一种配电网简单状态估计的实用方法与流程

本发明涉及一种电气领域状态估计用的方法，特别是涉及一种配电网简单状态估计的实用方法。

背景技术：

状态估计也被称为“滤波”，是利用量测系统的冗余度来排除不合理的错误数据，提高数据的精度，估计系统的运行状态，给出可信、一致的潮流数据。配电网状态估计是配电网分析的基础，可以为无功优化、电压无功控制等高级应用提供可信、一致的基础数据。提高数据可靠性的同时，提高各高级应用的实用化水平。

目前，配电网量测配置少、智能化和自动化水平较低。将用采配变的计量信息作为伪量测，依然不能得到较高的冗余度，但可以估计出系统临近不可观测情况下系统最可信的运行状态。

配电网目前只有馈线进线开关和少数的分段开关、负荷开关具有量测配置，且存在因数据采集与通信通道等问题造成的量测不准确的问题，配电主站与用采系统时间的不同步性，造成系统间数据断面不匹配的问题。

现有技术中简化了电气连接关系，认为一条馈线生成一个配电子岛，依据电路的基尔霍夫定律进行遥测数据的预处理，由负荷分配和负荷聚集进行开关的遥测补齐，采用分区段进行局部状态估计的方法。而实际中，馈线间联络开关合位时，不能确定负荷/配变由哪段馈线供电，不能简单的将一条馈线生成一个配电子岛，简化电气连接关系不合理；实际并不是所有配变均有量测配置和量测数据，也难以保证用采配变和配电主站完全匹配，现有技术处理负荷/配变的方式是不合理的；现有技术中认为开关/刀闸的遥信值是正确无误的，只对开关遥测值进行预处理，处理方式与实际情况不符。

技术实现要素：

本发明的目的，是结合配电网运行现状，提供一种配电网简单状态估计的实用方法，从而辨识开关/刀闸的遥信值，补齐开关遥测值，估计出最可信的系统运行状态。

本发明的技术方案如下：

一种配电网简单状态估计的实用方法，包括如下步骤：

(1)历史断面数据匹配

读取用采系统每日96点功率曲线数据和对应的断面时刻，在配电主站断面中选取时间最接近该断面时刻的断面和此断面时刻前5分钟和后5分钟的断面，选取用采配变的功率曲线有功数据，通过台区号建立主站配变与用采配变的匹配关系，通过计算两个系统间3个断面中相匹配的配变有功功率误差，以误差最小的主站断面与用采系统进行拼接，以用采断面时刻作为拼接后完整断面的断面时刻；以用采配变的功率曲线数据赋值主站侧相匹配的配变低压绕组功率量测；

(2)配电网拓扑树生成

首先，第一条线bus1与第二条线bus2表示两条馈线间联络开关合位的情形，当第一条线bus1、第二条线bus2侧负荷总和均大于或均小于各自进线开关的功率量测(如：100kW)时，说明量测不准，暂时不生成拓扑树；若第一条线bus1侧总负荷小于第一条线bus1侧进线开关量测，而第二条线bus2侧总负荷大于第二条线bus2侧进线开关量测，说明联络开关功率由第一条线bus1流向第二条线bus2，由第二条线bus2侧的进线开关开始，依据电气连接关系遍历分位的普通开关，当聚集的负荷量大于进线开关为止，将此开关上游的分位开关作为解开环网的开关，分别对第一条线bus1与第二条线bus2侧以此解开环网的开关为截止条件生成拓扑树；反之亦然；

经过上述步骤，对所有馈线生成拓扑树，生成拓扑树的过程为：不计开关/刀闸的状态，以分位的联络开关或者指定的开关为边界进行深度优先搜索，生成包含母线、开关/刀闸、负荷/配变设备的拓扑树，方便搜索设备；拓扑过程中，以根节点即变电站出口母线向线路末端递归搜索，并标注功率的流向，即依据先搜索到设备的nd还是znd来确定该设备的功率流向；

(3)开关遥信辨识

根据设备的上下游拓扑关系、上游设备的状态和量测值、下游设备是否带电、有无其他电源接入等信息基于以下原则判断开关的状态:

分位状态的开关/刀闸下游连接量测绝对值大于0的负荷/配变，且无其它电源供电，则准确辨识此开关/刀闸为合位且修正为合位；

状态分位且量测绝对值大于0的开关/刀闸下游没有负荷/配变，开关/刀闸状态与量测矛盾的情形，此开关/刀闸遥信可疑；

开关/刀闸状态合位，下游负荷/配变与开关量测均为0且上游无分位的开关/刀闸，则此开关/刀闸遥信可疑；

对于抖动变化的开关，由于无法确定其真实状态，采用以上原则可以准确辨识为合位，或者辨识为可疑分位；

(4)遥测补齐

经过遥信辨识、配电子岛生成后，统计各配电子岛内各连接点的注入功率，经过以下过程确定支路的电流与功率：

f)假设全网电压为根节点电压U，已知各连接点功率、支路电阻G与电抗B参数、依据下列公式可计算出支路功率；

$P_{ij}=U_i^2{G}_{ij}+U_i{U}_j(G_{ij}\cos q_{ij}+B_{ij}\sin q_{ij})$

$Q_{ij}=N_i^2{B}_{ij}+U_i{U}_j(G_{ij}\sin q_{ij}+B_{ij}\cos q_{ij})$

g)逆着功率流向，根据节点注入功率与支路功率往前推算，计算各支路功率与电流；

h)顺着功率流向，根据各支路功率和首节点电压，计算支路电压降；

i)重复b、c两个过程，直到所有节点的电压差小于一个限定值或者达到指定的计算次数为止；

j)合位的开关两侧连接的线段序号为sec、zsec，以不为-1的一侧的线段序号找到线段，以该线段电流、有功、无功补齐开关的电流、功率量测；若sec与isec均为-1，统计开关两侧连接的线段，若线段另一端的节点号zbs大于开关的bs，则分别将该线路电流、有功、无功进行求和，以求和后结果补齐开关的电流、功率量测；

(5)合环分析

生成拓扑树并遥信辨识之后，进行分区段、母线分析、电气岛分析生成配电子岛；

(6)考核统计

遥信辨识并修正后，以分位状态、有功率量测的开关为边界生成区段，以区段中上游的开关为功率流入开关，其余为功率流出开关，计算功率的差值进行区域不平衡统计，不平衡量包含有功与无功；设定电压上下限，母线电压量测与电压上下限相比进行母线电压越限统计，对于单相模型，电压取AB相线电压，取A、B、C三相中电流量测最大值与开关的遮断容量进行开关重载/越限分析；大于设定值小于100％为重载，大于100％为越限；

拓扑失败馈线的原因分为：馈线找不到母线、馈线找不到进线开关与馈线间合环；生成配电子岛过程中，以一侧变电站出口母线搜索到另一出口母线则合环，统计合环馈线；对每个配电子岛，其岛内负荷总和与进线开关功率量测进行初始网损统计；经过考核统计功能，直观展示状态估计的结果和效果；

(7)日负荷预测

历史断面数据匹配得到的完整数据断面，每天有96个完整的数据断面，将每日96个数据断面依据线性插值方法得到每日288个数据断面，依据相似日即待预测日期向前10天相似日期的负荷数据与线性外推的预测方法，针对与用采配变相匹配的配变，进行日负荷预测；预测待预测日24小时的负荷数据，结合配电主站实时数据进行实时状态估计。

进一步地，在所述步骤(1)中，对于匹配不上的配变，若高压侧绕组功率量测有功、无功不成对出现，以该配变所属馈线的进线开关的功率因数计算无功，使配变高压侧有功、无功量测成对出现；若主站高压侧负荷无量测，则以该配变连接的负荷开关的功率量测赋值高压侧绕组功率量测，同样要保证有功、无功成对出现。

进一步地，所述步骤(3)具体过程为：

e)遍历量测大于0的负荷/配变，由拓扑树中的层级关系找到上游的负荷开关，若该负荷开关分位，则说明该开关状态错误，并修正为合位；

f)以线路末端向线路首端的方向遍历分位的普通开关，以该开关向线路末端(根据功率流向确定)搜索量测大于0的负荷/配变或者修正为合位的开关，若搜索到，则此分位的普通开关状态错误，并修正为合位；若未搜索到负荷/配变且该分位的普通开关的电流量测大于0，则说明该分位开关状态可疑；

g)遍历量测为0的负荷/配变，依据拓扑树中的层级关系搜索上游的合位开关，若搜索到的合位开关电流量测为0，且该合位开关到根节点不存在分位的开关，则说明此合位开关状态可疑；

h)开关辨识结束后，判断准确辨识/可疑辨识的开关是否抖动变化的开关，若是，则保存为准确合位或者可疑分位。

进一步地，在所述步骤(5)中，对于闭环设计、开环运行的配电网，由于瞬时性的开关组合操作、遥信数据问题造成馈线间合环；表现为电气岛分析时从一条变电站出口母线搜索到另一条变电站出口母线，采用前推回代潮流计算无法处理这种馈线间合环的情况，在生成配电子岛时，将馈线间合环的馈线过滤，不参与潮流计算和量测补齐；其中，双电源供电实际只能由一端供电，通过备自投设备确定的情形不属于合环，需将双电源供电的负荷拆分成两个独立的负荷，分别由两端电源供电，合环分析时过滤掉双电源供电的情况。

本发明的有益效果在于：

(1)根据开关/刀闸设备的上下游拓扑关系、上下游设备的量测信息、负荷/配变是否带电、有无其他电源接入等信息进行开关/刀闸遥信辨识，能够准确判断出遥信错误的开关、遥信可疑的开关、准确合位与可疑分位的抖动变化开关。具有显著的辨识效果。

(2)采用近似潮流计算补齐开关的电流与功率量测的方法，不存在计算不收敛的情况，相比正交变换、最小二乘估计、奇异值分解等状态估计方法，具有较快的计算速度和精度。

(3)针对配电网只有进线开关和部分普通开关有量测配置、有功与无功功率不成对出现、量测配置低的现状，本发明在较少的量测配置现状下也能估计出系统最可信的运行状态。

附图说明

图1所示为bus1与bus2两条馈线间联络开关合位的情形。

图2所示为开关遥信辨识步骤的示例，其中k2、k3为状态可疑的开关。

图3所示为遥测补齐步骤中，以线段sec1、sec2、sec3的电流、功率之和补齐开关相应量测的示例。

具体实施方式

本发明中的技术术语阐述如下：

拓扑树生成：根据电气设备的连接节点，搜索相关联的设备，以表征父子兄弟关系的树存储结构存储搜索到的设备。生成的拓扑树表征设备间的连接关系和上下游层次关系。本发明生成一种包含母线、开关、负荷/配变等设备的树状存储结构，便于查找设备连接关系和层次关系的拓扑树。

日负荷预测：针对配变历史负荷数据，通过相似日线性外推方法预测未来24小时内每五分钟的负荷数据，以预测的负荷值作为实时负荷量测数据进行实时数据分析。

遥信辨识：开关/刀闸遥信值分为：合位与分位(即开关/刀闸的状态)，通过开关/刀闸上下游设备是否带电、设备量测值、开关/刀闸遥测值来判断开关的状态是否正确。能够准确判断出不正确的开关，更正其遥信值(即状态)；判断为遥信值(状态)可疑的开关，对其标识。

遥测补齐：以配电网前推回代法估算出各支路的电流、有功、无功，统计开关与开关关联支路的关系，将关联支路的电流、有功、无功赋予量测缺失的开关对应量测。

历史断面数据匹配：配电自动化系统主站断面数据与用电采集系统配变断面数据的匹配，配电主站配变与用采配变通过台区号进行匹配，将用采配变的功率赋值主站侧相匹配配变的低压侧绕组功率。

深度优先搜索：深度优先搜索属于图算法的一种，英文缩写为DFS即Depth First Search.其过程简单来说是对每一个可能的分支路径深入到不能再深入为止，而且每个节点只能访问一次。

下面结合附图，对本发明的技术方案作详细的阐述。

本发明包括如下具体步骤：

1、历史断面数据匹配

为进行潮流计算，需要配电网所有负荷/配变点都有负荷数据，然而由于现场量测配置不足，或者量测终端处于待修复的状态，难以保证所有负荷点的负荷数据。接入营销系统的计量数据，依据台区号将配电主站配变与用采配变进行匹配，以用采配变的功率曲线数据赋值主站侧相匹配的负荷/配变数据。

读取用采系统每日96点功率曲线数据和对应的断面时刻，在配电主站断面中选取时间最接近该断面时刻的断面和此断面时刻前5分钟和后5分钟的断面，选取用采配变的功率曲线有功数据，通过台区号建立主站配变与用采配变的匹配关系，通过计算两个系统间3个断面中相匹配的配变有功功率误差，以误差最小的主站断面与用采系统进行拼接。以用采断面时刻作为拼接后完整断面的断面时刻。

以用采配变的功率曲线数据赋值主站侧相匹配的配变低压绕组功率量测；对于匹配不上的配变，若高压侧绕组功率量测有功、无功不成对出现，以该配变所属馈线的进线开关的功率因数计算无功，使配变高压侧有功、无功量测成对出现；若主站高压侧负荷无量测，则以该配变连接的负荷开关的功率量测赋值高压侧绕组功率量测，同样要保证有功、无功成对出现。

2、配电网拓扑树生成

依据设备的电气连接关系，不考虑开关/刀闸的开合状态，采用深度优先搜索的策略遍历所有的设备，生成表征上下游设备连接关系的拓扑树。由于负荷转供、网络重构、检修等操作，造成馈线下部分负荷通过联络开关由其它馈线供电的情况。不能简单的将一条馈线下所有设备生成拓扑树。

由图1所示:bus1与bus2两条馈线间联络开关合位的情形，当bus1、bus2侧负荷总和均大于或均小于各自进线开关的功率量测(如：100kW)时，说明量测不准，暂时不生成拓扑树；若bus1侧总负荷小于bus1侧进线开关量测，而bus2侧总负荷大于bus2侧进线开关量测，说明联络开关功率由bus1流向bus2，由bus2侧的进线开关开始，依据电气连接关系遍历分位的普通开关，当聚集的负荷量大于进线开关为止，将此开关上游的分位开关作为解开环网的开关，分别对bus1与bus2侧以此解开环网的开关为截止条件生成拓扑树；反之亦然。

图1之后，对所有馈线生成拓扑树，生成拓扑树的过程为：不计开关/刀闸的状态，以分位的联络开关或者指定的开关为边界进行深度优先搜索，本发明暂且只生成包含母线、开关/刀闸、负荷/配变设备的拓扑树，方便搜索设备。拓扑过程中，以根节点(变电站出口母线)向线路末端递归搜索，并标注功率的流向，即依据先搜索到设备的nd还是znd来确定该设备的功率流向。

3、开关遥信辨识

根据设备的上下游拓扑关系、上游设备的状态和量测值、下游设备是否带电、有无其他电源接入等信息基于以下原则判断开关的状态:

分位状态的开关/刀闸下游连接量测绝对值大于0的负荷/配变，且无其它电源供电，则准确辨识此开关/刀闸为合位且修正为合位；

状态分位且量测绝对值大于0的开关/刀闸下游没有负荷/配变，开关/刀闸状态与量测矛盾的情形，此开关/刀闸遥信可疑；

开关/刀闸状态合位，下游负荷/配变与开关量测均为0且上游无分位的开关/刀闸，则此开关/刀闸遥信可疑。

对于抖动变化的开关，由于无法确定其真实状态，采用以上原则可以准确辨识为合位，或者辨识为可疑分位。

具体过程为：

i)遍历量测大于0的负荷/配变，由拓扑树中的层级关系找到上游的负荷开关，若该负荷开关分位，则说明该开关状态错误，并修正为合位；

j)以线路末端向线路首端的方向遍历分位的普通开关，以该开关向线路末端(根据功率流向确定)搜索量测大于0的负荷/配变或者修正为合位的开关，若搜索到，则此分位的普通开关状态错误，并修正为合位；若未搜索到负荷/配变且该分位的普通开关的电流量测大于0，则说明该分位开关状态可疑；

k)遍历量测为0的负荷/配变，依据拓扑树中的层级关系搜索上游的合位开关，若搜索到的合位开关电流量测为0，且该合位开关到根节点不存在分位的开关，则说明此合位开关状态可疑；

l)开关辨识结束后，判断准确辨识/可疑辨识的开关是否抖动变化的开关，若是，则保存为准确合位或者可疑分位。

如图2中，开关k2、k3为状态可疑的开关。

4、遥测补齐

经过遥信辨识、配电子岛生成后，统计各配电子岛内各连接点的注入功率，经过以下过程确定支路的电流与功率：

k)假设全网电压为根节点电压U，已知各连接点功率、支路电阻G与电抗B参数、依据下列公式可计算出支路功率；

$P_{ij}=U_i^2{G}_{ij}+U_i{U}_j(G_{ij}\cos q_{ij}+B_{ij}\sin q_{ij})$

$Q_{ij}=N_i^2{B}_{ij}+U_i{U}_j(G_{ij}\sin q_{ij}+B_{ij}\cos q_{ij})$

l)逆着功率流向，根据节点注入功率与支路功率往前推算，计算各支路功率与电流；

m)顺着功率流向，根据各支路功率和首段节点电压，计算支路电压降和各节点电压；

n)重复b、c两个过程，直到所有节点的电压差小于一个限定值或者达到指定的计算次数为止；

o)合位的开关两侧连接的线段序号为sec、zsec，以不为-1的一侧的线段序号找到线段，以该线段电流、有功、无功补齐开关的电流、功率量测；若sec与isec均为-1，统计开关两侧连接的线段，若线段另一端的节点号zbs大于开关的bs，则分别将该线路电流、有功、无功进行求和，以求和后结果补齐开关的电流、功率量测。

如图3所示：以线段sec1、sec2、sec3的电流、功率之和补齐开关相应量测。

5、合环分析

生成拓扑树并遥信辨识之后，进行分区段、母线分析、电气岛分析生成配电子岛。对于闭环设计、开环运行的配电网，由于瞬时性的开关组合操作、遥信数据问题造成馈线间合环。表现为电气岛分析时从一条变电站出口母线搜索到另一条变电站出口母线。采用前推回代潮流计算无法处理这种馈线间合环的情况，在生成配电子岛时，将馈线间合环的馈线过滤，不参与潮流计算和量测补齐。其中，双电源供电(实际只能由一端供电，通过备自投设备确定)的情形不属于合环，需将双电源供电的负荷拆分成两个独立的负荷，分别由两端电源供电，合环分析时过滤掉双电源供电的情况。

6、考核统计

遥信辨识并修正后，以分位状态、有功率量测的开关为边界生成区段，以区段中上游的开关为功率流入开关，其余为功率流出开关，计算功率的差值进行区域不平衡统计，不平衡量包含有功与无功；设定电压上下限(如：10.7，9.3)，母线电压量测与电压上下限相比进行母线电压越限统计，对于单相模型，电压取AB相线电压；取A、B、C三相中电流量测最大值与开关的遮断容量进行开关重载/越限分析，大于设定值(如：80％)小于100％为重载，大于100％为越限；拓扑失败馈线的原因分为：馈线找不到母线、馈线找不到进线开关与馈线间合环；生成配电子岛过程中，以一侧变电站出口母线搜索到另一出口母线则合环，统计合环馈线；对每个配电子岛，其岛内负荷总和与进线开关功率量测进行初始网损统计；经过考核统计功能，直观展示状态估计的结果和效果。

7、日负荷预测

历史断面数据匹配得到的完整数据断面，每天有96个完整的数据断面，将每日96个数据断面依据线性插值方法得到每日288个数据断面，依据相似日(待预测日期向前10天相似日期的负荷数据)与线性外推的预测方法，针对与用采配变相匹配的配变，进行日负荷预测。能够预测待预测日24小时的负荷数据，结合配电主站实时数据进行实时状态估计。

本发明的技术关键点和欲保护点是什么

1.配电自动化系统主站断面数据与用采系统配变断面数据间匹配的历史断面数据匹配。

2.依据上下游设备的连接关系和层次关系、带电状态、量测值进行开关/刀闸遥信辨识。

3.以近似潮流计算后开关关联设备的潮流结果补齐量测缺失的开关电流、功率量测值，完成开关遥测补齐。

4.线性插值法补全缺失的负荷/配变历史数据，相似日与线性外推法预测配变负荷。