本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)中的狀態(tài)估計方法，具體涉及的是引入pmu支路電流相量的電力系統(tǒng)靜態(tài)狀態(tài)估計方法。

背景技術：

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，電力系統(tǒng)中的網(wǎng)絡結構日趨復雜，電力系統(tǒng)調(diào)度中心的自動化水平也需要逐步向高級發(fā)展，能量管理系統(tǒng)(energymanagementsystem,ems)得到了廣泛應用。其中狀態(tài)估計是能量管理系統(tǒng)的核心功能模塊，基于電網(wǎng)的結構、參數(shù)以及實時量測，為其他高級應用軟件提供一個可靠而完整的電力系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫，是電力系統(tǒng)運行、控制和安全評估等工作的基礎。

在基于全球定位系統(tǒng)(globalpositioningsystem,gps)的相量量測裝置(phasormeasurementunit,pmu)量測技術應用于電力系統(tǒng)之前，狀態(tài)估計的測量數(shù)據(jù)一直來自于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisorycontrolanddataacquisition,scada)系統(tǒng)。而pmu量測可以直接測量節(jié)點電壓和相角，一旦電網(wǎng)所有節(jié)點均配置有pmu，狀態(tài)估計的問題將大大簡化，基于scada的狀態(tài)估計將失去意義。

當前利用pmu量測的狀態(tài)估計模型一般或者只利用pmu量測進行線性估計，或者在scada量測的基礎上增加pmu電壓幅值和相角量測進行非線性估計，前者在當前pmu不可觀測配置的情況下難以進行，后者沒有利用pmu支路電流相量量測。支路電流幅值量測在輸電網(wǎng)狀態(tài)估計中應用較少，原因是：①電流幅值量測不易進行有功和無功解耦；②電流幅值量測不能提供方向信息，會產(chǎn)生多解性問題；③線路電納較小時，利用電流幅值量測形成雅克比矩陣可能會由于相應的雅克比舉證元素較小而產(chǎn)生數(shù)值問題?？傊?，在輸電網(wǎng)狀態(tài)估計中直接利用電流幅值量測存在不便，而支路電流的相角量測還無法直接利用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種計及pmu支路電流相量的狀態(tài)估計方法。利用pmu電壓相量和電流相量量測計算出相關支路的等值功率量測值，然后在狀態(tài)估計中加以利用，有利于提高狀態(tài)估計的精度，從而保證電網(wǎng)能夠更加穩(wěn)定的運行。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：這種計及pmu支路電流的狀態(tài)估計方法如下：

一、讀取ems系統(tǒng)中的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，包括：輸電線支路號、節(jié)點編號、變壓器變比、開關位置、網(wǎng)絡參數(shù)；

二、讀取系統(tǒng)中的實時量測值，包括：節(jié)點有功量測、節(jié)點無功量測，支路有功量測、支路無功量測，列寫系統(tǒng)量測方程如下：

z＝h(x)+v；

目標函數(shù)方程：j(x)＝[z-h(x)]^tr^-1[z-h(x)]；

三、初始化，包括：對狀態(tài)量設置初值，節(jié)點pmu進行配置，獲得節(jié)點導納矩陣，設置迭代門限；

四、輸入試量測量z，包括scada系統(tǒng)中節(jié)點有功量測、節(jié)點無功量測，支路有功量測、支路無功量測；pmu裝置測得的節(jié)點電壓幅值和相角，節(jié)點支路電流幅值和相角；

五、將電流相量變換為支路潮流，利用pmu電壓相量和電流相量量測計算出相關的等值功率量測值，然后再狀態(tài)估計中加以利用：

其中，pij和qij分別為節(jié)點i與節(jié)點j之間的支路ij的有功功率和無功功率，ii為節(jié)點i的電流，和分別為節(jié)點i的電壓相角和電流相角；pij和qij的權值按照如下誤差傳遞公式計算；

其中，為等值有功量測和等值無功量測的誤差方差，分別為電壓幅值、電流幅值、電壓相角、電流相角量測誤差的標準差；和

將電流相量變換為pmu相關節(jié)點電壓相量，利用pmu節(jié)點電壓相量和支路電流相量，推算出相關節(jié)點的電壓相量，為：

其中,為節(jié)點j的相電壓，為支路ij的電流向量，yi0為節(jié)點i的對地電容，yij為節(jié)點導納矩陣的元素；的權值按照如下誤差傳遞公式計算；

其中，為等值電壓向量量測的誤差方差，和分別為電壓幅值ui、電壓相角θ、支路電流iij和支路電流相角對應的標準差；的權值表示為

轉化的支路功率和電壓相量代入到量測方程中，進行迭代；

檢驗目標函數(shù)j(x)＝[z-h(x)]^tr^-1[z-h(x)]值是否小于收斂標準，若滿足則狀態(tài)估計結束，得到可觀測下的狀態(tài)估計誤差協(xié)方差和估計誤差總方差：

估計誤差協(xié)方差：

估計誤差總方差：

若不滿足返回步驟五繼續(xù)進行迭代；

六、將此估算結果送入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，供電力系統(tǒng)調(diào)度中心的工作人員隨時估計出電力系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)，保證系統(tǒng)正常運行。

與現(xiàn)代技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明提供的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計方法，原理可靠，和傳統(tǒng)以scada數(shù)據(jù)為主的基于同步相量狀態(tài)估計相比具有對pmu數(shù)據(jù)利用率高，符合電力系統(tǒng)中pmu裝置數(shù)量逐漸增多的發(fā)展規(guī)律；同時將pmu支路電流相量變換為支路潮流以及相關電壓相量，更有利于估計精度的提高。本發(fā)明提供的方法的估計精度較高，估計穩(wěn)定性好，可以滿足電力系統(tǒng)狀態(tài)估計要求，確保電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。

2、本發(fā)明可以緩解擴展卡爾曼濾波在電力系統(tǒng)運行正常時，狀態(tài)估計結果較為準確，但在電力系統(tǒng)的參數(shù)或運行狀態(tài)發(fā)生了變化的時候，導致濾波初期估計協(xié)方差下降太快，從而濾波不穩(wěn)定甚至發(fā)散，造成估計結果的不準確等現(xiàn)象，可以在電力系統(tǒng)發(fā)生波動時獲得較好的狀態(tài)估計值，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供實時數(shù)據(jù)的保障。

附圖說明

圖1是引入pmu支路電流相量的電力系統(tǒng)靜態(tài)狀態(tài)估計方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明采用的π型等值電路圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明：

結合圖1、圖2所示，這種引入pmu支路電流相量的電力系統(tǒng)靜態(tài)狀態(tài)估計方法如下：

將網(wǎng)絡中已知的數(shù)據(jù)輸入其中，包括結線信息狀態(tài)。

對系統(tǒng)進行初始化，為進行新的一次狀態(tài)估計做準備。

輸入scada系統(tǒng)中測得的量測量，同時將pmu裝置測得的數(shù)據(jù)同時輸入到系統(tǒng)中，使得scada系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和pmu的數(shù)據(jù)進行混合。

根據(jù)pmu配置的數(shù)量和位置判斷系統(tǒng)是否達到可觀，如果是則進行模型的假設和列寫目標函數(shù)。

在上述系統(tǒng)中，給出了系統(tǒng)支路的參數(shù)、網(wǎng)絡的結線和量測系統(tǒng)，非線性的量測方程改寫為：

z＝h(x)+v(1)

已知量測矢量z以后，狀態(tài)估計矢量為了使目標函數(shù)：

j(x)＝[z-h(x)]^tr^-1[z-h(x)](2)

達到最小x的值。式中z為量測量矢量,h(x)為量測量函數(shù)矢量，x＝e+jf為狀態(tài)矢量,v為量測誤差,r^-1為系統(tǒng)量測權重矩陣，對x進行線性化后得：

h(x)≈h(x0)+h(x0)△x(3)

h(x)是m×n階量測矢量的雅克比矩陣。

最終得到目標函數(shù)為：

j(x)＝[△z-h(x0)△x]^tr^-1[△z-h(x0)△x](4)

對其進行配方分析得：

(h^-1r^-1h)△x＝h^tr^-1(z-h(x))(5)

為量測量的雅克比矩陣，h^tr^-1h為狀態(tài)估計的信息矩陣。

線性狀態(tài)估計方程為：

pmu設備裝配系統(tǒng)將是一個漸進的過程，因此，在相當長的一段時間內(nèi)，pmu量測對系統(tǒng)還將是不完全可觀測的，在這種情況下需要利用scada量測補充pmu不可觀測的區(qū)域，進行線性狀態(tài)估計具體過程如下：

使用上標o表示pmu量測可觀測區(qū)域，上標u表示pmu量測不可觀測區(qū)域，則節(jié)點電壓方程可表示為：

其中：和分別為可觀測和不可觀測區(qū)域的節(jié)點電壓矩陣；和分別為可觀測和不可觀測區(qū)域的節(jié)點注入電流矩陣；e為單位矩陣；yi^oo為節(jié)點注入可觀自導納矩陣，yi^ou為節(jié)點注入可觀與不可觀互導納矩陣,yi^uo為節(jié)點注入不可觀和可觀互導納矩陣，yi^uu為節(jié)點注入不可觀自導納矩陣；為支路可觀電流矩陣，為支路可觀自導納矩陣，為支路可觀與不可觀互導納矩陣。

對不可觀測區(qū)域只采用了節(jié)點電壓和節(jié)點注入電流的理由：

1)節(jié)點的注入量是決定系統(tǒng)狀態(tài)的因變量，而支路電流(或功率)只是描述系統(tǒng)狀態(tài)的從變量，采用節(jié)點電壓和節(jié)點注入電流已完全可以描述不可觀測區(qū)域的狀態(tài)了。

2)不可觀測區(qū)域的節(jié)點電壓和節(jié)點注入電流可以方便的由狀態(tài)估計結果得到。

3)對pmu不可觀測區(qū)域補償節(jié)點電壓和節(jié)點注入電流量測后，已達到對系統(tǒng)的完全可觀測性。

4)不可觀測區(qū)域的節(jié)點注入電流矩陣表示為：

其中，pi和qi為注入的有功和無功功率，為的共軛陣；這里要用到節(jié)點電壓的實部和虛部，而電壓的實部和虛部要由壓的幅值和相角求出。

如果對不可觀測區(qū)域使用scada量測則得不到電壓相角，也就無法求出節(jié)點注入電流，本發(fā)明對節(jié)點電流公式進行變型以便利用scada量測。

設節(jié)點等效注入可觀導納矩陣yi^u表示為：

將式(9)帶入下式，有

整理得：

變型后的節(jié)點電流方程為：

把該節(jié)點電流方程作為線性計算的線性方程，帶入式(6)進行線性狀態(tài)估。

進行非線性狀態(tài)估計中，分別引入pmu電壓量測信息和相角量測信息、pmu功率量測信息以及pmu電流量測信息進行非線性狀態(tài)估計。

引入pmu電壓量測信息和相角量測信息進行非線性狀態(tài)估計具體過程為：

1)直接將pmu節(jié)點電壓相量量測方程加入到非線性狀態(tài)估計中，pmu電壓和相角量測方程為：

其中，和分別為節(jié)點i的pmu電壓量測信息和相角量測息，ui和θi為節(jié)點i的電壓和相角，對應的雅克比矩陣的元素為1，其他的元素均為0；這種模型與傳統(tǒng)狀態(tài)估計模型中母線電壓幅值測量值的用法完全相同，當在某條母線配置pmu時，量測方程中增加了上述2個方程以后，量測雅可比矩陣增2行，且每行只有一個取值為1的非零元素。

2)引入功率相角差；

對于含有pmu相角量測的大電網(wǎng)非線性狀態(tài)估計中，引入新量測量θij，其中節(jié)i與節(jié)點j之間的θij＝θi-θj，θj為節(jié)點j的相角；則有

這種對雅可比矩陣的修改非常簡單，可以直接用于狀態(tài)估計中。采用相角差的方法時，將不存在參考點的問題，直接量測(或計算)相角差都不依靠參考點。由于θij為節(jié)點之間的相對相角差，可以消除由于pmu和scada選取平衡節(jié)點選取不同，重新歸算產(chǎn)生的誤差，還可以消除pmu量測設備的由于共模因素引起的電壓相角誤差。θij主要約束節(jié)點間的相角差的作用。

以上兩種方法中，對于歸算誤差或共模誤差較小的pmu相角量測，可以直接用方法1)，對于誤差較大的相角量測，使用方法2)。

引入pmu功率量測信息進行非線性狀態(tài)估計具體過程為：

其中，pi^m和分別為節(jié)點i的有功功率和無功功率量測信息，pi和qi分別為節(jié)點i的有功功率和無功功率；pmu功率量測按節(jié)點注入功率和支路功率的類型，其對應的雅克比矩陣系數(shù)與scada量測功率量對應的系數(shù)一致。

直接引入支路存在困難，原因在于各支路電流是電壓相角θi和θj的函數(shù)，電流向量隨著各個節(jié)點電壓的相角變化而變化，一般情況下，各個節(jié)點相角θi和θj不能簡單地考慮為0，無法用pq解耦計算，給計算帶來了困難。

引入pmu電流量測信息進行非線性狀態(tài)估計具體過程分為以下兩種情況：

將電流量轉化為支路潮流，有

其中，pij和qij分別為節(jié)點i與節(jié)點j之間的支路ij的有功功率和無功功率，ii為節(jié)點i的電流，和分別為節(jié)點i的電壓相角和電流相角；pij和qij的權值按照如下誤差傳遞公式計算；

其中，為等值有功量測和等值無功量測的誤差方差，分別為電壓幅值、電流幅值、電壓相角、電流相角量測誤差的標準差；和

將電流相量變換為pmu相關節(jié)點電壓相量，利用pmu節(jié)點電壓相量和支路電流相量，推算出相關節(jié)點的電壓相量，為：

其中,為節(jié)點j的相電壓，為支路ij的電流向量，yi0為節(jié)點i的對地電容，yij為節(jié)點導納矩陣的元素；的權值按照如下誤差傳遞公式計算；

其中，為等值電壓向量量測的誤差方差，和分別為電壓幅值ui、電壓相角θ、支路電流iij和支路電流相角對應的標準差；的權值表示為

將此估算結果送入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，供電力系統(tǒng)調(diào)度中心的工作人員隨時估計出電力系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)，保證系統(tǒng)正常運行。

基于同步相量的狀態(tài)估計，是在各個節(jié)點加入了電壓、電流相直接可測的pmu量測量，由于技術和經(jīng)濟原因，不能任何節(jié)點都安裝pmu裝置，所以本發(fā)明是一種基于scada和pmu混合量測的靜態(tài)狀態(tài)估計方法，進而獲得更高的估計精度和估計速度，通過將加入pmu裝置的pmu數(shù)據(jù)和scada系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行融合，并且利用支路電流來得到支路功率以及相鄰節(jié)點電壓相量，使得電網(wǎng)系統(tǒng)達到可觀。這樣可以在配置較少pmu數(shù)據(jù)的情況下得到較精確的數(shù)據(jù)，可以更好的進行狀態(tài)估計。

綜上，本發(fā)明是在電力系統(tǒng)中加入pmu支路電流相量后進行靜態(tài)狀態(tài)估計的一種方法，是一種在電網(wǎng)中加入pmu裝置后進行電力系統(tǒng)狀態(tài)估計的方法。本發(fā)明首先根據(jù)系統(tǒng)中已知的數(shù)據(jù)將量測方程列寫出來。接著將pmu裝置根據(jù)系統(tǒng)經(jīng)過計算后達到可觀的要求配置到系統(tǒng)中，然后將pmu得到的數(shù)據(jù)應用到系統(tǒng)中，本發(fā)明以pmu數(shù)據(jù)為主，輔以經(jīng)過量測變換后的scada數(shù)據(jù)和pmu偽量測數(shù)據(jù)及類pmu數(shù)據(jù)對pmu可觀測不足點的數(shù)據(jù)進行補充，使系統(tǒng)達到可觀，從而使系統(tǒng)的估計精度得到提高。本發(fā)明易于在原有系統(tǒng)中配置少量pmu的基礎上增加pmu數(shù)量后的狀態(tài)估計。