尹繼曌

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司泗陽(yáng)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(huì)生活的基礎(chǔ)設(shè)施之一，其安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jí)，調(diào)控一體化模式已成為其運(yùn)行管理的主流模式之一。調(diào)控一體化模式是以全面實(shí)施自動(dòng)化調(diào)度和全程數(shù)字化運(yùn)行為目標(biāo)的調(diào)度模式，其核心理念是將調(diào)度和自動(dòng)化兩個(gè)部分整合起來(lái)，形成一個(gè)統(tǒng)一的自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)。該模式通過(guò)將監(jiān)控、調(diào)度、計(jì)算、控制、保護(hù)等功能進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力系統(tǒng)全過(guò)程的自動(dòng)化管理和高效穩(wěn)定運(yùn)行，具有廣泛的應(yīng)用前景。

在調(diào)控一體化模式下，變電站、輸電線路等各個(gè)電力設(shè)施通過(guò)遙控、遙信等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)信息交互，從而形成一個(gè)整體化、高效率的電力系統(tǒng)運(yùn)行管理平臺(tái)。調(diào)控一體化模式可以大幅提升電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，同時(shí)也能降低能源浪費(fèi)和減少環(huán)境污染，具有重要的實(shí)際意義[1]。

1 調(diào)控一體化模式下的變電站遙信信號(hào)采集

1.1 采樣率與采樣周期

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

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

（2）然后計(jì)算采樣周期T。采樣周期是連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散信號(hào)時(shí)，相鄰采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。根據(jù)采樣周期計(jì)算公式（T=1/fs）可知，當(dāng)采樣率為1000 Hz時(shí)，采樣周期為1 ms（0.001 s）。

為了保證變電站遙信信號(hào)的正確采集，需要將采樣率fs設(shè)置為1000 Hz，相應(yīng)的采樣周期為1 ms。在實(shí)際工程中，可以根據(jù)信號(hào)特性和設(shè)備要求，調(diào)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(hào)處理

在變電站遙信信號(hào)采集過(guò)程中，數(shù)字濾波是一個(gè)關(guān)鍵步驟，它可以幫助去除噪聲、提高信號(hào)質(zhì)量。

1.2.1 濾波器的選擇與設(shè)計(jì)

根據(jù)信號(hào)特性和處理目標(biāo)，可以選擇合適的濾波器類型，如IIR（無(wú)限脈沖響應(yīng)）濾波器或FIR（有限脈沖響應(yīng)）濾波器。本文選擇的是一個(gè)低通IIR 濾波器，設(shè)計(jì)方法為巴特沃茲濾波器（Butterworth filter）。

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

1.2.2 濾波器系數(shù)計(jì)算

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

1.2.3 濾波過(guò)程

有了濾波器系數(shù)之后，可以使用差分方程進(jìn)行濾波：

其中，x［n］表示輸入信號(hào)，y［n］表示輸出信號(hào)。

對(duì)于輸入信號(hào)的每一個(gè)采樣點(diǎn)，都可以使用這個(gè)差分方程計(jì)算濾波后的輸出信號(hào)。

1.2.4 計(jì)算示例

假設(shè)有以下輸入信號(hào)序列x［n］（已進(jìn)行采樣）：

可以按照以下步驟，計(jì)算濾波后的輸出信號(hào)y［n］：

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

（2）對(duì)于n=2 到n=9（信號(hào)長(zhǎng)度-1），應(yīng)用差分方程計(jì)算y［n］。結(jié)果為：

經(jīng)過(guò)濾波處理后，信號(hào)的噪聲將減小，有用信息得以保留。

在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和選擇需要根據(jù)信號(hào)特性、處理目標(biāo)及硬件條件等因素綜合考慮，不同類型濾波器在信號(hào)處理中可能有不同的表現(xiàn)和性能。

1.3 信號(hào)的采集和傳輸

在調(diào)控一體化模式下，變電站的遙信信號(hào)采集和傳輸是電力系統(tǒng)運(yùn)行管理的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用數(shù)字化采集裝置（Digital Acquisition Unit，DAU）進(jìn)行遙信信號(hào)采集，并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度中心或其他相關(guān)部門(mén)。信號(hào)的采集通常涉及開(kāi)關(guān)量和模擬量?jī)煞N類型。開(kāi)關(guān)量信號(hào)通常是二進(jìn)制信號(hào)，如開(kāi)關(guān)狀態(tài)、告警狀態(tài)等可以使用數(shù)字輸入模塊進(jìn)行采集，而模擬量信號(hào)則需要采用模擬輸入模塊進(jìn)行采集（如電壓、電流、功率等）。

1.4 狀態(tài)的同步和保護(hù)

在調(diào)控一體化模式下，狀態(tài)的同步和保護(hù)是電力系統(tǒng)運(yùn)行管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中，遙信信號(hào)采集和處理過(guò)程中可能存在數(shù)據(jù)丟失、傳輸錯(cuò)誤、信號(hào)誤差等問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)不同步或者錯(cuò)誤。因此，需要對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行同步和保護(hù)，以確保電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性[3]。

2 調(diào)控一體化模式下的變電站遙信信號(hào)處理

2.1 遙信信號(hào)的分類

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

（1）開(kāi)關(guān)量信號(hào)。開(kāi)關(guān)量信號(hào)是指只有兩種狀態(tài)的信號(hào)，如開(kāi)關(guān)狀態(tài)、告警狀態(tài)等。開(kāi)關(guān)量信號(hào)通常是二進(jìn)制信號(hào)，采用0 和1 表示兩種狀態(tài)，也可以采用其他方式進(jìn)行編碼。在遙信信號(hào)采集和處理過(guò)程中，需要對(duì)開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行去抖動(dòng)、濾波等處理，以保證信號(hào)采集的穩(wěn)定性和可靠性。

（2）模擬量信號(hào)。模擬量信號(hào)是指具有連續(xù)變化特性的信號(hào)，如電壓、電流、功率等。模擬量信號(hào)需要進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換和歸一化處理，以得到實(shí)際的物理量。在遙信信號(hào)采集和處理過(guò)程中，需要對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行采樣和濾波處理，以保證信號(hào)采集的精度和實(shí)時(shí)性。

（3）控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)是指用于控制設(shè)備操作的信號(hào)，如開(kāi)關(guān)控制信號(hào)、保護(hù)動(dòng)作信號(hào)等?？刂菩盘?hào)通常采用開(kāi)關(guān)量信號(hào)表示，用于觸發(fā)設(shè)備的啟動(dòng)、停止、保護(hù)等操作。

（4）告警信號(hào)。告警信號(hào)是指用于表示設(shè)備狀態(tài)異?；蚬收系男盘?hào)，如告警狀態(tài)、設(shè)備故障等。告警信號(hào)通常采用開(kāi)關(guān)量信號(hào)表示，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。

2.2 信號(hào)分類效果評(píng)估

信號(hào)分類效果評(píng)估是指對(duì)信號(hào)分類模型的性能進(jìn)行定量分析。通常采用多種評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)度量模型的準(zhǔn)確性、魯棒性和泛化能力。以下是一些常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其解釋：

（1）準(zhǔn)確率（Accuracy）。準(zhǔn)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(píng)估分類模型的整體性能。計(jì)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(fù)類樣本被正確分類的數(shù)量；FP（False Positive）表示負(fù)類樣本被錯(cuò)誤分類為正類的數(shù)量；FN（False Negative）表示正類樣本被錯(cuò)誤分類為負(fù)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(jì)算公式為：

召回率衡量了分類模型對(duì)正類樣本的識(shí)別能力，關(guān)注模型對(duì)正類樣本的覆蓋程度。

（3）精確率（Precision）。表示預(yù)測(cè)為正類的樣本中，實(shí)際為正類的比例。精確率=TP/（TP+FP），它衡量了分類模型對(duì)正類樣本的判斷準(zhǔn)確性，關(guān)注模型對(duì)正類樣本的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確程度。

（4）F1 分?jǐn)?shù)（F1-score）。綜合考慮精確率和召回率的調(diào)和平均值。計(jì)算公式為：F1 分?jǐn)?shù)=2×（精確率×召回率）/（精確率+召回率）。F1 分?jǐn)?shù)用于平衡精確率與召回率的權(quán)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(píng)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(píng)估信號(hào)分類效果時(shí)，可以使用以上指標(biāo)對(duì)模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景和需求，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)衡量模型性能。同時(shí)，可以通過(guò)對(duì)比不同模型在同一評(píng)價(jià)指標(biāo)上的表現(xiàn)來(lái)選擇最佳的分類模型。

2.3 信號(hào)預(yù)處理

2.3.1 信號(hào)去噪在信號(hào)預(yù)處理階段，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪以提高信號(hào)質(zhì)量。一種常用的去噪方法是小波變換。小波變換能夠?qū)⑿盘?hào)分解成不同尺度和頻率的子信號(hào)，從而在不同的尺度上進(jìn)行去噪處理。

假設(shè)已經(jīng)得到了一組信號(hào)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(hào)x 分解成小波系數(shù)。然后，設(shè)定一個(gè)閾值，將低于閾值的小波系數(shù)置為0，這樣可以去除信號(hào)中的噪聲成分。最后，利用逆小波變換將處理過(guò)的小波系數(shù)重構(gòu)回信號(hào)。

在這個(gè)過(guò)程中，信號(hào)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(duì)去噪效果至關(guān)重要，閾值過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真，而過(guò)低則不能有效去除噪聲。

2.3.2 信號(hào)歸一化

信號(hào)歸一化是將信號(hào)的幅度范圍調(diào)整到一個(gè)預(yù)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(duì)結(jié)果的影響，提高信號(hào)處理和分析的準(zhǔn)確性。歸一化公式為：Xnormalized=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）。

以一組信號(hào)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(jìn)行歸一化：

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

使用歸一化公式計(jì)算歸一化后的信號(hào)：

結(jié)果為Xnormalized=［0.2，0.4，0.6，0.8，1，0.8，0.6，0.4，0.2，0］。

經(jīng)過(guò)預(yù)處理步驟，信號(hào)質(zhì)量得到了提高，為后續(xù)的信號(hào)處理和分析工作提供了良好的基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)信號(hào)特性和處理目標(biāo)選擇合適的去噪方法和歸一化策略。

2.4 異常信號(hào)狀態(tài)的處理

在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)各種異常狀態(tài)，例如設(shè)備故障、負(fù)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(shí)進(jìn)行處理和反應(yīng)，以避免出現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)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(gè)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(hào)的采集和處理，可以通過(guò)數(shù)字化采集裝置（Digital Acquisition Unit，DAU）進(jìn)行采集，并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)秸{(diào)度中心或其他相關(guān)部門(mén)。在接收到采集的數(shù)據(jù)后，需要對(duì)遙信信號(hào)進(jìn)行解碼和處理，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和狀態(tài)診斷。

（2）異常狀態(tài)分析。通過(guò)對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行分析，可以了解異常狀態(tài)發(fā)生的原因，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。例如，在發(fā)現(xiàn)電壓不穩(wěn)定的異常狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)檢查負(fù)載變化、檢修設(shè)備等方式來(lái)解決問(wèn)題。

（3）處理方案制定。根據(jù)異常狀態(tài)的原因和分析結(jié)果，制定相應(yīng)的處理方案，包括對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修、調(diào)整運(yùn)行模式、優(yōu)化控制等方式，同時(shí)需要制定應(yīng)急預(yù)案，以備不時(shí)之需。

（4）處理方案執(zhí)行。根據(jù)處理方案進(jìn)行執(zhí)行，并對(duì)處理過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和跟蹤，確保處理效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。在執(zhí)行過(guò)程中，需要注意安全和穩(wěn)定性，并及時(shí)調(diào)整方案和措施。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，調(diào)控一體化模式在電力系統(tǒng)運(yùn)行管理中具有重要的作用和優(yōu)勢(shì)，可以幫助電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定運(yùn)行，提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，調(diào)控一體化模式在電力系統(tǒng)運(yùn)行管理中的應(yīng)用前景和市場(chǎng)前景將更加廣闊。