郝 良1，谷 君1，馮 萱2
（1. 國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京100075；2. 國網(wǎng)北京市電力公司檢修分公司，北京100069）
摘 要： 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換誤差的特點，這些特點造成電力系統(tǒng)狀態(tài)估計出現(xiàn)誤差，也對電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)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(yīng)用，提出了利用高速采集單元量測的數(shù)值修正傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)的方法，從而達(dá)到提升狀態(tài)估計合格水平的目的。
關(guān)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(diào)度中心的能量管理系統(tǒng)的核心功能之一，其功能是根據(jù)電力系統(tǒng)的各種量測信息，估計出電力系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)[1]。現(xiàn)代電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(wǎng)實時變化進(jìn)行分析的在線應(yīng)用和針對典型潮流斷面進(jìn)行分析的離線應(yīng)用兩大部分。如果電力系統(tǒng)狀態(tài)估計結(jié)果不準(zhǔn)確，后續(xù)的任何分析計算將不可能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。因此，狀態(tài)估計的準(zhǔn)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(yīng)用最為廣泛，技術(shù)發(fā)展也最為成熟的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，現(xiàn)在仍在狀態(tài)估計的數(shù)據(jù)采集中發(fā)揮重要作用，但也存在一些問題。文獻(xiàn)[3]中已經(jīng)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(shù)（PMU）的精度問題進(jìn)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(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是以計算機(jī)為基礎(chǔ)的DCS與電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)；它應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工、燃?xì)狻㈣F路等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。
現(xiàn)國網(wǎng)統(tǒng)推調(diào)度系統(tǒng)（D5000）中，用于計算有功不平衡情況的數(shù)據(jù)來源是SCADA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)從變電站出線開關(guān)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(wù)器中，同樣從母線PT中獲取電壓數(shù)據(jù)也以編碼的形式存儲于服務(wù)器中。根據(jù)兩個編碼的設(shè)定，即可通過相應(yīng)的公式計算得到線路功率的編碼值，再根據(jù)編碼轉(zhuǎn)換的關(guān)系將功率轉(zhuǎn)化為實際值通過遠(yuǎn)動屏傳送到主站并存儲在SCADA數(shù)據(jù)庫中。
在實際的量測中，這種計算方式往往會導(dǎo)致以下問題：
（1） 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(dǎo)致的結(jié)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(shù)值，系統(tǒng)每隔1分鐘召測一個數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)的不同步，在電網(wǎng)負(fù)荷急劇上升或者下降的時候，就會導(dǎo)致某一時刻系統(tǒng)中所存的數(shù)據(jù)質(zhì)量出現(xiàn)問題，從而影響狀態(tài)估計準(zhǔn)確性。
檢驗狀態(tài)估計準(zhǔn)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(jù)KCL定律，在一個時間斷面上，與母線連接的所有進(jìn)出線開關(guān)的功率之和應(yīng)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(yán)格的等于零，根據(jù)要求，220 kV母線的有功不平衡數(shù)值允許偏差為±10 MW，無功不平衡數(shù)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(shù)，通過逐步布局全網(wǎng)關(guān)鍵測點的同步相角測量單元（PMU），實現(xiàn)對全網(wǎng)同步相角及電網(wǎng)主要數(shù)據(jù)的實時高速率采集。
由于WAMS與SCADA采用同一套CT裝置取數(shù)，因此PMU數(shù)據(jù)和SCADA數(shù)據(jù)的來源實際上是一致的，由于PMU直接進(jìn)行量測計算，節(jié)省了SCADA系統(tǒng)中進(jìn)行的編碼轉(zhuǎn)換，因此減少了編碼轉(zhuǎn)換中的累積誤差。而高速采集技術(shù)使PMU數(shù)據(jù)采集頻率達(dá)到了1秒鐘50次，避免了數(shù)據(jù)刷新不一致問題，從而有效的避免了負(fù)荷波動較快時，狀態(tài)估計偏差嚴(yán)重的情況。
3 PMU數(shù)據(jù)在解決狀態(tài)估計中的應(yīng)用
雖然WAMS相比SCADA擁有許多優(yōu)勢，但現(xiàn)在WAMS還未全面接入變電站，在應(yīng)用技術(shù)上也不是非常成熟。因此，在一段時間內(nèi)，SCADA仍然會作為主要的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。但在接入WAMS的變電站，可以通過對比PMU與SCADA數(shù)據(jù)的差異發(fā)現(xiàn)導(dǎo)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(xiàn)：
（1）驗證PMU數(shù)據(jù)的可用性
首先利用PMU數(shù)據(jù)計算母線的有功不平衡情況，若計算結(jié)果較為理想，則證實PMU數(shù)據(jù)是可用的。若利用PMU數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)與PMU數(shù)據(jù)的差異情況，找出PMU數(shù)據(jù)存在問題的線路。
（2）對PMU數(shù)據(jù)與SCADA數(shù)據(jù)的差值進(jìn)行統(tǒng)計計算
對變電站母線連接的每一路出線開關(guān)功率的SCADA數(shù)據(jù)與PMU數(shù)據(jù)的差值（以下簡稱SP差值）進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)差值。
（3）分析結(jié)果
SP差值的樣本均值反應(yīng)了PMU與SCADA數(shù)據(jù)的整體差異情況，一般是SCADA系統(tǒng)進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的累積誤差。因此可以利用SP差值的樣本均值分析SCADA數(shù)據(jù)的誤差大小。樣本標(biāo)準(zhǔn)差則反應(yīng)了SP差值與SP差值樣本均值的離散度，其值較大時，說明數(shù)據(jù)刷新可能存在較大不一致性。
4 PMU數(shù)據(jù)替代SCADA數(shù)據(jù)的應(yīng)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(shù)據(jù)與狀態(tài)估計數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)計算的不平衡情況并不理想，在選取的一天之內(nèi)的整點數(shù)據(jù)中，有3個數(shù)據(jù)超出了10MW的限值，而PMU數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)整體可用。現(xiàn)將該變電站這一天的整點SCADA數(shù)據(jù)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(guān)有功功率的SP數(shù)據(jù)差值及其統(tǒng)計計算結(jié)果情況列入表1中。
從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，2214開關(guān)和2216開關(guān)量測的SP差值的均值較大，2213、2214、2215、2216開關(guān)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(shù)據(jù)刷新不同步的情況，但不是很嚴(yán)重。
由圖1可見，該站PMU量測數(shù)值計算的母線有功不平衡數(shù)據(jù)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(shù)值計算的有功不平衡數(shù)據(jù)波動較為明顯，部分?jǐn)?shù)據(jù)已經(jīng)超出國調(diào)要求的母線有功不平衡范圍。
現(xiàn)對存在問題的線路的SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，根據(jù)表1的情況，可以得到如下調(diào)整方法：
方法1：對于SP差值偏差較大的線路進(jìn)行SCADA數(shù)據(jù)糾偏，將2214開關(guān)和2216開關(guān)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(shù)據(jù)替代SCADA數(shù)據(jù)；
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(shù)據(jù)替代SCADA數(shù)據(jù)。
分別對以上三種方法進(jìn)行母線有功不平衡的計算，得到的結(jié)果如圖2和表2所示。
從圖2顯示的結(jié)果來看，利用PMU數(shù)據(jù)對SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)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(nèi)波動。對于量測存在較為明顯的數(shù)據(jù)刷新不一致的線路，若采用PMU數(shù)據(jù)對SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行替換，可以減小因為數(shù)據(jù)刷新不一致導(dǎo)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(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致采用SCADA數(shù)據(jù)造成狀態(tài)估計不合格的原因。
5 結(jié)論
本文對某220 kV變電站PMU數(shù)據(jù)與SCADA數(shù)據(jù)的差值進(jìn)行了分析，通過利用分析結(jié)果對SCADA數(shù)據(jù)修正，得到了較好的修正結(jié)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(yīng)用結(jié)論如下：
（1） 分析PMU數(shù)據(jù)的母線有功不平衡，可以確定CT是否存在問題；
（2） 通過計算SP差值的均值，可以計算出PMU與SCADA數(shù)值的平均偏移量，通過此數(shù)據(jù)可以修正SCADA數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換累積誤差；
（3） 通過計算SP差值的均方差值，可以得到變電站是否存在數(shù)據(jù)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(xiàn)
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