变电站遥测数据频繁跳变分析与处理

李世群，徐 峰，董利忠，马燕全，郝宝柱

(国网冀北电力有限公司检修分公司，北京 102488)

0 引言

电网运行稳态监控是调度控制系统最基本的应用之一，负责接收、分析和处理基础平台数据采集应用送来的稳态数据，并对其他应用提供可靠的稳态数据基础和服务。而遥测值作为基础自动化数据，也是稳态监控的主要数据来源，其准确性、稳定性直接影响使用稳态数据的其他应用，如状态估计、AVC、AGC等[1]。

遥测数据跳变的表现形式一般有：偶发性跳变，短时间后恢复正常；数据跳变后，故障现象保持；遥测数据回零跳变；遥测数据满码值跳变；遥测数据长时间不刷新等[2]。

因遥测数据跳变导致电网调度控制系统数据异常，进而影响电网安全稳定运行，因此有必要对变电站遥测数据跳变进行分析，并有针对性的采取有效措施，防止类似故障的频繁发生。

1 遥测跳变故障经过

2019年，调度主站自动化反映多座500 kV变电站发生电压、电流、有功、无功等遥测值频繁跳变。遥测跳变现象偶然出现且无规律可循，故障后经短暂时间(约15 s)很快恢复，远小于后台监控系统存储变化遥测数据的最短周期(60 s)，因此无法在监控后台进行查看。同时由于故障持续时间短、无规律发生，测控装置、远动装置无法存储实时报文，专业人员难以第一时间到现场处理。

遥测值频繁跳变影响主站智能电网调度控制(D5000)系统进行状态估计和历史报表的统计分析，急需解决和处理。

2 故障分析与排查

2.1 变电站遥测值上送机制

遥测值从变电站完成采集、处理后传输到主站D5000的过程如图1所示。

图1 遥测数据传输原理

变电站电流互感器(CT)和变压互感器(PT)完成电流和电压的一/二次转换后，通过电缆将电压、电流二次值传输到测控装置，测控装置完成A/D转换和相关运算后生成有功、无功、频率等其他遥测值，通过网络IEC103规约传输至站控层交换机，监控后台和远动装置可从交换机获取相关遥测值，监控后台直接将一次值进行输出显示，远动装置进行规约转换后，输出IEC104规约报文，通过调度数据网向主站传输[3]。

调度主站前置机接收到相应IEC104遥测报文后，进行规约转换，将数据传至主站交换机，SCADA主机从交换机获取实时遥测值，并经遥测处理模块进行合理性校验、替代处理、零漂处理、越限判断、跳变监视等功能处理后更新SCADA实时库[4]。

跳变监视处理是指通过合理性校验进入实时库的遥测量，可根据数据库的定义进行跳变监视，当遥测量在指定时间段内的变化超过指定范围的变化量、变化门槛时，主动给出告警提示。

2.2 故障定位

根据变电站遥测值上送机制，除了CT，PT至测控装置之间为模拟量传输以外，其他的传输过程均为数字报文传输，因此对报文的获取和分析是最重要和有效的故障定位手段。

测控、交换机、远动装置均没有报文存储功能，只有主站前置机具备报文存储功能，而光纤通信系统的数据可靠性很高，可以排除调度数据网的问题，因此可以通过分析遥测跳变阶段前置机收到的IEC104报文，来定位故障点位置是在主站还是变电站。

通过对主站前置机储存的遥测报文图2的分析，发现出现遥测跳变的时刻，主站前置机接收到的遥测报文也出现了跳变，也就是报文与主站显示一致，因此可以排除主站的原因造成这些变电站遥测值跳变。

为进一步定位变电站内的故障点，对站控层交换机配置好镜像端口，然后利用Wireshark抓包工具在站控层交换机抓取测控装置上送远动装置的报文，通过对报文进行分析，确认主站发生遥测跳变的时刻，测控装置上送远动装置的报文是否发生跳变。

分析抓取的报文可知，部分变电站测控装置输出报文未发生跳变，即测控装置输出无问题，因此将故障点定位到远动装置。

此外，还发现其他部分变电站测控装置输出报文发生了跳变，即远动装置无问题，因此将故障点定位到测控装置。

2.3 远动装置故障分析

作为变电站自动化系统的信息控制中心，造成遥测跳变的远动装置型号为NSC301V(软件版本V6.10)，主要由电源板、CPU板、NET2-A4扩展网卡板和串口板组成[5]。

通过远动装置背板总线，实现各板卡之间的通信如图2所示。

图2 NSC301V远动装置内部通信情况

远动装置接收、处理并上送遥测数据的过程为：

(1) 由NET2-A4扩展网卡板接收测控装置通过交换机上送的IEC103遥测数据。

(2) 接收后将遥测数据写入CPU板的双口RAM中，CPU板再从双口RAM读出后写入远动装置数据库。

(3) 远动装置将遥测数据通过CPU板的以太网口以IEC104格式输出向主站发送。

在实验室搭建模拟变电站现场软硬件环境，通过2天的持续观察和报文解析，成功复现了遥测跳变现象。随后设置一个参照组，硬件配置与试验组一致，软件版本使用V6.42，同样经过2天的持续观察和报文解析，发现没有发生遥测跳变现象。

下一步对试验组远动装置软件版本进行升级（升级到V6.45），继续观察，未发生遥测跳变现象。

分析如下：NSC301V远动装置内部双口RAM需写入写出遥测数据，如果双口RAM硬件问题存在误码，CPU板读取遥测值就会出错，从而出现遥测跳变故障。因此，V6.40以后的软件版本在NET2-A4侧对发送到CPU侧的不同数据增加了校验功能，CPU侧对收到的不同类型的数据进行校验通过后再进行下一步处理。站内远动装置不具备校验功能，在双口RAM硬件问题出现误码的情况下出现了遥测跳变。

2.4 测控装置故障分析

作为变电站自动化系统的重要组成部分，造成遥测跳变的测控装置型号为NSD500V，其内部通信结构如图3所示。

图3 NSD500V测控装置功能框

其中，CPU模件通过CAN网与其他智能I/O通信，DLM为智能交流采集模件，提供4CT+5PT的交流输入和8个对象的控制，PTM为智能交流电压采集模件，提供8PT交流输入和8个对象的控制[6-7]。

由于这些变电站站控层采用IEC61850协议进行通信，因此交流模拟量进入PTM/DLM板经过A/D采样转换之后还需要进行浮点数的转换，如图4所示。

图4 测控装置遥测值转换原理

NSD500V测控装置使用的CPU芯片为POWERPC系列的MPC8247，该芯片具有浮点协处理器，当配置使能协处理器时支持硬件浮点，未使能时支持软件浮点计算。

通过现场检查发现，出现遥测值跳变的测控装置版本软件使用的是软件浮点计算，其计算精度和实时性能够满足应用需要，所以未使能协处理器浮点寄存功能。

当CPU在浮点计算过程中被高优先级中断打断时，计算中间值不会被存入浮点寄存器，导致中间计算值丢失，产生非法数错误。又由于测控装置与后台、远动之间的通信采用了UDP广播及UDP/IP点对点2种协议，这样保证了信息传输的实时性，却牺牲了传输质量，非法数将直接上送给后台和远动。

现场大流量的ARP广播报文会引起测控装置频繁产生处理网络任务的高优先级中断，导致装置在进行浮点运算时会出现较大概率被中断打断，从而产生浮点非法数的错误。同时，由于测控装置上送浮点数时需要进行变化死区和零值死区等参数判断处理，出现一次浮点非法数后就一直要使用该非法数与新遥测值进行比较，结果仍为非法数，从而造成装置上送的遥测数据始终保持为非法浮点数。

3 遥测跳变故障处理

3.1 远动装置故障处理

对于因远动装置故障造成的遥测值频繁跳变的变电站，因为判断是双口RAM硬件误码原因导致，与装置厂家确认后，采取的措施是厂家更换CPU板，同时升级远动装置软件版本到V6.45。

采取措施后对变电站遥测值持续观察，没有再发生遥测值频繁跳变的故障。

3.2 测控装置故障处理

对于因测控装置故障造成的遥测值频繁跳变的变电站，采取的措施是厂家升级全站测控装置软件版本，使能CPU的浮点协处理器，将浮点计算由软浮点修改为硬浮点，从而避免浮点计算过程被中断影响而产生非法数。

采取措施后对变电站遥测值持续观察，没有再发生遥测值频繁跳变的故障。

3.3 远动装置计划改造

统计出问题的该型号远动装置运行年限集中在8～10年，因此可以初步判断双口RAM的使用寿命也不超过10年，因此有必要对接近年限的远动装置提前准备进行改造和更换。

4 结论

变电站遥测数据跳变是综自系统的典型故障，其原因普遍集中在测控装置和远动装置故障，远动装置双口RAM误码校验和测控装置软浮点值转换受中断影响是导致遥测数据频繁跳变的2个典型原因，通过硬件更换和软件升级，实现了遥测数据频繁跳变的处理。

通过分析遥测值上送机制，并以近期多座500 kV变电站遥测值频繁跳变为对象，提供跳变分析和处理的正确思路和手段，如利用报文获取和分析手段进行故障定位等，从而提高自动化系统数据的准确性和稳定性，保证电网的安全稳定运行。