，同时晶闸管级运行状态以及换流阀控制单元运行状态通过以太网上送至监控系统。
换流阀是多个由晶闸管及其阻容回路组成的晶闸管级、电抗器以及冷却设备组成的复杂系统，经过长期的运行会出现由于性能老化而出现故障的情况，同时由于各晶闸管级受到阻容回路参数的细微差异的影响，其均压一致性也存在细微差别，在长期高压运行条件下会降低部分晶闸管级设备的使用寿命，严重时会由于多个晶闸管级故障造成直流系统停运的风险，给直流系统安全稳定运行造成恶劣影响。在以往的直流工程运行过程中，由于对换流阀的所有晶闸管级运行状态的监测方法仅在于较为粗略的监测有无状态反馈信号，往往忽略了不同晶闸管级之间的差异。如果能在换流阀控制单元中根据换流阀不同晶闸管级之间存在的性能差异，利用数据统计算法识别其中性能较差的晶闸管级，并进行提前预警，从而降低由于晶闸管级设备故障导致直流系统停运的风险，对于直流系统安全可靠运行提供有效的辅助手段。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种换流阀故障预警方法及系统，其可识别出发生故障可能性较大的晶闸管级，实现提前预警，并可作为更换设备的依据，进而降低直流系统由于晶闸管级故障停运的可能性，也可作为换流阀设备性能优化及回路设计优化的参考。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种换流阀故障预警方法，在预定的时间范围内，记录换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息，采用偏差统计方法对各时间信息进行统计和比较，对偏差超过预设值所对应的晶闸管级进行标记，根据标记结果判断该晶闸管发生故障的可能性。
上述偏差统计方法的内容是：从换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息中分别找出最先到达的时间与最后到达的时间，并计算最先到达和最后到达的时间差，再将此时间差与预定时长进行比较；
当所述时间差小于预定时长时，判断换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号满足一致性要求；
反之，认为不满足一致性要求，并从中筛选出相对于预定时长具有正偏差和负偏差两种特性的状态指示信号，在所对应的晶闸管级存储器中进行累计。
上述偏差统计方法的内容是：换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息满足正态分布规律，分别设定期望和标准差参数，用于确定正态分布区间，将各时间信息与正态分布区间进行比较；
当所述换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息均包含于正态分布区间范围内时，判断换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号满足一致性要求；
反之，认为不满足一致性要求，并从中筛选出相对于正态分布区间具有正偏差和负偏差两种特性的状态指示信号，在所对应的晶闸管级存储器中进行累计。
上述偏差统计方法的内容是：计算换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息平均值，并预设时间范围参数，用于确定以平均值为中心、以时间范围参数为正负边界条件的平均分布区间范围，将各时间信息与该区间范围进行比较；
当所述换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息均包含于所述平均分布区间范围内时，判断换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号满足一致性要求；
反之，认为不满足一致性要求，并从中筛选出相对于平均分布区间具有正偏差和负偏差两种特性的状态指示信号，在所对应的晶闸管级存储器中进行累计。
上述预警方法还包括：对具有正偏差或负偏差两种特性的状态指示信号所发生的时间点进行记录，用以统计晶闸管级随时间变化发生性能偏差的分布规律。
上述预警方法还包括：读取预定时间范围内的累计数值作为数据统计结果，全部数据用于对比分析换流阀各晶闸管级的性能差异；
依据数据统计结果，从中筛选出偏差累计数量超出设定阈值的晶闸管级，并确定该晶闸管级所在换流阀中的具体位置，根据数据统计结果对此晶闸管级出现问题的可能性进行研判。
上述预警方法还包括：根据预定时长将各晶闸管级对应正偏差和负偏差累计数值、对应发生偏差的时间信息保存至具备长期保存数据功能的存储设备进行存储。
上述晶闸管控制单元反馈的状态指示信号表示换流阀控制单元采集到的换流阀各晶闸管级对应晶闸管控制单元反馈的状态指示信号，该状态指示信号是表示晶闸管级已建立正向电压并具备触发条件的状态指示信号；
晶闸管控制单元预设电压门槛值，该门槛值的设置满足晶闸管控制单元能够触发晶闸管可靠导通的最低能量要求；
当晶闸管控制单元检测到晶闸管两端电压超过电压门槛值时，产生状态指示信号并发送至换流阀控制单元。
一种换流阀故障预警系统，包括：
配置于换流阀控制单元中，用于存放换流阀各晶闸管级偏差数据的寄存器数组；以及，
配置于换流阀控制单元中，用于对晶闸管控制单元反馈的状态指示信号采用偏差统计方法进行处理的高速处理器。
上述预警系统还包括：
配置于换流阀控制单元中，用于提供在线监视偏差数据或读取数据的接口。
采用上述方案后，本发明通过换流阀控制单元对换流阀各个晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的统计筛选，可以实现对换流阀各个晶闸管级的性能差异进行偏差分析，识别其中性能较差的晶闸管级，并进行提前预警，从而降低由于晶闸管级设备故障导致直流系统停运的风险，提高直流系统安全可靠运行能力的方法。
本发明对换流阀的日常运维和优化设计提供了有效的辅助手段。将偏差统计结果用于预判晶闸管级性能衰减的辅助判据，从中筛选出均压特性较差的晶闸管级，可以对晶闸管级故障发生的风险进行有效的提前预判，从而降低直流系统由于晶闸管级故障停运的可能性，同时，换流阀研究设计单位通过对均压一致性偏差较大的晶闸管级设备进行研究，可以分析原因并对存在的问题进行优化完善。
附图说明
图1是本发明中换流阀控制系统结构示意图；
图2是本发明中换流阀控制单元采集晶闸管控制单元反馈的状态指示信号示意图；
图3是本发明中晶闸管级回路结构及状态指示信号产生原理图；
图4是本发明中偏差数据筛选原理图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明提供一种换流阀故障预警系统，其基于换流阀控制单元而实现，换流阀控制单元是整个换流阀控制系统的核心关键设备。换流阀控制系统结构示意图如图1所示。换流阀控制系统实现对换流阀在各种运行工况下的控制功能。换流阀控制系统主要由直流控制保护系统、换流阀控制单元以及晶闸管控制单元组成，其中，换流阀控制单元是直流控制保护系统与换流阀之间的桥梁，其主要功能就是接收直流控制保护系统发送的控制信号，并根据这些控制信号通过逻辑算法产生触发脉冲发送给换流阀。同时，换流阀控制单元接收换流阀返回的各晶闸管级状态指示信号，经过处理后反馈给直流控制保护系统，用于监视换流阀的运行状态，同时晶闸管级运行状态以及换流阀控制单元运行状态通过以太网上送至监控系统。
本发明所提供的一种换流阀故障预警系统，需要在换流阀控制单元中为换流阀各晶闸管级配置用于存放偏差数据的寄存器数组，并配置用于存放带有时标信息的偏差数据存储区域；换流阀控制单元所配置的高速处理器为关键核心器件，主要用于采集处理高速信号并实现预设逻辑功能，所述高速处理器需能够满足采集处理至少微秒级脉冲信号的能力；在换流阀控制单元中设计偏差统计方法，用于从换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号中筛选出偏差较大的，并进行分类存储；换流阀控制单元中设计提供读取偏差数据的接口，用于在线监视偏差数据或读取数据后进行离线分析；依据数据统计结果，从中找出偏差累计数量偏大的晶闸管级，并确定该晶闸管级所在换流阀中的具体位置，据此可以对此类晶闸管级出现问题的可能性进行研判，可作为设备更换和优化设计的参考依据。
本发明还提供一种换流阀故障预警方法，具体实现过程如下：
(1)在换流阀控制单元中为换流阀各晶闸管级配置用于存放偏差数据的寄存器数组，所述寄存器数组为与晶闸管级一一对应的寄存器组成的数据存储区域；
(2)换流阀控制单元配置高速处理器，能够满足采集处理至少微秒级脉冲信号的能力，用以同时采集数量级不低于百位的晶闸管控制单元反馈的状态指示信号并进行高速实时处理；
(3)换流阀控制单元采集换流阀每个晶闸管级对应晶闸管控制单元反馈的状态指示信号。换流阀控制单元采集晶闸管控制单元反馈的状态指示信号示意图如图2所示，其中IP:a、IP:b、IP:c、IP:n分别表示不同晶闸管控制单元反馈的状态指示信号。所述晶闸管控制单元反馈的状态指示信号，表示换流阀控制单元采集到的换流阀各晶闸管级对应晶闸管控制单元反馈的状态指示信号，该状态指示信号是表示晶闸管级已建立正向电压具备触发条件的状态指示信号(Indication Pulse,IP)。晶闸管控制单元预设电压门槛值，该门槛值的设置需满足晶闸管控制单元能够触发晶闸管可靠导通的最低能量要求；当晶闸管控制单元检测到晶闸管两端电压超过电压门槛值时，产生状态指示信号并发送至换流阀控制单元；换流阀控制单元记录接收到状态指示信号的时间用于偏差分析。正常情况下，同一单阀上各晶闸管级反馈状态指示信号的时间偏差很小，但由于受到阻容回路设备参数存在细微差异的影响，各晶闸管级之间的均压一致性也存在细微差别，从而造成各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间存在偏差变大的可能。晶闸管级回路结构及状态指示信号产生原理图如图3所示，其中Uvalve表示晶闸管电压，IP表示状态指示信号；
(4)换流阀控制单元对所采集的各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号进行偏差筛选，并将偏差筛选结果存放于上述寄存器数组中进行累计，同时将偏差数据附加时标保存至设定存储区域；
上述方法(4)所述偏差筛选是指采用偏差统计方法，可以采用方法一，该方法表示从换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号按照时间先后顺序进行排序，分别找出最先到达的时间与最后到达的时间，并计算最先到达和最后到达的时间差，再将此时间差与预定时长进行比较；
当所述时间差小于预定时长时，可以判断上述换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号满足一致性要求；
反之，认为不满足一致性要求，并从中筛选出相对于预定时长具有正偏差和负偏差两种特性的状态指示信号，在所对应的晶闸管级存储器中进行累计。
如上方法一所述，假设一个换流阀所包含晶闸管数量为N(N≥1)，以A1、A2……AN分别表示N级晶闸管，换流阀控制单元检测各级晶闸管所对应晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间，其中最先检测到的晶闸管AX(1≤X≤N)所对应晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间为T1,最后检测到的晶闸管AY(1≤Y≤N)所对应晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间为TM(M≤N)。
时间差：ΔT＝TM-T1；
当ΔT≤TSET1，则认为本次采样检测满足一致性要求，不需要进行记录；
当ΔT＞TSET1，则认为本次采样检测不满足一致性要求，分别统计以T1为基准时刻之后TSET2时间内晶闸管及其数量S1，以及以TM为基准时刻之前TSET2时间内具有负偏差特性的晶闸管及其数量S2；
当S1≤SSET1，则认为此范围内的晶闸管具有正偏差特性，将在对应存储器中进行累计，反之，则不需要累计；
当S2≤SSET1，则认为此范围内的晶闸管具有负偏差特性，将在对应存储器中进行累计，反之，则不需要累计。
其中，TSET1：一致性统计预定时长；
TSET2：不一致偏差预定时长；
SSET1：不一致晶闸管级数定值。
上述方法(4)所述偏差筛选是指采用偏差统计方法，可以采用方法二，该方法表示换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息满足正态分布规律，分别设定期望和标准差参数，用于确定正态分布区间，将各时间信息与正态分布区间进行比较；
当所述换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息均包含于正态分布区间范围内时，可以判断上述换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号满足一致性要求；
反之，认为不满足一致性要求，并从中筛选出相对于正态分布区间具有正偏差和负偏差两种特性的状态指示信号，在所对应的晶闸管级存储器中进行累计。
如上方法二所述，假设一个换流阀所包含晶闸管数量为N(N≥1)，以A1、A2……AN分别表示N级晶闸管，依据晶闸管级电压设计要求以及对应晶闸管控制单元反馈的状态指示信号电压门槛值确定换流阀控制单元每个周期采样时间期望值为Tμ和标准差为K。晶闸管AX(1≤X≤N)所对应晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间为TX(1≤X≤N)。
当|TX-Tμ|≤K，则认为本次采样检测满足一致性要求，不需要进行记录；
当|TX-Tμ|＞K，则认为本次采样检测不满足一致性要求；
当TX＜Tμ-K，则认为该晶闸管具有正偏差特性，并在对应存储器中进行累计；
当TX＞Tμ+K，则认为该晶闸管具有负偏差特性，并在对应存储器中进行累计。
上述方法(4)所述偏差筛选是指采用偏差统计方法，可以采用方法三，该方法表示通过计算出换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息平均值，并预设时间范围参数，用于确定以平均值为中心、以时间范围参数为正负边界条件的平均分布区间范围，将各时间信息与该区间范围进行比较；
当所述换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息均包含于所述平均分布区间范围内时，可以判断上述换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号满足一致性要求；
反之，认为不满足一致性要求，并从中筛选出相对于平均分布区间具有正偏差和负偏差两种特性的状态指示信号，在所对应的晶闸管级存储器中进行累计。
如上方法三所述，假设一个换流阀所包含晶闸管数量为N(N≥1)，以A1、A2……AN分别表示N级晶闸管。通过连续M次采样N级晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息TX(1≤X≤N)并进行记录，分别计算每次采样N级晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息的平均时间TY(1≤Y≤M)：
从而计算出M次平均时间的时间信息平均值TSET：
依据晶闸管级电压设计要求以及对应晶闸管控制单元反馈的状态指示信号电压门槛值确定时间范围参数K。
晶闸管AZ(1≤Z≤N)所对应晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间为TZ(1≤Z≤N)。
当|TZ-TSET|≤K，则认为本次采样检测满足一致性要求，不需要进行记录；
当|TZ-TSET|＞K，则认为本次采样检测不满足一致性要求；
当TZ＜TSET-K，则认为该晶闸管具有正偏差特性，并在对应存储器中进行累计；
当TZ＞TSET+K，则认为该晶闸管具有负偏差特性，并在对应存储器中进行累计。
上述偏差统计方法之方法一所述预定时长、偏差统计方法之方法二所述正态分布区间、偏差统计方法之方法三所述平均分布区间均需根据晶闸管级均压参数的要求进行设置，需充分考虑均压一致性要求不满足条件的基础上晶闸管级所能承受的过压极值。
偏差数据筛选原理图如图4所示，其中T表示预定时间，IP:a、IP:b、IP:c、IP:n分别表示不同晶闸管控制单元反馈的状态指示信号。
上述方法(4)所述数据附加时标表示对偏差较大的数据所发生的时间点进行记录，用以统计晶闸管级随时间变化发生性能偏差的分布规律。
依据数据统计结果，从中筛选出偏差累计数量超出设定阈值的晶闸管级，并确定该晶闸管级所在换流阀中的具体位置，根据数据统计结果对此晶闸管级出现问题的可能性进行研判。
(5)换流阀控制单元中设计提供读取偏差数据的接口用于在线监视偏差数据或读取数据后进行离线分析，所述数据接口，其物理连接方式采用标准数据总线接口，并采用基于满足标准通讯协议格式的任一通讯标准或组合方式进行数据传输，具体来说，物理连接方式可采用以太网标准数据总线接口，数据传输的方式为FTP、IED61850、IED60870-5-103或PROFIBUS。
上述方法(5)所述数据接口可供在线实时读取查看或将数据拷贝至所需查看的设备上进行离线查看。
(6)读取存储器中预定时间范围内的累计数值作为数据统计结果，全部数据可用于对比分析一个完整单阀上各个晶闸管级的性能差异。
(7)可根据预定时长将各晶闸管级对应正偏差和负偏差累计数值、对应发生偏差的时间信息等重要数据保存至具备长期保存数据的存储设备进行存储。
上述方法(7)所述预定时长存储的数据中包含某个单阀全部晶闸管级对应偏差数据信息，该偏差数据信息包括相对于规定时长具有正偏差和负偏差两种特性的数据组、对应发生偏差的时间信息。所述晶闸管级偏差数据为预定时间范围内某级晶闸管状态反馈信号出现时间偏差的累计数量，全部数据可用于对比分析一个完整单阀上各个晶闸管级的性能差异。所述时间偏差，可表征换流阀均压一致性偏差。
综合上述，本发明一种换流阀故障预警方法及系统，通过对换流阀某个单阀所有晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间进行统计比较，并从中筛选出与预定区间范围偏差较大的，分别按照正、负偏差方式进行分类统计；依据数据统计结果，从中选出偏差累计数量超出阈值的晶闸管级，并确定该晶闸管级所在换流阀中的具体位置，据此可以对此类晶闸管级出现问题的可能性进行研判，可作为设备更换和优化设计的参考依据。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种换流阀故障预警方法，其特征在于：在预定的时间范围内，记录换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息，采用偏差统计方法对各时间信息进行统计和比较，对偏差超过预设值所对应的晶闸管级进行标记，根据标记结果判断该晶闸管发生故障的可能性。
2.如权利要求1所述的一种换流阀故障预警方法，其特征在于：所述偏差统计方法的内容是：从换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息中分别找出最先到达的时间与最后到达的时间，并计算最先到达和最后到达的时间差，再将此时间差与预定时长进行比较；
当所述时间差小于预定时长时，判断换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号满足一致性要求；
反之，认为不满足一致性要求，并从中筛选出相对于预定时长具有正偏差和负偏差两种特性的状态指示信号，在所对应的晶闸管级存储器中进行累计。
3.如权利要求1所述的一种换流阀故障预警方法，其特征在于：所述偏差统计方法的内容是：换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息满足正态分布规律，分别设定期望和标准差参数，用于确定正态分布区间，将各时间信息与正态分布区间进行比较；
当所述换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息均包含于正态分布区间范围内时，判断换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号满足一致性要求；
反之，认为不满足一致性要求，并从中筛选出相对于正态分布区间具有正偏差和负偏差两种特性的状态指示信号，在所对应的晶闸管级存储器中进行累计。
4.如权利要求1所述的一种换流阀故障预警方法，其特征在于：所述偏差统计方法的内容是：计算换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息平均值，并预设时间范围参数，用于确定以平均值为中心、以时间范围参数为正负边界条件的平均分布区间范围，将各时间信息与该区间范围进行比较；
当所述换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号的时间信息均包含于所述平均分布区间范围内时，判断换流阀各晶闸管控制单元反馈的状态指示信号满足一致性要求；
反之，认为不满足一致性要求，并从中筛选出相对于平均分布区间具有正偏差和负偏差两种特性的状态指示信号，在所对应的晶闸管级存储器中进行累计。
5.如权利要求2至4中任意一项所述的一种换流阀故障预警方法，其特征在于所述预警方法还包括：对具有正偏差或负偏差两种特性的状态指示信号所发生的时间点进行记录，用以统计晶闸管级随时间变化发生性能偏差的分布规律。
6.如权利要求2至4中任意一项所述的一种换流阀故障预警方法，其特征在于所述预警方法还包括：读取预定时间范围内的累计数值作为数据统计结果，全部数据用于对比分析换流阀各晶闸管级的性能差异；
依据数据统计结果，从中筛选出偏差累计数量超出设定阈值的晶闸管级，并确定该晶闸管级所在换流阀中的具体位置，根据数据统计结果对此晶闸管级出现问题的可能性进行研判。
7.如权利要求2至4中任意一项所述的一种换流阀故障预警方法，其特征在于：所述预警方法还包括：根据预定时长将各晶闸管级对应正偏差和负偏差累计数值、对应发生偏差的时间信息保存至具备长期保存数据功能的存储设备进行存储。
8.如权利要求1所述的一种换流阀故障预警方法，其特征在于：所述晶闸管控制单元反馈的状态指示信号表示换流阀控制单元采集到的换流阀各晶闸管级对应晶闸管控制单元反馈的状态指示信号，该状态指示信号是表示晶闸管级已建立正向电压并具备触发条件的状态指示信号；
晶闸管控制单元预设电压门槛值，该门槛值的设置满足晶闸管控制单元能够触发晶闸管可靠导通的最低能量要求；
当晶闸管控制单元检测到晶闸管两端电压超过电压门槛值时，产生状态指示信号并发送至换流阀控制单元。
9.一种换流阀故障预警系统，其特征在于包括：
配置于换流阀控制单元中，用于存放换流阀各晶闸管级偏差数据的寄存器数组；以及，
配置于换流阀控制单元中，用于对晶闸管控制单元反馈的状态指示信号采用偏差统计方法进行处理的高速处理器。
10.如权利要求9所述的一种换流阀故障预警系统，其特征在于：还包括：
配置于换流阀控制单元中，用于提供在线监视偏差数据或读取数据的接口。
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