郝  良1，谷  君1，冯  萱2

　　（1. 国网北京市电力公司电力科学研究院，北京100075；2. 国网北京市电力公司检修分公司，北京100069）

　　摘  要： 传统的数据采集方式在电力自动化监控中发挥了重要的作用。但是其有采集速率不高，拥有转换误差的特点，这些特点造成电力系统状态估计出现误差，也对电网安全经济运行产生一定影响。本文通过研究广域采集系统在解决状态估计问题的应用，提出了利用高速采集单元量测的数值修正传统数据采集数据的方法，从而达到提升状态估计合格水平的目的。

　　关键词： 状态估计；同步相角测量单元；电力系统

0 引言

　　电力系统状态估计是电力系统调度中心的能量管理系统的核心功能之一，其功能是根据电力系统的各种量测信息，估计出电力系统当前的运行状态[1]。现代电网的安全经济运行依赖于能量管理系统，而能量管理系统的众多功能又可分成针对电网实时变化进行分析的在线应用和针对典型潮流断面进行分析的离线应用两大部分。如果电力系统状态估计结果不准确，后续的任何分析计算将不可能得到准确的结果。因此，状态估计的准确性是非常重要的[2]。

　　SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统作为电力系统中的应用最为广泛，技术发展也最为成熟的数据采集系统，现在仍在状态估计的数据采集中发挥重要作用，但也存在一些问题。文献[3]中已经对WAMS (Wide Area Measurement System)，即广域监测系统中采用的同步相角测量单元技术（PMU）的精度问题进行论证计算。为采用PMU解决状态估计问题提供了可能。

　　1 SCADA采集系统面临的问题

　　SCADA系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统是以计算机为基础的DCS与电力自动化监控系统；它应用领域很广，可以应用于电力、冶金、石油、化工、燃气、铁路等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。

　　现国网统推调度系统（D5000）中，用于计算有功不平衡情况的数据来源是SCADA系统中的数据。系统从变电站出线开关的CT中获取的线路电流值，并以编码形式存储于变电站服务器中，同样从母线PT中获取电压数据也以编码的形式存储于服务器中。根据两个编码的设定，即可通过相应的公式计算得到线路功率的编码值，再根据编码转换的关系将功率转化为实际值通过远动屏传送到主站并存储在SCADA数据库中。

　　在实际的量测中，这种计算方式往往会导致以下问题：

　　（1） 计算精度不高

　　电流量变化较小的时候，编码值本身可能不会发生变化，这样导致的结果是功率实际发生了变化但显示功率依然未变。

　　（2） 同步性存在问题

　　编码计算每4秒钟上传一个数值，系统每隔1分钟召测一个数据。若变电站时钟存在对时差异，就可能造成某些变电站上传数据的不同步，在电网负荷急剧上升或者下降的时候，就会导致某一时刻系统中所存的数据质量出现问题，从而影响状态估计准确性。

　　检验状态估计准确性的一个方法是检查母线功率的平衡。把母线作为一个节点，以流入母线的功率定为正值，根据KCL定律，在一个时间断面上，与母线连接的所有进出线开关的功率之和应为零。而实际上，由于量测系统的固有偏差等因素存在，母线不平衡不可能严格的等于零，根据要求，220 kV母线的有功不平衡数值允许偏差为±10 MW，无功不平衡数值的允许偏差为±20 MVar。

2 WAMS的发展及对状态估计的意义

　　WAMS采用同步相角测量技术，通过逐步布局全网关键测点的同步相角测量单元（PMU），实现对全网同步相角及电网主要数据的实时高速率采集。

　　由于WAMS与SCADA采用同一套CT装置取数，因此PMU数据和SCADA数据的来源实际上是一致的，由于PMU直接进行量测计算，节省了SCADA系统中进行的编码转换，因此减少了编码转换中的累积误差。而高速采集技术使PMU数据采集频率达到了1秒钟50次，避免了数据刷新不一致问题，从而有效的避免了负荷波动较快时，状态估计偏差严重的情况。

3 PMU数据在解决状态估计中的应用

　　虽然WAMS相比SCADA拥有许多优势，但现在WAMS还未全面接入变电站，在应用技术上也不是非常成熟。因此，在一段时间内，SCADA仍然会作为主要的数据采集系统。但在接入WAMS的变电站，可以通过对比PMU与SCADA数据的差异发现导致状态估计合格率偏低的一些问题。具体可以通过以下步骤来实现：

　　（1）验证PMU数据的可用性

　　首先利用PMU数据计算母线的有功不平衡情况，若计算结果较为理想，则证实PMU数据是可用的。若利用PMU数据计算得到的有功不平衡情况并不理想，则观察变电站出线每一路SCADA数据与PMU数据的差异情况，找出PMU数据存在问题的线路。

　　（2）对PMU数据与SCADA数据的差值进行统计计算

　　对变电站母线连接的每一路出线开关功率的SCADA数据与PMU数据的差值（以下简称SP差值）进行统计分析。分别利用公式1和公式2计算SP差值样本的均值和标准差值。

　　（3）分析结果

　　SP差值的样本均值反应了PMU与SCADA数据的整体差异情况，一般是SCADA系统进行编码转换时产生的累积误差。因此可以利用SP差值的样本均值分析SCADA数据的误差大小。样本标准差则反应了SP差值与SP差值样本均值的离散度，其值较大时，说明数据刷新可能存在较大不一致性。

4  PMU数据替代SCADA数据的应用

　　某220 kV变电站母线接线情况如图1所示。

　　该变电站一共有9路出线，其中输电线路6路，变压器3路。该变电站的量测数据与状态估计数据经常出现较大差异，母线有功不平衡情况也并不理想。该变电站2015年2月3日SCADA与PMU数据计算的母线有功不平衡如图2所示。

　　由图可以看出，该变电站母线有功由SCADA数据计算的不平衡情况并不理想，在选取的一天之内的整点数据中，有3个数据超出了10MW的限值，而PMU数据计算的母线有功不平衡情况变化相对恒定。表明该变电站的CT量测系统虽存在一定偏差，但数据整体可用。现将该变电站这一天的整点SCADA数据计算的有功不平衡、PMU计算的有功不平衡以及各个出线开关有功功率的SP数据差值及其统计计算结果情况列入表1中。

　　从表1中的数据可以看出，2214开关和2216开关量测的SP差值的均值较大，2213、2214、2215、2216开关量测的SP差值的均方差均超过了1，因此可以判定，这四条线路的SCADA量测存在数据刷新不同步的情况，但不是很严重。

　　由图1可见，该站PMU量测数值计算的母线有功不平衡数据基本较为稳定，主要在-4 MW至-7 MW之间小幅波动，而SCADA量测数值计算的有功不平衡数据波动较为明显，部分数据已经超出国调要求的母线有功不平衡范围。

　　现对存在问题的线路的SCADA数据进行修正，根据表1的情况，可以得到如下调整方法：

　　方法1：对于SP差值偏差较大的线路进行SCADA数据纠偏，将2214开关和2216开关的有功功率SCADA量测值减少3MW；

　　方法2：对于SP值相差较大的线路用PMU数据替代SCADA数据；

　　方法3：对于SP值相差较大，SP差值的均方差值超过1的线路均采用PMU数据替代SCADA数据。

　　分别对以上三种方法进行母线有功不平衡的计算，得到的结果如图2和表2所示。

　　从图2显示的结果来看，利用PMU数据对SCADA数据进行修正后，该变电站的母线有功不平衡情况基本上可以在合理的范围内波动。对于量测存在较为明显的数据刷新不一致的线路，若采用PMU数据对SCADA数据进行替换，可以减小因为数据刷新不一致导致的母线有功不平衡波动较大的问题。从而验证了利用PMU数据可以发现导致采用SCADA数据造成状态估计不合格的原因。

5 结论

　　本文对某220 kV变电站PMU数据与SCADA数据的差值进行了分析，通过利用分析结果对SCADA数据修正，得到了较好的修正结果，同时也得到WAMS系统对解决状态估计中存在问题的应用结论如下：

　　（1） 分析PMU数据的母线有功不平衡，可以确定CT是否存在问题；

　　（2） 通过计算SP差值的均值，可以计算出PMU与SCADA数值的平均偏移量，通过此数据可以修正SCADA数据的转换累积误差；

　　（3） 通过计算SP差值的均方差值，可以得到变电站是否存在数据刷新不同步的问题，对提升状态估计合格率有重要帮助。

参考文献

　　[1]王雪杰．基于PMU的状态估计和量测配置研究 [D]． 吉林：东北电力大学，2010.

　　[2]杜志佳．基于WAMS的电力系统状态估计及PMU的最优配置研究[D]．南京：南京理工大学，2010.

　　[3]王克英．计及PMU的状态估计精度分析及配置研究[J] 中国电机工程学报，2001(8)：29-33．