CN102946394B - 数据采集与监控系统中基于振荡波形特征的电网动态过程数据压缩传输与重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据采集与监控系统（SCADA）中基于振荡波形特征的电网动态过程数据压缩传输与重构方法，在远程数据采集终端（RTU）根据波形特征对刷新周期内数据进行不均匀抽样，抽取能反映电网动态过程中观测对象（节点电压、支路有功或无功）振荡波形特性的数据点（如波峰、波谷），实现数据压缩，并经通信网络将提取的特征点数据及其位置信息传送至控制中心，用三次Hermite插值多项式插值重构该动态过程。本发明可在现有SCADA系统基础上，通过软件升级实现对电网动态信息的监视，无需另增加硬件设备，经济性好，有利于调度人员在线监视电网动态信息，保障电网安全。<!--1-->

Description

数据采集与监控系统中基于振荡波形特征的电网动态过程数据压缩传输与重构方法

技术领域

本发明涉及电力系统调度自动化技术，特别涉及电力系统数据采集与监控系统（SCADA）中电网动态过程数据的压缩传输与重构方法。

背景技术

数据采集与监控系统（SupervisoryControlandDataAcquisition,SCADA）是伴随计算机和通信技术发展而来的一种监控系统，被广泛地应用到电力、供水、石油、化工、燃气以及过程控制等诸多领域，以在电网调度中应用最为普遍。它通过安装在电厂和变电站的远程数据采集终端（RemoteTerminalUnit,RTU）将监控对象——电网的状态信息(如电流、电压、线路潮流、开关状态等)反馈到调度控制中心，对不正常状态报警，并为调度员进行决策和实施控制提供帮助。一般而言，电网正常运行时，数据采集与监控系统能完整准确地反应电网状态信息，帮助调度运行人员及时跟踪、调整电力系统运行状态，已成为电力调度不可缺少的工具。

由于数据采集与监控系统需要实现监测分布在广阔地域上几十甚至几百个变电站和发电厂的成千上万个电流、电压、频率、潮流和开关状态信息，受网络通信和计算机处理容量的限制，只能以几秒一次的方式刷新显示电网状态。当电网处于正常运行状态且节点电压和线路潮流变化不大时，数据采集与监控系统能准确反应电网运行状态。但当电网发生短路故障或其它扰动时，电网的电流、电压和线路潮流都可能快速变化，此时每隔几秒刷新一次显示电网状态的数据采集与监控系统就无法准确反应系统动态过程。此类情形在实际电网的紧急状况处理中时有发生，某些典型的电网动态过程如低频振荡现象在数据采集与监控系统中长期得不到有效监测，严重影响调度人员及时正确决策。

数字化变电站中，远程数据采集终端可通过变电站内通信网络从电子式互感器中接收到每一瞬时的电流、电压测量数据，并计算得到线路潮流。实际上，变电站侧远程数据采集终端收集的数据完整地包含了电网动态过程信息。但由于数据采集与监控系统网络的通信带宽限制，不可能将电网动态过程数据完整地发送到调度控制中心，只能每隔几秒钟刷新显示电网状态，难以给调度运行人员提供扰动时电网振荡过程动态信息。解决此问题的一种可行选择是从数据刷新周期内动态过程数据中提取并传输少量能表征动态过程信息的数据，以降低对通信系统的要求，再在调度控制中心根据接收到的数据重构电网动态过程，达到将电力系统动态信息传达到调度控制中心的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术的不足，提供一种数据采集与监控系统中基于振荡波形特征的电网动态过程数据压缩传输与重构方法，其可在数据采集与监控系统现有硬件设施基础上提高其反映系统动态过程的能力，以提高电网动态过程在数据采集与监控系统中的可观测性，提高调度人员应对突发事件和快速正确决策的能力。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种数据采集与监控系统中基于振荡波形特征的电网动态过程数据压缩传输与重构方法，该方法是于数据采集与监控系统的一刷新周期内，在远程数据采集终端（RTU），采用不均匀抽样方式，对观测对象（即节点电压、支路有功和支路无功）动态过程数据抽取能反映电网动态过程振荡特性的数据点（波峰或波谷），实现数据压缩，并将抽取的数据点及其位置信息经通信网络传送至调度控制中心，在调度控制中心端对接收到的数据利用三次Hermite插值多项式插值重构该观测对象各时间点的动态数据，以显示电力系统动态过程。

其中：重构时采用的三次Hermite插值多项式为：

$H_3\left(x\right)=\underset{i=k}{\overset{k+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}[y_i{\mathrm{\&alpha;}}_i\left(x\right)+y_i^{\&prime;}{\mathrm{\&beta;}}_i\left(x\right)]$ ，

上式中的各插值基函数：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_k\left(x\right)=(1+2\frac{x-x_k}{x_{k+1}-x_k}){\left(\frac{x-x_{k+1}}{x_k-x_{k+1}}\right)}^2\\ {\mathrm{\&alpha;}}_{k+1}\left(x\right)=(1+2\frac{x-x_{k+1}}{x_k-x_{k+1}}){\left(\frac{x-x_k}{x_{k+1}-x_k}\right)}^2\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&beta;}}_k\left(x\right)=\left(x-x_k\right){\left(\frac{x-x_{k+1}}{x_k-x_{k+1}}\right)}^2\\ {\mathrm{\&beta;}}_{k+1}\left(x\right)=\left(x-x_{k+1}\right){\left(\frac{x-x_k}{x_{k+1}-x_k}\right)}^2\end{array}\right.$

y_i、y_i ^’分别为提取的任一节点内的与时间点相对应的数据点信息、一阶导数值，k为大于等于零的整数。

上述于一刷新周期内抽取观测对象振荡特性数据点（振荡特征点）的方法如下：

1）该刷新时段首时刻和尾时刻作为抽样数据点；

2）在整个刷新时段测量值波动小于5%额定值者无需进行抽样插值重构；

3）对该时段内累积变化量大于5%额定值者，可求得时段内所有振荡波峰、波谷数据点，其中，波峰数据点之前和之后时刻的数据均小于该时刻数值，波谷数据点之前和之后的数据均大于该时刻数据；

4）为捕捉故障发生时刻点，将连续三个时刻变化量小于后连续三个时刻变化量十分之一的点确定为故障时刻，作为抽样数据点。

上述提及的实现数据压缩，是以较少的数据（即抽取的反映该刷新周期内电网动态过程中观测对象振荡特性的波峰或波谷数据）记录数据刷新周期内电力系统动态过程(电流、电压和潮流)信息，并仅传递该些数据（该些数据在调度控制中心端通过重构来恢复），可减少传输数据量，达到降低对通信系统要求和在现有系统基础上传输电力系统动态过程信息的目的。由于仅传输抽样后数据量显著减少的数据，可有效降低电力系统通信网络传输负载。本发明所提方法可在现有数据采集与监控系统基础上辅以必要的软件改造予以实施。由于所提方法传输的数据包含电力系统动态过程信息，所以采用本方法的数据采集与监控系统能真实准确地反应电力系统动态过程。

和现有的无损压缩方法相比(Huffman编码、算术编码、行程长度编码、LZW编码压缩算法等)，本方法在压缩比上具有突出优势。和基于多项式曲线拟合的数据有损压缩方法相比，本方法对数据采集与监控系统的更新时长不敏感，在各种更新时长下均能保证重构数据的准确性，而采用高阶多项式曲线拟合存在容格现象，在数据采集与监控系统更新时间拉长时数据重构精度显著降低。与基于均匀抽样/三次样条插值的数据压缩方法相比，本方法对扰动发生时刻不敏感，而均匀抽样方法在未抽取到到特征点时，重构数据精度显著降低。

本发明与现有技术比较，最突出的优点是能够展现现有数据采集与监控系统无法表现的电力系统动态过程信息，帮助调度运行人员简单直观地观测扰动后的恢复、振荡和失稳等电网动态过程；其次，该方法可在数据采集与监控系统现有硬件系统基础上实现，不需架设专用的通信网络；再者，由于该方法只需对软件系统进行相应改造，简单易行，可单独选择特定监测对象灵活实施。

附图说明

图1为仿真用WEPRI36节点电网图。

图2为现有数据采集与监控系统上以3秒为刷新周期显示的功率波动与31节点实际动态过程的比较图。

图3为31节点实际功率动态过程与数据采集与监控系统以本发明方法在远程采集装置端提取到的18秒内的振荡特征点效果、调度控制中心端由振荡特征点重构的18秒内的电网动态过程效果图。

具体实施方式

本发明为数据采集与监控系统中基于振荡波形特征的电网动态过程数据压缩传输与重构方法，是于数据采集与监控系统的一刷新周期内，在远程数据采集终端，采用不均匀抽样方式，抽取能反映该刷新周期内电网动态过程中观测对象（节点电压、支路有功和支路无功）振荡特性的数据点（波峰及波谷数据），实现数据压缩，并将抽取的该些数据点及其位置信息经由通信网络传送至调度控制中心，在调度控制中心端对接收到的数据利用三次Hermite插值多项式插值重构该刷新周期内的观测对象各时间点的动态数据，以恢复动态过程数据，而显示电力系统动态过程。

根据扰动下电网动态曲线结构特征，抽取上述波形振荡特征点（振荡特性数据点）的方法如下：

1、该刷新时段首时刻和尾时刻作为抽样数据点（即波形振荡特征点）；

2、在整个刷新时段测量值波动小于5%额定值者无需进行抽样插值重构；

3、对该时段内累积变化量大于5%额定值者，可求得时段内所有振荡波峰、波谷数据点，其中，波峰数据点之前和之后时刻的数据均小于该时刻数值，波谷数据点之前和之后的数据均大于该时刻数据；

4、为捕捉故障发生时刻点，将连续三个时刻变化量小于后连续三个时刻变化量十分之一的点确定为故障时刻，作为抽样数据点。

对于1个刷新周期内n+1个传送至调度控制中心端的动态特征点，其对应的时间点x，x₀＜x₁＜x₂＜…＜x_n，各时间点对应的电压值及一阶导数为y_m、y_m ^’，m=0,1,2…n，可求得一个2n+1次的Hermite插值多项式H_2n+1，使得

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{2n+1}\left(x_m\right)=y_m\\ H_{2n+1}^{\&prime;}\left(x_m\right)=y_m^{\&prime;}\end{array}\right.$

当n=1时，H₃(x)称为三次Hermite插值多项式。取插值时间点x_k，x_k+1，构造插值基函数a_i(x)、β_i(x)，i,j=k,k+1（0≤k≤n-1）,每个基函数都是三次多项式，且满足以下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_i\left(x_j\right)={\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ij}},{\mathrm{\&alpha;}}_i^{\&prime;}\left(x_j\right)=0\\ {\mathrm{\&beta;}}_i\left(x_j\right)=0,{\mathrm{\&beta;}}_i^{\&prime;}\left(x_j\right)={\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ij}}\end{array}\right.$

利用a_i(x)和β_i(x)可以构造三次Hermite插值多项式：

，式中y_i、y_i ^’为时间点x_i相对应的数据点信息、一阶导数；

通过待定系数法，可以求得插值基函数

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_k\left(x\right)=(1+2\frac{x-x_k}{x_{k+1}-x_k}){\left(\frac{x-x_{k+1}}{x_k-x_{k+1}}\right)}^2\\ {\mathrm{\&alpha;}}_{k+1}\left(x\right)=(1+2\frac{x-x_{k+1}}{x_k-x_{k+1}}){\left(\frac{x-x_k}{x_{k+1}-x_k}\right)}^2\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&beta;}}_k\left(x\right)=\left(x-x_k\right){\left(\frac{x-x_{k+1}}{x_k-x_{k+1}}\right)}^2\\ {\mathrm{\&beta;}}_{k+1}\left(x\right)=\left(x-x_{k+1}\right){\left(\frac{x-x_k}{x_{k+1}-x_k}\right)}^2\end{array}\right.$

则成功构造了三次Hermite插值多项式。三次Hermite插值多项式为现有技术，在此只是粗略地进行了说明。

下面结合具体实施例进行说明。

参见图1，为仿真用WEPRI36节点电网图，本发明方法是在该WEPRI36节点系统作为测试系统的基础上来进行说明。该图利用电力系统仿真分析软件对测试电网进行了持续18秒的暂态稳定仿真，设置于2秒时刻在30和31号节点间线路中点进行持续0.1秒的三相对称短路故障，并将所有线路潮流和节点电压按10毫秒步长输出（每秒包含100个时间点），得到电网动态过程数据。

结合参见图2，图2为现有数据采集与监控系统上以3秒为刷新周期显示的功率波动与31节点实际动态过程的比较图。其中，实线为以10毫秒为步长输出的31节点功率动态过程数据（实际有功振荡），虚线为按现有数据采集与监控系统数据传输方法，每3秒刷新显示系统状态时观测到的31节点功率变化曲线。在此，以数据刷新周期最初瞬时数据刷新显示整个数据刷新周期内的电网状态，即在0至3秒时刻看到的是0秒时刻电压，3至6秒时刻看到的是3秒时刻电压，依此类推。由图可看出，现有数据采集与监控系统刷新数据显示的方式显然不能真实准确地表现系统动态过程。

下面再将图1中的电压数据用本发明方法来加以处理，以表现本方法在展示电网动态过程信息上的效果。

参见图3，为31节点实际功率动态过程与数据采集与监控系统以本发明方法在远程采集装置端提取到的18秒内的振荡特征点效果、调度控制中心端由振荡特征点重构的18秒内的电网动态过程效果图。其中实线为以10毫秒为步长输出的31节点有功功率18秒内的波动数据（实际有功振荡），小叉为数据采集与监控系统以本方法在远程采集装置端提取到的31节点功率2个刷新周期（以刷新周期为9秒为例，9秒处虚线为2个周期分隔线）内的振荡特征点（即抽样数据点）。虚线为数据采集与监控系统以本方法提出的三次Hermite插值法在调度控制中心端由振荡特征点重构的31节点功率2个刷新周期的电网动态过程效果。其中，是以10ms为步长作为自变量输入三次Hermite插值多项式，得到的多项式值即为对应的就可以实现数据调度控制中心端的数据重构。

由此可见，本方法可以以通信数据量的少量增加达到显著改善电网动态过程监测能力的目的。

而且，现有数据采集与监控系统以每个数据刷新周期1个电压值表征系统状态，当刷新时间延长为9秒时，传送的数据量为9。相对于传输全部瞬时电压数据，若由振荡特性提取特征点，9秒内的数据量一般为30至35个，压缩比为30至25之间，相对于现有的系统，增加的通信数据量并不多。因此，由于本方法的数据量相对现有数据采集与监控系统增加不大，本方法可以在现有数据采集与监控系统基础上实施。

Claims (2)

1.一种数据采集与监控系统中基于振荡波形特征的电网动态过程数据压缩传输与重构方法，其特征在于：该方法是于数据采集与监控系统的一刷新周期内，在远程数据采集终端，采用不均匀抽样方式，对观测对象动态过程数据抽取能反映电网动态过程振荡特性的数据点，实现数据压缩，并将抽取的数据点及其位置信息经通信网络传送至调度控制中心，在调度控制中心端对接收到的数据利用三次Hermite插值多项式插值重构该观测对象各时间点的动态数据；

上述于一刷新周期内抽取能反映电网动态过程中观测对象振荡特性的数据点的方法如下：

1)刷新时段首时刻和尾时刻作为抽样数据点；

2)在整个刷新时段，测量值波动小于5％额定值者，无需进行抽样插值重构；

3)对该时段内累积变化量大于5％额定值者，求得该时段内所有振荡波峰、波谷数据点；其中，波峰数据点之前和之后时刻的数据均小于该时刻数值，波谷数据点之前和之后的数据均大于该时刻数据；

4)为捕捉故障发生时刻点，将前连续三个时刻变化量小于后连续三个时刻变化量十分之一的点确定为故障时刻，作为抽样数据点。

2.如权利要求1所述的数据采集与监控系统中基于振荡波形特征的电网动态过程数据压缩传输与重构方法，其特征在于：所述观测对象是指节点电压、支路有功和支路无功。