专利名称：面向全pmu量测的抗差状态估计方法
技术领域：
本发明涉及电力系统分析和控制技术领域，特别涉及一种面向全PMU量测的抗差状态估计方法。
背景技术：
电力系统状态估计由F. C. Schweppe等于上世纪70年代初提出，其主要任务是利用实时量测系统的冗余性，应用估计算法来检测与剔除坏数据，自动排除随机干扰引起的错误信息，提高数据精度和一致性，以此来估计或预报系统的运行状态，为网络分析提供可信的实时潮流数据。经过几十年的发展，电力系统状态估计作为电网分析控制的数据基础，已成为能量管理系统的重要组成部分，是电力系统高级应用的核心和基石。然而现有状态估计系统在计算精度、计算速度和收敛性方面都不能满足电网在线闭环控制的要求，而且维护和调试工作量较大，阻碍了自动化水平的进一步提高。在状态估计系统中，目前应用最广泛的是最小二乘估计方法(WLS)，该方法数学模型简洁，计算方法简单，但建立在误差正态分布的假设下，在实际应用中误差分布往往与正态分布相去甚远，导致最小二乘法失去其优良特性。为弥补加权最小二乘法的不足，研究学者提出了一系列的抗差估计方法，比如最小加权绝对值方法(WLAV)，最小二次-线性函数法(QL)，最小二次-常函数法(QC)等。这些方法往往追求某种测度下的测点残差最小，但是由于测点残差并不能推得真值的任何信息，因此估计结果并不能反映系统真实状态。广域测量技术的发展使得状态估计迎来了新的契机，相量测量单元(PhasorMeasurement Unit，PMU)可提供高精度、高同步性、高采样频率的量测数据，而海南电网在国内率先实现了主网架全PMU覆盖，为完全使用PMU量测的状态估计应用提供了保证，使得秒级更新的反应系统动态特性的状态估计实现成为了可能。全PMU是指电网PMU的配置能够使得全网可观测，即每一个节点的电压和相角都能通过PMU量测直接或者间接得到。但在全PMU情况下，状态估计仍然是很有必要的。一方面PMU量测数据仍然是有误差的。误差来源主要包括来自于GPS接收器的同步误差、信号变送器的测量误差等，另一方面由于网络通讯中断、测量设备故障等情况，PMU量测数据仍然可能有不良数据的出现。从工程人员反馈的情况来看，由于各种原因，现阶段安装在电网中的PMU，其测量精度并不十分令人满意，基于全PMU的状态估计具有很强的工程应用价值。PMU量测数据不仅包括节点电压相量量测、节点注入电流相量量测和关联支路电流相量量测，还包括支路功率量测、节点注入功率量测。如果只采用相量量测，在直角坐标系下量测方程为线性方程，相应的状态估计模型也将得到一定的简化，但是此时量测冗余度相对较低，估计结果将过分依赖于量测的精度和稳定性，而在实际运行中发现，相角量测值为绝对相角值，波动很大，毫秒级的对时误差都有可能带来相角量测的波动，折合到功率上可达MW级，也就是说相角量测的精度和稳定性均得不到保障，因此需要将支路功率量测和节点注入功率量测也加入到状态估计模型中，提高量测冗余度，以此来获得高可信度的估计结果。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种面向全PMU量测的抗差状态估计方法。为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种面向全PMU量测的抗差状态估计方法，包括如下步骤S1:对电力系统的网络拓扑模型和网络参数进行初始化，更新开关量测值和PMU量测值；S2 :进行拓扑收缩和量测匹配； S3 :识别可观测节点的范围；S4:进行等效量测变换；S5 :建立状态估计模型并求解。本发明的面向全PMU量测的抗差状态估计方法显著提升状态估计系统的收敛率、合格率、计算频率，极大减轻状态估计系统维护工作量，为实现电网的快速感知、全面感知与准确感知奠定了基础。本发明的抗差状态估计方法在计算精度、计算速度以及收敛率方面较已有方法均有显著提升。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图1是在本发明面向全PMU量测的抗差状态估计方法的流程图；图2是利用本发明方法和最小二乘法对IEEE118节点系统状态估计结果误差比较图；图3是利用本发明方法和最小二乘法对IEEE118节点系统状态估计结果合格率比较图；图4是在本发明第二优选实施方式中全PMU状态估计合格率分钟曲线图；图5是在本发明第二优选实施方式中全PMU状态估计合格率日曲线图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。本发明提出了一种面向全PMU量测的抗差状态估计方法，如图1所示，包括如下步骤S1:对电力系统的网络拓扑模型和网络参数进行初始化，更新开关量测值和PMU量测值；
S2 :进行拓扑收缩和量测匹配；S3 :识别可观测节点的范围；S4 :进行等效量测变换；S5 :建立状态估计模型并求解。在本发明的一种优选实施方式中，该面向全PMU量测的抗差状态估计方法具体包括如下步骤第一步对电力系统的网络拓扑模型和网络参数进行初始化，更新开关量测值和PMU量测值。具体是输入以下参数电力系统的网络拓扑模型和电力系统的网络参数，电力系统的网络拓扑模型包括发电机、输电线路、变压器、断路器、刀闸、电容电抗器、负荷、母线 等设备的关联关系，电力系统的网络参数包括输电线路的串联电阻、串联电抗、并联电导和并联电纳，变压器的变比和阻抗，并联在输电线路或母线上的电容器和电抗器的阻抗。从PMU量测中获取以下数据各母线节点的电压相量、电流相量、有功功率和无功功率的实时量测值；各输电线路首末端的电流相量、有功功率和无功功率的实时量测值；各变压器每个绕组的电流相量、有功功率和无功功率的实时量测值。从RTU量测中获取以下数据各断路器、刀闸的实时开关量测值。第二步进行拓扑收缩和量测匹配，包括如下步骤S21 :根据开关量测值和网络拓扑模型，获取连通的电气岛并将电气岛收缩为拓扑岛。具体是根据开关量测值和设备物理连接关系，采用深度优先搜索算法，获取连通的电气岛。将电气岛内所有零阻抗相连的物理节点收缩为一个拓扑节点，将输电线路和变压器等值为拓扑支路，电容电抗器等值为接地电纳，从而将电气岛收缩为拓扑岛。S22 :将PMU量测值匹配到拓扑岛中相应的拓扑节点和拓扑支路上。具体是队拓扑节点i，电流相量量测为该节点所连所有发电机和负荷的电流相量量测之和，记为；电压相量量测为该节点所连所有设备电压相量量测的平均值，记为GmZ矿；有功功率量测为该节点所连所有发电机和负荷的有功功率量测之和，记为;无功功率量测为该节点所连所有发电机和负荷的无功功率量测之和，记为α"。拓扑支路I的首端节点为i，末端节点为j，其首末端电流相量、功率量测为对应输电线路或变压器的首末端电流相量和功率量测，分别记为,if m ^ ββ，其中，C为节点i电流相量的相角，为节点i电压相量的相角，％为支路I首端电流相量的相角力支路I末端电流相量的相角，m表示量测量。第三步识别可观测节点的范围，在本实施方式中，采用图论方法进行可观测分析，并根据PMU的安装特点，做如下假设电压相量、电流相量的幅值和相角总是成对出现；电流相量量测和功率量测总是成对出现。在本实施方式中，识别可观测节点的范围包括如下步骤S31 :重置可观测节点集合，遍历所有拓扑节点，如果有电压相量量测，则所述拓扑节点可观测，将该拓扑节点加入可观测节点集合；S32 :遍历集合外所有拓扑节点，如果存在拓扑支路与任一可观测拓扑节点相连，且该拓扑支路上存在电流相量量测，则该拓扑节点可观测；如果该拓扑支路上无电流相量量测，但对应的可观测拓扑节点上有电流相量量测，且与可观测拓扑节点关联的其他拓扑节点均可观测，则该拓扑节点可观测，将该拓扑节点加入到可观测节点集合。
第四步进行等效量测变换，在本实施方式中，等效量测变换包括支路电流相量量测变换和节点电流相量量测变换，其中，支路电流相量量测变换是将支路电流相量转化为节点的电压相量，节点电流相量量测变换是将节点注入电流相量转化为节点注入功率。转化后的节点注入功率、节点的电压相量可以作为虚拟量测加入到状态估计模型中。具体支路电流相量量测变换为假设支路电阻为ru，电抗为xu，单端接地导纳为y。，则变换公式如下
权利要求
1.一种面向全PMU量测的抗差状态估计方法，其特征在于，包括如下步骤 51:对电力系统的网络拓扑模型和网络参数进行初始化，更新开关量测值和PMU量测值； 52:进行拓扑收缩和量测匹配； 53:识别可观测节点的范围； 54:进行等效量测变换； 55:建立状态估计模型并求解。
2.如权利要求1所述的面向全PMU量测的抗差状态估计方法，其特征在于，所述步骤S2中进行拓扑收缩和量测匹配包括如下步骤 521:根据开关量测值和网络拓扑模型，获取连通的电气岛并将电气岛收缩为拓扑岛； 522:将PMU量测值匹配到拓扑岛中相应的拓扑节点和拓扑支路上。
3.如权利要求2所述的面向全PMU量测的抗差状态估计方法，其特征在于，将所述电气岛收缩为拓扑岛的方法是将电气岛内所有零阻抗相连的物理节点收缩为一个拓扑节点，将输电线路和变压器等值为拓扑支路，电容电抗器等值为接地电纳，从而将电气岛收缩为拓扑岛。
4.如权利要求1或2所述的面向全PMU量测的抗差状态估计方法，其特征在于，所述步骤S3中识别可观测节点的范围包括如下步骤 531:重置可观测节点集合，遍历所有拓扑节点，如果有电压相量量测，则所述拓扑节点可观测，将所述拓扑节点加入可观测节点集合； 532:遍历集合外所有拓扑节点，如果存在拓扑支路与任一可观测拓扑节点相连，且所述拓扑支路上存在电流相量量测，则所述拓扑节点可观测；如果所述拓扑支路上无电流相量量测，但对应的可观测拓扑节点上有电流相量量测，且与可观测拓扑节点关联的其他拓扑节点均可观测，则所述拓扑节点可观测，将所述拓扑节点加入到可观测节点集合。
5.如权利要求1所述的面向全PMU量测的抗差状态估计方法，其特征在于，所述等效量测变换包括支路电流相量量测变换和节点电流相量量测变换，所述支路电流相量量测变换是将支路电流相量转化为节点电压相量，所述节点电流相量量测变换是将节点注入电流相量转化为节点注入功率。
6.如权利要求1所述的面向全PMU量测的抗差状态估计方法，其特征在于，所述状态估计模型为最大合格率状态估计模型。
7.如权利要求6所述的面向全PMU量测的抗差状态估计方法，其特征在于，所述最大合格率状态估计模型为 mmin X./'UA) λ' ., =l s. t. Cli= (hj (X) -Zi) /Ui, V =", g (X) =Oh (X)彡 0 其中，Cli=Qli (X)-Zi)/Ui为测点i在估计x下的相对偏离，Zi为测点i的量测值，hd ·)为测点i的量测函数，Ui为常量，测点评价函数 Mdi)= δ (Cli)+δ (-Cli),其中
全文摘要
本发明提出了一种面向全PMU量测的抗差状态估计方法，包括如下步骤对电力系统的网络拓扑模型和网络参数进行初始化，更新开关量测值和PMU量测值；进行拓扑收缩和量测匹配；识别可观测节点的范围；进行等效量测变换；建立状态估计模型并求解。本发明的面向全PMU量测的抗差状态估计方法显著提升状态估计系统的收敛率、合格率、计算频率，极大减轻状态估计系统维护工作量，为实现电网的快速感知、全面感知与准确感知奠定了基础。本发明的抗差状态估计方法在计算精度、计算速度以及收敛率方面较已有方法均有显著提升。
文档编号G06Q50/06GK103020726SQ20121042262
公开日2013年4月3日 申请日期2012年10月29日 优先权日2012年10月29日
发明者金小明, 魏国清, 顾志东, 黄良毅, 方兵, 何光宇, 王彬, 杨文轩 申请人:南方电网科学研究院有限责任公司, 清华大学, 海南电网公司