基于数据采集系统量测数据的电力系统状态估计方法

摘要

基于数据采集系统量测数据的电力系统状态估计方法属于电力系统分析技术领域，其特征在于，基于电力系统网络参数，以及数据采集和监控系统实时测量的量测数据，把所述量测数据分配到正在运行的一个电力系统中，形成一个计算模型，把联络节点注入功率为零以及发电机最大有功出力和最大无功出力作为约束，建立估计用的数学模型，求解各节点电压幅值和电压相角的最优解，并用状态变量最优解计算电压，有功和无功的估计值，若量测值和估计值之差小于设定的不同电压等级下的参数α，则估计值合格。本发明提出的估计准则有很强的抗差性，不易受不良数据的影响，提高了估计的正确性。

说明书

技术领域

本技术发明属于电力系统分析计算领域。

背景技术

状态估计也被称为滤波，它是利用实时量测系统的冗余度来提高数据精度，自动排除随机干扰所引起的错误信息，估计或预报系统的运行状态。状态估计的功能是将低精度、不完整、有不良数据的生数据转为完整、合理、误差小的熟数据。其主要任务是利用实时量测系统的遥测、遥信信息，按开关状态建立网络模型，并对实时量测数据进行粗检测，剔除其中的不良数据，对不足的量测点补充伪量测，以保证冗余度，从而估计出系统的状态，计算出系统的潮流分布，同时利用计算结果分析系统的运行状态，加强全网的可观测性。

传统的状态估计方法于1970年由MIT的Fred Charles Schweppe创立，迄今已有30多年的历史。根据求解状态变量所用的目标函数的不同，状态估计器有不同的估计准则，目前电力系统状态估计的估计准则有：加权最小二乘准则(WLS)、非二次(non-quadratic)准则、加权最小绝对值(WLAV)、LMS(least median of squares)和LTS(least trimmed squares)。当前应用最广泛的是WLS估计准则，它的优点是模型简单，计算量小，对理想正态分布的量测量，估计具有最优一致且无偏等优良统计特性，缺点是抗差能力差，即估计结果易受不良数据的影响而偏离真值较远。非二次准则、WLAV、LMS和LTS估计器都属于抗差估计器，它们的显著优点就是具有抗差能力，但有计算量大、需要主观确定加权因子等缺点，这也是妨碍抗差估计器发展的重要原因。

本发明提出了一种电力系统状态估计方法，该方法提出了一种估计准则，该估计准则具有很强的抗差性，可反映量测的真实分布情况，建立了在此估计准则基础上的优化问题数学模型，将联络节点的注入功率作为等式约束放在约束条件中，提高了估计的正确性，给出了目标函数中参数的设定原则，以及求解此优化问题时初值的设定方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于实时量测的电力系统状态估计方法。

1.基于数据采集系统量测数据的电力系统状态估计方法其特征在于所述方法是在计算机中依次按以下步骤实现的：

步骤(1)，从能量管理系统中获得电力系统的网络参数，包括：输电线路的支路号、首节点和末节点编号、串联电阻、串联电抗、并联电导、并联电纳、变压器的变比和阻抗；

步骤(2)，从数据采集和监视系统SCADA的网络数据服务器获得遥测量测值和遥信量测值，其中

遥测量测值包括：电压幅值、发电机有功功率、发电机无功功率、负荷有功功率、负荷无功功率、线路首端有功功率、线路首端无功功率、线路末端有功功率、线路末端无功功率、线路电流幅值，

遥信量测值包括：开关、刀闸开合状态以及变压器分接头位置，开关或刀闸闭合的量测值为1，断开的量测值为0，

所述SCADA系统采用轮询方式采集数据，轮询周期为5~10s，每一个测点至少包括：测点类型、测点号以及量测值；

步骤(3)，构造计算模型

步骤(3.1)，把开关、输电线、变压器、发电机、电容器以及负荷的端口定义为节点，遍历所述这些节点，根据得到的开关量把电网中通过闭合的开关或刀闸连接在一起的节点合并成一个计算用节点，下面所述节点均指计算用节点，

步骤(3.2)，把步骤(2)得到的电压幅值量测值、发电机功率量测值以及负荷功率量测值按以下方法分配到对应的节点上：

若所述节点上有多个电压幅值量测值，则取平均值作为一个电压幅值量测值，

若只有所述节点上所有的发电机和负荷都有功率量测时，才把发电机功率减去负荷功率作为该节点上的注入功率；

步骤(4)，以节点电压幅值与电压相角作为状态变量x，并取某一节点作为电压相角参考节点，便按下式求所述状态变量最优解x^*：

步骤(4.1)，把没有发电机也没有负荷的节点定义为联络节点，该联络节点的集合为A，而发电机节点集合为E，用P_kmax、Q_kmax分别表示节点号为k的发电机节点最大有功出力和最大无功出力，

步骤(4.2)，采用下述优化模型求解状态变量最优解x^*：

$\min \underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}(\frac{1}{1+e^{-{\beta }_i(z_i-h_i\left(x\right)-{\alpha }_i)}}+\frac{1}{1+e^{{\beta }_i(z_i-h_i\left(x\right)+{\alpha }_i)}})$

$s.t.\left(\begin{array}{c}\underset{j\in t}{\Sigma }{v}_t{v}_j(G_{\mathrm{tj}}\cos {\theta }_{\mathrm{tj}}+B_{\mathrm{tj}}\sin {\theta }_{\mathrm{tj}})=0\\ \underset{j\in t}{\Sigma }{v}_t{v}_j(G_{\mathrm{tj}}\sin {\theta }_{\mathrm{tj}}-B_{\mathrm{tj}}\cos {\theta }_{\mathrm{tj}})=0\end{array},\right)(t\in A)$

其中，A为联络节点集合，E为发电机节点集合，

v_t，v_j，v_k，v_l分别为节点t、节点j、节点k、节点l的电压幅值，

j∈t表示节点j与节点t有线路相连，

l∈k表示节点l与节点k有线路相连，

节点t为联络节点，节点k为发电机节点，

G_tj，B_tj，G_kl，B_kl为导纳矩阵元素，

θ_tj为节点t和节点j的电压相角差，

θ_kl为节点k和节点l的电压相角差，

z_i为第i个量测的量测值，

h_i(x)为第i个量测的量测函数，

α_i是和第i个量测有关的参数：

对于电压测点：0.02×|z_ibase|，

对于有功测点：0.02×|z_ibase|，

对于无功测点：0.03×|z_ibase|，

z_ibase的大小和第i个量测有关，对于不同的电压等级，z_ibase是设定的，

β_i是一个与所述α_i相关的一个参数，

β_i＝c/α_i，c是一个常数，c＝5~10；

步骤(5)，按照步骤(4)得到的最优解x^*，计算出量测值的估计值z^*＝h(x^*)，

节点i电压幅值，h(x^*)＝v_i^*，

节点i有功注入功率，$h\left(x^{*}\right)=\underset{j\in i}{\Sigma }{v}_i^{*}{v}_j^{*}(G_{\mathrm{ij}}\cos ({\theta }_i^{*}-{\theta }_j^{*})+B_{\mathrm{ij}}\sin ({\theta }_i^{*}-{\theta }_j^{*})),$

节点i无功注入功率，$h\left(x^{*}\right)=\underset{j\in i}{\Sigma }{v}_i^{*}{v}_j^{*}(G_{\mathrm{ij}}\sin ({\theta }_i^{*}-{\theta }_j^{*})-B_{\mathrm{ij}}\cos ({\theta }_i^{*}-{\theta }_j^{*})),$

 均为状态变量最优解，用x^*表示；

步骤(6)，按下式判断每一个量测的估计值是否合格：

$|z_i-z_i^{*}|\le {\alpha }_i,$则估计值合格。

2.根据权利要求1所述的基于数据采集系统量测数据的电力系统状态估计方法其特征在于：

对于线路功率量测，所述zibase按以下方式取值：500kv等级取1083MVA，330kv等级取686MVA，220kv等级取305MVA，110kv等级取114MVA，66kv电压等级取69.7MVA。

3.根据权利要求1所述的基于数据采集系统量测数据的电力系统状态估计方法其特征在于：

对于电压幅值量测，所述z_ibase按以下方式取值：500kv等级取600kv，330kv等级取396kv，220kv等级取264kv，110kv等级取132kv，66kv等级取79.2kv。

4.根据权利要求1所述的基于数据采集系统量测数据的电力系统状态估计方法其特征在于：

对于发电机功率量测，所述z_ibase取发电机视在功率。

本发明提出的电力系统状态估计计算方法可以应用到我国各大区域和省级电网能量管理系统(EMS)中，也可以应用于基于实时量测量的电力系统监视、分析和控制系统。

附图说明

图1是元件等值电路图，其中图(a)是线路π形等值电路图，图(b)是变压器π形等值电路图。

图2是本发明所述方法的流程框图。

图3是硬件架构示意图。

图4是四节点系统图。

图5是四节点系统计算模型图。

具体实施方式

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统是电力系统自动化的实时数据源，提供电力系统实时量测数据。SCADA量测可分为遥测量和遥信量。遥测量是指模拟量的量测，遥信量是指离散量的量测。电力系统的遥测量方程可表示为

z＝h(x)+v      (1)

(1)式中z为量测值矢量；h(x)为量测函数矢量；v为量测误差矢量；设量测量共m个，则上述矢量均为m维；x为状态量，设系统节点数为n，以节点电压幅值与电压相角作为状态变量，并取某一个节点作为电压相角参考节点，则x为2n-1维，(2)~(12)式分别为几种常见量测的量测方程：

节点i注入功率P_i，Q_i：

$P_i=\underset{j\in i}{\Sigma }{v}_i{v}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\theta }_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\theta }_{\mathrm{ij}})---\left(2\right)$

$Q_i=\underset{j\in i}{\Sigma }{v}_i{v}_j(G_{\mathrm{ij}}\sin {\theta }_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos {\theta }_{\mathrm{ij}})---\left(3\right)$

线路i-j上节点i侧潮流：

$P_{\mathrm{ij}}=v_i^{2}g-v_i{v}_{j}g\cos {\theta }_{\mathrm{ij}}-v_i{v}_{j}b\sin {\theta }_{\mathrm{ij}}---\left(4\right)$

$Q_{\mathrm{ij}}={-v}_i^2(b+y_c)-v_i{v}_{j}g\sin {\theta }_{\mathrm{ij}}+v_i{v}_{j}b\cos {\theta }_{\mathrm{ij}}---\left(5\right)$

线路i-j上节点j侧潮流：

$P_{\mathrm{ji}}=v_j^{2}g-v_i{v}_{j}g\cos {\theta }_{\mathrm{ij}}+v_i{v}_{j}b\sin {\theta }_{\mathrm{ij}}---\left(6\right)$

$Q_{\mathrm{ij}}={-v}_j^2(b+y_c)+v_i{v}_{j}g\sin {\theta }_{\mathrm{ij}}+v_i{v}_{j}b\cos {\theta }_{\mathrm{ij}}---\left(7\right)$

变压器支路i-j上节点i侧潮流：

$P_{\mathrm{ij}}=-\frac{1}{K}{v}_i{v}_j{b}_T\sin {\theta }_{\mathrm{ij}}---\left(8\right)$

$Q_{\mathrm{ij}}=-\frac{1}{K^2}{v}_i^2{b}_T+\frac{1}{K}{v}_i{v}_j\cos {\theta }_{\mathrm{ij}}---\left(9\right)$

变压器支路i-j上节点j侧潮流：

$P_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{K}{v}_i{v}_j{b}_T\sin {\theta }_{\mathrm{ij}}---\left(10\right)$

$Q_{\mathrm{ij}}=-v_j^2{b}_T+\frac{1}{K}{v}_i{v}_j\cos {\theta }_{\mathrm{ij}}---\left(11\right)$

节点i电压幅值量测：

U_i＝v_i    (12)

上面量测方程中，v_i，v_j分别为节点i和节点j的电压幅值，θ_ij为节点i和节点j电压相角差，G_ij，B_ij为导纳矩阵元素，g，b，y_c为线路π形模型中的参数，K为变压器的非标准变比，b_T为变压器标准测的电纳，线路和变压器的π形等值电路如图1所示。

既没有发电机也没有负荷的节点称为联络节点，设联络节点集合为A，发电机节点集合为E，用P_kmax、Q_kmax分别表示节点号为k的发电机节点最大有功出力和最大无功出力，采用如下优化问题数据模型：

$\min \underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}(\frac{1}{1+e^{-{\beta }_i(z_i-h_i\left(x\right)-{\alpha }_i)}}+\frac{1}{1+e^{{\beta }_i(z_i-h_i\left(x\right)+{\alpha }_i)}})$

$s.t.\left(\begin{array}{c}\underset{j\in t}{\Sigma }{v}_t{v}_j(G_{\mathrm{tj}}\cos {\theta }_{\mathrm{tj}}+B_{\mathrm{tj}}\sin {\theta }_{\mathrm{tj}})=0\\ \underset{j\in t}{\Sigma }{v}_t{v}_j(G_{\mathrm{tj}}\sin {\theta }_{\mathrm{tj}}-B_{\mathrm{tj}}\cos {\theta }_{\mathrm{tj}})=0\end{array},\right)(t\in A)---\left(13\right)$

$\left(\begin{array}{c}\underset{l\in k}{\Sigma }{v}_k{v}_l(G_{\mathrm{kl}}\cos {\theta }_{\mathrm{kl}}+B_{\mathrm{kl}}\sin {\theta }_{\mathrm{kl}})\le P_{k\max }\\ \underset{l\in k}{\Sigma }{v}_k{v}_l(G_{\mathrm{kl}}\sin {\theta }_{\mathrm{kj}}-B_{\mathrm{kl}}\cos {\theta }_{\mathrm{kl}})\le Q_{k\max }\end{array},\right)(k\in E)$

(13)式中α_i，β_i是和第i个量测有关的参数，参数的取值原则如下：

1.α_i的取值

●电压测点：0.02×|z_ibase|

●有功测点：0.02×|z_ibase|

●无功测点：0.03×|z_ibase|

z_ibase的大小和第i个量测有关，取值原则如下：

a)对于线路功率量测，500kv等级取1083MVA，330kv等级取686MVA，220kv等级取305MVA，110kv等级取114MVA，66kv电压等级取69.7MVA

b)对于电压幅值量测，500kv等级取600kv，330kv等级取396kv，220kv等级取264kv，110kv等级取132kv，66kv等级取79.2kv

c)对于发电机功率量测取发电机视在功率

2.β_i的取值

β_i＝c/α_i，c是一个常数，本发明中c的取值范围为5~10。

根据目前国家电网公司对测点估计值是否合格的判定标准，当第i个量测的估计值和量测值之间的偏差满足|z_i-h_i(x)|≤α_i时，测点估计值是合格的。

设求解得到的最优解为x^*，用x^*计算出量测值的估计值z^*＝h(x^*)，整个计算过程结束。

本发明应用于某实际电力系统实时控制系统——AEMS，程序流程框图如图2所示，该系统硬件架构图如图3所示。该系统的服务器包括两台数据服务器和两台应用服务器，服务器操作系统均采用Solaris 8，两台数据服务器及两台应用服务器均互为热备用。该系统需要同时进入现有能量管理系统(EMS)网络和SCADA网络，并保持一定的独立性。该系统启用了两个交换机，通过它们分别连接到EMS网络和SCADA网络。数据服务器都采用双网卡设计，分别与上述两个交换机相联接。这样就可以实现AEMS分区网络与EMS网络、SCADA网络之间的相互访问了。

以图4所示的4节点系统为例，具体步骤说明如下：

步骤1：初始化

从现有的能量管理系统中获得电力系统的网络参数。包括输电线路的串联电阻、串联电抗、并联电导和并联电纳；变压器的变比和阻抗。

4节点系统线路参数如表1所示：

表1 线路参数表

 

支路号首节点末节点电阻R(Ω)电抗R(Ω)对地电纳y_c变比K1120.522.660.00014—2133.058.370.00056—3230.412.150.00044—4340.007.50—1.05

步骤2：获得SCADA量测值

量测量包括遥测量测和遥信量测。遥测量测主要包括电压幅值量测，发电机有功功率量测，发电机无功功率量测，负荷有功功率量测，负荷无功功率量测，线路首端有功功率量测，线路首端无功功率量测，线路末端有功功率量测，线路末端无功功率量测，线路电流幅值量测。遥信量测主要是开关、刀闸开合状态的量测以及变压器分接头位置量测。每一个测点至少要包括三个内容：测点类型，测点号以及量测值。离线状态下可以通过文件给出上述量测量，在线应用时可以通过SCADA系统提供的API或使用TCP/IP通信协议从SCADA系统中获得。SCADA系统采用轮询的方式采集数据，轮询的周期一般为5~10s。

设某一个时刻4节点系统的量测数据如表2所示，其中遥信量的量测值为1表示开关闭合，0表示开关断开，遥测量的量测值使用有名值：有功功率的单位是MW，无功功率的单位是MVAR，电压幅值的单位是kv，角度的单位是度。

表2 量测数据

步骤3：形成计算模型

开关、输电线、变压器、发电机、电容器以及负荷的端口被称为节点(node)，遍历所有这些节点，根据得到的开关量将电网中通过闭合的开关或刀闸连接在一起的节点合并成一个计算用节点，以下所述节点均指计算用节点。

将第二步中得到的电压幅值量测值、发电机功率量测以及负荷功率量测重新分配到节点上，具体分配办法如下：1)如果节点上有多个电压幅值量测，则取平均值作为一个电压量测2)只有节点上所有的发电机和负荷都有功率量测时才将发电机功率减去负荷功率作为节点上注入功率量测进入下一步。

4节点系统中母线段1-1和1-2通过开关K2连接，K2闭合情况下，1-1和1-2合并成一个bus，该bus的电压幅值量测是1-1和1-2上电压幅值量测的平均值。计算模型如图5所示。量测重新分配后如表3所示。

表3 量测值

 

量测项目P₁Q₁P₁₂Q₁₂P₁₃Q₁₃P₃₁Q₃₁量测值18.7134.05-41.7937.96-19.1-2.2417.55-10.74量测项目P₃₂Q₃₂P₃Q₃P₃₄Q₃₄U₁U₃量测值132.5742.61-49.49-41.93-193.2-71.08112.15110.99

步骤4：求解状态变量

设联络节点集合为A，发电机节点集合E，用P_kmax、Q_kmax分别表示发电机节点k最大有功出力和最大无功出力，采用如下优化问题数据模型：

$\min \underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}(\frac{1}{1+e^{-{\beta }_i(z_i-h_i\left(x\right)-{\alpha }_i)}}+\frac{1}{1+e^{{\beta }_i(z_i-h_i\left(x\right)+{\alpha }_i)}})$

$s.t.\left(\begin{array}{c}\underset{j\in i}{\Sigma }{v}_i{v}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\theta }_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\theta }_{\mathrm{ij}})=0\\ \underset{j\in i}{\Sigma }{v}_i{v}_j(G_{\mathrm{ij}}\sin {\theta }_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos {\theta }_{\mathrm{ij}})=0\end{array},\right)(i\in A)$

$\left(\begin{array}{c}\underset{l\in k}{\Sigma }{v}_k{v}_l(G_{\mathrm{kl}}\cos {\theta }_{\mathrm{kl}}+B_{\mathrm{kl}}\sin {\theta }_{\mathrm{kl}})\le P_{k\max }\\ \underset{l\in k}{\Sigma }{v}_k{v}_l(G_{\mathrm{kl}}\sin {\theta }_{\mathrm{kj}}-B_{\mathrm{kl}}\cos {\theta }_{\mathrm{kl}})\le Q_{k\max }\end{array},\right)(k\in E)$

离线应用时可以用WLS估计器估计后得到的状态量作为初值，在线实时应用时可以使用上一次估计得到的状态量作为初值。使用非线性优化问题的数值求解方法求解，设得到的最优解为x^*。

4节点系统取节点1作为电压相角参考节点，量测值矢量z以及参数α_i，β_i见表4。状态量计算结果如表5所示。

表4 量测值矢量及参数

 

i12345678zi18.7134.05-41.7937.96-19.1-2.2417.55-10.74αi0.7771.16562.283.422.283.422.283.42βi12.8698.57964.385962.9244.3862.923984.3862.92398i910111213141516zi132.5742.61-49.49-41.93-193.2-71.08112.15110.99αi2.283.422.283.422.283.422.642.64βi4.3862.9244.385962.9244.3862.923983.78793.78788

表5 估计结果

 

节点号幅值相角1111.3102110.17-0.3983111.520.824112.17.92

步骤5：计算所有量测量的估计值

用上一步求得的x^*计算出量测值的估计值z^*＝h(x^*)，并保存计算结果，求得的结果如表6所示。如果是在线实时计算，等待数秒，返回步骤2；如果是离线计算，整个计算过程结束。

表6 量测估计值

 

量测项目量测值估计值P₁18.7120.33Q₁34.0535.9P₁₂-41.7939.87Q₁₂37.9638.3P₁₃-19.1-19.5Q₁₃-2.24-2.39P₃₁17.5519.6Q₃₁-10.74-11.23P₃₂132.57130.2Q₃₂42.6140.77P₃-49.49-46.43Q₃-41.93-41.74P₃₄-193.22-196.27Q₃₄-71.08-71.27U₁112.15111.31U₃110.99111.52