電力系統(tǒng)SCADA數(shù)據(jù)的一致性分析

王亮，張冰，武誠，馬琳琳，張亞萍，史方芳，李常剛，張恒旭

（1.山東電力調(diào)度控制中心，濟(jì)南250002；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250061）

電力系統(tǒng)SCADA數(shù)據(jù)的一致性分析

王亮1，張冰1，武誠1，馬琳琳1，張亞萍2，史方芳2，李常剛2，張恒旭2

（1.山東電力調(diào)度控制中心，濟(jì)南250002；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250061）

SCADA數(shù)據(jù)是電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)、在線安全評(píng)估等高級(jí)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其精度直接影響電網(wǎng)自動(dòng)化實(shí)施的效果。實(shí)際應(yīng)用中，由于設(shè)備老化、數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蛩赜绊?，SCADA系統(tǒng)的誤差可能偏離出廠水平。定義了量測(cè)數(shù)據(jù)一致性指標(biāo)，針對(duì)多個(gè)變電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析SCADA數(shù)據(jù)的一致性情況，揭示電網(wǎng)SCADA數(shù)據(jù)的可信度，為工程人員系統(tǒng)掌握SCADA數(shù)據(jù)質(zhì)量提供參考。

電力系統(tǒng)；SCADA；誤差分析；一致性

0 引言

從20世紀(jì)60年代起，隨著電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)自動(dòng)化水平的不斷提高，監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）為系統(tǒng)運(yùn)行人員提供了一手的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用［1］。發(fā)展至今，SCADA系統(tǒng)的技術(shù)比較成熟，幾乎所有的變電站和發(fā)電廠都裝設(shè)了遠(yuǎn)動(dòng)終端（Remote Terminal Unit，RTU）［2］，涵蓋了電力系統(tǒng)的主要運(yùn)行設(shè)備。SCADA數(shù)據(jù)是電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的有效憑證之一，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的在線安全監(jiān)視、通信設(shè)備監(jiān)測(cè)、在線負(fù)荷預(yù)測(cè)、潮流計(jì)算、狀態(tài)估計(jì)以及電力系統(tǒng)的優(yōu)化等多個(gè)領(lǐng)域［3］，為電力線系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。但是，SCADA系統(tǒng)也有其局限性，只能提供電壓、電流幅值量測(cè)，無法提供相角量測(cè)，且同步性較差。隨著電網(wǎng)量測(cè)精度要求的提高，相量量測(cè)單元（Phasor Measurement Unit，PMU）和基于PMU的廣域測(cè)量系統(tǒng)（Wide-Area Measurement System，WAMS）得到了快速發(fā)展，提供了較SCADA更為詳盡且時(shí)鐘同步性能優(yōu)良的電網(wǎng)動(dòng)態(tài)信息［4］。但是，由于PMU裝置成本高昂，PMU裝置目前主要裝備于500 kV變電站以及重要的電廠出線處，而數(shù)量眾多的220 kV及以下等級(jí)的變電站仍只裝備有SCADA系統(tǒng)。因此，PMU數(shù)據(jù)目前尚無法完全取代SCADA數(shù)據(jù)，SCADA數(shù)據(jù)目前仍是電網(wǎng)運(yùn)行控制的基礎(chǔ)量測(cè)數(shù)據(jù)，建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)需要充分利用SCADA以提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。

SCADA數(shù)據(jù)的獲取需要通過廠站端電纜、RTU、遠(yuǎn)動(dòng)通道及前置機(jī)等諸多環(huán)節(jié)才能到達(dá)主站系統(tǒng)［5］，在傳輸過程中，任一環(huán)節(jié)受到影響都會(huì)影響SCADA數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；PT／CT的量測(cè)精度、數(shù)據(jù)不同時(shí)的問題，以及運(yùn)行中三相不平衡和功率因數(shù)變化等也會(huì)引起量測(cè)誤差［6］。利用由SCADA系統(tǒng)提供的低采樣密度、不同步的、穩(wěn)態(tài)的電網(wǎng)斷面信息進(jìn)行實(shí)時(shí)電網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)、狀態(tài)估計(jì)等時(shí)，其可信度受SCADA數(shù)據(jù)精度影響較大，導(dǎo)致調(diào)度員分析在線潮流時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)潮流收斂性較差的情況。因此，需要深入分析SCADA量測(cè)數(shù)據(jù)的精度，并評(píng)估其可信度。

在已有的研究中，極少有對(duì)實(shí)際電網(wǎng)SCADA實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差分析。而對(duì)于已在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)年甚至更長(zhǎng)時(shí)間的SCADA系統(tǒng)，在無法獲取電網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)真值的情況下，仍缺少對(duì)SCADA數(shù)據(jù)誤差的相關(guān)研究。即現(xiàn)存的研究方法很難有效評(píng)估SCADA實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可信度。

針對(duì)SCADA數(shù)據(jù)的有效性問題，避開直接分析無法獲得的量測(cè)誤差的困難，從量測(cè)數(shù)據(jù)間的物理規(guī)律出發(fā)，定義了數(shù)據(jù)一致性指標(biāo)，綜合分析了實(shí)測(cè)SCADA數(shù)據(jù)的可信度，可為運(yùn)行與管理人員系統(tǒng)掌握SCADA數(shù)據(jù)質(zhì)量提供參考。

1 量測(cè)數(shù)據(jù)一致性分析判據(jù)

無論P(yáng)MU數(shù)據(jù)還是SCADA數(shù)據(jù)都會(huì)存在精度問題，不精確的數(shù)據(jù)會(huì)影響電網(wǎng)調(diào)度的自動(dòng)化水平。為正確使用量測(cè)數(shù)據(jù)，需要合理評(píng)估量測(cè)數(shù)據(jù)的精度。

量測(cè)數(shù)據(jù)絕對(duì)誤差的定義為

式中：Xm為量測(cè)數(shù)據(jù)；Xr為量測(cè)數(shù)據(jù)的真值。

但是，真值的獲取一般僅限于實(shí)驗(yàn)室研究場(chǎng)景，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)大量安裝的SCADA系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中并沒有相應(yīng)的設(shè)備用以測(cè)量真值。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，真值是難以準(zhǔn)確獲知的，這也導(dǎo)致分析現(xiàn)場(chǎng)SCADA數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差成為不可能。

為避免真值獲取的困難，在評(píng)估SCADA數(shù)據(jù)的有效性時(shí)，分析量測(cè)數(shù)據(jù)所應(yīng)滿足的基本物理關(guān)系，以量測(cè)數(shù)據(jù)與理論關(guān)系式之間的一致性作為數(shù)據(jù)有效性分析指標(biāo)，具體定義如下。

對(duì)于圖1的一個(gè)簡(jiǎn)單輸電線路模型，其中，R為線路電阻，X為線路電抗，GⅠ、BⅠ為Ⅰ側(cè)出線的對(duì)地導(dǎo)納，GⅡ、BⅡ?yàn)棰騻?cè)出線的對(duì)地導(dǎo)納。

圖1 線路通用模型

由功率定義可知，線路一端的量測(cè)電壓相量Um、電流相量Im、有功功率Pm和無功功率Qm應(yīng)滿足復(fù)功率定義：

如果量測(cè)數(shù)據(jù)不滿足此物理關(guān)系式，則量測(cè)數(shù)據(jù)必存在誤差。對(duì)于PMU數(shù)據(jù)，這種量測(cè)數(shù)據(jù)與理論關(guān)系式（2）之間的一致性偏差（error of consistency）可以通過式（2）左右兩側(cè)的差定量表示為

對(duì)于SCADA數(shù)據(jù)，電壓和電流相量的相角信息無法量測(cè)，量測(cè)電壓幅值Um、電流幅值Im，和Pm、Qm應(yīng)滿足視在功率關(guān)系式

因此，對(duì)于SCADA數(shù)據(jù)，量測(cè)數(shù)據(jù)的誤差反映在與式（4）的一致性偏差可以定量表示為

因此，為統(tǒng)一衡量不同線路、不同運(yùn)行方式下的誤差，可將式（3）和式（5）的絕對(duì)一致性偏差以由Pm和Qm計(jì)算得到的視在功率（或由Um和Im計(jì)算得到的視在功率）為基礎(chǔ)進(jìn)行歸一化，定義相對(duì)一致性偏差為

在理想情況下，由Pm和Qm計(jì)算得到的視在功率和由Um和Im計(jì)算得到的視在功率應(yīng)是一致的，式（6）與式（7）等價(jià)。但在實(shí)際中，由于功率量測(cè)誤差和電壓、電流量測(cè)誤差不同，由式（6）和式（7）計(jì)算得到的相對(duì)一致性偏差會(huì)略有差異?？紤]到實(shí)際量測(cè)數(shù)據(jù)精度一般能夠滿足工程要求，統(tǒng)一以式（7）計(jì)算相對(duì)一致性偏差。

對(duì)于一個(gè)包含N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)段，根據(jù)（6）求取的誤差eC1，eC2，...，eCN，可以求得該段數(shù)據(jù)的平均相對(duì)一致性偏差

以及標(biāo)準(zhǔn)差

2 SCADA數(shù)據(jù)的一致性分析

為驗(yàn)證上述一致性判據(jù)的可行性，本節(jié)對(duì)某電網(wǎng)的SCADA數(shù)據(jù)的有效性做了定量分析，SCADA數(shù)據(jù)采樣間隔為1 min。

2.1 500kV出線一致性分析

選取2014年10月1日0時(shí)至12月5日24時(shí)不同變電站的4條500 kV出線分別進(jìn)行量測(cè)數(shù)據(jù)一致性分析，結(jié)果如圖2和表1所示。

圖2 4條500 kV出線的量測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)一致性偏差曲線

表1 4條500 kV出線的量測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)一致性偏差統(tǒng)計(jì)

由圖2和表1可知，不同出線的SCADA數(shù)據(jù)一致性偏差不同，數(shù)據(jù)可信度不同。500 kV出線1、3、4的量測(cè)數(shù)據(jù)一致性偏差的范圍一般都在±5%之間，數(shù)據(jù)一致性較好；但出線2的量測(cè)數(shù)據(jù)存在部分?jǐn)?shù)據(jù)一致性偏差較大的問題，數(shù)據(jù)有效性顯著差于出線1、3、4。4條出線均存在一致性偏差的絕對(duì)值大于10%的數(shù)據(jù)，從圖中也可以看出，而出線2則存在部分時(shí)段持續(xù)出現(xiàn)偏差超過10%的數(shù)據(jù)，可能是量測(cè)設(shè)備或通信通道故障造成的數(shù)據(jù)丟失問題。經(jīng)過對(duì)原始數(shù)據(jù)的分析，出線2在10月13日06∶56至10月17日17∶15期間電壓信號(hào)失去。綜合比較，出線2的數(shù)據(jù)一致性偏差均值和標(biāo)準(zhǔn)差均遠(yuǎn)高于其他出線，說明出線2的量測(cè)裝置性能不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可信度較差。

2.2 220kV出線一致性分析

選取2014年10月1日0時(shí)到12月5日24時(shí)不同變電站的4條220 kV出線分別進(jìn)行量測(cè)數(shù)據(jù)一致性分析，結(jié)果如圖3和表2所示。

圖3 4條220 kV出線的量測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)一致性偏差曲線

表2 4條220 kV出線的量測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)一致性偏差統(tǒng)計(jì)

通過圖3和表2可知，其偏差平均值的絕對(duì)值為1.25%～2.71%之間，誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.667%～1.28%。

通過與上節(jié)的結(jié)果對(duì)比，若除去500 kV出線2的數(shù)據(jù)丟失的偶然情況，4條220 kV出線的量測(cè)數(shù)據(jù)一致性偏差平均值大于500 kV出線的量測(cè)數(shù)據(jù)的一致性偏差的平均值（0.384%～0.837%）；而4條220 kV出線量測(cè)數(shù)據(jù)偏差的標(biāo)準(zhǔn)差小于500 kV出線量測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差（0.761%～7.21%），這表明實(shí)例中220 kV量測(cè)數(shù)據(jù)比500 kV量測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高。全網(wǎng)所有220 kV出線和500 kV出線的量測(cè)數(shù)據(jù)可信度比較有待進(jìn)一步深入分析。

2.3 同一條線路兩端量測(cè)數(shù)據(jù)一致性分析

對(duì)500 kV線路SCADA數(shù)據(jù)的一致性進(jìn)行分析。選取某500 kV線路（下稱線路1）從2014年11月21日0時(shí)到11月25日0時(shí)的SCADA數(shù)據(jù)，對(duì)線路兩端的量測(cè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行一致性偏差分析。線電壓、電流、有功功率、無功功率的原始量測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示，線路兩端的一致性偏差分析結(jié)果如圖5所示。

圖4 500kV線路1量測(cè)數(shù)據(jù)曲線

經(jīng)計(jì)算分析，Ⅰ側(cè)量測(cè)數(shù)據(jù)的一致性偏差波動(dòng)范圍為1.71×10-4%～3.84%，說明在這4天SCADA量測(cè)數(shù)據(jù)中不存在壞數(shù)據(jù)。其一致性偏差平均值為-1.00%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.670%，Ⅱ側(cè)數(shù)據(jù)的誤差的波動(dòng)范圍為1.71%～4.69%，誤差最大值為4.69%，一致性偏差平均值為-2.75%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.411%。從數(shù)據(jù)分析可看出，同一條線路兩端的SCADA量測(cè)數(shù)據(jù)的一致性不同。

圖5 500kV線路1兩端量測(cè)數(shù)據(jù)一致性偏差

選取某220 kV線路（下稱線路2）從2014年11月21日0時(shí)到11月25日0時(shí)的SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性偏差分析，量測(cè)數(shù)據(jù)曲線如圖6所示，一致性分析結(jié)果如圖7所示。

圖6 220kV線路2量測(cè)數(shù)據(jù)曲線

通過計(jì)算分析，Ⅰ側(cè)出線數(shù)據(jù)誤差的波動(dòng)范圍為2.45×10-5%～3.61%，誤差最大值為3.61%，說明在這4天SCADA量測(cè)數(shù)據(jù)中不存在偏差非常大的壞數(shù)據(jù)。其一致性偏差平均值為-0.115%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.746%，Ⅱ側(cè)出線數(shù)據(jù)誤差的波動(dòng)范圍為2.44%～3.81%，誤差最大值為3.81%，一致性偏差平均值為-0.221%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.730%。由數(shù)據(jù)可以分析出，線路兩端的變電站一致性不同，但相差不大。

圖7 220kV線路2線量測(cè)數(shù)據(jù)一致性分析

將220 kV的量測(cè)線路與500 kV的量測(cè)線路作對(duì)比，可以得出所選擇的500 kV的線路的一致性偏差的平均值要大于220 kV的線路平均值，而500 kV線路的一致性偏差的標(biāo)準(zhǔn)差小于220 kV的線路，這說明，500 kV的線路SCADA數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性更好。當(dāng)然，上述結(jié)論僅對(duì)于所選擇的兩條線路而言，對(duì)于全網(wǎng)的線路一致性偏差情況需進(jìn)一步分析。

3 結(jié)語

分析實(shí)測(cè)SCADA數(shù)據(jù)的一致性問題。針對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)值無法獲取的現(xiàn)狀，從量測(cè)數(shù)據(jù)所應(yīng)滿足的物理關(guān)系式出發(fā)，定義了數(shù)據(jù)一致性偏差指標(biāo)，定量評(píng)價(jià)量測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。通過分析不同電壓等級(jí)出線的數(shù)據(jù)一致性偏差，發(fā)現(xiàn)不同出線的數(shù)據(jù)一致性偏差不同，但不同電壓等級(jí)出線間不存在明顯的數(shù)據(jù)一致性差異；通過分析同一條線路兩端數(shù)據(jù)的一致性偏差，發(fā)現(xiàn)由于兩端所用量測(cè)設(shè)備的不同，同一條線路兩端的數(shù)據(jù)一致性偏差也不盡相同。分析表明，所提的數(shù)據(jù)一致性偏差指標(biāo)能夠較好地衡量SCADA數(shù)據(jù)的可信度，對(duì)改進(jìn)狀態(tài)估計(jì)、參數(shù)辨識(shí)等研究具有重要的參考價(jià)值。

［1］國(guó)家電力調(diào)度通信中心.智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)建設(shè)框架［R］.2009．

［2］張嘉偉，謝英男，楊曉豐，等.基于PMU的量測(cè)系統(tǒng)配置及其對(duì)狀態(tài)估計(jì)精度的影響［J］.中國(guó)電力，2008，41（6）：23-27.

［3］陳曉剛.電網(wǎng)廣域安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)問題研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2008.

［4］毛安家，郭志忠.與SCADA互補(bǔ)的WAMS中PMU的配置及數(shù)據(jù)處理方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（8）：71-74.

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Consistency Analysis of SCADA Data from Field Power Systems

WANG Liang1，ZHANG Bing1，WU Cheng1，MA Linlin1，ZHANG Yaping2，SHI Fangfang2，LI Changgang2，ZHANG Hengxu2
（1.Dispatch and Control Center of Shandong Electric Power Corporation，Jinan 250002，China；2.Electrical Engineering College，Shandong University，Jinan 250061，China）

SCADA is the fundamental infrastructure to provide data for power system advanced applications such as state estimation and on-line security assessment.Acuracy of the SCADA data directly affects the implementation of power system automatic control.In practice，the error of the SCADA data may deviate from its factory precision due to the influence of the equipment aging，data transmission and so on.In this paper，a consistency index is defined in order to quantitatively evaluate the validity of the SCADA data.Real SCADA data from several substations of the power gird is checked with the consistency index to reveal its reliability.Results reveal the credibility of the data grid SCADA，which help engineers to obtain an overall estimation of SCADA data.

power systems；SCADA；error analysis；consistency

TM211

A

1007－9904（2015）04－0033－05

2015-02-28

王亮（1979），男，博士研究生，從事電網(wǎng)分析計(jì)算工作。