調控一體化模式變電站遙信信號的采集與處理

尹繼曌

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司泗陽縣供電分公司，江蘇宿遷 223700）

0 引言

電力系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)和社會生活的基礎設施之一，其安全、穩(wěn)定和高效運行對社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活的保障具有重要意義。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和升級，調控一體化模式已成為其運行管理的主流模式之一。調控一體化模式是以全面實施自動化調度和全程數(shù)字化運行為目標的調度模式，其核心理念是將調度和自動化兩個部分整合起來，形成一個統(tǒng)一的自動化調度系統(tǒng)。該模式通過將監(jiān)控、調度、計算、控制、保護等功能進行集成，實現(xiàn)了對電力系統(tǒng)全過程的自動化管理和高效穩(wěn)定運行，具有廣泛的應用前景。

在調控一體化模式下，變電站、輸電線路等各個電力設施通過遙控、遙信等技術手段實現(xiàn)信息交互，從而形成一個整體化、高效率的電力系統(tǒng)運行管理平臺。調控一體化模式可以大幅提升電力系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性，同時也能降低能源浪費和減少環(huán)境污染，具有重要的實際意義[1]。

1 調控一體化模式下的變電站遙信信號采集

1.1 采樣率與采樣周期

假設需要采集一個變電站遙信信號，首先需要確定信號的最大頻率，以便根據(jù)Nyquist 采樣定理計算采樣率。

（1）根據(jù)Nyquist 采樣定理，為了正確重構信號，采樣率fs需要滿足不小于2fmax的要求。假設已知遙信信號的最大頻率fmax為500 Hz，可以根據(jù)Nyquist 采樣定理計算采樣率：即fs≥2fmax=2×500=1000 Hz。為確保信號正確采集，可以將采樣率設置為fs=1000 Hz。

（2）然后計算采樣周期T。采樣周期是連續(xù)信號轉換為離散信號時，相鄰采樣點之間的時間間隔。根據(jù)采樣周期計算公式（T=1/fs）可知，當采樣率為1000 Hz時，采樣周期為1 ms（0.001 s）。

為了保證變電站遙信信號的正確采集，需要將采樣率fs設置為1000 Hz，相應的采樣周期為1 ms。在實際工程中，可以根據(jù)信號特性和設備要求，調整采樣率和采樣周期，以滿足系統(tǒng)性能和資源的需求。

1.2 數(shù)字濾波與信號處理

在變電站遙信信號采集過程中，數(shù)字濾波是一個關鍵步驟，它可以幫助去除噪聲、提高信號質量。

1.2.1 濾波器的選擇與設計

根據(jù)信號特性和處理目標，可以選擇合適的濾波器類型，如IIR（無限脈沖響應）濾波器或FIR（有限脈沖響應）濾波器。本文選擇的是一個低通IIR 濾波器，設計方法為巴特沃茲濾波器（Butterworth filter）。

假設遙信信號中的有用信息主要集中在0～200 Hz，可以設置截止頻率為fc=200 Hz。設計IIR 巴特沃茲濾波器，需要選擇濾波器的階數(shù)n 和計算濾波器系數(shù)。階數(shù)n 決定了濾波器的性能，當n 增加時，濾波器的陡度變大，但相應的計算復雜度也增加。

1.2.2 濾波器系數(shù)計算

假設選擇了一個二階巴特沃茲低通濾波器，可以使用以下公式計算濾波器系數(shù)：

1.2.3 濾波過程

有了濾波器系數(shù)之后，可以使用差分方程進行濾波：

其中，x［n］表示輸入信號，y［n］表示輸出信號。

對于輸入信號的每一個采樣點，都可以使用這個差分方程計算濾波后的輸出信號。

1.2.4 計算示例

假設有以下輸入信號序列x［n］（已進行采樣）：

可以按照以下步驟，計算濾波后的輸出信號y［n］：

（1）初始化y［0］和y［1］的值。在本例中，可以設y［0］=x［0］和y［1］=x［1］。

（2）對于n=2 到n=9（信號長度-1），應用差分方程計算y［n］。結果為：

經(jīng)過濾波處理后，信號的噪聲將減小，有用信息得以保留。

在實際應用中數(shù)字濾波器的設計和選擇需要根據(jù)信號特性、處理目標及硬件條件等因素綜合考慮，不同類型濾波器在信號處理中可能有不同的表現(xiàn)和性能。

1.3 信號的采集和傳輸

在調控一體化模式下，變電站的遙信信號采集和傳輸是電力系統(tǒng)運行管理的重要環(huán)節(jié)。在實際應用中，一般采用數(shù)字化采集裝置（Digital Acquisition Unit，DAU）進行遙信信號采集，并通過通信網(wǎng)絡將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{度中心或其他相關部門。信號的采集通常涉及開關量和模擬量兩種類型。開關量信號通常是二進制信號，如開關狀態(tài)、告警狀態(tài)等可以使用數(shù)字輸入模塊進行采集，而模擬量信號則需要采用模擬輸入模塊進行采集（如電壓、電流、功率等）。

1.4 狀態(tài)的同步和保護

在調控一體化模式下，狀態(tài)的同步和保護是電力系統(tǒng)運行管理的關鍵環(huán)節(jié)。在實際應用中，遙信信號采集和處理過程中可能存在數(shù)據(jù)丟失、傳輸錯誤、信號誤差等問題，導致系統(tǒng)狀態(tài)不同步或者錯誤。因此，需要對系統(tǒng)狀態(tài)進行同步和保護，以確保電力系統(tǒng)運行的安全性和可靠性[3]。

2 調控一體化模式下的變電站遙信信號處理

2.1 遙信信號的分類

在電力系統(tǒng)中，遙信信號是指變電站中的開關量和模擬量信號，用于傳輸設備狀態(tài)、操作指令、保護告警等信息，是電力系統(tǒng)運行管理中的重要組成部分。按照信號的類型和功能，遙信信號可以分為以下4 類。

（1）開關量信號。開關量信號是指只有兩種狀態(tài)的信號，如開關狀態(tài)、告警狀態(tài)等。開關量信號通常是二進制信號，采用0 和1 表示兩種狀態(tài)，也可以采用其他方式進行編碼。在遙信信號采集和處理過程中，需要對開關量信號進行去抖動、濾波等處理，以保證信號采集的穩(wěn)定性和可靠性。

（2）模擬量信號。模擬量信號是指具有連續(xù)變化特性的信號，如電壓、電流、功率等。模擬量信號需要進行數(shù)字轉換和歸一化處理，以得到實際的物理量。在遙信信號采集和處理過程中，需要對模擬量信號進行采樣和濾波處理，以保證信號采集的精度和實時性。

（3）控制信號?？刂菩盘柺侵赣糜诳刂圃O備操作的信號，如開關控制信號、保護動作信號等?？刂菩盘柾ǔ２捎瞄_關量信號表示，用于觸發(fā)設備的啟動、停止、保護等操作。

（4）告警信號。告警信號是指用于表示設備狀態(tài)異?；蚬收系男盘?，如告警狀態(tài)、設備故障等。告警信號通常采用開關量信號表示，用于實時監(jiān)測設備的狀態(tài)并及時發(fā)現(xiàn)異常。

2.2 信號分類效果評估

信號分類效果評估是指對信號分類模型的性能進行定量分析。通常采用多種評價指標來度量模型的準確性、魯棒性和泛化能力。以下是一些常用的評價指標及其解釋：

（1）準確率（Accuracy）。準確率是正確分類的樣本數(shù)占總樣本數(shù)的比例，通常用于評估分類模型的整體性能。計算公式為：

其中，TP（True Positive）表示真正類樣本被正確分類的數(shù)量；TN（True Negative）表示真負類樣本被正確分類的數(shù)量；FP（False Positive）表示負類樣本被錯誤分類為正類的數(shù)量；FN（False Negative）表示正類樣本被錯誤分類為負類的數(shù)量。

（2）召回率（Recall）。表示正類樣本中被正確分類的比例。計算公式為：

召回率衡量了分類模型對正類樣本的識別能力，關注模型對正類樣本的覆蓋程度。

（3）精確率（Precision）。表示預測為正類的樣本中，實際為正類的比例。精確率=TP/（TP+FP），它衡量了分類模型對正類樣本的判斷準確性，關注模型對正類樣本的預測準確程度。

（4）F1 分數(shù)（F1-score）。綜合考慮精確率和召回率的調和平均值。計算公式為：F1 分數(shù)=2×（精確率×召回率）/（精確率+召回率）。F1 分數(shù)用于平衡精確率與召回率的權衡，適用于類別分布不均衡的情況。

（5）AUC-ROC 曲線（Area Under the Curve-Receiver Operating Characteristic）：ROC 曲線下的面積，用于評估分類模型在不同閾值下的性能。AUC 值越接近1，表示模型性能越好；越接近0.5，表示模型性能越差。

在評估信號分類效果時，可以使用以上指標對模型進行綜合評價。針對不同應用場景和需求，可以根據(jù)實際情況選擇合適的評價指標來衡量模型性能。同時，可以通過對比不同模型在同一評價指標上的表現(xiàn)來選擇最佳的分類模型。

2.3 信號預處理

2.3.1 信號去噪在信號預處理階段，需要對信號進行去噪以提高信號質量。一種常用的去噪方法是小波變換。小波變換能夠將信號分解成不同尺度和頻率的子信號，從而在不同的尺度上進行去噪處理。

假設已經(jīng)得到了一組信號數(shù)據(jù)x=［1，2，3，4，5，4，3，2，1，0］。首先，使用小波變換將信號x 分解成小波系數(shù)。然后，設定一個閾值，將低于閾值的小波系數(shù)置為0，這樣可以去除信號中的噪聲成分。最后，利用逆小波變換將處理過的小波系數(shù)重構回信號。

在這個過程中，信號的噪聲得到了有效去除，而有用信息則得以保留。需要注意的是，選擇合適的閾值對去噪效果至關重要，閾值過高可能會導致信號失真，而過低則不能有效去除噪聲。

2.3.2 信號歸一化

信號歸一化是將信號的幅度范圍調整到一個預定義的區(qū)間，通常是［0，1］。歸一化處理可以消除數(shù)據(jù)量綱對結果的影響，提高信號處理和分析的準確性。歸一化公式為：Xnormalized=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）。

以一組信號數(shù)據(jù)為例，x=［1，2，3，4，5，4，3，2，1，0］，可以按照以下步驟進行歸一化：

找到信號數(shù)據(jù)的最大值和最小值：Xmax=5，Xmin=0。

使用歸一化公式計算歸一化后的信號：

結果為Xnormalized=［0.2，0.4，0.6，0.8，1，0.8，0.6，0.4，0.2，0］。

經(jīng)過預處理步驟，信號質量得到了提高，為后續(xù)的信號處理和分析工作提供了良好的基礎。在實際應用中，可以根據(jù)信號特性和處理目標選擇合適的去噪方法和歸一化策略。

2.4 異常信號狀態(tài)的處理

在電力系統(tǒng)運行過程中，可能會出現(xiàn)各種異常狀態(tài)，例如設備故障、負載變化、電壓不穩(wěn)定等。在發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)后，需要及時進行處理和反應，以避免出現(xiàn)電力系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定和安全隱患。異常狀態(tài)的處理需要遵循以下4 個步驟：

（1）數(shù)據(jù)采集和處理。異常狀態(tài)的處理需要依賴遙信信號的采集和處理，可以通過數(shù)字化采集裝置（Digital Acquisition Unit，DAU）進行采集，并通過通信網(wǎng)絡傳輸?shù)秸{度中心或其他相關部門。在接收到采集的數(shù)據(jù)后，需要對遙信信號進行解碼和處理，以便進行實時監(jiān)測和狀態(tài)診斷。

（2）異常狀態(tài)分析。通過對異常狀態(tài)進行分析，可以了解異常狀態(tài)發(fā)生的原因，并采取相應的措施進行處理。例如，在發(fā)現(xiàn)電壓不穩(wěn)定的異常狀態(tài)時，可以通過檢查負載變化、檢修設備等方式來解決問題。

（3）處理方案制定。根據(jù)異常狀態(tài)的原因和分析結果，制定相應的處理方案，包括對設備進行檢修、調整運行模式、優(yōu)化控制等方式，同時需要制定應急預案，以備不時之需。

（4）處理方案執(zhí)行。根據(jù)處理方案進行執(zhí)行，并對處理過程進行監(jiān)控和跟蹤，確保處理效果達到預期目標。在執(zhí)行過程中，需要注意安全和穩(wěn)定性，并及時調整方案和措施。

3 結束語

綜上所述，調控一體化模式在電力系統(tǒng)運行管理中具有重要的作用和優(yōu)勢，可以幫助電力系統(tǒng)實現(xiàn)高效穩(wěn)定運行，提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。隨著信息技術的不斷發(fā)展和應用，調控一體化模式在電力系統(tǒng)運行管理中的應用前景和市場前景將更加廣闊。