電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)及其擴(kuò)展的理論研究.pdf

1、電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動(dòng)化,狀態(tài)估計(jì)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(jì)的理論研究與實(shí)踐工作不斷成熟,從上某種意義上講,電網(wǎng)已步入自動(dòng)化的時(shí)代。然而,伴隨GPS的廣域量測(cè)技術(shù)的出現(xiàn),節(jié)能減排政策的出臺(tái),以及電網(wǎng)抵御意外擾動(dòng)水平要求的提高等,對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的理論研究與實(shí)踐來(lái)講,無(wú)論從深度上還是廣度上都提出若干新的問(wèn)題,如相量量測(cè)單元(PMU)與現(xiàn)有狀態(tài)估計(jì)的關(guān)系、貢獻(xiàn)及混合估計(jì)的方法等問(wèn)題,從更廣角度的計(jì)及模擬量、開(kāi)關(guān)

2、量及參量的廣義電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題,側(cè)重于輸電元件能力挖掘的在線動(dòng)態(tài)定值問(wèn)題,基于在線監(jiān)測(cè)的狀態(tài)檢修技術(shù)等實(shí)施中涉及的參量、特征量的估計(jì)問(wèn)題等,都需要對(duì)現(xiàn)有的電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)理論研究進(jìn)行再深入和擴(kuò)展。在此背景下,本文圍繞電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)及其擴(kuò)展展開(kāi)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(jìn)展可總結(jié)如下:
　　 (1)分析、研究了PMU的引入對(duì)僅依據(jù)SCADA系統(tǒng)的電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)帶來(lái)的影響,并提出了一種相應(yīng)的解決方法,進(jìn)一步完善電網(wǎng)狀

3、態(tài)估計(jì)的理論。PMU可以直接測(cè)量節(jié)點(diǎn)電壓相量,即電網(wǎng)狀態(tài)變量(節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相角),與SCADA量測(cè)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(jiàn)依據(jù)SCADA系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)必須在電網(wǎng)可觀測(cè)條件下進(jìn)行,而依據(jù)PMU的狀態(tài)估計(jì)可以在局部可觀測(cè)條件下進(jìn)行。顯然,若PMU量測(cè)精度足夠高,且實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)可觀,則不再需要電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)；若PMU量測(cè)精度足夠高,但只實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)局部狀態(tài)可觀,則依據(jù)SCADA量測(cè)的電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)將視PMU配置

4、情況而得到不同程度簡(jiǎn)化。針對(duì)后者,本文就電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)中可觀測(cè)性問(wèn)題,狀態(tài)估計(jì)的算法問(wèn)題,以及不良數(shù)據(jù)識(shí)別問(wèn)題等,就PMU引入對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)帶來(lái)的影響進(jìn)行了深入研究。首先,就可觀測(cè)性問(wèn)題,由于PMU的引入,使傳統(tǒng)分析方法獲得顯著簡(jiǎn)化,PMU配置的越充分,可觀測(cè)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(cè)對(duì)未知狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)的縮減狀態(tài)估計(jì)模型和算法；最后,針對(duì)該縮減狀態(tài)估計(jì)模型,就PMU量測(cè)引入對(duì)不良數(shù)

5、據(jù)識(shí)別方法及影響進(jìn)行了研究,研究與分析發(fā)現(xiàn):在SCADA量測(cè)數(shù)不變條件下,由于PMU引入使量測(cè)冗余度提升,從而使不良數(shù)據(jù)識(shí)別能力增強(qiáng)；再者,當(dāng)PMU量測(cè)有誤差時(shí),實(shí)施縮減模型估計(jì)前,提出結(jié)合SCADA量測(cè)對(duì)PMU配置點(diǎn)附近展開(kāi)混合估計(jì)以校正該節(jié)點(diǎn)狀態(tài)精度的方法。
　　 (2)針對(duì)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(jì)分解協(xié)調(diào)的模型和算法。綜上,PMU至少可實(shí)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(dòng)劃分

6、,即出現(xiàn)了圍繞PMU配置點(diǎn)集的若干可觀測(cè)性子系統(tǒng)?；谶@一思路,從電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)快速性角度出發(fā),提出電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)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(cè)子系統(tǒng)的劃分,協(xié)調(diào)是指各子系統(tǒng)如何達(dá)到無(wú)縫的銜接,在快速估計(jì)下達(dá)到與整體估計(jì)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(diǎn),可將電網(wǎng)劃分為兩類(lèi)子島,即直接電氣連接的PMU配置節(jié)點(diǎn)集合的割集構(gòu)成的子系統(tǒng)(定義為PMU可觀測(cè)島),和僅含有依據(jù)SCADA系統(tǒng)量測(cè)量,且不包含PM

7、U配置節(jié)點(diǎn)的其它節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的割集(定義為SCADA可觀測(cè)島)。這樣,PMU可觀測(cè)島與SCADA可觀測(cè)島交集所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)則稱(chēng)為邊界點(diǎn),PMU可觀測(cè)島與SCADA可觀測(cè)島之間的元件稱(chēng)之為聯(lián)絡(luò)元件。在上述思想基礎(chǔ)上,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行劃分,首先對(duì)PMU可觀測(cè)島進(jìn)行估計(jì),得到聯(lián)絡(luò)元件上潮流,進(jìn)而計(jì)及聯(lián)絡(luò)線路潮流為偽量測(cè),對(duì)SCADA可觀測(cè)島進(jìn)行估計(jì),最后協(xié)調(diào)各子島參考節(jié)點(diǎn)及邊界點(diǎn)相角,得到全網(wǎng)統(tǒng)一的狀態(tài)估計(jì)解。
　　 (3)在廣義狀態(tài)估計(jì)概念引導(dǎo)

8、下,提出一種識(shí)別閉合開(kāi)關(guān)元件狀態(tài)錯(cuò)誤的電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)模型和方法。其核心在于:為識(shí)別閉合開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成的拓?fù)溥B接錯(cuò)誤,提出虛擬特征開(kāi)關(guān)元件的概念,并以此構(gòu)建不影響識(shí)別結(jié)果的最小特征電網(wǎng)。在此基礎(chǔ)上,以模擬量量測(cè)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(kāi)關(guān)元件兩端節(jié)點(diǎn)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(jì)模型,并對(duì)此非線性?xún)?yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解；接著,在模擬量量測(cè)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(duì)應(yīng)著虛擬零阻抗元件的量測(cè)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(guò)演繹拉格朗日乘子值與量測(cè)殘差的概率分布關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了利用模擬量量測(cè)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(shí)別模擬量測(cè)、閉合開(kāi)關(guān)元件不良數(shù)據(jù)的方法。同時(shí),論證了在系統(tǒng)僅有一個(gè)不良數(shù)據(jù)的情況下,模擬量量測(cè)與開(kāi)關(guān)拓?fù)鋬烧卟涣紨?shù)據(jù)識(shí)別相互之間并不混淆。由于采用特征虛擬開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行建模,從而有效減小了計(jì)算規(guī)模,顯著提高了計(jì)算速度,

10、具有一定的工程應(yīng)用前景。
　　 (4)針對(duì)架空輸電線路電熱協(xié)調(diào)方程,在狀態(tài)估計(jì)概念下,建立了基于PMU量測(cè)的輸電線路溫度估計(jì)模型,提供輸電線路溫度實(shí)時(shí)估計(jì)的理論基礎(chǔ)。其核心思想是,忽略輸電線路載流時(shí)溫度變化對(duì)電抗、電納的影響,認(rèn)為僅有電阻會(huì)隨著運(yùn)行條件(載流)的改變而變化,在此基礎(chǔ)之上通過(guò)對(duì)電阻的實(shí)時(shí)估計(jì),間接實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路溫度的實(shí)時(shí)追蹤。若輸電線路兩端均配置PMU量測(cè)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(cè)方程,進(jìn)而利用線性加權(quán)最小二乘方法建立了對(duì)輸電線路電阻的估計(jì)模型。同時(shí),基于輸電線路電阻與溫度之間的物理解析規(guī)律,通過(guò)電阻的實(shí)時(shí)估計(jì),對(duì)應(yīng)便實(shí)現(xiàn)了溫度的跟蹤估計(jì)。其中,就誤差分布問(wèn)題,在建立直角坐標(biāo)系下的量測(cè)方程時(shí),PMU直接量測(cè)被轉(zhuǎn)換為等值的間接量測(cè),相應(yīng)的直接誤差被轉(zhuǎn)換為間接誤差。對(duì)此,在已知直接量測(cè)誤差概率分布的前提下,本文對(duì)轉(zhuǎn)換后間接量測(cè)誤差的分布概率分布進(jìn)行了推導(dǎo),就轉(zhuǎn)換后量測(cè)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(mǎn)足x2分布,即仍可以通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)函數(shù)值的方法進(jìn)行不良數(shù)據(jù)的識(shí)別?？傊?該模型和方法簡(jiǎn)單并易實(shí)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(dòng)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(cè)信息的背

13、景,通過(guò)SCADA量測(cè)建立了輸電線路電阻的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)估計(jì)模型；進(jìn)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(yàn)信息,使用相鄰時(shí)刻的電阻估計(jì)值對(duì)當(dāng)前估計(jì)結(jié)果進(jìn)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(shí)變環(huán)境參量的簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)變環(huán)境參量的動(dòng)態(tài)估計(jì),最終僅通過(guò)電氣量測(cè)實(shí)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(guò)電阻間接實(shí)現(xiàn)輸電線路溫度趨勢(shì)的把握和估計(jì),與周?chē)h(huán)境條件無(wú)直接的依賴(lài)關(guān)系,使影響精度的量縮減為一個(gè),即精度僅取決于輸電線路的電阻。該模型和方法簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易,只要電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)可行,電網(wǎng)中任一輸電元件都可實(shí)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(tái)設(shè)計(jì),為完成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供有利基礎(chǔ),并在山東煙臺(tái)地區(qū)電網(wǎng)得到應(yīng)用。在運(yùn)行條件下,電網(wǎng)中輸電元

15、件的載荷能力主要受到來(lái)自系統(tǒng)運(yùn)行條件的制約和輸電元件本身的物理?xiàng)l件制約?！暗貐^(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(píng)判體系,可為調(diào)度、控制決策提供依據(jù),從而實(shí)現(xiàn)提高電網(wǎng)輸電運(yùn)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(jì),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(dòng)態(tài)估計(jì)；在此基礎(chǔ)上,將輸電元件溫度作為擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的在線電熱協(xié)調(diào)潮流分析；計(jì)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(jì)算,實(shí)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(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是狀態(tài)估計(jì),本文提供以狀態(tài)估計(jì)為核心的平臺(tái),量測(cè)信息包含SCADA及PMU混合量測(cè),主要算法包括計(jì)及閉合開(kāi)關(guān)元件信息的狀態(tài)估計(jì),計(jì)及PMU量測(cè)的協(xié)調(diào)狀態(tài)估計(jì),基于PMIJ的輸電線路溫度實(shí)時(shí)估計(jì),基于SCADA量測(cè)的輸電線路溫度估計(jì),以及輸電線路熱平衡