一種電網狀態估計方法和裝置與流程

本發明涉及電網管理領域，具體涉及一種電網狀態估計方法和裝置。

背景技術：

近年來，隨著電網數字化水平和電力調度自動化水平的不斷提高，豐富的信息得以實時或準實時地傳送到各級調度中心，這使得綜合利用采集的各類實時信息進行電網運行狀態評估成為可能，基于準確的電網狀態評估并最終用于系統狀態轉移的預測，實現全景把握電網運行安全穩定水平、調度調整能力以及電網抵御風險的能力。實現對電網安全運行薄弱環節及時進行相應預防控制，降低電網運行的風險。

電網中安裝pmu(phasormeasurementunit，電力系統同步相量測量裝置，用于進行同步相量的測量和輸出以及進行動態記錄的裝置)系統的節點數量相對較少，單純使用pmu數據無法完成對系統的狀態估計，且若對其數據利用的不充分，其對基于scada(supervisorycontrolanddataacquisition，數據采集與監視控制系統)系統數據的電網狀態估計的性能改善效果不夠明顯。同時由于pmu提供電壓量測數據和電流量測數據，給狀態估計增加了數據的冗余度。由此產生的scada數據和pmu數據的混合狀態估計增加了其建模難度和求解的難度。有必要進一步考慮降低其建模難度的求解方法。

因此，如何降低現有技術中電網狀態估計的建模難度和求解難度、提高量測數據利用率，成為一個亟待解決的技術問題。

技術實現要素：

因此，本發明要解決的技術問題在于現有技術中電網狀態估計的建模難度和求解難度大、數據冗余度高。

有鑒于此，本發明實施例的一方面提供了一種電網狀態估計方法，所述電網中安裝有scada系統，所述電網中包括：第一節點、第二節點和第三節點，所述第一節點安裝有pwu裝置，所述方法包括：獲取電網中第一節點的pmu量測數據；根據所述pmu量測數據計算滿足預設條件的第二節點的偽pwu量測數據；獲取電網中除去所述第一節點和所述第二節點之后的第三節點的scada量測數據；根據所述pmu量測數據、所述偽pwu量測數據和所述scada量測數據估計所述電網的當前潮流狀態。

優選地，所述根據所述pmu量測數據、所述偽pwu量測數據和所述scada量測數據估計所述電網的當前潮流狀態包括：獲取所述電網中的量測向量：

以及節點狀態向量：

其中，為所述第三節點量測數據，為所述第二節點的偽注入量測數據，為所述第一節點與所述第二節點之間的傳輸功率，為所述第一節點注入量，為所述第一節點量測數據，x為所述節點狀態向量，xp所述第一節點的電壓向量，xb所述第二節點的電壓向量，xs所述第三節點的電壓向量，θp為所述第一節點的電壓相位，θb為所述第二節點的電壓相位，θs為所述第三節點的電壓相位；vp為所述第一節點的電壓幅值，vb為所述第二節點的電壓幅值，vs為所述第三節點的電壓幅值；選取參考節點校正所述節點狀態向量；根據所述量測向量和所述校正后的節點狀態向量計所述電網的當前潮流狀態。

優選地，所述根據所述量測向量和所述校正后的節點狀態向量計所述電網的當前潮流狀態包括：采用如下估計模型估計所述電網的當前潮流狀態：

其中，h為量測方程的非線性向量函數；eα為所述pmu裝置的量測誤差。

優選地，所述選取參考節點校正所述節點狀態向量包括：確定所述參考節點的電壓相位；

采用如下公式計算得到相位估計量：

θi'＝θi-θref

令采用如下公式計算得到所述校正后的節點狀態向量：

zx-se＝hcoθco+eco

其中，θi為節點電壓相位量測絕對值，θi'為校正后的節點電壓相位量測值，θref為所述參考節點的電壓相位，μ^t為所述電網中除去所述參考節點外余下節點的電壓數據，zx-se為所述校正后的節點狀態向量，hco為所述偽pmu量測數據與所述校正后的節點狀態向量之間的線性參數，eco為誤差向量。

優選地，所述根據所述pmu量測數據計算滿足預設條件的第二節點的偽pwu量測數據包括：所述預設條件包括：支路一端的電壓和電流相量都已知，求另一端的電壓相量；和/或支路兩端電壓相量已知，求此支路電流相量；和/或與未安裝pmu裝置的節點相關聯支路中僅有1條支路電流相量未知而其余支路電流相量都已知；采用如下數學模型計算得到所述偽pwu量測數據：

其中，是所述pmu量測數據中的電壓向量，是所述pmu量測數據中的電流向量，是所述偽pmu量測數據中的電壓向量，是所述偽pmu量測數據中的電流向量，y是導納矩陣，z是阻抗矩陣，ev為電壓測量誤差，ei是電流測量誤差。

根據本發明實施例的另一方面提供了一種電網狀態估計裝置，所述電網中安裝有scada系統，所述電網中包括：第一節點、第二節點和第三節點，所述第一節點安裝有pwu裝置，所述裝置包括：第一獲取模塊，用于獲取電網中第一節點的pmu量測數據；計算模塊，用于根據所述pmu量測數據計算滿足預設條件的第二節點的偽pwu量測數據；第二獲取模塊，用于獲取電網中除去所述第一節點和所述第二節點之后的第三節點的scada量測數據；狀態估計模塊，用于根據所述pmu量測數據、所述偽pwu量測數據和所述scada量測數據估計所述電網的當前潮流狀態。

優選地，所述狀態估計模塊包括：獲取單元，用于獲取所述電網中的量測向量：

以及節點狀態向量：

其中，為所述第三節點量測數據，為所述第二節點的偽注入量測數據，為所述第一節點與所述第二節點之間的傳輸功率，為所述第一節點注入量，為所述第一節點量測數據，x為所述節點狀態向量，xp所述第一節點的電壓向量，xb所述第二節點的電壓向量，xs所述第三節點的電壓向量，θp為所述第一節點的電壓相位，θb為所述第二節點的電壓相位，θs為所述第三節點的電壓相位；vp為所述第一節點的電壓幅值，vb為所述第二節點的電壓幅值，vs為所述第三節點的電壓幅值；選取單元，用于選取參考節點校正所述節點狀態向量；計算單元，用于根據所述量測向量和所述校正后的節點狀態向量計所述電網的當前潮流狀態。

優選地，所述根據所述量測向量和所述校正后的節點狀態向量計所述電網的當前潮流狀態包括：采用如下估計模型估計所述電網的當前潮流狀態：

其中，h為量測方程的非線性向量函數；eα為所述pmu裝置的量測誤差。

優選地，所述選取參考節點校正所述節點狀態向量包括：確定所述參考節點的電壓相位；采用如下公式計算得到相位估計量：

θi'＝θi-θref

令采用如下公式計算得到所述校正后的節點狀態向量：

zx-se＝hcoθco+eco

其中，θi為節點電壓相位量測絕對值，θi'為校正后的節點電壓相位量測值，θref為所述參考節點的電壓相位，μ^t為所述電網中除去所述參考節點外余下節點的電壓數據，zx-se為所述校正后的節點狀態向量，hco為所述偽pmu量測數據與所述校正后的節點狀態向量之間的線性參數，eco為誤差向量。

優選地，所述根據所述pmu量測數據計算滿足預設條件的第二節點的偽pwu量測數據包括：所述預設條件包括：支路一端的電壓和電流相量都已知，求另一端的電壓相量；和/或支路兩端電壓相量已知，求此支路電流相量；和/或與未安裝pmu裝置的節點相關聯支路中僅有1條支路電流相量未知而其余支路電流相量都已知；采用如下數學模型計算得到所述偽pwu量測數據：

其中，是所述pmu量測數據中的電壓向量，是所述pmu量測數據中的電流向量，是所述偽pmu量測數據中的電壓向量，是所述偽pmu量測數據中的電流向量，y是導納矩陣，z是阻抗矩陣，ev為電壓測量誤差，ei是電流測量誤差。

本發明的技術方案具有以下優點：

本發明提供的電網狀態估計方法和裝置，首先依據電網中已安裝pmu裝置的第一節點確定第一節點的pmu量測數據，然后可以根據相關電網原理計算得到與第一節點相關的未安裝pmu裝置的第二節點的相關電網數據作為偽pwu量測數據，電網中剩余的第三節點的電網數據通過scada系統獲得，即通過scada系統可以得到第三節點的scada量測數據，然后根據三種節點對應的三種量測數據對電網進行潮流狀態估計，與現有技術相比，綜合考慮了電網中存在少量的pmu節點和全網存在的scada節點的特點，充分利用了pmu量測數據和scada量測數據，pmu量測數據準確性高、可觀測性強，通過電網分解與協調計算，降低了電網狀態估計過程的矩陣維數、以及建模的復雜度和求解的難度，能夠更好的利用有限的pmu量測數據，提高電網狀態估計的效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例1的電網狀態估計方法的一個流程圖；

圖2為本發明實施例1的經典的π型接線的一個示意圖；

圖3為本發明實施例2的電網狀態估計裝置的一個框圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，還可以是兩個元件內部的連通，可以是無線連接，也可以是有線連接。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

此外，下面所描述的本發明不同實施方式中所涉及的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互結合。

實施例1

本實施例提供一種電網狀態估計方法，電網中安裝有scada系統，電網中包括：第一節點、第二節點和第三節點，第一節點安裝有pwu裝置，如圖1所示，該方法包括如下步驟：

s1：獲取電網中第一節點的pmu量測數據；此處將電網中安裝有pmu裝置的節點作為第一節點，pmu裝置主要安裝在高電壓等級變電站和電網系統內主要發電廠上，主要實現對電壓向量量測和電流向量量測，即實現了對狀態估計中的狀態量的直接測量，且由于pmu量測數據的精度很高，一定程度上可以認為pmu量測數據即為實際值，實現對系統局部的可觀測性。

s2：根據pmu量測數據計算滿足預設條件的第二節點的偽pwu量測數據；此處第二節點可以是沒有安裝pmu裝置、但是可以根據電網原理通過第一節點的pmu量測數據計算出其相關電網數據的節點，由此計算出的第二節點的電網數據即為偽pwu量測數據，第一節點的高精度pmu量測數據可以為第二節點提供精準的數據支持，不僅可以充分利用電網中的pmu量測數據，而且可以提高計算精度。

作為一種優選方案，步驟s2中的預設條件包含但不限于：

①支路一端的電壓和電流相量都已知，求另一端的電壓相量。

②支路兩端電壓相量已知，求此支路電流相量。

③未安裝pmu裝置的節點的相關聯支路中僅有1條支路電流相量未知而其余支路電流相量都已知，根據基爾霍夫電流定律可求得該支路的電流相量。pmu裝置測量的是所在母線的電壓相量與所有出線的電流相量，因此對于電網中安裝pmu裝置的母線上的節點，只要滿足上述任意一種預設條件，均可以采用如下數學模型進行相關的迭代計算得到其對應的偽pwu量測數據：

其中，是pmu量測數據中的電壓向量，是pmu量測數據中的電流向量，是偽pmu量測數據中的電壓向量，是偽pmu量測數據中的電流向量，y是導納矩陣，z是阻抗矩陣，ev為電壓測量誤差，ei是電流測量誤差。

s3：獲取電網中除去第一節點和第二節點之后的第三節點的scada量測數據；即將剩余的電網節點將自動化為第三節點，由于電網中安裝有scada系統，因此可以得到第三節點的scada量測數據，scada系統能夠量測線路功率、節點注入量、節點電壓等，但是不能量測到相位，無法實現直接可觀，本實施例中可以通過加權最小二乘法對scada量測數據進行狀態估計，實現對系統的可觀測性，如此充分利用了電網中的數據資源。

s4：根據pmu量測數據、偽pwu量測數據和scada量測數據估計電網的當前潮流狀態。即綜合考慮電網中存在少量的pmu節點和全網存在的scada節點的特點，充分利用了pmu量測數據和scada量測數據，pmu量測數據準確性高、可觀測性強，通過電網分解與協調計算，可以降低電網狀態估計過程中的矩陣維數、以及建模的復雜度和求解的難度，能夠更好的利用有限的pmu量測數據，提高量測數據利用率、提高電網狀態估計的效率。

作為一種優選方案，步驟s4可以包括如下步驟：

步驟一：獲取電網中的量測向量：

以及節點狀態向量：

其中，為第三節點量測數據，為第二節點的偽注入量測數據，為第一節點與第二節點之間的傳輸功率，為第一節點注入量，為第一節點量測數據，x為節點狀態向量，xp第一節點的電壓向量，xb第二節點的電壓向量，xs第三節點的電壓向量，θp為第一節點的電壓相位，θb為第二節點的電壓相位，θs為第三節點的電壓相位；vp為第一節點的電壓幅值，vb為第二節點的電壓幅值，vs為第三節點的電壓幅值。

步驟二：選取參考節點校正節點狀態向量；電網在進行全網的狀態估計時，首先要確定一個參考節點(相當于潮流計算中的平衡節點)，假定參考節點的電壓相位為0，剩下節點與參考節點的相位差可以通過狀態估計方程計算得到，而該相位差即為該節點的電壓相位。在傳統的方法中，對于電網中不同類型的節點分別選取不同的參考節點，造成整個電網系統存在多個參考節點，計算比較繁瑣。本實施例中，通過為第一、二、三節點選取相同的參考節點，即選取統一的參考節點校正節點狀態向量，實現不同類型的節點對應參考節點之間的協調，可以降低數據計算的復雜程度。作為一種具體的實施方式，步驟二可以包括：確定參考節點的電壓相位；假定某一安裝pmu裝置的節點作為參考節點，其相位為θref，其它節點的相位量測以該參考節點為參考進行校正，采用如下公式計算得到相位估計量：

θi'＝θi-θref

則整個電網系統中余下的節點構成μ＝[μ2，μ3，…，μn]，μi為節點i的電壓向量，令可以采用如下公式計算得到校正后的節點狀態向量：

zx-se＝hcoθco+eco

其中，θi為節點電壓相位量測絕對值，θi'為校正后的節點電壓相位量測值，zx-se為校正后的節點狀態向量，hco為偽pmu量測數據與校正后的節點狀態向量之間的線性參數，eco為誤差向量。

步驟三：根據量測向量和校正后的節點狀態向量計電網的當前潮流狀態。經過步驟二校正過相位的節點狀態向量具有統一的度量標準，將其結合量測向量可以得到更加準確且直觀的潮流狀態估計結果。作為一種具體的實施方式，步驟三可以按照如下方式實施：采用如下估計模型估計電網的當前潮流狀態：

其中，h為量測方程的非線性向量函數；eα為pmu裝置的量測誤差，這里xp可以是第一節點經過相位校正的電壓向量，xb第二節點經過相位校正的電壓向量。在計算過程中，可以將安裝有pmu裝置的多個第一節點組成的集合看成一個廣義節點，暫且將該廣義節點叫做pmu島，按照電路原理(即基爾霍夫電流定律)，流入pmu島的所有電流之和等于所有流出pmu島的電流之和，如圖2所示，下面以經典的π型接線進行說明：

對任意電網系統中的一條線路，其兩端節點分別為：j,k。按照節點j,k是否是第一節點可以分為三類，分別討論其特性：

情況1：若節點j在pmu島內部，而節點k在pmu島外部，此時pmu電流量測向量滿足式(1)-(2)。

式(6)中：是pmu電流量測向量，g為線路電導，b為線路電納，ic,r為的有功分量，ic,i為的無功分量，v為相應節點的電壓向量，θ是相位，其中下標j表示節點j的相關量，下標k表示節點k的相關量，下標jk表示節點j與節點k之間的相關量。

情況2：若節點j,k均在pmu島內部，此時pmu電流量測向量滿足式(3)：

情況3：若節點j,k均不在pmu島內部，流出pmu島的電流代數和c(x)滿足：

按照計算得到的偽pmu量測數據，依據加權最小二乘法分層進行電網系統狀態估計，其數學模型如式(5)所示。

對無注入的pmu島建立帶有等式約束的狀態估計模型：

minj(x)＝(z-h(x))^tr^-1(z-h(x))(5)

st.c(x)＝0

上式中：表示量測誤差陣。

針對式(4)中的數學模型，構造拉格朗日函數：

minf(x)＝j(x)+λ·c(x)(6)

λ為拉格朗日函數算子，參考拉格朗日函數求解方法，對狀態變量x和松弛變量λ求導，整理得到如下迭代公式：

其中：δc＝-c(x)，為2×n維矢量，n為pmu島內待求狀態變量個數。由此可以得到整個電網系統的潮流狀態。

需要說明的是，本發明的技術方案并不局限于上述以經典的π型接線進行的說明，只要是能實現本發明的技術方案的接線方式均適用于本發明。

本實施例提供的電網狀態估計方法，首先依據電網中已安裝pmu裝置的第一節點確定第一節點的pmu量測數據，然后可以根據相關電網原理計算得到與第一節點相關的未安裝pmu裝置的第二節點的相關電網數據作為偽pwu量測數據，電網中剩余的第三節點的電網數據通過scada系統獲得，即通過scada系統可以得到第三節點的scada量測數據，然后根據三種節點對應的三種量測數據對電網進行潮流狀態估計，與現有技術相比，綜合考慮了電網中存在少量的pmu節點和全網存在的scada節點的特點，充分利用了pmu量測數據和scada量測數據，pmu量測數據準確性高、可觀測性強，通過電網分解與協調計算，降低了電網狀態估計過程的矩陣維數、以及建模的復雜度和求解的難度，能夠更好的利用有限的pmu量測數據，提高電網狀態估計的效率。

實施例2

本實施例供了一種電網狀態估計裝置，電網中安裝有scada系統，電網中包括：第一節點、第二節點和第三節點，第一節點安裝有pwu裝置，如圖3所示，該裝置包括：第一獲取模塊31、計算模塊32、第二獲取模塊33和狀態估計模塊34，各模塊的主要作用如下：

第一獲取模塊31，用于獲取電網中第一節點的pmu量測數據。具體參見實施例1中對步驟s1的詳細描述。

計算模塊32，用于根據pmu量測數據計算滿足預設條件的第二節點的偽pwu量測數據。具體參見實施例1中對步驟s2的詳細描述。

第二獲取模塊33，用于獲取電網中除去第一節點和第二節點之后的第三節點的scada量測數據。具體參見實施例1中對步驟s3的詳細描述。

狀態估計模塊34，用于根據pmu量測數據、偽pwu量測數據和scada量測數據估計電網的當前潮流狀態。具體參見實施例1中對步驟s4的詳細描述。

作為一種優選方案，狀態估計模塊34包括：獲取單元321，用于獲取電網中的量測向量：

以及節點狀態向量：

其中，為第三節點量測數據，為第二節點的偽注入量測數據，為第一節點與第二節點之間的傳輸功率，為第一節點注入量，為第一節點量測數據，x為節點狀態向量，xp第一節點的電壓向量，xb第二節點的電壓向量，xs第三節點的電壓向量，θp為第一節點的電壓相位，θb為第二節點的電壓相位，θs為第三節點的電壓相位；vp為第一節點的電壓幅值，vb為第二節點的電壓幅值，vs為第三節點的電壓幅值；選取單元322，用于選取參考節點校正節點狀態向量；計算單元323，用于根據量測向量和校正后的節點狀態向量計電網的當前潮流狀態。具體參見實施例1中對步驟s4的優選方案的相關詳細描述。

作為一種優選方案，根據量測向量和校正后的節點狀態向量計電網的當前潮流狀態包括：采用如下估計模型估計電網的當前潮流狀態：

其中，h為量測方程的非線性向量函數；eα為pmu裝置的量測誤差。具體參見實施例1中對步驟三的相關詳細描述。

作為一種優選方案，選取參考節點校正節點狀態向量包括：確定參考節點的電壓相位；采用如下公式計算得到相位估計量：

θi'＝θi-θref

令采用如下公式計算得到校正后的節點狀態向量：

zx-se＝hcoθco+eco

其中，θi為節點電壓相位量測絕對值，θi'為校正后的節點電壓相位量測值，θref為參考節點的電壓相位，μ^t為電網中除去參考節點外余下節點的電壓數據，zx-se為校正后的節點狀態向量，hco為偽pmu量測數據與校正后的節點狀態向量之間的線性參數，eco為誤差向量。具體參見實施例1中對步驟二的相關詳細描述。

作為一種優選方案，根據pmu量測數據計算滿足預設條件的第二節點的偽pwu量測數據包括：預設條件包括：支路一端的電壓和電流相量都已知，求另一端的電壓相量；和/或支路兩端電壓相量已知，求此支路電流相量；和/或與未安裝pmu裝置的節點相關聯支路中僅有1條支路電流相量未知而其余支路電流相量都已知；采用如下數學模型計算得到偽pwu量測數據：

其中，是pmu量測數據中的電壓向量，是pmu量測數據中的電流向量，是偽pmu量測數據中的電壓向量，是偽pmu量測數據中的電流向量，y是導納矩陣，z是阻抗矩陣，ev為電壓測量誤差，ei是電流測量誤差。具體參見實施例1中對步驟s2的優選方案的相關詳細描述。

本實施例提供的電網狀態估計裝置，首先依據電網中已安裝pmu裝置的第一節點確定第一節點的pmu量測數據，然后可以根據相關電網原理計算得到與第一節點相關的未安裝pmu裝置的第二節點的相關電網數據作為偽pwu量測數據，電網中剩余的第三節點的電網數據通過scada系統獲得，即通過scada系統可以得到第三節點的scada量測數據，然后根據三種節點對應的三種量測數據對電網進行潮流狀態估計，與現有技術相比，綜合考慮了電網中存在少量的pmu節點和全網存在的scada節點的特點，充分利用了pmu量測數據和scada量測數據，pmu量測數據準確性高、可觀測性強，通過電網分解與協調計算，降低了電網狀態估計過程的矩陣維數、以及建模的復雜度和求解的難度，能夠更好的利用有限的pmu量測數據，提高電網狀態估計的效率。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明創造的保護范圍之中。