輸、配電網(wǎng)狀態(tài)估計算法分析與展望

摘要：本文首先介紹了狀態(tài)估計的概念以及存在的必要性，然后從狀態(tài)估計的角度分析比較了輸、配電網(wǎng)各自的運行特點，從而引出了狀態(tài)估計在輸、配網(wǎng)中應(yīng)用算法（模型）的不同，最后分析了狀態(tài)估計的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：輸配電網(wǎng) 狀態(tài)估計 分析展望

0 引言

電力系統(tǒng)狀態(tài)估計作為一種高級應(yīng)用軟件，其算法模型源于電力系統(tǒng)潮流計算模型，在整個能量管理系統(tǒng)中起著非常重要的作用。因此，從某種意義上來說是“實時潮流計算”，主要任務(wù)是用數(shù)據(jù)來建立各種高級應(yīng)用軟件所需的數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)提供完整的系統(tǒng)運行狀態(tài)的信息。

狀態(tài)估計所需的各種運行數(shù)據(jù)是由SCADA系統(tǒng)采集并整理后送到調(diào)度中心的，在此過程中，由于數(shù)據(jù)采集裝置以及數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)等的誤差都會使數(shù)據(jù)存在不同程度的不可靠性。此外還要考慮到量測系統(tǒng)中量測裝置的配置問題（如數(shù)量或種類上的限制），這些都會使系統(tǒng)得到的往往不是完整的、可靠的量測數(shù)據(jù)。針對以上問題，除了可以提高和改善SCADA系統(tǒng)和傳輸過程外，還可以采用一些科學的方法來提高所需量測數(shù)據(jù)可靠性和完整性。電力系統(tǒng)狀態(tài)估計就是在這個基礎(chǔ)上提出和發(fā)展起來的[1]。電力系統(tǒng)狀態(tài)估計是在量測數(shù)據(jù)存在誤差的情況下，通過建立科學嚴謹?shù)臄?shù)學模型來獲得可靠的電力系統(tǒng)狀態(tài)變量。這樣就必須要有一個前提，即量測量要有一定的數(shù)據(jù)冗余。只有這樣，才能通過狀態(tài)估計算法將含有不可靠數(shù)據(jù)的量測信息轉(zhuǎn)化為可靠性高的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)。

1 輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)的運行特點

電力系統(tǒng)是由發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產(chǎn)與消費系統(tǒng)[2]。電力系統(tǒng)狀態(tài)估計主要應(yīng)用于輸電和配電環(huán)節(jié)。

1.1 輸變電系統(tǒng) 輸變電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，包括變電站和輸電線路。發(fā)電廠生產(chǎn)的電能，經(jīng)輸電系統(tǒng)供給配電系統(tǒng)和用戶。輸電系統(tǒng)的主要設(shè)備按其功能和輸變電流程通過電氣主接線連接而成[2]。在進行狀態(tài)估計前，首先要進行電力系統(tǒng)實時結(jié)線分析，自動劃分發(fā)電廠、變電站的計算用節(jié)點數(shù)，實時處理開關(guān)信息的變化，形成新的網(wǎng)絡(luò)接線，然后進行網(wǎng)絡(luò)接線分析將節(jié)點系統(tǒng)劃分為若干個子系統(tǒng)，給狀態(tài)估計程序提供新結(jié)線方式下的信息和數(shù)據(jù)，隨之分配量測量和注入量等數(shù)據(jù)。然后進行量測系統(tǒng)分析，內(nèi)容包括檢查量測量的狀態(tài)，按子系統(tǒng)劃分量測量，確定各子系統(tǒng)的可觀測性。若子系統(tǒng)滿足可觀測性，則可進行狀態(tài)估計。

1.2 配電系統(tǒng) 配電系統(tǒng)是處于電力系統(tǒng)末端，向用戶分配電能和供給電能的重要環(huán)節(jié)，它把發(fā)電系統(tǒng)或輸變電系統(tǒng)與用戶設(shè)備連接起來，包括整個配電網(wǎng)及其設(shè)備，主要包括配電變電站、高低壓配電線路及接戶線在內(nèi)的幾大部分[2]。對輸電網(wǎng)狀態(tài)估計的研究，配電網(wǎng)作為電力網(wǎng)中直接與用戶相連的網(wǎng)絡(luò)，作為對已有狀態(tài)估計改進的基礎(chǔ)，首先要辨清輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)不同之處，與輸電網(wǎng)相比在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方面有其自身的特點[3]：

1.2.1 電壓等級：配電網(wǎng)電壓等級比輸電網(wǎng)電壓等級低，城區(qū)配電網(wǎng)母線上電壓幅值一般為10KV，傳輸功率相對不大，由于供電半徑較短，沿線電壓相角變化非常小。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：配電網(wǎng)一般呈輻射狀，分支多而復雜，輸電網(wǎng)一般為網(wǎng)狀連接；正常運行時，配電網(wǎng)通?？梢苑纸鉃槎鄠€唯一電源點供電的輻射狀網(wǎng)絡(luò)。在處理故障或平衡三相負載功率時，配電網(wǎng)又會出現(xiàn)“弱環(huán)”、“多電源”等情況，因而為了簡化結(jié)構(gòu)，一般以饋線為單元研究配電網(wǎng)絡(luò)。

1.2.3 負荷因素：配電網(wǎng)深入到城市中心和居民密集點，因此配電網(wǎng)的節(jié)點特別多；由于經(jīng)濟和地理原因，只有部分重要的開關(guān)、變壓器上有量測數(shù)據(jù)，無法像輸電網(wǎng)那樣安裝大量的量測裝置。

1.2.4 線路參數(shù)：支路較短，電壓較低，線路的充電電容可以忽略；電阻值比輸電線路大，電抗值較輸電線路小，在潮流計算和系統(tǒng)建模時不能像輸電網(wǎng)那樣忽略電阻值，從而使得配電線路具有較大的R/X值。

由上可以看出，配電網(wǎng)不同于輸電網(wǎng)，使得傳統(tǒng)的輸電網(wǎng)狀態(tài)估計在配電網(wǎng)中效果不佳，不具有支路阻抗比大、分支多而復雜、量測量嚴重不足的特性，需要研究高效的適合配電網(wǎng)的狀態(tài)估計算法，不能簡單的照搬輸電系統(tǒng)狀態(tài)估計的研究應(yīng)用成果。

2 輸、配電網(wǎng)狀態(tài)估計模型設(shè)計

要求根據(jù)實際電網(wǎng)的運行特點（如量測系統(tǒng)完備性的不同、拓撲結(jié)構(gòu)稀疏程度的不同、運行上下限的不同等）來設(shè)計相應(yīng)的目標函數(shù)及狀態(tài)估計模型，達到獲取更高可靠性的系統(tǒng)狀態(tài)信息的目的。狀態(tài)估計算法的數(shù)學模型直接關(guān)系到狀態(tài)估計結(jié)果的準確性與可靠性。以下將以加權(quán)最小二乘法（WLS）為例簡要介紹輸、配電網(wǎng)狀態(tài)估計算法的設(shè)計思路及模型。

2.1 輸電網(wǎng)狀態(tài)估計模型設(shè)計 狀態(tài)估計早在二、三十年前就已經(jīng)成功應(yīng)用在輸電網(wǎng)的狀態(tài)獲取中。由于輸電網(wǎng)擁有高數(shù)據(jù)冗余度，因此狀態(tài)估計可以剔除在量測系統(tǒng)中產(chǎn)生的誤差，使之最終獲得的數(shù)據(jù)更加接近真實水平。

但根據(jù)電力系統(tǒng)的特點，即狀態(tài)估計主要處理對象是某一時間斷面上的高維（網(wǎng)絡(luò)）問題，而且對量測誤差的統(tǒng)計知識又不夠清楚，因此目前很多電力系統(tǒng)實際采用的狀態(tài)估計算法是最小二乘法[5]。該算法的基本思想是在量測值滿足理想正態(tài)分布的假設(shè)下，以殘差平方和為目標函數(shù)，努力找到某個系統(tǒng)狀態(tài)量x，使其目標函數(shù)最小。而且，可根據(jù)量測系統(tǒng)中量測項可靠性的不同賦予不同的權(quán)值，此時目標函數(shù)變?yōu)榧訖?quán)殘差平方和，狀態(tài)估計算法變?yōu)榧訖?quán)最小二乘法（WLS）。但是，在實際運行中，真實系統(tǒng)狀態(tài)需滿足運行上下限約束，此時可添加相應(yīng)的約束函數(shù)。此時，輸電網(wǎng)的狀態(tài)估計問題就變成了含有約束條件的最優(yōu)化問題。

2.2 配電網(wǎng)狀態(tài)估計模型設(shè)計 配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和規(guī)模比輸電網(wǎng)大和復雜的多，呈輻射狀，開環(huán)或弱環(huán)運行，線路的R/X大，存在大量的PQ節(jié)點。因此，對于狀態(tài)估計在配電網(wǎng)中的應(yīng)用，存在像拓撲結(jié)構(gòu)過大、三相不平衡等區(qū)別于輸電網(wǎng)的挑戰(zhàn)，使得傳統(tǒng)潮流計算如牛頓-拉夫遜算法計算速度慢，不易收斂，導致網(wǎng)絡(luò)的雅克比矩陣的條件數(shù)增大，呈現(xiàn)不同程度的病態(tài)特征。然而，相對于輸電網(wǎng)而言，在輸電網(wǎng)層面上的實時量測十分缺乏，使得狀態(tài)估計算法的冗余度不足而無法進行，成為在配電網(wǎng)應(yīng)用狀態(tài)估計技術(shù)的最大挑戰(zhàn)。

在考慮性價比的前提下，提出了通過補充偽測量來實現(xiàn)配電網(wǎng)的狀態(tài)估計。利用在歷史負荷數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立起來的負荷模型如高斯混合模型法來估計負荷量測量即偽測量[4]。由于它們是通過歷史數(shù)據(jù)推斷總結(jié)出來的，可能無法與實際情況匹配，但提供了一個大概的置信范圍，區(qū)別于實際測量的電氣量，同時也提高了狀態(tài)估計的數(shù)據(jù)冗余度，在輸電網(wǎng)中應(yīng)用最多的WLS算法同樣可以用于配電網(wǎng)狀態(tài)估計。

WLS算法在實際的使用中有一定的局限性。由于兩者拓撲結(jié)構(gòu)的不同，配電網(wǎng)相對于輸電網(wǎng)有更多的“0節(jié)點”。所謂“0節(jié)點”，指的是在電網(wǎng)中，它們既不是發(fā)電設(shè)備，也不是用電負荷的節(jié)點。對于0節(jié)點的測量，均可以認定為是0，其標準差也是0，稱這些可以直接認定的值為虛擬量測量，用以區(qū)分從測量儀器測量出來的值。然而在加權(quán)矩陣中，0節(jié)點的注入功率測量的權(quán)重則是無限大，因此會使算法無法進行[4]。為了解決這一問題，可將這些0功率注入測量當成狀態(tài)估計算法約束的形式加入“標準方程”。此時，通過負荷預測模型補充偽測量和利用0節(jié)點作為約束條件便可將配電網(wǎng)的狀態(tài)估計問題轉(zhuǎn)化為含有約束條件的最優(yōu)化問題。

3 發(fā)展方向

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，狀態(tài)估計的研究也從未終止過，我認為狀態(tài)估計在以下幾個方面有重要的研究價值：①由于我國電網(wǎng)實際的數(shù)據(jù)采集能力無法實現(xiàn)對電網(wǎng)的動態(tài)監(jiān)控，因此如何配置PMU量測裝置使電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集效果最好，從而提高狀態(tài)估計的可靠性與準確度，是目前面臨的實際問題。②新理論應(yīng)用于配電網(wǎng)實用化的可行性研究和狀態(tài)估計得理論探討。③多種類型和類壞數(shù)據(jù)的特征抽取等問題，多個相關(guān)壞數(shù)據(jù)的檢測和辨識問題，為正確檢測和辨識壞數(shù)據(jù)奠定基礎(chǔ)。④在大規(guī)模系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集量信息很大，縮短狀態(tài)估計的執(zhí)行周期，需要開發(fā)計算速度快和數(shù)值穩(wěn)定性好的算法。

參考文獻：

[1]熊信銀，唐巍.電氣工程概論[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]高珂，電力系統(tǒng)狀態(tài)估計方法的研究與實現(xiàn)，碩士學位論文，華北電力大學，2010.

[3]劉健，畢鵬翔，董海鵬.復雜配電網(wǎng)簡化分析與優(yōu)化.中國電力出版社，2002.

[4]孔維聰，配電網(wǎng)狀態(tài)估計方法及實驗研究，碩士學位論文，華南理工大學，2011.

[5]于爾鏗.電力系統(tǒng)狀態(tài)估計[M].北京：水利電力出版社，1985.