CN105391059A - 一种基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法。首先将支路功率量测，节点功率量侧以及功率伪量测量转换为支路电流的实部和虚部；根据分布式电源的特性及类型求其等效节点的支路电流；构建测量矩阵和信息矩阵，并对信息矩阵进行奇异值分解求其对应逆矩阵；以各支路的电流量作为状态量，采用最小二乘估计准则进行状态估计，修正支路电流；根据更新后的支路电流，利用后代法求解各个节点的电压向量；再利用所求得的节点电压做量测变换，修正支路电流，求得各节点电压，如此反复直到满足收敛条件为止。本发明算法运算速度较快，能够很好地处理功率量测，采用奇异值分解的状态估计算法，能够辨识状态不可观区域，从而解决***病态问题。

Description

一种基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法

技术领域

本发明属于电力***技术领域，尤其涉及一种基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法。

背景技术

随着智能配电网的不断发展，分布式电源将会不断地接入配电网，对配电网安全可靠运行提出了新的要求，而对配电***进行状态估计是实现配电网智能调度的前提。在保持***可观测的前提下，状态估计能够根据量测数据的冗余度提高数据的精度，估计出没有量测装置处的电气信息，和潮流计算相比，状态估计是前者的扩展和延续，计算结果也更准确，所以通过研究含分布式电源的配电网状态估计方法来分析分布式电源的渗透对配电网状态估计的影响具有重要的意义。

当配电网接入分布式电源之后，将由单电源供电变成多电源供电的***，配电网的潮流也将发生改变，需要对配电网状态估计算法进行必要的调整，另外，分布式电源的接入增加了配电***的量测量，对提高配电网状态估计的精度将产生积极的影响。针对不同的分布式电源类型接入配网带来的不同影响，需要针对其自身特性，研究适应于分布式发电***的状态估计算法。为智能配电网的控制和运行提供安全评估基础。另一方面，考虑到电力***由于漏测量或其他原因造成不可观察时，如何病态***进行状态评估，直接关系到电力***状态评估效率。

发明内容

针对电力***状态估计对对处理病态***问题的不足，本发明提出了一种基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法，一方面可以解决病态***状态估计问题，一方面对分布式电源接入并网进行了并网处理，实现分布式发电***的状态估计。

本发明是这样实现，一种基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法，具体步骤包括：

首先，将支路功率量测，节点功率量侧以及功率伪量测量转换为支路电流的实部和虚部，并根据分布式电源的特性及类型求其等效节点的支路电流；

然后，构建测量矩阵和信息矩阵，采用奇异值分解法对信息矩阵其对应逆矩阵；

然后，以各支路的电流量作为状态量，采用最小二乘估计准则进行状态估计，修正支路电流；

接着，根据更新后的支路电流，利用后代法求解各个节点的电压向量；

最后，再利用所求得的节点电压做量测变换，修正支路电流，求得各节点电压，如此反复直到满足收敛条件为止。

进一步，采用最小二乘估计准则进行状态估计，修正支路电流的方法，具体步骤包括：

首先，基于最小二乘法理论，以电流两侧量为状态变量的估计值的矩形式表示为：

$\hat{x}={\left(H^T{R}^{-1}H\right)}^{-1}{H}^T{R}^{-1}z$

以B＝H^TR^-1H作为量测方程的信息矩阵。采用奇异值分解对信息矩阵进行处理：

B＝USV^T

B^-1＝VS^-1U^T

若S矩阵对角元素均大于0，则***状态是客观的。若对角元素存在非正数，则表示***是病态的，存在不可观测区域。

接着，在求得电流状态量后，根据以下公式修正每一个节点的功率量测量。

$P+jQ={\stackrel{\·}{U}}^{k-1}\·{\left({\stackrel{\·}{I}}^k\right)}^{*}$

然后，根据配电网的结构，利用后代法求解每个节点的电压。

${\stackrel{\·}{U}}_i^k={\stackrel{\·}{U}}_j^k-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{U}}_{ij}^k$

然后，根据收敛条件判断是否收敛，满足收敛条件时迭代结束。

$max\left|U_i^k-U_i^{k-1}\right|<\mathrm{\&epsiv;}$

若不满足收敛条件，则根据公式进行下一轮迭代：

${\hat{x}}^{(k+1)}={\left({\mathrm{VS}}^{-1}{U}^T\right)}^{-1}{H}^T{R}^{-1}z$

所述的基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法，对分布式电源的处理方法具体包括：

(1)在对含分布式电源的电力***进行状态估计时，需要根据分布式电源类型建立不同的计算模型和处理方案。根据不同的分布式电源发电属性和并网产生的影响，可以将分布式电源分为4中节点类型，分别为：PQ节点、PQ(V)节点、PV节点及I节点。根据分布式电源类型的不同，分别进行处理；

(2)对PQ节点，将其当做常规负荷节点考虑，并直接通过功率变化公式将其转换为电流量测量；

(3)对PQ(V)节点，由于PQ(V)节点类型的分布式电源保持有功功率恒定，而输出的无功功率和电压有关系，因此在每次迭代时将其转换为PQ节点，并根据功率变化公式将其转化为电流量量测。而每次在迭代前根据得到的新电压值对输出的无功功率进行修正。

(4)对PV节点，由于PV节点类型的分布式电源保持有功功率和节点电压幅值恒定，因此在迭代时将其转换为PQ节点，有功功率量测量不变，无功功率量测量按照功率因数取0.5或0.8进行求取，然后根据功率公式将其转化为电流量量测；而每次在迭代后，采用叠加补偿电流的方法来弥补节点电压复制与电压量测量不相等的电压复制差。

(5)当PV节点出现无功功率越现实，将PV节点的无功功率设定为发电机的无功功率上限，在此后的迭代中，将该节点转换为PQ节点进行状态估计，而不再考虑电压复制差的影响。

发明的基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法，一方面对状态估计算法的基础上对其进行了改进，提出了针对各类分布式电源节点的状态估计方法，对四类分布式电源节点分别进行了讨论，提出这四类节点在状态估计中的处理策略，使得算法更加具有适用性；另一方面，引进奇异分解策略，运用奇异值分解方法将信息矩阵处理为正交矩阵、对角矩阵S以及正交矩阵的乘积，实现对病态***的状态估计。而由于在迭代过程中只需对信息矩阵进行一次奇异值分解，节省了程序运行时间。

附图说明

图1是本发明提出的一种基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法的基本步骤；

图2是本发明提出的一种基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的含分布式电源的IEEE36节点弱环配电网；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明提出了一种基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法。

步骤S1，将支路功率量测，节点功率量侧以及功率伪量测量转换为支路电流的实部和虚部；

步骤S2，根据分布式电源的特性及类型求其等效节点的支路电流；

步骤S3，构建测量矩阵和信息矩阵，并对信息矩阵进行奇异值分解求其对应逆矩阵；

步骤S4，以各支路的电流量作为状态量，采用最小二乘估计准则进行状态估计，修正支路电流；

步骤S5，根据更新后的支路电流，利用后代法求解各个节点的电压向量；

步骤S6，再利用所求得的节点电压做量测变换，修正支路电流，求得各节点电压，如此反复直到满足收敛条件为止。

根据分布式电源的特性及类型求其等效节点的支路电流方法为：

将分布式电源分为四种节点类型，即PQ节点、PQ(V)节点、PV节点及I节点；PQ节点类型的分布式电源在状态估计算法中，需要通过功率变换公式将其转换为电流量测；PQ(V)节点类型的分布式电源输出的无功功率和节点电压有关，先将其先转换成PQ节点，并求其电流量测；PV节点类型的分布式电源转换成PQ节点，并求其电流量测，转换为电流量测的方法为：有功功率量测不变，无功功率量测按功率因数为0.5或0.8取恒定值，然后就可以计算其节点负荷注入电流量测。如果出现PV节点的注入无功功率越限，那么将PV节点的无功注入设定为发电机的无功输出上限，在此后的迭代中，该节点作为PQ节点加入运算，不用考虑电压幅值差带来的影响；I节点类型的分布式电源在状态估计中只需直接作为负的负荷电流量测。

对信息矩阵按照公式进行奇异分解：

B＝H^TR^-1H

B＝USV^T

B^-1＝VS^-1U^T

最终将信息矩阵B分解为列正交矩阵U(m×n)、根据BB^T的非负平方根值构成的对角矩阵S以及正交矩阵V(n×n)的乘积，并求其奇异分解逆矩阵；

在利用后代法求解各个节点的电压向量的的过程中，先根据以下公式修正每一个功率量测量。

$P+jQ={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}^{k-1}\&CenterDot;{\left({\stackrel{\&CenterDot;}{I}}^k\right)}^{*}$

接着根据配电网的结构，利用后代法求解每个节点的电压。

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_i^k={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_j^k-\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{ij}^k$

对分布式电源节点修正其节点电压的过程中：

对PQ(V)节点类型的分布式电源能够输出恒定的有功功率，但输出的无功功率和节点电压有关，在每次状态估计迭代之前，PQ(V)节点的输出无功需要根据每次迭代后得到的电压值进行修正，然后结合测得的有功功率量测，将其转换成负荷电流量测。

对PV节点在每次迭代之后，节点的电压幅值与给定的电压幅值量测会不相等，采用叠加补偿电流的方法来弥补这种电压幅值差带来的影响，使PV节点的电压幅值与给定的电压幅值量测值相等。

在采用最小二乘法对状态量进行求解时，由于分布式电源作为实时量测量接入公共节点，使得该节点的量测误差要比不接分布式电源时由负荷预测得到的伪量测的量测误差小得多，所以对接入分布式电源的负荷节点，应该重新考虑权重的选择，适当增大分布式电源并网点权重。

如图2是基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法的流程图。

如图3是本发明实施例提供的含分布式电源的IEEE36节点弱环配电网，在配电网中出现环网情况时，将环网结线信息反应到量测函数和雅克比矩阵中，并增加两个闭环点之间的支路电流状态量。

***电压基准值取6.062kV，视在功率基准值取100kVA，迭代精度选择10-5，节点16和22、节点24和29构成两个环网，根据图3所示的含分布式电源的弱环配电网结构图。算例中接入IEEE36弱环配电网节点***的分布式电源类型及参数如表1所示。

表1接入弱环配电网的分布式电源类型

对于燃料电池，变换器参数：P_N＝600kW，ρ_min＝0.75；

对于异步风力发电，无功补偿电容器参数：Q_N-Unit＝40kvar，U_N＝6.062kV

选取异步风力发电接入该弱环配电网为例进行分析，表2列出***A相部分支路有功功率的状态估计值和量测值的绝对误差比较。

从表2可以看出，支路10、12、19和24没有支路功率量测数据，除了支路19的状态估计绝对误差稍大之外，其他四条支路的状态估计绝对误差都在1％以内，说明通过状态估计可以得到没有安装量测设备处的支路功率信息，而且精度较高。对量测绝对误差和状态估计绝对误差取平均值，可以得到量测平均绝对误差为1.816％，状态估计平均绝对误差为1.557％，加入异步风力发电后提高了状态估计的精度。

表2A相支路有功功率状态估计值和量测值的绝对误差比较

Claims (8)

1.一种基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法，其特征在于，所述基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法包括：

步骤S1，将支路功率量测，节点功率量侧以及功率伪量测量转换为支路电流的实部和虚部；

步骤S2，根据分布式电源的特性及类型求其等效节点的支路电流；

步骤S3，构建测量矩阵和信息矩阵，并对信息矩阵进行奇异值分解求其对应逆矩阵；

步骤S4，以各支路的电流量作为状态量，采用最小二乘估计准则进行状态估计，修正支路电流；

步骤S5，根据更新后的支路电流，利用后代法求解各个节点的电压向量；

步骤S6，再利用所求得的节点电压做量测变换，修正支路电流，求得各节点电压，如此反复直到满足收敛条件为止。

2.如权利要求1所述的基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法，其特征在于，步骤S2中根据分布式电源的特性及类型求其等效节点的支路电流方法如下：

将分布式电源分为四种节点类型，即PQ节点、PQ(V)节点、PV节点及I节点；PQ节点类型的分布式电源在状态估计算法中，需要通过功率变换公式将其转换为电流量测；PQ(V)节点类型的分布式电源输出的无功功率和节点电压有关，先将其先转换成PQ节点，并求其电流量测；PV节点类型的分布式电源转换成PQ节点，并求其电流量测；I节点类型的分布式电源在状态估计中只需直接作为负的负荷电流量测。

3.如权利要求1所述的基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法，其特征在于，步骤S3对信息矩阵进行奇异值分解求其对应逆矩阵的方法为：

根据公式：

B＝H^TR^-1H

B＝USV^T

B^-1＝VS^-1U^T

将信息矩阵B分解为列正交矩阵U(m×n)、根据BB^T的非负平方根值构成的对角矩阵S以及正交矩阵V(n×n)的乘积，并求其奇异分解逆矩阵。

4.如权利要求1所述的基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法，其特征在于，步骤S5利用后代法求解各个节点的电压向量的方法为：

(1)根据以下公式修正每一个功率量测量。

(2)根据配电网的结构，利用后代法求解每个节点的电压。

。

5.如权利要求1所述的基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法，其特征在于，步骤S6中修正支路电流，求得各节点电压的方法为：

(1)PQ(V)节点类型的分布式电源能够输出恒定的有功功率，但输出的无功功率和节点电压有关，在每次状态估计迭代之前，PQ(V)节点的输出无功需要根据每次迭代后得到的电压值进行修正，然后结合测得的有功功率量测，将其转换成负荷电流量测。

(2)PV节点在每次迭代之后，节点的电压幅值与给定的电压幅值量测会不相等，采用叠加补偿电流的方法来弥补这种电压幅值差带来的影响，使PV节点的电压幅值与给定的电压幅值量测值相等。

6.如权利要求1所述的基于电流量测变换的分布式发电***状态估计方法，其特征在于，采用最小二乘法对状态量进行求解时，权重的选取方法：

分布式电源作为实时量测量接入公共节点，使得该节点的量测误差要比不接分布式电源时由负荷预测得到的伪量测的量测误差小得多，所以对接入分布式电源的负荷节点，应该重新考虑权重的选择，适当增大分布式电源并网点权重。

7.如权利要求2所述的PV节点类型的分布式电源转换成PQ节点，并求其电流量测方法，其特征在于，转换为电流量测的方法包括：

有功功率量测不变，无功功率量测按功率因数为0.5或0.8取恒定值，然后就可以计算其节点负荷注入电流量测。

8.如权利要求5所述的修正支路电流，求得各节点电压的方法，其特征在于，对PV节点进行电流量测的转换方法：

在每次迭代之后，如果出现PV节点的注入无功功率越限，那么将PV节点的无功注入设定为发电机的无功输出上限，在此后的迭代中，该节点作为PQ节点加入运算。