基于混合量測(cè)技術(shù)的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)研究*

金 濤 李少華

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基于混合量測(cè)技術(shù)的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)研究*

金 濤 李少華

福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院

電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)是能量管理系統(tǒng)（EMS）的重要組成部分，也是電力系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)、分析、控制的基礎(chǔ)，如何快速、高效地對(duì)電網(wǎng)的狀態(tài)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)估計(jì)已成為電力系統(tǒng)研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題。該文在分析狀態(tài)估計(jì)理論和廣域監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，提出了一種利用電力廣域測(cè)試系統(tǒng)（WAMS）和監(jiān)測(cè)控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）混合量測(cè)的靜態(tài)狀態(tài)估計(jì)算法，此算法可以直接利用電流相量量測(cè)量，高效快速地進(jìn)行電網(wǎng)信息的狀態(tài)估計(jì)。相關(guān)的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，這種算法具有良好的估計(jì)性能，并能夠?qū)Σ涣紨?shù)據(jù)進(jìn)行有效的檢測(cè)和辨識(shí)。

電力系統(tǒng) 狀態(tài)估計(jì) 廣域檢測(cè) WAMS

隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式日趨復(fù)雜，電力系統(tǒng)調(diào)度中心的自動(dòng)化水平也需要逐步由低級(jí)向高級(jí)發(fā)展?，F(xiàn)代化的調(diào)度系統(tǒng)要求能迅速、準(zhǔn)確而全面地掌握電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)的運(yùn)行趨勢(shì)，對(duì)運(yùn)行中發(fā)生的各種問(wèn)題提供下一步運(yùn)行的決策，從而保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性[1]。狀態(tài)估計(jì)技術(shù)也被稱為濾波，它是利用實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)的冗余度來(lái)提高數(shù)據(jù)精度，自動(dòng)排除隨機(jī)干擾所引起的錯(cuò)誤信息，估計(jì)或預(yù)報(bào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，已在電力系統(tǒng)中得到了較多應(yīng)用[2,3]。本文在研究狀態(tài)理論和廣域監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于WAMS/SCADA混合量測(cè)的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)技術(shù)，這種狀態(tài)估計(jì)量測(cè)量既包括由SCADA系統(tǒng)提供的傳統(tǒng)量測(cè)，又包括由WAMS系統(tǒng)提供的電壓和電流相量量測(cè)，且此狀態(tài)估計(jì)不用特意指定相角參考母線，所有母線相角都是以全球定位系統(tǒng)授時(shí)基準(zhǔn)為參考。相關(guān)的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這種算法具有良好的估計(jì)性能，并能夠?qū)Σ涣紨?shù)據(jù)等進(jìn)行有效的檢測(cè)和辨識(shí)，具有較好的工程使用價(jià)值。

1 電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)理論

在給定網(wǎng)絡(luò)結(jié)線、支路參數(shù)和量測(cè)系統(tǒng)的條件下，根據(jù)量測(cè)值求最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)值的計(jì)算方法稱為狀態(tài)估計(jì)算法，它是狀態(tài)估計(jì)程序的核心部分，因此狀態(tài)估計(jì)算法的選擇對(duì)整個(gè)狀態(tài)估計(jì)程序的性能有很大的影響[4]。定義電力系統(tǒng)的量測(cè)方程為：

式中為維量測(cè)矢量；為維量測(cè)函數(shù)向量；為維量測(cè)誤差向量，假設(shè)其服從均值為0、方差為的正態(tài)分布。之前狀態(tài)估計(jì)技術(shù)的量測(cè)量主要來(lái)自于SCADA的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，圖1是常見(jiàn)的兩端口電力網(wǎng)絡(luò)分支模型。

根據(jù)基爾霍夫定律可得

待求的狀態(tài)量是相角和母線電壓

2 基于SCADA和WAMS混合量測(cè)的模型建立

相量測(cè)量單元PMU是能夠利用全球定位系統(tǒng)GPS的授時(shí)功能，給以相量形式測(cè)量的各節(jié)點(diǎn)或者線路的各種狀態(tài)量打上時(shí)標(biāo)的一種測(cè)量裝置[5]。廣域測(cè)量系統(tǒng)WAMS就是以PMU為低層測(cè)量單元，經(jīng)通信系統(tǒng)將測(cè)量值實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)處理后對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及實(shí)現(xiàn)其他高級(jí)功能的系統(tǒng)。圖2為本課題組設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)WAMS廣域監(jiān)測(cè)的原理圖。

圖2 電力系統(tǒng)WAMS廣域監(jiān)測(cè)原理圖

為得出最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)，應(yīng)當(dāng)使目標(biāo)函數(shù)的值最小，迭代公式給出如下：

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證算法的效果和精度，我們進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究。圖3是IEEE-14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，它有14個(gè)bus, 20條支路。在該IEEE-14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，量測(cè)量既包括傳統(tǒng)潮流量測(cè)，又包括相角量測(cè)。每臺(tái)PMU都可以測(cè)得所安裝母線處的電壓相量和所有由此母線流出的電流相量。

為了測(cè)試本文提出的狀態(tài)估計(jì)算法，共對(duì)如表1所示4種不同可觀測(cè)算例進(jìn)行了仿真測(cè)試。算例①僅包括傳統(tǒng)量測(cè)量。算例②包括傳統(tǒng)量測(cè)量和3個(gè)PMU的量測(cè)（以下支路功率量測(cè)：4-5、4-7、4-9、7-9、10-11、12-13、13-14；母線3、5、13、14處的注入功率量測(cè)，以及母線2、7、9處PMU量測(cè)量）。算例③包括傳統(tǒng)量測(cè)量和4個(gè)PMU的量測(cè)（以下支路功率量測(cè)：4-9、10-11、12-13；母線3、5、14處的注入功率量測(cè)，以及母線2、6、7、9處PMU量測(cè)量）。算例④包括傳統(tǒng)量測(cè)量和5個(gè)PMU的量測(cè)（支路10-11的功率量測(cè)；母線5處的注入功率量測(cè)，以及母線2、6、7、9、13處PMU量測(cè)量）。

圖3 IEEE-14標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)接線圖和量測(cè)配置

在分析時(shí)，相角量測(cè)的真值和標(biāo)準(zhǔn)差單位為度，其它量測(cè)量單位為p.u.，收斂容差設(shè)為10-4。仿真試驗(yàn)時(shí)，由PMU測(cè)得的相量量測(cè)量比傳統(tǒng)量測(cè)精度要高，幅值誤差為0.1%~1%，相角誤差為0.01°~0.05°，假定傳統(tǒng)量測(cè)量的誤差為1%~3%。

表1 各算例量測(cè)配置

圖4和圖5分別為支路電流相量利用極坐標(biāo)形式時(shí)，電壓相角和幅值估計(jì)值相對(duì)于真實(shí)值的估計(jì)誤差。從圖中可以看出，僅含有傳統(tǒng)量測(cè)量的狀態(tài)估計(jì)的估計(jì)結(jié)果最差。加入PMU量測(cè)量使?fàn)顟B(tài)估計(jì)性能有很大的提高。而且，PMU數(shù)量越多，估計(jì)性能也越好。

圖4 電流相量相角估計(jì)誤差

圖5 電流相量幅值估計(jì)誤差

表2 算例③的不良數(shù)據(jù)檢測(cè)分析

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于WAMS/SCADA混合量測(cè)的狀態(tài)估計(jì)算法，并基于此利用傳統(tǒng)量測(cè)和電力系統(tǒng)廣域監(jiān)測(cè)WAMS量測(cè)量來(lái)對(duì)電網(wǎng)的狀態(tài)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)估計(jì)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明，這種算法具有良好估計(jì)性能，有效解決了狀態(tài)估計(jì)迭代時(shí)產(chǎn)生的數(shù)值不穩(wěn)定問(wèn)題，并能高效完成不良數(shù)據(jù)的檢測(cè)和辨識(shí)，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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歐盟FP7國(guó)際合作基金(909880)資助項(xiàng)目；國(guó)家自然科學(xué)基金(50907011)資助項(xiàng)目；福建省自然科學(xué)基金(2010J05109)資助項(xiàng)目；教育部留學(xué)歸國(guó)人員基金資助項(xiàng)目(LXKQ1001)；福建省杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012J06012)。