郝 良1，谷 君1，馮 萱2
?。?. 國網北京市電力公司電力科學研究院，北京100075；2. 國網北京市電力公司檢修分公司，北京100069）
摘 要： 傳統(tǒng)的數據采集方式在電力自動化監(jiān)控中發(fā)揮了重要的作用。但是其有采集速率不高，擁有轉換誤差的特點，這些特點造成電力系統(tǒng)狀態(tài)估計出現誤差，也對電網安全經濟運行產生一定影響。本文通過研究廣域采集系統(tǒng)在解決狀態(tài)估計問題的應用，提出了利用高速采集單元量測的數值修正傳統(tǒng)數據采集數據的方法，從而達到提升狀態(tài)估計合格水平的目的。
關鍵詞： 狀態(tài)估計；同步相角測量單元；電力系統(tǒng)
0 引言
電力系統(tǒng)狀態(tài)估計是電力系統(tǒng)調度中心的能量管理系統(tǒng)的核心功能之一，其功能是根據電力系統(tǒng)的各種量測信息，估計出電力系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)[1]?，F代電網的安全經濟運行依賴于能量管理系統(tǒng)，而能量管理系統(tǒng)的眾多功能又可分成針對電網實時變化進行分析的在線應用和針對典型潮流斷面進行分析的離線應用兩大部分。如果電力系統(tǒng)狀態(tài)估計結果不準確，后續(xù)的任何分析計算將不可能得到準確的結果。因此，狀態(tài)估計的準確性是非常重要的[2]。
SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)中的應用最為廣泛，技術發(fā)展也最為成熟的數據采集系統(tǒng)，現在仍在狀態(tài)估計的數據采集中發(fā)揮重要作用，但也存在一些問題。文獻[3]中已經對WAMS (Wide Area Measurement System)，即廣域監(jiān)測系統(tǒng)中采用的同步相角測量單元技術（PMU）的精度問題進行論證計算。為采用PMU解決狀態(tài)估計問題提供了可能。
1 SCADA采集系統(tǒng)面臨的問題
SCADA系統(tǒng)，即數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是以計算機為基礎的DCS與電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)；它應用領域很廣，可以應用于電力、冶金、石油、化工、燃氣、鐵路等領域的數據采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領域。
現國網統(tǒng)推調度系統(tǒng)（D5000）中，用于計算有功不平衡情況的數據來源是SCADA系統(tǒng)中的數據。系統(tǒng)從變電站出線開關的CT中獲取的線路電流值，并以編碼形式存儲于變電站服務器中，同樣從母線PT中獲取電壓數據也以編碼的形式存儲于服務器中。根據兩個編碼的設定，即可通過相應的公式計算得到線路功率的編碼值，再根據編碼轉換的關系將功率轉化為實際值通過遠動屏傳送到主站并存儲在SCADA數據庫中。
在實際的量測中，這種計算方式往往會導致以下問題：
?。?） 計算精度不高
電流量變化較小的時候，編碼值本身可能不會發(fā)生變化，這樣導致的結果是功率實際發(fā)生了變化但顯示功率依然未變。
（2） 同步性存在問題
編碼計算每4秒鐘上傳一個數值，系統(tǒng)每隔1分鐘召測一個數據。若變電站時鐘存在對時差異，就可能造成某些變電站上傳數據的不同步，在電網負荷急劇上升或者下降的時候，就會導致某一時刻系統(tǒng)中所存的數據質量出現問題，從而影響狀態(tài)估計準確性。
檢驗狀態(tài)估計準確性的一個方法是檢查母線功率的平衡。把母線作為一個節(jié)點，以流入母線的功率定為正值，根據KCL定律，在一個時間斷面上，與母線連接的所有進出線開關的功率之和應為零。而實際上，由于量測系統(tǒng)的固有偏差等因素存在，母線不平衡不可能嚴格的等于零，根據要求，220 kV母線的有功不平衡數值允許偏差為±10 MW，無功不平衡數值的允許偏差為±20 MVar。
2 WAMS的發(fā)展及對狀態(tài)估計的意義
WAMS采用同步相角測量技術，通過逐步布局全網關鍵測點的同步相角測量單元（PMU），實現對全網同步相角及電網主要數據的實時高速率采集。
由于WAMS與SCADA采用同一套CT裝置取數，因此PMU數據和SCADA數據的來源實際上是一致的，由于PMU直接進行量測計算，節(jié)省了SCADA系統(tǒng)中進行的編碼轉換，因此減少了編碼轉換中的累積誤差。而高速采集技術使PMU數據采集頻率達到了1秒鐘50次，避免了數據刷新不一致問題，從而有效的避免了負荷波動較快時，狀態(tài)估計偏差嚴重的情況。
3 PMU數據在解決狀態(tài)估計中的應用
雖然WAMS相比SCADA擁有許多優(yōu)勢，但現在WAMS還未全面接入變電站，在應用技術上也不是非常成熟。因此，在一段時間內，SCADA仍然會作為主要的數據采集系統(tǒng)。但在接入WAMS的變電站，可以通過對比PMU與SCADA數據的差異發(fā)現導致狀態(tài)估計合格率偏低的一些問題。具體可以通過以下步驟來實現：
?。?）驗證PMU數據的可用性
首先利用PMU數據計算母線的有功不平衡情況，若計算結果較為理想，則證實PMU數據是可用的。若利用PMU數據計算得到的有功不平衡情況并不理想，則觀察變電站出線每一路SCADA數據與PMU數據的差異情況，找出PMU數據存在問題的線路。
?。?）對PMU數據與SCADA數據的差值進行統(tǒng)計計算
對變電站母線連接的每一路出線開關功率的SCADA數據與PMU數據的差值（以下簡稱SP差值）進行統(tǒng)計分析。分別利用公式1和公式2計算SP差值樣本的均值和標準差值。
（3）分析結果
SP差值的樣本均值反應了PMU與SCADA數據的整體差異情況，一般是SCADA系統(tǒng)進行編碼轉換時產生的累積誤差。因此可以利用SP差值的樣本均值分析SCADA數據的誤差大小。樣本標準差則反應了SP差值與SP差值樣本均值的離散度，其值較大時，說明數據刷新可能存在較大不一致性。
4 PMU數據替代SCADA數據的應用
某220 kV變電站母線接線情況如圖1所示。
該變電站一共有9路出線，其中輸電線路6路，變壓器3路。該變電站的量測數據與狀態(tài)估計數據經常出現較大差異，母線有功不平衡情況也并不理想。該變電站2015年2月3日SCADA與PMU數據計算的母線有功不平衡如圖2所示。
由圖可以看出，該變電站母線有功由SCADA數據計算的不平衡情況并不理想，在選取的一天之內的整點數據中，有3個數據超出了10MW的限值，而PMU數據計算的母線有功不平衡情況變化相對恒定。表明該變電站的CT量測系統(tǒng)雖存在一定偏差，但數據整體可用?，F將該變電站這一天的整點SCADA數據計算的有功不平衡、PMU計算的有功不平衡以及各個出線開關有功功率的SP數據差值及其統(tǒng)計計算結果情況列入表1中。
從表1中的數據可以看出，2214開關和2216開關量測的SP差值的均值較大，2213、2214、2215、2216開關量測的SP差值的均方差均超過了1，因此可以判定，這四條線路的SCADA量測存在數據刷新不同步的情況，但不是很嚴重。
由圖1可見，該站PMU量測數值計算的母線有功不平衡數據基本較為穩(wěn)定，主要在-4 MW至-7 MW之間小幅波動，而SCADA量測數值計算的有功不平衡數據波動較為明顯，部分數據已經超出國調要求的母線有功不平衡范圍。
現對存在問題的線路的SCADA數據進行修正，根據表1的情況，可以得到如下調整方法：
方法1：對于SP差值偏差較大的線路進行SCADA數據糾偏，將2214開關和2216開關的有功功率SCADA量測值減少3MW；
方法2：對于SP值相差較大的線路用PMU數據替代SCADA數據；
方法3：對于SP值相差較大，SP差值的均方差值超過1的線路均采用PMU數據替代SCADA數據。
分別對以上三種方法進行母線有功不平衡的計算，得到的結果如圖2和表2所示。
從圖2顯示的結果來看，利用PMU數據對SCADA數據進行修正后，該變電站的母線有功不平衡情況基本上可以在合理的范圍內波動。對于量測存在較為明顯的數據刷新不一致的線路，若采用PMU數據對SCADA數據進行替換，可以減小因為數據刷新不一致導致的母線有功不平衡波動較大的問題。從而驗證了利用PMU數據可以發(fā)現導致采用SCADA數據造成狀態(tài)估計不合格的原因。
5 結論
本文對某220 kV變電站PMU數據與SCADA數據的差值進行了分析，通過利用分析結果對SCADA數據修正，得到了較好的修正結果，同時也得到WAMS系統(tǒng)對解決狀態(tài)估計中存在問題的應用結論如下：
（1） 分析PMU數據的母線有功不平衡，可以確定CT是否存在問題；
?。?） 通過計算SP差值的均值，可以計算出PMU與SCADA數值的平均偏移量，通過此數據可以修正SCADA數據的轉換累積誤差；
?。?） 通過計算SP差值的均方差值，可以得到變電站是否存在數據刷新不同步的問題，對提升狀態(tài)估計合格率有重要幫助。
參考文獻
[1]王雪杰．基于PMU的狀態(tài)估計和量測配置研究 [D]． 吉林：東北電力大學，2010.
[2]杜志佳．基于WAMS的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計及PMU的最優(yōu)配置研究[D]．南京：南京理工大學，2010.
[3]王克英．計及PMU的狀態(tài)估計精度分析及配置研究[J] 中國電機工程學報，2001(8)：29-33．