电力系统SCADA数据的一致性分析

王亮，张冰，武诚，马琳琳，张亚萍，史方芳，李常刚，张恒旭

（1.山东电力调度控制中心，济南250002；2.山东大学电气工程学院，济南250061）

电力系统SCADA数据的一致性分析

王亮1，张冰1，武诚1，马琳琳1，张亚萍2，史方芳2，李常刚2，张恒旭2

（1.山东电力调度控制中心，济南250002；2.山东大学电气工程学院，济南250061）

SCADA数据是电网状态估计、在线安全评估等高级应用的重要基础数据，其精度直接影响电网自动化实施的效果。实际应用中，由于设备老化、数据传输等因素影响，SCADA系统的误差可能偏离出厂水平。定义了量测数据一致性指标，针对多个变电站实测数据分析SCADA数据的一致性情况，揭示电网SCADA数据的可信度，为工程人员系统掌握SCADA数据质量提供参考。

电力系统；SCADA；误差分析；一致性

0 引言

从20世纪60年代起，随着电网调度控制系统自动化水平的不断提高，监视控制与数据采集系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）为系统运行人员提供了一手的现场量测数据，在电力系统中发挥着重要作用［1］。发展至今，SCADA系统的技术比较成熟，几乎所有的变电站和发电厂都装设了远动终端（Remote Terminal Unit，RTU）［2］，涵盖了电力系统的主要运行设备。SCADA数据是电力系统进行实时监控的有效凭证之一，广泛应用于电力系统的在线安全监视、通信设备监测、在线负荷预测、潮流计算、状态估计以及电力系统的优化等多个领域［3］，为电力线系统的安全稳定运行提供了重要的基础性数据。但是，SCADA系统也有其局限性，只能提供电压、电流幅值量测，无法提供相角量测，且同步性较差。随着电网量测精度要求的提高，相量量测单元（Phasor Measurement Unit，PMU）和基于PMU的广域测量系统（Wide-Area Measurement System，WAMS）得到了快速发展，提供了较SCADA更为详尽且时钟同步性能优良的电网动态信息［4］。但是，由于PMU装置成本高昂，PMU装置目前主要装备于500 kV变电站以及重要的电厂出线处，而数量众多的220 kV及以下等级的变电站仍只装备有SCADA系统。因此，PMU数据目前尚无法完全取代SCADA数据，SCADA数据目前仍是电网运行控制的基础量测数据，建设坚强的智能电网需要充分利用SCADA以提高系统的安全稳定运行水平。

SCADA数据的获取需要通过厂站端电缆、RTU、远动通道及前置机等诸多环节才能到达主站系统［5］，在传输过程中，任一环节受到影响都会影响SCADA数据的准确性；PT／CT的量测精度、数据不同时的问题，以及运行中三相不平衡和功率因数变化等也会引起量测误差［6］。利用由SCADA系统提供的低采样密度、不同步的、稳态的电网断面信息进行实时电网安全监测、状态估计等时，其可信度受SCADA数据精度影响较大，导致调度员分析在线潮流时，常会出现潮流收敛性较差的情况。因此，需要深入分析SCADA量测数据的精度，并评估其可信度。

在已有的研究中，极少有对实际电网SCADA实测数据的误差分析。而对于已在现场运行数年甚至更长时间的SCADA系统，在无法获取电网动态数据真值的情况下，仍缺少对SCADA数据误差的相关研究。即现存的研究方法很难有效评估SCADA实测数据的可信度。

针对SCADA数据的有效性问题，避开直接分析无法获得的量测误差的困难，从量测数据间的物理规律出发，定义了数据一致性指标，综合分析了实测SCADA数据的可信度，可为运行与管理人员系统掌握SCADA数据质量提供参考。

1 量测数据一致性分析判据

无论PMU数据还是SCADA数据都会存在精度问题，不精确的数据会影响电网调度的自动化水平。为正确使用量测数据，需要合理评估量测数据的精度。

量测数据绝对误差的定义为

式中：Xm为量测数据；Xr为量测数据的真值。

但是，真值的获取一般仅限于实验室研究场景，对于现场大量安装的SCADA系统，现场测量中并没有相应的设备用以测量真值。因此，在实际应用中，真值是难以准确获知的，这也导致分析现场SCADA数据的绝对误差成为不可能。

为避免真值获取的困难，在评估SCADA数据的有效性时，分析量测数据所应满足的基本物理关系，以量测数据与理论关系式之间的一致性作为数据有效性分析指标，具体定义如下。

对于图1的一个简单输电线路模型，其中，R为线路电阻，X为线路电抗，GⅠ、BⅠ为Ⅰ侧出线的对地导纳，GⅡ、BⅡ为Ⅱ侧出线的对地导纳。

图1 线路通用模型

由功率定义可知，线路一端的量测电压相量Um、电流相量Im、有功功率Pm和无功功率Qm应满足复功率定义：

如果量测数据不满足此物理关系式，则量测数据必存在误差。对于PMU数据，这种量测数据与理论关系式（2）之间的一致性偏差（error of consistency）可以通过式（2）左右两侧的差定量表示为

对于SCADA数据，电压和电流相量的相角信息无法量测，量测电压幅值Um、电流幅值Im，和Pm、Qm应满足视在功率关系式

因此，对于SCADA数据，量测数据的误差反映在与式（4）的一致性偏差可以定量表示为

因此，为统一衡量不同线路、不同运行方式下的误差，可将式（3）和式（5）的绝对一致性偏差以由Pm和Qm计算得到的视在功率（或由Um和Im计算得到的视在功率）为基础进行归一化，定义相对一致性偏差为

在理想情况下，由Pm和Qm计算得到的视在功率和由Um和Im计算得到的视在功率应是一致的，式（6）与式（7）等价。但在实际中，由于功率量测误差和电压、电流量测误差不同，由式（6）和式（7）计算得到的相对一致性偏差会略有差异。考虑到实际量测数据精度一般能够满足工程要求，统一以式（7）计算相对一致性偏差。

对于一个包含N个数据点的数据段，根据（6）求取的误差eC1，eC2，...，eCN，可以求得该段数据的平均相对一致性偏差

以及标准差

2 SCADA数据的一致性分析

为验证上述一致性判据的可行性，本节对某电网的SCADA数据的有效性做了定量分析，SCADA数据采样间隔为1 min。

2.1 500kV出线一致性分析

选取2014年10月1日0时至12月5日24时不同变电站的4条500 kV出线分别进行量测数据一致性分析，结果如图2和表1所示。

图2 4条500 kV出线的量测数据相对一致性偏差曲线

表1 4条500 kV出线的量测数据相对一致性偏差统计

由图2和表1可知，不同出线的SCADA数据一致性偏差不同，数据可信度不同。500 kV出线1、3、4的量测数据一致性偏差的范围一般都在±5%之间，数据一致性较好；但出线2的量测数据存在部分数据一致性偏差较大的问题，数据有效性显著差于出线1、3、4。4条出线均存在一致性偏差的绝对值大于10%的数据，从图中也可以看出，而出线2则存在部分时段持续出现偏差超过10%的数据，可能是量测设备或通信通道故障造成的数据丢失问题。经过对原始数据的分析，出线2在10月13日06∶56至10月17日17∶15期间电压信号失去。综合比较，出线2的数据一致性偏差均值和标准差均远高于其他出线，说明出线2的量测装置性能不稳定，数据可信度较差。

2.2 220kV出线一致性分析

选取2014年10月1日0时到12月5日24时不同变电站的4条220 kV出线分别进行量测数据一致性分析，结果如图3和表2所示。

图3 4条220 kV出线的量测数据相对一致性偏差曲线

表2 4条220 kV出线的量测数据相对一致性偏差统计

通过图3和表2可知，其偏差平均值的绝对值为1.25%～2.71%之间，误差标准差为0.667%～1.28%。

通过与上节的结果对比，若除去500 kV出线2的数据丢失的偶然情况，4条220 kV出线的量测数据一致性偏差平均值大于500 kV出线的量测数据的一致性偏差的平均值（0.384%～0.837%）；而4条220 kV出线量测数据偏差的标准差小于500 kV出线量测数据的标准差（0.761%～7.21%），这表明实例中220 kV量测数据比500 kV量测数据稳定性高。全网所有220 kV出线和500 kV出线的量测数据可信度比较有待进一步深入分析。

2.3 同一条线路两端量测数据一致性分析

对500 kV线路SCADA数据的一致性进行分析。选取某500 kV线路（下称线路1）从2014年11月21日0时到11月25日0时的SCADA数据，对线路两端的量测数据分别进行一致性偏差分析。线电压、电流、有功功率、无功功率的原始量测数据如图4所示，线路两端的一致性偏差分析结果如图5所示。

图4 500kV线路1量测数据曲线

经计算分析，Ⅰ侧量测数据的一致性偏差波动范围为1.71×10-4%～3.84%，说明在这4天SCADA量测数据中不存在坏数据。其一致性偏差平均值为-1.00%，标准差为0.670%，Ⅱ侧数据的误差的波动范围为1.71%～4.69%，误差最大值为4.69%，一致性偏差平均值为-2.75%，标准差为0.411%。从数据分析可看出，同一条线路两端的SCADA量测数据的一致性不同。

图5 500kV线路1两端量测数据一致性偏差

选取某220 kV线路（下称线路2）从2014年11月21日0时到11月25日0时的SCADA数据进行一致性偏差分析，量测数据曲线如图6所示，一致性分析结果如图7所示。

图6 220kV线路2量测数据曲线

通过计算分析，Ⅰ侧出线数据误差的波动范围为2.45×10-5%～3.61%，误差最大值为3.61%，说明在这4天SCADA量测数据中不存在偏差非常大的坏数据。其一致性偏差平均值为-0.115%，标准差为0.746%，Ⅱ侧出线数据误差的波动范围为2.44%～3.81%，误差最大值为3.81%，一致性偏差平均值为-0.221%，标准差为0.730%。由数据可以分析出，线路两端的变电站一致性不同，但相差不大。

图7 220kV线路2线量测数据一致性分析

将220 kV的量测线路与500 kV的量测线路作对比，可以得出所选择的500 kV的线路的一致性偏差的平均值要大于220 kV的线路平均值，而500 kV线路的一致性偏差的标准差小于220 kV的线路，这说明，500 kV的线路SCADA数据的稳定性更好。当然，上述结论仅对于所选择的两条线路而言，对于全网的线路一致性偏差情况需进一步分析。

3 结语

分析实测SCADA数据的一致性问题。针对量测数据的真实值无法获取的现状，从量测数据所应满足的物理关系式出发，定义了数据一致性偏差指标，定量评价量测数据的有效性。通过分析不同电压等级出线的数据一致性偏差，发现不同出线的数据一致性偏差不同，但不同电压等级出线间不存在明显的数据一致性差异；通过分析同一条线路两端数据的一致性偏差，发现由于两端所用量测设备的不同，同一条线路两端的数据一致性偏差也不尽相同。分析表明，所提的数据一致性偏差指标能够较好地衡量SCADA数据的可信度，对改进状态估计、参数辨识等研究具有重要的参考价值。

［1］国家电力调度通信中心.智能电网调度技术支持系统建设框架［R］.2009．

［2］张嘉伟，谢英男，杨晓丰，等.基于PMU的量测系统配置及其对状态估计精度的影响［J］.中国电力，2008，41（6）：23-27.

［3］陈晓刚.电网广域安全监测系统若干关键技术问题研究［D］.杭州：浙江大学，2008.

［4］毛安家，郭志忠.与SCADA互补的WAMS中PMU的配置及数据处理方法［J］.电网技术，2005，29（8）：71-74.

［5］徐兴伟，穆钢，王文，等.基于SCADA和WAMS的电网仿真运行方式［J］.电网技术，2006，30（19）：97-100.

［6］丁鹏，陈升，陈国平，钱肖.提高地区电网调度SCADA数据实时性和可靠性的研究［C］.北京：电力系统自动化学术交流研讨会，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，从事电网分析计算工作。