基于新息图法的含DG配电网的拓扑辨识方法

摘要

本发明公开了一种基于新息图法的含DG配电网的拓扑辨识方法，具体包括以下步骤：对配电网建模，确定连支和树支；计算k时刻的状态估计结果；计算有量测支路的新息值；计算全网的计算新息值；对配备量测的树支计算差别向量；判断是否存在部分支路差别向量很大且独立存在；判断是否存在差别向量很大支路构成不良回路；排除坏数据的影响后重新得到全网的计算新息值；求估计潮流；判断所含DG是否为小功率场合；判断是否存在DG所在连支的新息值不为零；判断是否存在计算新息绝对值很大，且估计潮流值很小接近于零的支路；根据判断结果达到辨识拓扑错误支路的目的。本发明的适用于含DG配电网的拓扑辨识，对量测配置要求较低，易于工程实践。

说明书

技术领域

本发明涉及一种配电网的拓扑辨识方法，特别是一种对含有DG的缺乏量测信息的配电网的拓扑辨识方法。

背景技术

目前电力系统集中发电、远距离输电和大电网互联的方式在资源调配和系统稳定性方面表现出了极大的优越性，但存在局部事故容易扩散导致大面积停电事故等弊端。随着常规能源的衰竭和环境污染日益加剧，环保、高效和灵活的分布式发电（Distributed Generation , DG）得到世界各国的关注与重视，并且近年来发展迅速。

分布式发电一般指的是发电功率在数千瓦到50兆瓦的小型化、规模化、分散在用户附近的接入配电系统的小型发电系统。孤岛运行是伴随着分布式发电技术发展而在配电网中出现的新的运行方式，指的是由DG独立向部分负荷供电的运行状态。当配网发生故障后，在保证电力系统安全稳定的前提下，尽可能地维持DG正常供电在孤岛运行状态下，以减小停电面积，提高供电可靠性。但考虑到孤岛运行的电压和频率不稳定，因此标准《IEEE Std 1547-2003》中要求大功率的应用场合即DG发出的电能除满足地区负荷供应外还需上送至电网，在该种情况下发生孤岛，要求DG工作于孤岛运行状态；而小功率的应用场合即DG发出的电能仅满足部分地区负荷需求，若发生孤岛状态则启动孤岛保护功能，DG停止向周围负载供电。

在配电网实际远动系统中，一旦开关遥信与开关实际位置不相符，则称为网络结构错误，亦即网络拓扑错误。正确的配电网拓扑是状态估计、故障定位与故障恢复等应用的前提，错误的拓扑结构会导致状态估计结果不正确，甚至不收敛，使得调度员无法获取电网的运行状态，因而无法进行负荷转供等操作，并且拓扑错误还可能导致故障定位结果错误，造成供电质量差、供电可靠性降低等后果，因此，对含DG的配电网进行拓扑辨识意义重大。

目前，用于拓扑辨识的方法主要有突变量启动法、网络结构搜索辨识法和参数估计法。突变量启动法主要依据配网自动化终端上传的遥测和遥信量进行分析判断拓扑错误区段；网络结构搜索辨识法是一种状态估计的方法，其将可能的配电网络结构组合一一枚举进行状态估计计算，直到搜索得到满足判据的网络结构；参数估计法通过参数估计得到支路的参数进而判断该支路状态，达到拓扑辨识的目的。突变量启动法对配网自动化硬件要求高，目前大部分配网自动化未能达到该要求；网络结构搜索辨识法需进行多次状态估计计算，且对多个拓扑错误情况不适用；参数估计法对量测配置的要求很高，使其对量测相对匮乏的配电网不适用。并且上述方法均未考虑分布式电源接入的影响，并且对于量测数据匮乏的配电网并不适用。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种对量测数据要求较低，且能够对含D G的配电网进行准确地拓扑辨识的方法，以避免因拓扑错误问题所导致的故障处理时间长、供电可靠性降低的情况出现。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

基于新息图法的含DG配电网的拓扑辨识方法，包括以下步骤：

步骤一，对配电网建模，确定连支和树支；

步骤二，计算k时刻的状态估计结果；

步骤三，计算所有量测支路的新息值；

步骤四，根据连支的新息值推算得到全网的计算新息值；

步骤五，对配备量测的树支计算其真实新息值和计算新息值之差的差别向量；

步骤六，判断是否存在部分支路差别向量很大且独立存在，若存在进行步骤八；若不存在进行步骤九；

步骤七，判断是否存在差别向量很大支路构成不良回路，若存在进行步骤八；若不存在进行步骤九；

步骤八，根据判断结果排除坏数据的影响后重新得到全网的计算新息值；

步骤九，根据k时刻的状态估计结果和计算新息值求得估计潮流；

步骤十，判断所含DG配电网是否为小功率场合；若为大功率场合进行步骤十一；若为小功率场合进行步骤十二；

步骤十一，判断是否存在某条支路的计算新息值很大但估计潮流值很小接近于零；如果存在某条支路的计算新息值很大，但是估计潮流值很小接近于零，那么该支路存在突然断开拓扑错误，该支路实际为断开状态，拓扑辨识结束；若不存在则表明网络无拓扑错误，拓扑辨识结束；

步骤十二，判断是否存在DG所在连支的新息值不为零；如果DG所在连支的新息值不为零进行步骤十三，如果DG所在连支的新息值为零则进行步骤十四；

步骤十三，若所有DG所在连支的新息值均为零，判断是否存在计算新息绝对值很大，且估计潮流值很小接近于零的支路；若存在支路满足新息值绝对值较大，估计潮流值接近于零的条件，那么拓扑错误支路为满足上述条件的最下游支路，该支路实际状态为断开，拓扑辨识结束；若不存在则表明网络中无拓扑错误，拓扑辨识结束；

步骤十四，若存在DG所在连支的新息值不为零，则为DG在拓扑错误支路下游的情况，应将DG所在连支的新息值改为其相反数，重新根据步骤四推算全网计算新息值和步骤九计算各支路的估计潮流值，若某条支路的计算新息值很大，但是估计潮流值很小接近于零，则该支路存在突然断开拓扑错误，该支路实际为断开状态，拓扑辨识结束。

本发明步骤二所述计算k时刻的状态估计结果是以k时刻的量测量及网络拓扑结构进行状态估计计算，状态估计根据式一计算：

   式一

式中，为状态变量，对于配电网选取支路电流幅值和相角作为其状态变量，为量测量，为量测函数，为量测权重矩阵；

用牛拉法解所得到的非线性方程，第k次迭代量为：

其中，为量测Jacobian矩阵，为信息矩阵，迭代计算直到小于设定阈值（），此时的状态量即为所求，进而可得整个网络的电压、潮流信息。

本发明步骤三中所述的新息值根据式二获得：

    式二

式中为k+1时刻量测量，为k时刻量测估计值，即为k+1时刻的新息值。

本发明步骤五中所述的差别向量根据式三获得：

  式三

式中，为由连支新息推算所得的计算新息值，为步骤三获得的支路的真实新息值。

本发明步骤九中所述的估算潮流根据式四获得：

  式四

式中为k时刻量测估计值即状态估计结果。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

本发明针对配电网幅员辽阔、量测匮乏的特点，利用具有预报功能的新息图法来检测、识别坏数据和拓扑错误等不正常事件，并且针对DG的接入对新息图法进行配电网拓扑辨识造成的影响提出相应的解决措施，从而确保配电网络拓扑结构准确，进而减少因拓扑不准所导致的故障处理时间长，供电可靠性降低的问题，弥补了现有的辨识方法对量测数据冗余度要求高、计算复杂等不足，特别适用于含DG配电网的拓扑辨识。本发明针对DG的容量和接入位置对新息图法拓扑辨识的影响提出与之相适应的判据，对含DG配电网的各种拓扑错误均能准确辨识，适应配电网中越来越多的分布式电源接入的趋势；原理简单，对量测配置要求不高，易于工程实践。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本实施例的电路图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

在配电网拓扑辨识过程中，拓扑错误可以定义为开关实际未变位而终端上传信息反映开关状态变化，即报告拓扑错误和实际系统中发生拓扑变化，但由于通信中断等缘故导致主站系统未做出相应反应，即未报告拓扑错误。报告拓扑错误情况容易处理，未报告拓扑错误情况下又以突然断开且未报告错误最难辨识，因此仅以该情况为例阐述拓扑辨识方法，并从简洁方便考虑，将突然断开且未报告拓扑错误简称为突然断开拓扑错误。

一种基于新息图法的含DG配电网的拓扑辨识方法，其流程图如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤一，对配电网建模，确定连支和树支：

配电网模型需增设地节点，并且对每个节点均构造一条对地支路。由于配网中每个配电变压器均配备量测且可等效为负荷节点，因此选取除馈线根节点对地支路以外的所有节点对地支路为连支，而该馈线的其余支路则选为树支。

步骤二，计算k时刻的状态估计结果：

以k时刻的量测量及网络拓扑结构进行状态估计计算，状态估计将配网的生数据加工成为熟数据，在一定程度上决定了其他分析应用的精确性和有效程度。

分布式电源在状态估计计算中根据其控制特性的不同可以分别视为PQ节点、PV节点、PI节点、PQ（V）节点和I节点。

使用目前应用最多的是基本加权最小二乘法进行状态估计，状态估计根据式一计算：

   式一

式中，为状态变量，对于配电网选取支路电流幅值和相角作为其状态变量，为量测量，为量测函数，为量测权重矩阵。

目标函数取最小值的在其的极值点上，因此有。

用牛拉法解所得到的非线性方程，第k次迭代量为：

其中，为量测Jacobian矩阵，为信息矩阵，迭代计算直到小于设定阈值（），此时的状态量即为所求，进而可得整个网络的电压、潮流信息。

步骤三，计算所有量测支路的新息值：

将k+1时刻的量测量减去k时刻的状态估计结果即量测估计值，得到k+1时刻的新息值。

新息值根据式二获得：

    式二

式中为k+1时刻量测量，为k时刻量测估计值，即为k+1时刻的新息值。

由新息值构成且满足电路原理的图为新息图。新息图中的新息值之间遵循克希荷夫第一、第二定律，在已知完整的网络结构和一定数量的由新息值表示的一些支路电流的情况下，新息图中所有其他的支路电流都可以计算出来。选择一个树，根据树的结构系统地形成独立回路来计算支路电流，如图1所示的配网模型，虚线表示连支，实线表示树支。令连支电流为已知的回路电流向量，就可以计算出新息图中所有的支路电流为：

式中C是支路-回路关联矩阵。

电力系统中习惯采用支路功率，当采用支路有功功率代替支路电流，并采用直流模型计算时可得下式：

式中为连支真实新息，为支路计算新息。

步骤四，根据连支的新息值推算得到全网的计算新息值，得到所有树支的计算新息值。

步骤五，对于配备量测的树支，其测量值与量测估计值之差为真实新息值，同时将由连支推算所得的计算新息值与真实新息值的差值作为差别向量。

配电网中的不良数据不遵循电路定律，因而由回路法从连支新息值推算得到的计算新息值是具有一致性的数据集合，当它们和那些纯粹根据量测值减去量测估计值所得到的真实新息值相比较时，差别即会显露出来。定义计算新息值与真实新息值之差为差别向量。

差别向量根据式三获得：

  式三

式中，为由连支新息推算所得的计算新息值，为步骤三获得的支路的真实新息值。

当较大的差别向量元素处于随机分布状态时，可判定不良数据位于差别向量较大的树支上，将该量测值修正成为其值与差别向量之差；当一个回路中除连支外的所有测量值的支路上均出现较大的差别向量，即形成不良回路时，则说明该连支的量测是坏数据，同样将该量测值修正成为其值减去差别向量，即可排除不良数据的对拓扑辨识可能造成的不良影响。

步骤六，判断是否存在部分支路差别向量很大且独立存在，若有部分支路差别向量很大且独立存在，则可判别为树支不良数据，进行步骤八；若不存在进行步骤九。

步骤七，判断是否存在差别向量很大支路构成不良回路，若存在差别向量很大支路构成不良回路，则可认为构成不良回路，刻盘别为存在连支坏数据，进行步骤八；若不存在进行步骤九。

步骤八，若存在坏数据，将其修正为量测值减去差别向量，即返回步骤三。在排除坏数据的影响后重新计算获得各连支的新息值，并推算得到全网的计算新息值。

步骤九，根据k时刻的状态估计结果和计算新息值求得估计潮流；即将步骤四中所得计算新息值与步骤二中所得的k时刻的状态估计结果相加，其结果作为估计潮流。

估算潮流根据式四获得：

  式四

式中为k时刻量测估计值即状态估计结果。

步骤十，判断馈线介入的DG配电网是否为小功率场合；若为大功率场合进行步骤十一；若为小功率场合进行步骤十二。

步骤十一，若为大功率应用场合，判断是否存在某条支路的计算新息值很大但估计潮流值很小接近于零。如果存在某条支路的计算新息值很大，但是估计潮流值很小接近于零，那么该支路存在突然断开拓扑错误，该支路实际为断开状态，拓扑辨识结束；若不存在则表明网络无拓扑错误，拓扑辨识结束。

步骤十二，若为小功率应用场合，则需要判断DG与拓扑错误支路的相对位置，即通过判断是否存在DG所在连支的新息值不为零进行确定。如果DG所在连支的新息值不为零进行步骤十三，如果DG所在连支的新息值为零则进行步骤十四。

步骤十三，若所有DG所在连支的新息值均为零，判断是否存在计算新息绝对值很大且估计潮流值很小接近于零的支路。若存在支路满足新息值绝对值较大且估计潮流值接近于零的条件，那么拓扑错误支路为满足上述条件的最下游支路，该支路实际状态为断开，拓扑辨识结束；若不存在则表明网络中无拓扑错误，拓扑辨识结束。

步骤十四，若存在DG所在连支的新息值不为零，则为DG在拓扑错误支路下游的情况，应将DG所在连支的新息值改为其相反数，重新根据步骤四推算全网计算新息值和步骤九计算各支路的估计潮流值，若某条支路的计算新息值很大，但是估计潮流值很小接近于零，则该支路存在突然断开拓扑错误，该支路实际为断开状态，拓扑辨识结束。

本发明所述方法的原理如下：

由电路原理可知，任意支路均可用附加电势源和线路阻抗表示，若该支路为闭合，则；若断开则根据置换原理，大小等于该支路开路电压，且该支路电流为零。根据叠加原理可知，交流潮流模型k+1时刻的运行状态等于k时刻的运行状态与k+1时刻的新息网络示意图之和。

在新息图中，所有节点的注入电流均为零，网络中的电势源仅为线路的附加电势。当不存在拓扑错误时，所有线路的附加电势皆为零，所有的新息量也均为零；而当存在突然断开拓扑错误时，拓扑错误支路的电势源等于其开路电压，新息值不为零，且在拓扑错误支路附近幅值较大。交流潮流模型k+1时刻的运行状态，即估计潮流。发生突然断开拓扑错误时，拓扑错误支路的估计潮流值为零。

考虑误差的影响，判断突然断开拓扑错误应满足两个条件：一是计算新息量的绝对值很大；二是估计潮流的绝对值较小。若某条支路同时满足上述两个条件，则该支路为拓扑错误的支路，开关实际状态应为断开。同理可知突然合上且未报告拓扑错误时，判据一与突然断开且未报告错误一致，判据二为该支路估计潮流的绝对值较大。满足上述两个条件则说明该开关的实际状态为闭合。

馈线所接入的DG分为大功率的应用场合和小功率应用场合两种情况。大功率的应用场合下当线路断开后要求DG工作于孤岛运行状态；而小功率的应用场合时若发生孤岛状态则启动孤岛保护功能，DG停止向周围负载供电。因而，新息图法对含DG的配电网进行拓扑辨识不仅会与分布式电源的容量有关，还受其与拓扑错误支路的相对位置影响。

下面以图2所示的5节点4支路馈线示意图来说明其影响并提出相应的解决方案。图中节点4接入分布式电源，其出力为，负号表示其发出电能。

情况一：小功率应用场合下，DG位于拓扑错误支路下游

假设支路发生突然断开拓扑错误，不考虑功率损耗并且DG停运，计算结果如表1所示。

表1

从表中可知支路2、3、4的估计潮流均为0，计算新息值则分别为、和，若则会出现和的计算新息值分别为和，根据新息图法辨识拓扑错误的两个判据，和的估计潮流为零，因此计算新息值较大的支路则为拓扑错误支路，此时新息图法辨识结果错误。为解决该问题，将DG对地连支的新息值由-DG修正为其相反数即DG，得到表中修正后计算新息，可以看到修正后计算新息的绝对值很大，而估计潮流值为0，因此拓扑错误支路为。

情况二：大功率应用场合下，DG位于拓扑错误支路下游

同样假设支路发生突然断开拓扑错误，不考虑功率损耗并且DG孤岛运行，计算结果如表2所示。

表2

由于支路断开后DG孤岛运行，为和继续供电，则由主网供电，因此对地支路0-2、0-3，0-5新息值均为零，只有DG所在对地连支0-4的新息值为。从表2中可得支路2计算新息绝对值很大而估计潮流值为零，因此新息图法正确辨识出支路2拓扑错误。该情况下DG的接入对新息图法拓扑辨识并未造成不良影响。

情况三：小功率应用场合下，DG位于拓扑错误支路上游

假设支路4发生突然断开拓扑错误，认为DG为PQ控制方式下不考虑DG出力变化，同时不考虑功率损耗，计算结果如表3所示。

表3

从上表中可知各支路计算新息的绝对值均相等为。若则支路2的估计潮流为0，新息图法拓扑辨识结果显示支路2、支路4拓扑错误；若则支路1的估计潮流为0，新息图法拓扑辨识结果则显示支路1、支路4拓扑错误。上述两种情况下新息图法拓扑辨识结果都不准确。为达到正确辨识的目的，当出现某条供电路径上不止一条支路的新息绝对值大小相近，并且估计潮流值为零的情况时，同时满足上述两个条件的最下游支路为拓扑错误支路。上表中若或者，由于支路4在供电路径的最下游且满足新息值的绝对值较大，估计潮流较小的判据，因此新息图正确判断支路4为拓扑错误支路。

情况四：大功率应用场合下，DG位于拓扑错误支路上游

同样假设该情况下支路4发生突然断开拓扑错误，得到的计算结果与表3一致，但是大功率应用场合下，由于，因而上表中各支路的估计潮流的绝对值均大于0，由新息图法可知支路4拓扑错误。故此时DG接入对新息图法拓扑辨识结果无影响。

综上所述，DG接入配电网对新息图法拓扑辨识的影响主要表现在：①小功率场合下，拓扑错误支路下游有DG，应将DG对地支路的新息值改为其相反数，利用新息图法辨识才能得到正确结果；②小功率场合下，拓扑错误支路上游有DG，应将判据改为同时满足新息值绝对值较大，估计潮流为0的最下游支路为拓扑错误支路。其他情况下DG接入对新息图法拓扑辨识判据无影响。

同样以图2所示的5节点4支路馈线示意图来说明不良数据对拓扑错误判据的影响，从上述分析知道大功率场合下DG接入配网对新息图法拓扑辨识的判据并未造成不良影响，因此考虑不良数据的影响时仅以小功率应用场合为例进行说明。

假设支路2突然断开，节点3量测为坏数据，从变成。不考虑功率损耗，计算结果如表4所示：

表4

从上表中可以看到，支路1、支路2差别向量较大且相等，与节点3对地连支构成不良回路，因此节点3量测为坏数据，应修正成为其量测值减去差别向量。排除坏数据的影响后所得表格内容与表1一致。

以上分析可知，基于新息图法的含DG配电网拓扑辨识方法对辨识不良数据和拓扑错误十分有效。