调控一体化模式变电站遥信信号的采集与处理

尹继曌

（国网江苏省电力有限公司泗阳县供电分公司，江苏宿迁 223700）

0 引言

电力系统是现代工业和社会生活的基础设施之一，其安全、稳定和高效运行对社会经济的发展和人们生活的保障具有重要意义。随着电力系统的不断发展和升级，调控一体化模式已成为其运行管理的主流模式之一。调控一体化模式是以全面实施自动化调度和全程数字化运行为目标的调度模式，其核心理念是将调度和自动化两个部分整合起来，形成一个统一的自动化调度系统。该模式通过将监控、调度、计算、控制、保护等功能进行集成，实现了对电力系统全过程的自动化管理和高效稳定运行，具有广泛的应用前景。

在调控一体化模式下，变电站、输电线路等各个电力设施通过遥控、遥信等技术手段实现信息交互，从而形成一个整体化、高效率的电力系统运行管理平台。调控一体化模式可以大幅提升电力系统的运行效率和稳定性，同时也能降低能源浪费和减少环境污染，具有重要的实际意义[1]。

1 调控一体化模式下的变电站遥信信号采集

1.1 采样率与采样周期

假设需要采集一个变电站遥信信号，首先需要确定信号的最大频率，以便根据Nyquist 采样定理计算采样率。

（1）根据Nyquist 采样定理，为了正确重构信号，采样率fs需要满足不小于2fmax的要求。假设已知遥信信号的最大频率fmax为500 Hz，可以根据Nyquist 采样定理计算采样率：即fs≥2fmax=2×500=1000 Hz。为确保信号正确采集，可以将采样率设置为fs=1000 Hz。

（2）然后计算采样周期T。采样周期是连续信号转换为离散信号时，相邻采样点之间的时间间隔。根据采样周期计算公式（T=1/fs）可知，当采样率为1000 Hz时，采样周期为1 ms（0.001 s）。

为了保证变电站遥信信号的正确采集，需要将采样率fs设置为1000 Hz，相应的采样周期为1 ms。在实际工程中，可以根据信号特性和设备要求，调整采样率和采样周期，以满足系统性能和资源的需求。

1.2 数字滤波与信号处理

在变电站遥信信号采集过程中，数字滤波是一个关键步骤，它可以帮助去除噪声、提高信号质量。

1.2.1 滤波器的选择与设计

根据信号特性和处理目标，可以选择合适的滤波器类型，如IIR（无限脉冲响应）滤波器或FIR（有限脉冲响应）滤波器。本文选择的是一个低通IIR 滤波器，设计方法为巴特沃兹滤波器（Butterworth filter）。

假设遥信信号中的有用信息主要集中在0～200 Hz，可以设置截止频率为fc=200 Hz。设计IIR 巴特沃兹滤波器，需要选择滤波器的阶数n 和计算滤波器系数。阶数n 决定了滤波器的性能，当n 增加时，滤波器的陡度变大，但相应的计算复杂度也增加。

1.2.2 滤波器系数计算

假设选择了一个二阶巴特沃兹低通滤波器，可以使用以下公式计算滤波器系数：

1.2.3 滤波过程

有了滤波器系数之后，可以使用差分方程进行滤波：

其中，x［n］表示输入信号，y［n］表示输出信号。

对于输入信号的每一个采样点，都可以使用这个差分方程计算滤波后的输出信号。

1.2.4 计算示例

假设有以下输入信号序列x［n］（已进行采样）：

可以按照以下步骤，计算滤波后的输出信号y［n］：

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

（2）对于n=2 到n=9（信号长度-1），应用差分方程计算y［n］。结果为：

经过滤波处理后，信号的噪声将减小，有用信息得以保留。

在实际应用中数字滤波器的设计和选择需要根据信号特性、处理目标及硬件条件等因素综合考虑，不同类型滤波器在信号处理中可能有不同的表现和性能。

1.3 信号的采集和传输

在调控一体化模式下，变电站的遥信信号采集和传输是电力系统运行管理的重要环节。在实际应用中，一般采用数字化采集装置（Digital Acquisition Unit，DAU）进行遥信信号采集，并通过通信网络将采集的数据传输到调度中心或其他相关部门。信号的采集通常涉及开关量和模拟量两种类型。开关量信号通常是二进制信号，如开关状态、告警状态等可以使用数字输入模块进行采集，而模拟量信号则需要采用模拟输入模块进行采集（如电压、电流、功率等）。

1.4 状态的同步和保护

在调控一体化模式下，状态的同步和保护是电力系统运行管理的关键环节。在实际应用中，遥信信号采集和处理过程中可能存在数据丢失、传输错误、信号误差等问题，导致系统状态不同步或者错误。因此，需要对系统状态进行同步和保护，以确保电力系统运行的安全性和可靠性[3]。

2 调控一体化模式下的变电站遥信信号处理

2.1 遥信信号的分类

在电力系统中，遥信信号是指变电站中的开关量和模拟量信号，用于传输设备状态、操作指令、保护告警等信息，是电力系统运行管理中的重要组成部分。按照信号的类型和功能，遥信信号可以分为以下4 类。

（1）开关量信号。开关量信号是指只有两种状态的信号，如开关状态、告警状态等。开关量信号通常是二进制信号，采用0 和1 表示两种状态，也可以采用其他方式进行编码。在遥信信号采集和处理过程中，需要对开关量信号进行去抖动、滤波等处理，以保证信号采集的稳定性和可靠性。

（2）模拟量信号。模拟量信号是指具有连续变化特性的信号，如电压、电流、功率等。模拟量信号需要进行数字转换和归一化处理，以得到实际的物理量。在遥信信号采集和处理过程中，需要对模拟量信号进行采样和滤波处理，以保证信号采集的精度和实时性。

（3）控制信号。控制信号是指用于控制设备操作的信号，如开关控制信号、保护动作信号等。控制信号通常采用开关量信号表示，用于触发设备的启动、停止、保护等操作。

（4）告警信号。告警信号是指用于表示设备状态异常或故障的信号，如告警状态、设备故障等。告警信号通常采用开关量信号表示，用于实时监测设备的状态并及时发现异常。

2.2 信号分类效果评估

信号分类效果评估是指对信号分类模型的性能进行定量分析。通常采用多种评价指标来度量模型的准确性、鲁棒性和泛化能力。以下是一些常用的评价指标及其解释：

（1）准确率（Accuracy）。准确率是正确分类的样本数占总样本数的比例，通常用于评估分类模型的整体性能。计算公式为：

其中，TP（True Positive）表示真正类样本被正确分类的数量；TN（True Negative）表示真负类样本被正确分类的数量；FP（False Positive）表示负类样本被错误分类为正类的数量；FN（False Negative）表示正类样本被错误分类为负类的数量。

（2）召回率（Recall）。表示正类样本中被正确分类的比例。计算公式为：

召回率衡量了分类模型对正类样本的识别能力，关注模型对正类样本的覆盖程度。

（3）精确率（Precision）。表示预测为正类的样本中，实际为正类的比例。精确率=TP/（TP+FP），它衡量了分类模型对正类样本的判断准确性，关注模型对正类样本的预测准确程度。

（4）F1 分数（F1-score）。综合考虑精确率和召回率的调和平均值。计算公式为：F1 分数=2×（精确率×召回率）/（精确率+召回率）。F1 分数用于平衡精确率与召回率的权衡，适用于类别分布不均衡的情况。

（5）AUC-ROC 曲线（Area Under the Curve-Receiver Operating Characteristic）：ROC 曲线下的面积，用于评估分类模型在不同阈值下的性能。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。

在评估信号分类效果时，可以使用以上指标对模型进行综合评价。针对不同应用场景和需求，可以根据实际情况选择合适的评价指标来衡量模型性能。同时，可以通过对比不同模型在同一评价指标上的表现来选择最佳的分类模型。

2.3 信号预处理

2.3.1 信号去噪在信号预处理阶段，需要对信号进行去噪以提高信号质量。一种常用的去噪方法是小波变换。小波变换能够将信号分解成不同尺度和频率的子信号，从而在不同的尺度上进行去噪处理。

假设已经得到了一组信号数据x=［1，2，3，4，5，4，3，2，1，0］。首先，使用小波变换将信号x 分解成小波系数。然后，设定一个阈值，将低于阈值的小波系数置为0，这样可以去除信号中的噪声成分。最后，利用逆小波变换将处理过的小波系数重构回信号。

在这个过程中，信号的噪声得到了有效去除，而有用信息则得以保留。需要注意的是，选择合适的阈值对去噪效果至关重要，阈值过高可能会导致信号失真，而过低则不能有效去除噪声。

2.3.2 信号归一化

信号归一化是将信号的幅度范围调整到一个预定义的区间，通常是［0，1］。归一化处理可以消除数据量纲对结果的影响，提高信号处理和分析的准确性。归一化公式为：Xnormalized=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）。

以一组信号数据为例，x=［1，2，3，4，5，4，3，2，1，0］，可以按照以下步骤进行归一化：

找到信号数据的最大值和最小值：Xmax=5，Xmin=0。

使用归一化公式计算归一化后的信号：

结果为Xnormalized=［0.2，0.4，0.6，0.8，1，0.8，0.6，0.4，0.2，0］。

经过预处理步骤，信号质量得到了提高，为后续的信号处理和分析工作提供了良好的基础。在实际应用中，可以根据信号特性和处理目标选择合适的去噪方法和归一化策略。

2.4 异常信号状态的处理

在电力系统运行过程中，可能会出现各种异常状态，例如设备故障、负载变化、电压不稳定等。在发现异常状态后，需要及时进行处理和反应，以避免出现电力系统运行的不稳定和安全隐患。异常状态的处理需要遵循以下4 个步骤：

（1）数据采集和处理。异常状态的处理需要依赖遥信信号的采集和处理，可以通过数字化采集装置（Digital Acquisition Unit，DAU）进行采集，并通过通信网络传输到调度中心或其他相关部门。在接收到采集的数据后，需要对遥信信号进行解码和处理，以便进行实时监测和状态诊断。

（2）异常状态分析。通过对异常状态进行分析，可以了解异常状态发生的原因，并采取相应的措施进行处理。例如，在发现电压不稳定的异常状态时，可以通过检查负载变化、检修设备等方式来解决问题。

（3）处理方案制定。根据异常状态的原因和分析结果，制定相应的处理方案，包括对设备进行检修、调整运行模式、优化控制等方式，同时需要制定应急预案，以备不时之需。

（4）处理方案执行。根据处理方案进行执行，并对处理过程进行监控和跟踪，确保处理效果达到预期目标。在执行过程中，需要注意安全和稳定性，并及时调整方案和措施。

3 结束语

综上所述，调控一体化模式在电力系统运行管理中具有重要的作用和优势，可以帮助电力系统实现高效稳定运行，提高电力系统的可靠性和安全性。随着信息技术的不断发展和应用，调控一体化模式在电力系统运行管理中的应用前景和市场前景将更加广阔。