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，濟南250002；2.山東大學電氣工程學院，濟南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，濟南250002；2.山東大學電氣工程學院，濟南250061）

SCADA數(shù)據(jù)是電網(wǎng)狀態(tài)估計、在線安全評估等高級應用的重要基礎數(shù)據(jù)，其精度直接影響電網(wǎng)自動化實施的效果。實際應用中，由于設備老化、數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蛩赜绊懀琒CADA系統(tǒng)的誤差可能偏離出廠水平。定義了量測數(shù)據(jù)一致性指標，針對多個變電站實測數(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60年代起，隨著電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)自動化水平的不斷提高，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)運行人員提供了一手的現(xiàn)場量測數(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)的技術比較成熟，幾乎所有的變電站和發(fā)電廠都裝設了遠動終端（Remote Terminal Unit，RTU）［2］，涵蓋了電力系統(tǒng)的主要運行設備。SCADA數(shù)據(jù)是電力系統(tǒng)進行實時監(jiān)控的有效憑證之一，廣泛應用于電力系統(tǒng)的在線安全監(jiān)視、通信設備監(jiān)測、在線負荷預測、潮流計算、狀態(tài)估計以及電力系統(tǒng)的優(yōu)化等多個領域［3］，為電力線系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了重要的基礎性數(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，無法提供相角量測，且同步性較差。隨著電網(wǎng)量測精度要求的提高，相量量測單元（Phasor Measurement Unit，PMU）和基于PMU的廣域測量系統(tǒng)（Wide-Area Measurement System，WAMS）得到了快速發(fā)展，提供了較SCADA更為詳盡且時鐘同步性能優(yōu)良的電網(wǎng)動態(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)運行控制的基礎量測數(shù)據(jù)，建設堅強的智能電網(wǎng)需要充分利用SCADA以提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行水平。

SCADA數(shù)據(jù)的獲取需要通過廠站端電纜、RTU、遠動通道及前置機等諸多環(huán)節(jié)才能到達主站系統(tǒng)［5］，在傳輸過程中，任一環(huán)節(jié)受到影響都會影響SCADA數(shù)據(jù)的準確性；PT／CT的量測精度、數(shù)據(jù)不同時的問題，以及運行中三相不平衡和功率因數(shù)變化等也會引起量測誤差［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)斷面信息進行實時電網(wǎng)安全監(jiān)測、狀態(tài)估計等時，其可信度受SCADA數(shù)據(jù)精度影響較大，導致調(diào)度員分析在線潮流時，常會出現(xiàn)潮流收斂性較差的情況。因此，需要深入分析SCADA量測數(shù)據(jù)的精度，并評估其可信度。

在已有的研究中，極少有對實際電網(wǎng)SCADA實測數(shù)據(jù)的誤差分析。而對于已在現(xiàn)場運行數(shù)年甚至更長時間的SCADA系統(tǒng)，在無法獲取電網(wǎng)動態(tài)數(shù)據(jù)真值的情況下，仍缺少對SCADA數(shù)據(jù)誤差的相關研究。即現(xiàn)存的研究方法很難有效評估SCADA實測數(shù)據(jù)的可信度。

針對SCADA數(shù)據(jù)的有效性問題，避開直接分析無法獲得的量測誤差的困難，從量測數(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，綜合分析了實測SCADA數(shù)據(jù)的可信度，可為運行與管理人員系統(tǒng)掌握SCADA數(shù)據(jù)質量提供參考。

1 量測數(shù)據(jù)一致性分析判據(jù)

無論PMU數(shù)據(jù)還是SCADA數(shù)據(jù)都會存在精度問題，不精確的數(shù)據(jù)會影響電網(wǎng)調(diào)度的自動化水平。為正確使用量測數(shù)據(jù)，需要合理評估量測數(shù)據(jù)的精度。

量測數(shù)據(jù)絕對誤差的定義為

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

但是，真值的獲取一般僅限于實驗室研究場景，對于現(xiàn)場大量安裝的SCADA系統(tǒng)，現(xiàn)場測量中并沒有相應的設備用以測量真值。因此，在實際應用中，真值是難以準確獲知的，這也導致分析現(xiàn)場SCADA數(shù)據(jù)的絕對誤差成為不可能。

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

對于圖1的一個簡單輸電線路模型，其中，R為線路電阻，X為線路電抗，GⅠ、BⅠ為Ⅰ側出線的對地導納，GⅡ、BⅡ為Ⅱ側出線的對地導納。

圖1 線路通用模型

由功率定義可知，線路一端的量測電壓相量Um、電流相量Im、有功功率Pm和無功功率Qm應滿足復功率定義：

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

對于SCADA數(shù)據(jù)，電壓和電流相量的相角信息無法量測，量測電壓幅值Um、電流幅值Im，和Pm、Qm應滿足視在功率關系式

因此，對于SCADA數(shù)據(jù)，量測數(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、不同運行方式下的誤差，可將式（3）和式（5）的絕對一致性偏差以由Pm和Qm計算得到的視在功率（或由Um和Im計算得到的視在功率）為基礎進行歸一化，定義相對一致性偏差為

在理想情況下，由Pm和Qm計算得到的視在功率和由Um和Im計算得到的視在功率應是一致的，式（6）與式（7）等價。但在實際中，由于功率量測誤差和電壓、電流量測誤差不同，由式（6）和式（7）計算得到的相對一致性偏差會略有差異?？紤]到實際量測數(shù)據(jù)精度一般能夠滿足工程要求，統(tǒng)一以式（7）計算相對一致性偏差。

對于一個包含N個數(shù)據(jù)點的數(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)的平均相對一致性偏差

以及標準差

2 SCADA數(shù)據(jù)的一致性分析

為驗證上述一致性判據(jù)的可行性，本節(jié)對某電網(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時至12月5日24時不同變電站的4條500 kV出線分別進行量測數(shù)據(jù)一致性分析，結果如圖2和表1所示。

圖2 4條500 kV出線的量測數(shù)據(jù)相對一致性偏差曲線

表1 4條500 kV出線的量測數(shù)據(jù)相對一致性偏差統(tǒng)計

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的量測數(shù)據(jù)存在部分數(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則存在部分時段持續(xù)出現(xiàn)偏差超過10%的數(shù)據(jù)，可能是量測設備或通信通道故障造成的數(shù)據(jù)丟失問題。經(jīng)過對原始數(shù)據(jù)的分析，出線2在10月13日06∶56至10月17日17∶15期間電壓信號失去。綜合比較，出線2的數(shù)據(jù)一致性偏差均值和標準差均遠高于其他出線，說明出線2的量測裝置性能不穩(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時到12月5日24時不同變電站的4條220 kV出線分別進行量測數(shù)據(jù)一致性分析，結果如圖3和表2所示。

圖3 4條220 kV出線的量測數(shù)據(jù)相對一致性偏差曲線

表2 4條220 kV出線的量測數(shù)據(jù)相對一致性偏差統(tǒng)計

通過圖3和表2可知，其偏差平均值的絕對值為1.25%～2.71%之間，誤差標準差為0.667%～1.28%。

通過與上節(jié)的結果對比，若除去500 kV出線2的數(shù)據(jù)丟失的偶然情況，4條220 kV出線的量測數(shù)據(jù)一致性偏差平均值大于500 kV出線的量測數(shù)據(jù)的一致性偏差的平均值（0.384%～0.837%）；而4條220 kV出線量測數(shù)據(jù)偏差的標準差小于500 kV出線量測數(shù)據(jù)的標準差（0.761%～7.21%），這表明實例中220 kV量測數(shù)據(jù)比500 kV量測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高。全網(wǎng)所有220 kV出線和500 kV出線的量測數(shù)據(jù)可信度比較有待進一步深入分析。

2.3 同一條線路兩端量測數(shù)據(jù)一致性分析

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

圖4 500kV線路1量測數(shù)據(jù)曲線

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

圖5 500kV線路1兩端量測數(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時到11月25日0時的SCADA數(shù)據(jù)進行一致性偏差分析，量測數(shù)據(jù)曲線如圖6所示，一致性分析結果如圖7所示。

圖6 220kV線路2量測數(shù)據(jù)曲線

通過計算分析，Ⅰ側出線數(shù)據(jù)誤差的波動范圍為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%，標準差為0.746%，Ⅱ側出線數(shù)據(jù)誤差的波動范圍為2.44%～3.81%，誤差最大值為3.81%，一致性偏差平均值為-0.221%，標準差為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線量測數(shù)據(jù)一致性分析

將220 kV的量測線路與500 kV的量測線路作對比，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準差小于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。當然，上述結論僅對于所選擇的兩條線路而言，對于全網(wǎng)的線路一致性偏差情況需進一步分析。

3 結語

分析實測SCADA數(shù)據(jù)的一致性問題。針對量測數(shù)據(jù)的真實值無法獲取的現(xiàn)狀，從量測數(shù)據(jù)所應滿足的物理關系式出發(fā)，定義了數(shù)據(jù)一致性偏差指標，定量評價量測數(shù)據(jù)的有效性。通過分析不同電壓等級出線的數(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)由于兩端所用量測設備的不同，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)一致性偏差指標能夠較好地衡量SCADA數(shù)據(jù)的可信度，對改進狀態(tài)估計、參數(shù)辨識等研究具有重要的參考價值。

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

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

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

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

［5］徐興偉，穆鋼，王文，等.基于SCADA和WAMS的電網(wǎng)仿真運行方式［J］.電網(wǎng)技術，2006，30（19）：97-100.

［6］丁鵬，陳升，陳國平，錢肖.提高地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度SCADA數(shù)據(jù)實時性和可靠性的研究［C］.北京：電力系統(tǒng)自動化學術交流研討會，2006：80-83.

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)分析計算工作。