專利名稱：：基于基爾霍夫電流定律的變電站分布式狀態估計方法
技術領域：
：本發明涉及一種基于基爾霍夫電流定律的變電站分布式狀態估計方法，屬于電力系統運行和控制
技術領域：
。
背景技術：
：能量管理系統(Energymanagementsystem,以下簡稱EMS)是基于計算機的現代電力系統的調度自動化系統，其任務是對電力系統進行實時采集、監視、分析、優化和控制決策。電力系統狀態估計是EMS的基礎和核心環節，狀態估計是利用從電力系統中采集的實時量測信息，排除錯誤信息，計算出完整、一致和可信的電力系統實時變量，保證EMS控制決策的正確性。狀態估計是電網運行和控制的基礎，傳統狀態估計是在電力控制中心實施，主要問題有(l)不夠可靠由于拓撲錯誤、非線性迭代發散和大誤差導致的狀態估計不可用，已成為世界范圍內狀態估計應用中的頭號問題；(2)不夠快現有的狀態估計的計算效率已無法滿足大電網動態監控的需要，特別對于特大規模電網；(3)脆弱傳統的狀態估計采用集中式建模，采用大電網全局目標，局部問題會導致全局問題；(4)自愈能力差由于電網規模大，狀態估計一旦出問題，人工診斷和修復十分困難，短時間內很難修復；(5)維護工作量大維護狀態估計已成為目前控制中心的一項大負擔，維護出錯率高，維護不及時。基于基爾霍夫電流定律(KCL)的變電站分布式狀態估計方法可以有效地解決上述問題。首先，變電站內量測冗余度大，本地糾錯能力強，能很好地排除拓撲錯誤和壞數據，并為控制中心線性狀態估計提供變電站母線復電壓和支路復電流，避免了控制中心的非線性迭代發散問題，從而可從根本上提高控制中心狀態估計的可靠性。其次，變電站狀態估計將本地狀態估計結果送入控制中心，在控制中心只要實施線性狀態估計，可大大減少控制中心狀態估計的計算量，可顯著提高狀態估計的計算效率。同時，在這種狀態估計模式下，各變電站可獨立地進行狀態估計，可實現站內分布式診斷和維護，可通過各站的模型拼接實現電網全局模型的自動生成，從而增強了全局狀態估計的可靠性和自愈能力，減少維護的工作量和出錯率。
發明內容本發明的目的是提出一種基于基爾霍夫電流定律的變電站分布式狀態估計方法，利用4變電站內高度冗余的同步實時數據，通過零阻抗電流狀態估計剔除量測壞數據和拓撲錯誤，再進行變電站拓撲分析，將拓撲錯誤和壞數據解決在變電站級，為控制中心提供變電站復電流和復電壓的正確的狀態估計值。本發明提出的基于基爾霍夫電流定律的變電站分布式狀態估計方法，包括以下步驟(1)以T為采集周期，對變電站內各電壓等級進行掃描，采集當前時間〃。)時變電站自動化系統中各電壓等級內各開關上流過的復電流量測矢量Z^、節點注入復電流量測矢量Z、節點復電壓量測矢量Z^和各開關的開合狀態量測；'"乂水(2)設上述各電壓等級內各開關全部閉合，將上述z^和z^作為已知量，針對每電壓等級，通過求解x-(HfWH)-'HTWz，得到各電壓等級內各開關上的復電流估計值(o)其中W是變電站自動化系統中復電流量測的權重矩陣，H=fAw:i、，由變電站自動化系統的電流量測方程z-，"J、/AA"人、ZcA乂、C厶X+=Hx+r得到，A^,是各電壓等級內各、r"乂開關全部閉合時零阻抗電網中的節點一開關關聯矩陣，I為單位矩陣，r為量測誤差矢量；(3)設定一個誤差閾值，將上述各開關上各復電流量測^:,分別與上述各復電流估計值《進行比較，若兩者差值最大且該差值大于設定的誤差閾值，則該復電流量測《,為壞數據，并刪除，重復步驟(2)和(3)，直到各開關上復電流量測矢量中沒有壞數據，得到量測矢量z^，^;(4)設定一個估計閾值，將上述各電壓等級內各開關上的復電流估計值\6與估計閾值進行比較，若復電流估計值x^大于估計閾值，則該開關的估計狀態為閉合狀態，若復電流估計值X^小于估計閾值，則該開關的估計狀態為斷開狀態；再將開關的估計狀態與上述開合狀態量測進行比較，若開關的估計狀態與上述開合狀態量測不一致，則該開關的開合狀態量測為壞數據，并刪除，根據刪除壞數據后的開關開合狀態量測，得到關聯矩陣Ci,(5)根據上述關聯矩陣A《a，將上述量測矢量z^zj;作為新的輸入，求解式X=(HTWH)—'I^Wz，得到各電壓等級下正確的開關電流狀態估計值x(6)根據上述刪除壞數據后的各電壓等級內各開關的開合狀態量測，將變電站自動化系統中各電壓等級從節點模型轉變為母線模型；(7)根據上述母線模型，對變電站各電壓等級的母線分別進行電壓狀態估計，得出各母線復電壓估計值X^:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，m是屬于該母線的電壓量測總數，W,^和M^^分別是第/個復電壓量測實部和虛部的權重，；c^和;^。g分別為該母線復電壓估計值:^的實部和虛部，z,是節點復電壓量測矢量z^中第i個節點復電壓量測；(8)將當前采集時間^1)與^進行比較，當^」w大于上述采集周期T時,重復步驟(1)一(8)。本發明提出的基于基爾霍夫電流定律的變電站分布式狀態估計方法，其優點是計算可靠快速，最終獲得的支路復電流、母線注入復電流和母線復電壓將與變電站拓撲分析結果一起被送到控制中心。本發明方法利用變電站內高度冗余的同步的實時數據，如自動化數據、PMU數據和保護數據等，先通過零阻抗電流狀態估計剔除量測壞數據和拓撲錯誤，再進行變電站拓撲分析，將拓撲錯誤和壞數據解決在變電站級，為控制中心提供變電站復電流和復電壓的估計解，使控制中心的狀態估計無需找拓撲錯誤和壞數據，無需迭代，達到了計算結果可靠、計算效率高、高魯棒、強自愈和減少系統維護的工作量等目的。圖1是本發明方法的流程框圖。圖2是本發明方法的一個實施例中采用的變電站模型。圖3是本發明方法的一個實施例中的殘差量和標準差分析示意圖。具體實施方式本發明提出的基于基爾霍夫電流定律的變電站分布式狀態估計方法，其流程框圖如圖l所示，包括以下步驟-(1)量測采集以T為采集周期，對變電站內各電壓等級進行掃描，采集當前時間〃。)時變電站自動化系統中各電壓等級內各開關上流過的復電流量測矢量Z^、節點注入復電流量測矢量Z^、節點復電壓量測矢量Z^和各開關的開合狀態量測；(2)零阻抗電流狀態估計設上述各電壓等級內各開關全部閉合，以開關為零阻抗支路，變電站內每個電壓等級都構成了一個零阻抗電網，針對每個電壓等級下的零阻抗電網，將上述Z『和zy作為己知量，通過求解下式x=(HrWH)-'HrWz(1)得到各電壓等級內各開關上的復電流估計值x^。其中W是變電站自動化系統中復電流量測的權重矩陣，H=、乂1乂由變電站自動化系統的電流量測方程Z-,z)廣A、Ci、Z"乂X+、、Lr。=Hx+r得到，^^a是各電壓等級內各力乂開關全部閉合時零阻抗電網中的節點一開關關聯矩陣，I為單位矩陣，r為量測誤差矢量；(3)模擬量壞數據的辨識采用傳統的基于最大殘差量的測試法，設定一個誤差閾值，將上述各開關上的各復電流量測^i分別與上述各復電流估計值x^,進行比較，其中差值最大且該差值大于設定的誤差閾值，則該復電流量測《￡為壞數據，并刪除，重復步驟(2)和(3)，直到復電流量測矢量中沒有壞數據，得到量測矢量z^,^;(4)拓撲錯誤辨識設定一個估計閾值，將上述各電壓等級內各開關上的復電流估計值、6與估計閾值進行比較，若復電流估計值x^大于估計閾值，則該開關的估計狀態為閉合狀態，若復電流估計值x^小于估計閾值，則該開關的估計狀態為斷開狀態；再將開關的估計狀態與上述開合狀態量測進行比較，若開關的估計狀態與上述開合狀態量測不一致，則該開關的開合狀態量測為壞數據，并刪除，根據刪除壞數據后的開關開合狀態量測，得到關聯矩陣A;^;(5)零阻抗電流狀態估計根據上述關聯矩陣A'^,，將上述量測矢量z^z^;作為新的輸入，求解式(1)，得到各電壓等級下正確的開關電流狀態估計值x^;,(6)拓撲分析根據上述刪除壞數據后的各電壓等級內各開關的開合狀態量測，將變電站自動化系統中各電壓等級從節點模型轉變為母線模型；(7)零阻抗電壓狀態估計根據上述母線模型，對變電站各電壓等級的母線進行掃描，分別進行電壓狀態估計，得出各母線電壓估計值;^:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中，W是屬于該母線的電壓量測總數，W,—和W,一g分別是第/個復電壓量測實部和虛部的權重，x^和:c^。g分別為該母線復電壓;^的實部和虛部。z,是節點復電壓量測矢量z",中第i個節點復電壓量測。(8)將當前采集時間~)與、。)進行比較，當、w大于上述采集周期T時，重復步驟(1)一(8)。使用本發明方法時，建立的變電站狀態估計的模型如下應用圖2所示的變電站模型。在這個模型中，由變壓器連接的所有母線都在同一個變電站里，并對各變電站建立開關單相模型，圖2給出了變電站的節點-開關結構。將電力系統穩態潮流的實際值設為真值，然后在真值上加入高斯白噪聲，來模擬量測值。用圖2中的系統作為算例，得到其開關狀態量測(如表1所示)和支路復電流模擬量測(如表2所示)。表1變電站狀態估計的開關狀態量測(0和1分別表示開和合)真值量測值開關1的狀態00開關2的狀態11開關3的狀態01(壞數據)8<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2變電站^！犬態估計的支路復電流量測<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>顯然，開關3上流過的電流量測和開關3的狀態量測是壞數據。傳統的狀態估計很難同時辨識出開關狀態壞數據和電流量測壞數據。相反，本方法用式(l)所示的零阻抗狀態估計算法來估計同一電壓等級中的支路電流值和母線電壓值。從表4中的殘差量和標準誤差估計值可以看出本方法的零阻抗電流狀態估計可以檢測并辨識出開關3上的電流量測壞數據。當這個量測移去后重新進行狀態估計，所得結果和殘差量會變得合理。從表3中也可看出開關3上估計出的狀態為開斷，然而量測狀態為閉合，說明這是一個開關狀態壞數據。表4零阻抗電流狀態估計的估計狀態值<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>開關3上既有支路電流壞數據又有開關狀態壞數據。如果直接將這些數據傳給控制中心，傳統的控制中心狀態估計方法將既會遇到拓撲錯誤又會遇到大量模擬量壞數據。而本發明可通過變電站狀態估計，刪除由之辨識出的模擬量壞數據和開關狀態壞數據，從而向控制中心提供正確的輸入量。模型估計出的殘差量和標準誤差分析如圖3所示。可以看出變電站狀態估計可以將支路電流壞數據和開關狀態壞數據進行解耦，并對它們進行檢測和辨識。假設電壓傳感器有冗余，即每個母線上至少有一個PMU，那么可以通過各節點電壓的加權平均值來估計各母線電壓。然后將母線復電壓，支路復電流，節點注入復電流的估計解和變電站拓撲分析結果傳送給控制中心。權利要求1、一種基于基爾霍夫電流定律的變電站分布式狀態估計方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)以T為采集周期，對變電站內各電壓等級進行掃描，采集當前時間t(0)時變電站自動化系統中各電壓等級內各開關上流過的復電流量測矢量節點注入復電流量測矢量節點復電壓量測矢量znd和各開關的開合狀態量測；(2)設上述各電壓等級內各開關全部閉合，將上述和作為已知量，針對每個電壓等級，通過求解x＝(HTWH)-1HTWz，得到各電壓等級內各開關上的復電流估計值其中W是變電站自動化系統中復電流量測的權重矩陣，由變電站自動化系統的電流量測方程得到，AKCL是各電壓等級內各開關全部閉合時零阻抗電網中的節點—開關關聯矩陣，I為單位矩陣，r為量測誤差矢量；(3)設定一個誤差閾值，將上述各開關上各復電流量測分別與上述各復電流估計值進行比較，若兩者差值最大且該差值大于設定的誤差閾值，則該復電流量測為壞數據，并刪除，重復步驟(2)和(3)，直到各開關上復電流量測矢量中沒有壞數據，得到量測矢量(4)設定一個估計閾值，將上述各電壓等級內各開關上的復電流估計值xcb與估計閾值進行比較，若復電流估計值大于估計閾值，則該開關的估計狀態為閉合狀態，若復電流估計值小于估計閾值，則該開關的估計狀態為斷開狀態；再將開關的估計狀態與上述開合狀態量測進行比較，若開關的估計狀態與上述開合狀態量測不一致，則該開關的開合狀態量測為壞數據，并刪除，根據刪除壞數據后的開關開合狀態量測，得到關聯矩陣(5)根據上述關聯矩陣將上述量測矢量作為新的輸入，求解式x＝(HTWH)-1HTWz，得到各電壓等級下正確的開關電流狀態估計值(6)根據上述刪除壞數據后的各電壓等級內各開關的開合狀態量測，將變電站自動化系統中各電壓等級從節點模型轉變為母線模型；(7)根據上述母線模型，對變電站各電壓等級的母線分別進行電壓狀態估計，得出各母線復電壓估計值xnd其中，m是屬于該母線的電壓量測總數，wi，real和wi，imag分別是第i個復電壓量測實部和虛部的權重，xreal和ximag分別為該母線復電壓估計值xnd的實部和虛部，zi是節點復電壓量測矢量znd中第i個節點復電壓量測；(8)將當前采集時間t(1)與t(0)進行比較，當t(1)-t(0)大于上述采集周期T時，重復步驟(1)—(8)。全文摘要本發明涉及一種基于基爾霍夫電流定律的變電站分布式狀態估計方法，屬于電力系統運行和控制
技術領域：
。首先進行量測采集，然后對采集的電流值進行零阻抗電流狀態估計，再根據電流估計值分別進行模擬量壞數據的辨識和拓撲錯誤辨識，用刪除壞數據后的量測量進行零阻抗電流狀態估計，經過拓撲分析后，對所得母線模型進行零阻抗電壓狀態估計。本發明的優點是計算可靠快速，為控制中心提供變電站復電流和復電壓的估計解，使控制中心的狀態估計無需找拓撲錯誤和壞數據，無需迭代，達到了計算結果可靠、計算效率高、高魯棒、強自愈和減少系統維護的工作量等目的。文檔編號G06F17/50GK101499659SQ20091007930公開日2009年8月5日申請日期2009年3月6日優先權日2009年3月6日發明者吳文傳,孫宏斌,張伯明,李青芯,郭慶來申請人:清華大學