電網(wǎng)狀態(tài)估計及其擴展的理論研究.pdf

1、電網(wǎng)實現(xiàn)調(diào)度自動化,狀態(tài)估計是前提和基礎(chǔ)。在SCADA系統(tǒng)日益完善和普及條件下,電網(wǎng)狀態(tài)估計的理論研究與實踐工作不斷成熟,從上某種意義上講,電網(wǎng)已步入自動化的時代。然而,伴隨GPS的廣域量測技術(shù)的出現(xiàn),節(jié)能減排政策的出臺,以及電網(wǎng)抵御意外擾動水平要求的提高等,對電網(wǎng)狀態(tài)估計的理論研究與實踐來講,無論從深度上還是廣度上都提出若干新的問題,如相量量測單元(PMU)與現(xiàn)有狀態(tài)估計的關(guān)系、貢獻(xiàn)及混合估計的方法等問題,從更廣角度的計及模擬量、開關(guān)

2、量及參量的廣義電網(wǎng)狀態(tài)估計問題,側(cè)重于輸電元件能力挖掘的在線動態(tài)定值問題,基于在線監(jiān)測的狀態(tài)檢修技術(shù)等實施中涉及的參量、特征量的估計問題等,都需要對現(xiàn)有的電網(wǎng)狀態(tài)估計理論研究進行再深入和擴展。在此背景下,本文圍繞電網(wǎng)狀態(tài)估計及其擴展展開深入細(xì)致的理論研究具有重要意義,研究的內(nèi)容和取得的進展可總結(jié)如下:
　　 (1)分析、研究了PMU的引入對僅依據(jù)SCADA系統(tǒng)的電網(wǎng)狀態(tài)估計帶來的影響,并提出了一種相應(yīng)的解決方法,進一步完善電網(wǎng)狀

3、態(tài)估計的理論。PMU可以直接測量節(jié)點電壓相量,即電網(wǎng)狀態(tài)變量(節(jié)點電壓幅值和相角),與SCADA量測相比,前者是狀態(tài)變量的顯函數(shù),而后者則是狀態(tài)變量的隱函數(shù),可見依據(jù)SCADA系統(tǒng)的狀態(tài)估計必須在電網(wǎng)可觀測條件下進行,而依據(jù)PMU的狀態(tài)估計可以在局部可觀測條件下進行。顯然,若PMU量測精度足夠高,且實現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)可觀,則不再需要電網(wǎng)狀態(tài)估計；若PMU量測精度足夠高,但只實現(xiàn)電網(wǎng)局部狀態(tài)可觀,則依據(jù)SCADA量測的電網(wǎng)狀態(tài)估計將視PMU配置

4、情況而得到不同程度簡化。針對后者,本文就電網(wǎng)狀態(tài)估計中可觀測性問題,狀態(tài)估計的算法問題,以及不良數(shù)據(jù)識別問題等,就PMU引入對電網(wǎng)狀態(tài)估計帶來的影響進行了深入研究。首先,就可觀測性問題,由于PMU的引入,使傳統(tǒng)分析方法獲得顯著簡化,PMU配置的越充分,可觀測性分析就越容易；其次,在假設(shè)配置的PMU具有充分精度的基礎(chǔ)上,建立依據(jù)SCADA量測對未知狀態(tài)進行估計的縮減狀態(tài)估計模型和算法；最后,針對該縮減狀態(tài)估計模型,就PMU量測引入對不良數(shù)

5、據(jù)識別方法及影響進行了研究,研究與分析發(fā)現(xiàn):在SCADA量測數(shù)不變條件下,由于PMU引入使量測冗余度提升,從而使不良數(shù)據(jù)識別能力增強；再者,當(dāng)PMU量測有誤差時,實施縮減模型估計前,提出結(jié)合SCADA量測對PMU配置點附近展開混合估計以校正該節(jié)點狀態(tài)精度的方法。
　　 (2)針對PMU和SCADA在電網(wǎng)中共存的情況,提出了一種電網(wǎng)狀態(tài)估計分解協(xié)調(diào)的模型和算法。綜上,PMU至少可實現(xiàn)系統(tǒng)局部可觀,此性質(zhì)必然產(chǎn)生電網(wǎng)狀態(tài)量的自動劃分

6、,即出現(xiàn)了圍繞PMU配置點集的若干可觀測性子系統(tǒng)?；谶@一思路,從電網(wǎng)狀態(tài)估計快速性角度出發(fā),提出電網(wǎng)狀態(tài)估計分解協(xié)調(diào)的快速算法。分解是指依據(jù)PMU配置的可觀測子系統(tǒng)的劃分,協(xié)調(diào)是指各子系統(tǒng)如何達(dá)到無縫的銜接,在快速估計下達(dá)到與整體估計一樣的效果。具體思想體現(xiàn)在:依據(jù)電網(wǎng)中配置PMU的節(jié)點,可將電網(wǎng)劃分為兩類子島,即直接電氣連接的PMU配置節(jié)點集合的割集構(gòu)成的子系統(tǒng)(定義為PMU可觀測島),和僅含有依據(jù)SCADA系統(tǒng)量測量,且不包含PM

7、U配置節(jié)點的其它節(jié)點構(gòu)成的割集(定義為SCADA可觀測島)。這樣,PMU可觀測島與SCADA可觀測島交集所對應(yīng)的節(jié)點則稱為邊界點,PMU可觀測島與SCADA可觀測島之間的元件稱之為聯(lián)絡(luò)元件。在上述思想基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)進行劃分,首先對PMU可觀測島進行估計,得到聯(lián)絡(luò)元件上潮流,進而計及聯(lián)絡(luò)線路潮流為偽量測,對SCADA可觀測島進行估計,最后協(xié)調(diào)各子島參考節(jié)點及邊界點相角,得到全網(wǎng)統(tǒng)一的狀態(tài)估計解。
　　 (3)在廣義狀態(tài)估計概念引導(dǎo)

8、下,提出一種識別閉合開關(guān)元件狀態(tài)錯誤的電網(wǎng)狀態(tài)估計模型和方法。其核心在于:為識別閉合開關(guān)元件構(gòu)成的拓?fù)溥B接錯誤,提出虛擬特征開關(guān)元件的概念,并以此構(gòu)建不影響識別結(jié)果的最小特征電網(wǎng)。在此基礎(chǔ)上,以模擬量量測方程構(gòu)成加權(quán)最小二乘的目標(biāo)函數(shù),將虛擬特征開關(guān)元件兩端節(jié)點的電壓差為零作為等式約束條件,從而構(gòu)造帶有約束的加權(quán)最小二乘的電網(wǎng)狀態(tài)估計模型,并對此非線性優(yōu)化問題進行求解；接著,在模擬量量測誤差分布概率已知條件下,分析了拉格朗日乘子的涵義,

9、即任意拉格朗日乘子對應(yīng)著虛擬零阻抗元件的量測方程,且與模擬量的殘差分布之間存在一致性和關(guān)聯(lián)性；通過演繹拉格朗日乘子值與量測殘差的概率分布關(guān)系,實現(xiàn)了利用模擬量量測間接反映虛擬零阻抗元件狀態(tài)信息是否有誤的目的,最終提出了統(tǒng)一識別模擬量測、閉合開關(guān)元件不良數(shù)據(jù)的方法。同時,論證了在系統(tǒng)僅有一個不良數(shù)據(jù)的情況下,模擬量量測與開關(guān)拓?fù)鋬烧卟涣紨?shù)據(jù)識別相互之間并不混淆。由于采用特征虛擬開關(guān)元件進行建模,從而有效減小了計算規(guī)模,顯著提高了計算速度,

10、具有一定的工程應(yīng)用前景。
　　 (4)針對架空輸電線路電熱協(xié)調(diào)方程,在狀態(tài)估計概念下,建立了基于PMU量測的輸電線路溫度估計模型,提供輸電線路溫度實時估計的理論基礎(chǔ)。其核心思想是,忽略輸電線路載流時溫度變化對電抗、電納的影響,認(rèn)為僅有電阻會隨著運行條件(載流)的改變而變化,在此基礎(chǔ)之上通過對電阻的實時估計,間接實現(xiàn)對輸電線路溫度的實時追蹤。若輸電線路兩端均配置PMU量測裝置,則輸電線路兩端的電流、電壓及其相角均為已知,由此依據(jù)電

11、工原理,得到直角坐標(biāo)系下的輸電線路量測方程,進而利用線性加權(quán)最小二乘方法建立了對輸電線路電阻的估計模型。同時,基于輸電線路電阻與溫度之間的物理解析規(guī)律,通過電阻的實時估計,對應(yīng)便實現(xiàn)了溫度的跟蹤估計。其中,就誤差分布問題,在建立直角坐標(biāo)系下的量測方程時,PMU直接量測被轉(zhuǎn)換為等值的間接量測,相應(yīng)的直接誤差被轉(zhuǎn)換為間接誤差。對此,在已知直接量測誤差概率分布的前提下,本文對轉(zhuǎn)換后間接量測誤差的分布概率分布進行了推導(dǎo),就轉(zhuǎn)換后量測誤差存在相關(guān)

12、性的條件下,分析可知加權(quán)最小二乘目標(biāo)函數(shù)值的概率分布特性仍然滿足x2分布,即仍可以通過檢測目標(biāo)函數(shù)值的方法進行不良數(shù)據(jù)的識別?？傊?該模型和方法簡單并易實現(xiàn),為充分挖掘輸電線路的潛在能力提供了一種理論依據(jù)。
　　 (5)在動態(tài)熱定值(DTR)硬技術(shù)基礎(chǔ)上,結(jié)合電熱協(xié)調(diào)(ETC)理論,提出軟DTR的思想,建立了基于SCADA信息追蹤輸電線路熱定值的模型和算法。該模型和算法主要體現(xiàn)在:首先依據(jù)目前電網(wǎng),圍繞電氣特性有豐富量測信息的背

13、景,通過SCADA量測建立了輸電線路電阻的擴展?fàn)顟B(tài)估計模型；進而,考慮到電阻變化的馬爾克夫特性,為充分利用電阻的先驗信息,使用相鄰時刻的電阻估計值對當(dāng)前估計結(jié)果進行修正以使其平滑并提高跟蹤精度,依據(jù)電阻與溫度之間的物理解析關(guān)系,間接獲得輸電線路的溫度；接著,構(gòu)建帶有時變環(huán)境參量的簡化輸電線路熱平衡微分方程模型,根據(jù)連續(xù)的輸電線路溫度變化軌跡,基于漸消遞推最小二乘法實現(xiàn)對時變環(huán)境參量的動態(tài)估計,最終僅通過電氣量測實現(xiàn)了與完整的硬DTR相同

14、的功能；最后,與硬DTR技術(shù)相比,通過電阻間接實現(xiàn)輸電線路溫度趨勢的把握和估計,與周圍環(huán)境條件無直接的依賴關(guān)系,使影響精度的量縮減為一個,即精度僅取決于輸電線路的電阻。該模型和方法簡單、實現(xiàn)容易,只要電網(wǎng)狀態(tài)估計可行,電網(wǎng)中任一輸電元件都可實現(xiàn)軟DTR功能。
　　 (6)提出了基于軟DTR的“地區(qū)電網(wǎng)元件載荷能力的在線定值系統(tǒng)”的框架和平臺設(shè)計,為完成系統(tǒng)開發(fā)提供有利基礎(chǔ),并在山東煙臺地區(qū)電網(wǎng)得到應(yīng)用。在運行條件下,電網(wǎng)中輸電元

15、件的載荷能力主要受到來自系統(tǒng)運行條件的制約和輸電元件本身的物理條件制約。“地區(qū)電網(wǎng)元件載荷能力的在線定值系統(tǒng)”主要提供以輸電元件溫度為載荷能力的評判體系,可為調(diào)度、控制決策提供依據(jù),從而實現(xiàn)提高電網(wǎng)輸電運行效率、節(jié)約資源之目的。其主要功能體現(xiàn)在:基于軟DTR下的輸電元件溫度變化跟蹤估計,以及基于輸電元件溫度變化軌跡的熱平衡方程參數(shù)的動態(tài)估計；在此基礎(chǔ)上,將輸電元件溫度作為擴展?fàn)顟B(tài)的在線電熱協(xié)調(diào)潮流分析；計及熱載荷制約、電壓水平制約及靜態(tài)

16、功角穩(wěn)定制約的輸電元件載荷能力在線定值計算,實現(xiàn)在線輸電元件載荷能力的裕度分析；分析各種預(yù)想事件下輸電元件能力的變化軌跡,給調(diào)度提供預(yù)警、緊急狀態(tài)下校正控制等決策支持。上述系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)是狀態(tài)估計,本文提供以狀態(tài)估計為核心的平臺,量測信息包含SCADA及PMU混合量測,主要算法包括計及閉合開關(guān)元件信息的狀態(tài)估計,計及PMU量測的協(xié)調(diào)狀態(tài)估計,基于PMIJ的輸電線路溫度實時估計,基于SCADA量測的輸電線路溫度估計,以及輸電線路熱平衡