专利名称：基于差异比较的调度中心pmu数据质量评估与角度误差估计方法
技术领域：
本发明属于电力系统自动化技术领域，更具体的电力系统的调度中心PMU数据质量评估方法与PMU角度误差估计算法。
背景技术：
电网调度中心的能量管理系统(EMS:Energy Management System)主要通过两种量测数据采集系统获取电网实时运行状态信息，带GPS同步时标的连续断面PMU数据和单个断面RTU数据。
传统的数据收集与监控系统(SCADA:SupervisoryControl And DataAcquisition),它通过安装在变电站和发电厂的远程终端单元(RTU:Remote TerminalUnit)获取反映电力运行状态的模拟量和状态量。目前调度中心，RTU量测装置覆盖了几乎全部管辖范围的模拟量与状态量。广域量测系统(WAMS:Wide Area Measurement System),它通过安装在主干网络的变电站和发电厂的同步相量测量单元(PMU:Phasor Measurement Unit)采集带有GPS高精度同步时标的模拟量。调度中心的能量管理实时数据中，PMU没有覆盖全部电网，500kv变电站、220kv核心变电站安装有PMU装置。“能量管理系统”的实时数据库中，对于有PMU的物理测点，一个时刻，可以找到一个RTU量测值，一组时间序列的PMU量测值。I. I同步相量测量(PMU)技术电力系统常见的正弦电压和电流均可以表示为相量。例如电压信号u=4lUcos(2rf + J)表不成相量形式为: =Uej9。电流相量和电压相量相乘等于视在功率
S = P +JQ=Lir。GPS为电力系统提供了全网统一的时钟信号，定时精度可达ns级。借助GPS时钟信号，可以在各厂站构造& = 50Hz参考相量，其它相量都与参考相量比较，得到“绝对”相角。经过通信系统传输，异地相量综合在一起，削去共同的参考相量就得到“相对”相角。《电力系统实时动态监测系统技术规范》中，电流、电压的误差标准为正常条件下，相角测量误差不大于O. 5°，幅值误差不大于0.5%。正常电压下，功率误差小于1%。关于PMU的误差校正，各厂家的PMU产品只是在实验室内进行过离线检验。在实际运行环境中，也缺少在线检测相关的现场规范规程，更没有配套的检测装置。电力自动化系统中，量测值都是通过PT、CT的二次测采样数据得到的，系统能监测到的实时原始量测只有二次侧的电流和电压值。量测装置及PT、CT会带来测量相角的不同偏移。由于PMU无功算法与RTU无功算法完全不同，角度偏移的对两者精度的影响也不尽相同。I. 2电力系统状态估计电力系统状态估计，是调度中心“能量管理软件”的基本功能软件，它根据电网模型参数、结线连接关系和一组有冗余的遥测量测值和遥信开关状态，求解描述电网稳态运行情况的状态量一母线电压幅值和相角的估计值，并求解出量测的估计值，检测和辨识量测中的不良数据，为其他应用软件功能提供一套完整、准确的电网实时运行方式数据。状态估计后，量测合格的评判规则是根据量测测数据估计值，来判断量测是否合格，一般标准是有功和电压，估计误差< 2%，无功，估计误差< 3%)。估计值误差=I估计值-量测值I /量测类型基准值X 100% ；基准值规定为a.对于变压器、线路有功、无功500kV电压等级取1082MVA，330kV电压等级取686MVA, 220kV 电压等级取 305MVA，IlOkV 电压等级取 132MVA ；b. 500kV电压等级取600kV，330kV电压等级取396kV，220kV电压等级取264kV，IlOkV电压等级取132kV ； c.发电机取其视在功率。I. 3电力系统功率量测计算方法电力系统中电压电流都是正弦波的理想情况下i( t) = λ/2/cos ( ω t + Ψ) = ΙΖΨu( f)=七JJcos (ω t + Θ) ^ C7 = LiZ θ有功功率、无功功率的定义如下
P 二 IUcosq);
Q = IUsincp;式中Ρ为有功功率，Q为无功功率，U、I分别为电压和电流的有效值。φ 二 θ - Ψ为电压和电流相位差。I. 3. I SCADA系统功率算法(移相法)变电站数据采集系统的功率计算，采用一个周波的电流、电压采样数据，计算得到功率的瞬时值。移相法测量功率的理论基础是P = UI cos# = - Γ U{t)I{t)dt
f JoQ-UI sin = — [ WI sin ( ) sin (ω - φ - —)dt = — f- —)dt
T Jo2 T jQ2式中ω为角速度，T为电网周期，t为时间。具体的测量步骤为采集电压和电流信号，然后进行离散化处理。每个周期的电压和电流采样N次，则P = ^UkIk
^ k=l,
N k=l k+I式中Uk是第k个电压采样值，Ik+N/4是第k+N/4个电流采样值。I. 3. 2 PMU功率算法实现(公式法)
PMU原始采样数据依然是电流、电压，利用电压的采样数据，计算得到电流、电压的相量。PMU的功率幅值的算法是在一个固定周期内(一般是半个周波)对电压和电流采样N次，得到U、I。由U、I计算得到有功、无功
P = IUcoscp
Q 二 IUsincp;这里，I、U是电流、电压的幅值，φ为电压和电流相位差。·
1.3.3相角误差对PMU功率量测的影响RTU是采用一个周波的电流、电压采样数据，计算得到功率值；PMU装置也是根据电流电压半个周波的采样值，计算得到电流电压的相量值，进而计算有功无功的相量值，RTU 一般是一秒以上才上传一次计算结果数据，PMU 一秒计算50次以上，全部或一半上送。理论上讲，尽管RTU与PMU的算法不同，对一测点同一周波信号，RTU与PMU的幅值计算结果应该一致，差异只会在系统允许的误差范围之内，不会在同一时刻有5%以上的数值差异。RTU功率计算对角度依赖不大，PMU功率数据的精度完全依赖与相角，相角的误差会导致PMU无功量测的误差。特别是在角度差小的情形下误差更大。在PMU功率计算中
P = IUcoscp
Q = IUsincp在特定φ0处，由于φ的误差，导致的有功PO、无功QO相对误差如下
Ζ1Ρ/Ρ0 = Ζ φ sincpO/ υυ^φΟ
ZlQ/QO = Αφ costpO./ sinq>0在电力系统正常运行状下，电压电流相位差φ0小，SimpO趋于0，coS(p0趋近于1，sirnpO/ costpO趋于0,cosq>0/ sinq>0是一较大的数，在误差」φ—定的条件下，Zl Ρ/Ρ0趋近于O, Z Q/Q0是一不小的数，这就是PMU的角度误差对无功量测影响大、对有功量测影响小的原因了。从PMU无功算法看出，影响PMU无功幅值误差的主要因素是相角的精度。在角差Φ小的情形下，角度误差对无功幅值的影响较大，Φ=1°时,0.5°的角度误差会导致49. 9%的无功幅值误差。Φ=3°时，0.8°的角度误差导致29. 9%的无功幅值误差。功率因数大的支路，公式法用于无功量测计算，角度误差对无功的影响是十分严重的。为校正互感器及PMU装置导致的电流电压相量角度误差，在PMU的出厂时，有相角误差校核补偿参数配置。随着PMU信息数据的广泛使用，为提高调度中心PMU数据质量、量测精度，需要定期对PMU装置进行整定测试，使PMU上送的量测数据达到装置设计标准误差范围。本发明专利就是在调度中心对PMU数据质量现场评估，估计角度误差、确定PMU相角误差校核补偿参数的一种实现方法。
发明内容
PMU无功的算法完全依赖于相角的精度，而RTU的无功量测受角度偏移误差的影响小，PMU装置的日常维护要比RTU装置复杂困难的多，目前也没有一个通用的PMU工程校验装置，这就决定了 PMU要达到与RTU同样的现场精度更为困难。由于PMU核心算法为各PMU厂家的核心技术，无法对各厂家算法进行详细评估，针对目前，现场存在的PMU无功量测误差大的现状，本发明提出了利用SCADA量测数据的与PMU数据差异比较，来评估PMU数据量测精度方法，估计并修正PMU的角度误差，适合于电网调度中心使用。实现该方法的典型流程图见说明书附图I。本发明具体采用以下技术方案在电网调度中心，本专利方法利用RTU量测数据的与PMU量测数据差异比较，来评估PMU数据质量与估计角度误差的方法。根据同一时刻，调度中心采集到的量测数据，选取同一物理测点，状态估计后RTU量测合格的RTU量测与对应的PMU量测，进行差异比较，来评估PMU量测数据质量，估计角度误差。该方法的特征在于其包括以下步骤(I)在电网调度中心“能量管理系统”实时库中，选择状态估计后RTU量测合格、并且PMU量测与RTU量测都存在的测点，为评估统计对象，然后剔除PMU量测值或RTU量测值小于10_3的测点，建立”数据误差比较集”；
(2)对”数据误差比较集”的测点，每6秒钟取一次实时量测，读取同一时间点上的RTU量测与PMU量测，计算数据差异值，判断PMU量测是否合格，记录时刻、测点名称、差异值、合格状态，存入数据库；数据差异值计算公式Diff= I (Vp-Vr)/Vs I ；其中Vr为测点的RTU量测值，Vp为对应时刻测点的PMU量测值，I I为绝对值计算，Vs为相应量测量的基准值，基准值选取如下对于变压器、线路有功、无功500kV电压等级取1082MVA，330kV电压等级取686MVA, 220kV 电压等级取 305MVA，IlOkV 电压等级取 132MVA ；发电机取其视在功率。本算法中涉及量测类型有用功功率、无功功率。PMU量测合格的判断规则如果PMU量测值与RTU量测值的差异小于5%的PMU量测值是合格量测；(3)对步骤(2)所计算的某时刻数据差异值大于5%的RTU测点和PMU测点，读取5分钟时间内，以6秒为采样间隔的RTU测点和PMU测点的有功功率P、无功功率Q量测序列，来估计PMU量测值的角度误差，5分钟时间内，间隔6秒钟的相同时刻的RTU有功功率、无功功率量测与PMU有功功率、无功功率实时序列如下RTU的量测序列是有功功率Pl={pn，P12,· · ·，P1J ;无功功率Ql={qn,q12, · · ·，q1N}；PMU的量测序列是有功功率P2={p21, p22, · · ·，p2N}；
无功功率Q2={q21,q22, · · ·，q2N}；其中，N=50;对于RTU的量测序列和PMU量测序列P1、P2、Q1、Q2进行常规滤波计算，生成计算用量测序列，依然记为P1、P2、Q1、Q2 ；分别估计PMU量测序列与RTU量测序列的相角差
IN.QRTU 相角差= TrHarc;
Λ i=1PziPMU 相角替_ =去 Σ arc ;·
^ i = lPlf根据RTU相角差和PMU相角差，计算PMU角度误差估计值PMU角度误差估计值θ Θ _(4)以日为单位，统计PMU角度误差分布，计算其标准偏差与均值，得到一天的PMU角度误差，作为对PMU角度误差进行现场校验数据。本发明方法的效果是，通过与量测正常RTU比较，评估PMU的数据质量，估计角度误差，为现场校核提供统计依据。
下面结合附图对本发明再作进一步详细的说明。图I是PMU数据质量评估与角度误差估计发明方法的原理流程图。
具体实施例方式下面结合说明书附图I对本发明的技术方案作进一步详细说明。本发明利用RTU量测数据的与PMU数据差异比较，来评估PMU数据质量与估计角度误差的方法。根据同一时刻，调度中心采集到的量测数据，选取同一物理测点，状态估计后RTU量测合格的RTU量测与对应的PMU量测，进行差异比较，来评估PMU量测数据质量，估计角度误差，其技术实现过程如下(I)在电网调度中心“能量管理系统”实时库中，选择状态估计后，RTU量测合格、PMU量测与RTU量测都存在的测点，为评估统计对象，然后剔除PMU值或RTU值小于10_3的测点，建立”数据误差比较集”。这里量测合格标志，直接从EMS的状态估计结果表中获得，对于状态估计后不合格的RTU量测，不参与此算法过程。(2)对”数据误差比较集”的测点，每一秒钟取一次实时量测，读取同一时间点上的RTU量测与PMU实时数据，计算数据差异值，判断PMU量测是否合格，记录时刻、测点名称、差异值、合格状态，存入数据库。数据差异值计算公式Diff=| (Vp-Vr)/Vs I这里Vr为测点的RTU量测值。Vp为对应时刻测点的PMU实时数据值。I I为绝对值计算。Vs为基准值。如两测点，500kv线路一侧的RTU与PMU量测分别如下，计算结果
有功功率339MW，340MW Diff = | 339-240 |/1082=0. 0924%, PMU 量测合格。无功功率43Mvar, 5IMvar Diff = | 43-511/1082=0. 7%, PMU 量测合格。对500kv线路，功率的基准值为1082。(3)对步骤(2)所计算的某时刻无功或有功差异值大于5%的RTU测点和PMU测点，读取5分钟长度内的间隔6秒钟的相应测量的有功功率P、无功功率Q量测序列，来估计PMU实时数据的角度误差。5分钟内，间隔6秒钟的相同时刻的RTU有功功率、无功功率量测与PMU有功功率、无功功率实时序列如下(6秒钟取一个点，N=50)RTU的量测序列是有功功率Pl={pn,P12, · · ·，P1J ；
无功功率Ql={qn, q12, · · ·，q1N} ；PMU的实时数据序列是有功功率P2={p21, p22, · · ·，p2N}；无功功率Q2={q21,q22, · · ·，q2N}；角度误差估计算法如下a)对于量测序列P1、P2、Q1、Q2，进行常规滤波计算，剔除异常数据，生成计算用量测序列，依然记为P1、P2、Q1、Q2。b)估计PMU与RTU两序列P、Q的相角差，实现算法如下
I 1QRTU 相角差沒=—Σ arc
N i=lP21
I ^ -,QPMU 相角差沒=—Σ arc
' N i=1puc) PMU角度误差估计值Θ Θ rtu表I实时数据序列及计算结果
序号 <i) p2iq2iarctg(q2i/p2i)pliqliarctg(qli/pli)
1— -294.5'38.5'-0. 129992855 -298.84731.1239—-0. 103772493
2-293~37.5—-0· 12729431 ~-298.84731. 1239■ -Q. 103772493
3— -293.5 ■37.5'-Q.127079783 -298.84 31.1239—-Q. 103772493
4-292.5一37,5—-Qt 127509558 ~-297.98231.1239■ -0. 104071562
5— 295~38.5'0.129774996 :297.98231.1239—Q.104071562
6-293.5~ 39—-0· 132105154 —:297.98231.1239' -0. 104071562
7-295~38.5—-0. 129774996 ~-299.71131.1239' -0. 103475473
8-294~ 38_-0. 128539071 ~一299.71131. 1239_ -Q. 103475473
9-294.5~38.5—-0. 129992855 ~-299.71131. 1239■ -Q. 103475478
10-292.5一 38—-0. 129190953 ~-299.71131. 1239° -0. 103475473
11-293~ 38—-0. 12897293 ~-299.71131. 1239■ -0. 103475473
12-293.5~38.5—-0. 130430763 ~-299.71131. 1239■ -0. 103475473
13I -294.5 I38.5| -0. 129992855 丨 々99.711 | 31. 1239丨-0. 10347547权利要求
1.一种基于差异比较的调度中心PMU数据质量评估与角度误差估计方法，该方法的特征在于其包括以下步骤 (1)在电网调度中心“能量管理系统”实时库中，选择状态估计后RTU量测合格、并且PMU量测与RTU量测都存在的测点，为评估统计对象，然后剔除PMU量测值或RTU量测值小于10_3的测点，建立“数据误差比较集”； (2)对“数据误差比较集”的测点，每6秒钟取一次实时量测，读取同一刻的RTU量测与PMU量测，计算数据差异值，判断PMU量测是否合格，记录时刻、测点名称、差异值、合格状态，存入数据库； 数据差异值计算公式Diff=| (Vp-Vr)/Vs I ； 其中Vr为测点的RTU量测值， Vp为对应时刻测点的PMU量测值， I I为绝对值计算，Vs为相应量测量的基准值，基准值选取如下 对于变压器、线路有功、无功500kV电压等级取1082MVA，330kV电压等级取686MVA，220kV电压等级取305MVA，IlOkV电压等级取132MVA ； 发电机取其视在功率； 本算法中涉及量测类型有用功功率、无功功率； PMU量测值与RTU量测值的差异小于5%的PMU量测值判断是合格量测； (3)对步骤(2)所计算的某时刻的数据差异值大于5%的RTU测点和PMU测点，读取5分钟时间内，以6秒钟为采样间隔的RTU测点和PMU测点的有功功率P、无功功率Q量测序列，来估计PMU量测值的角度误差，5分钟时间内，间隔6秒钟的相同时刻的RTU有功功率、无功功率量测与PMU有功功率、无功功率实时序列如下 RTU的量测序列是有功功率Pl={pn，P12, · · · , Pm!；无功功率Ql={qn, q12, . . .，q1N}; PMU的量测序列是有功功率P2-{p2i，P22，· · ·，P2J ;无功功率Q2-{q21, q22> · · ·，Q2n^ ; 其中，N=50 ； 对于RTU的量测序列和PMU量测序列P1、P2、Q1、Q2进行常规滤波计算，生成的计算用量测序列，依然记为:P1、P2、Q1、Q2 ； 分别估计PMU量测序列与RTU量测序列的相角差 IQ RTU 相角差Ito 二); Λ /=1P21 PMU 相角差=每 Σ arctgi^)；Λ i=iPu 根据RTU相角差和PMU相角差，计算PMU角度误差估计值 PMU角度误差估计值θ Θ rtu ； (4)以日为单位，统计PMU角度误差分布，计算其标准偏差与均值，得到一天的PMU角度误差，作为对PMU角度误差进行现场校验数据。
全文摘要
一种利用RTU量测数据的与PMU数据差异比较，来评估PMU数据质量、估计PMU角度误差的方法，属于电力系统自动化技术领域，所解决的是现场PMU数据质量评估与角度误差估计的方法问题。该方法利用同一物理测点的RTU量测数据的与PMU量测数据差异比较，来评估PMU数据质量，根据同一时刻，调度中心实时数据库的量测数据，选取同一物理量测，对状态估计后精度正常的RTU量测与PMU量测，进行差异比较，评估PMU量测质量，估计PMU角度误差。
文档编号G06F19/00GK102902894SQ20121042173
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月29日 优先权日2012年10月29日
发明者齐文斌, 徐兴伟, 肖晓春, 邵广惠, 李志学, 侯凯元, 娄志辉, 岳涵, 王 华, 孟显, 夏德明, 吴萌, 王肇光, 肖秀斌, 杨宁, 郭艳娇, 张晓华, 李满坡, 孟令愚, 马新, 刘家庆, 李泽宇, 贾伟, 高德宾 申请人:东北电网有限公司, 北京四方继保自动化股份有限公司