CN106786544A - 一种处理支路电流量测的电网快速分解状态估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种处理支路电流量测的电网快速分解状态估计方法，克服现有快速分解状态估计技术无法处理电流量测的缺点与不足，采用支路的有功功率和无功功率损耗来表达电流测量，而不是直接形成支路电流测量，使得新的量测具有快速分解法的性质，从而产生少量的计算负担和快速收敛的特性，适合于大规模含有分支电流测量的电网状态估计。

Description

一种处理支路电流量测的电网快速分解状态估计方法

技术领域

本发明涉及电力***中电网状态估计领域，特别是涉及一种处理支路电流量测的电网快速分解状态估计方法。

背景技术

快速分解状态估计(Fast Decoupled State Estimation，FDSE)已广泛应用于电力控制中心(Electric Power Control Center EPCC)，这是行之有效的，并且适用于大多数电网络。

传统的FDSE是基于XB或BX的常数量测雅可比矩阵进行计算，在遇到支路电流测量时难以解决。对于一个典型的城市电网络，支路电流测量部署在馈线侧来监测电网的运行状态。因此，基于支路电流测量的电网状态估计方法的提出十分必要。传统基于非线性雅克比矩阵的方法遭受沉重的内存成本或计算负担。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种电网快速分解状态估计的方法，克服现有快速分解状态估计技术无法处理电流量测的缺点与不足。

本发明采用以下方案实现：一种处理支路电流量测的电网快速分解状态估计方法，包括以下步骤：

步骤S1：建立目标函数：记y表示状态变量，包括电压变量(U_i∠θ_i)，支路功率潮流矢量(P_ij,Q_ij,P_ji,Q_ji)；Z表示测量量；w_i表示第i个量测的权重，状态估计模型使加权最小二乘法的残差最小化，其目标函数如下：

其中，y＝{U_i,θ_i,P_ij,Q_ij,P_ji,Q_ji}；

步骤S2：建立测量变量和估计变量的测量方程h(y)，进行各项量测，包括如下：

支路有功量测和支路无功量测，采用的测量方程分别为：

其中，ε代表量测误差，上标m代表量测数目；

注入功率量测，采用的测量方程为：

其中，j∈i表示j和i相连接，Q_i,cap表示电容器的无功注入。

支路电流量测，采用的测量方程为：

其中，b_sh,ij表示1/2支充电电纳，表示支路电流测量，下标loss表示支路损耗；

电压幅值量测，采用的测量方程为：

虚拟量测，采用的测量方程为：

通过电力***的网络约束形成虚拟测量，对于一个支路，虚拟测量方程表达为：

对于并联电容器，其支路潮流的约束表达为：

其中b_i,cap是电容器的电纳。

进一步地，对于一个含有b条支路的电网络，会产生4b个额外的状态变量参与到SE模型计算中，但支路约束和可以在同一时间给出4b个额外的方程。因此，本文所提出的SE模型与传统SE模型具有一样的可观测性。

进一步地，FDSE取决于测量方程的PQ解耦性能。显然，支路功率测量，注入功率测量，支路损耗测量都有PQ解耦性能。然而，虚拟量测约束方程中涉及的两个变量U和θ，很明显，U对有功功率的影响不大；θ对于电网络中阻抗比R/X高的复杂单位***影响也小。并且sin(θ_i-θ_j)≈θ_i-θ_j，cos(θ_i-θ_j)≈0，U_j≈1。因此，所述步骤S2中，雅可比矩阵的元素中对应于虚拟量测的约束方程可以简化为：

另外雅可比矩阵中的相应并联电容器的约束表达简化为：

通过采用上述测量的雅可比形式，可以形成快速分解法电网SE(FD-DSE)，其中P-θ和Q-V迭代的两个雅可比矩阵都是常数，只需要在FD-DSE进行初始化即可。

进一步地，所述步骤S2中，进行支路电流量测时，以支路的有功功率和无功功率损耗表达电流测量。

进一步地，所述步骤S2中，进行虚拟量测中，通过网络约束条件来形成虚拟测量，进而可添加至量测矢量中用于求算状态变量。

在本发明中，该方法采用支路的有功功率和无功功率损耗来表达电流测量，而不是直接形成支路电流测量，使得新的量测具有快速分解法的性质，从而产生少量的计算负担和快速收敛的特性，适合于大规模含有分支电流测量的电网状态估计。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过支路网损量测来替代支路电流，将结点电压和相角，支路功率结合形成新的状态量，适用于含有支路电流量测的电网进行状态估计。

(2)本发明在迭代计算过程中不需要每次都对增益矩阵求逆，而只需要在FD-DSE进行初始化，具有少量的计算负担和快速收敛的特性，在更大规模的电网状态估计更有成效。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供一种处理支路电流量测的电网快速分解状态估计方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1：建立目标函数：记y表示状态变量，包括电压变量(U_i∠θ_i)，支路功率潮流矢量(P_ij,Q_ij,P_ji,Q_ji)；Z表示测量量；w_i表示第i个量测的权重，状态估计模型使加权最小二乘法的残差最小化，其目标函数如下：

其中，y＝{U_i,θ_i,P_ij,Q_ij,P_ji,Q_ji}；

步骤S2：建立测量变量和估计变量的测量方程h(y)，进行各项量测，包括如下：

支路有功量测和支路无功量测，采用的测量方程分别为：

其中，ε代表量测误差，上标m代表量测数目；

注入功率量测，采用的测量方程为：

其中，j∈i表示j和i相连接，Q_i,cap表示电容器的无功注入。

支路电流量测，采用的测量方程为：

其中，b_sh,ij表示1/2支充电电纳，表示支路电流测量，下标loss表示支路损耗；由于支路充电电流非常小，因此这两个近似方程都具有较小的误差；

电压幅值量测，采用的测量方程为：

虚拟量测，采用的测量方程为：

通过电力***的网络约束形成虚拟测量，对于一个支路，虚拟测量方程表达为：

对于并联电容器，其支路潮流的约束表达为：

其中b_i,cap是电容器的电纳。

在本实施例中，对于一个含有b条支路的电网络，会产生4b个额外的状态变量参与到SE模型计算中，但支路约束和可以在同一时间给出4b个额外的方程。因此，本文所提出的SE模型与传统SE模型具有一样的可观测性。

在本实施例中，FDSE取决于测量方程的PQ解耦性能。显然，支路功率测量，注入功率测量，支路损耗测量都有PQ解耦性能。然而，虚拟量测约束方程中涉及的两个变量U和θ，很明显，U对有功功率的影响不大；θ对于电网络中阻抗比R/X高的复杂单位***影响也小。并且sin(θ_i-θ_j)≈θ_i-θ_j，cos(θ_i-θ_j)≈0，U_j≈1。因此，所述步骤S2中，雅可比矩阵的元素中对应于虚拟量测的约束方程可以简化为：

另外雅可比矩阵中的相应并联电容器的约束表达简化为：

通过采用上述测量的雅可比形式，可以形成快速分解法电网SE(FD-DSE)，其中P-θ和Q-V迭代的两个雅可比矩阵都是常数，只需要在FD-DSE进行初始化即可。

在本实施例中，所述步骤S2中，进行支路电流量测时，以支路的有功功率和无功功率损耗表达电流测量，三者之间的关系由公式。

在本实施例中，所述步骤S2中，进行虚拟量测中，通过网络约束条件来形成虚拟测量，进而可添加至量测矢量中用于求算状态变量。

在本实施例中，该方法采用支路的有功功率和无功功率损耗来表达电流测量，而不是直接形成支路电流测量，使得新的量测具有快速分解法的性质，从而产生少量的计算负担和快速收敛的特性，适合于大规模含有分支电流测量的电网状态估计。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种处理支路电流量测的电网快速分解状态估计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：建立目标函数：记y表示状态变量，包括电压变量(U_i∠θ_i)，支路功率潮流矢量(P_ij,Q_ij,P_ji,Q_ji)；Z表示测量量；w_i表示第i个量测的权重，状态估计模型使加权最小二乘法的残差最小化，其目标函数如下：

$\begin{array}{cc}Obj& min\underset{i\∈{\mathrm{\Φ}}_m}{\Σ}{w}_i{(z_i-h_i(y\left)\right)}^2\end{array}$

其中，y＝{U_i,θ_i,P_ij,Q_ij,P_ji,Q_ji}；

步骤S2：建立测量变量和估计变量的测量方程h(y)，进行各项量测，包括如下：

支路有功量测和支路无功量测，采用的测量方程分别为：

${\left(P_{ij}\right)}^m=P_{ij}+{\mathrm{\ϵ}}_{P_{ij}},{\left(Q_{ij}\right)}^m=Q_{ij}+{\mathrm{\ϵ}}_{P_{ij}}$

其中，ε代表量测误差，上标m代表量测数目；

注入功率量测，采用的测量方程为：

${\left(P_i\right)}^m=\ΣP_{ij}+{\mathrm{\ϵ}}_{P_i},{\left(Q_i\right)}^m=\ΣQ_{ij}-Q_{i,cap}+{\mathrm{\ϵ}}_{Q_i}$

其中，j∈i表示j和i相连接，Q_i,cap表示电容器的无功注入。

支路电流量测，采用的测量方程为：

$I_{ij}^{m2}{r}_{ij}=P_{ij,loss}^m=P_{ij}+P_{ji}+{\mathrm{\ϵ}}_{P_{ij,loss}}$

$I_{ij}^{m2}{x}_{ij}=Q_{ij,loss}^m=Q_{ij}+Q_{ji}-U_i^2{b}_{sh,ij}-U_j^2{b}_{sh,ij}+{\mathrm{\ϵ}}_{Q_{ij,loss}}$

其中，b_sh,ij表示1/2支充电电纳，表示支路电流测量，下标loss表示支路损耗；

电压幅值量测，采用的测量方程为：

${\left(U_i\right)}^m=U_i+{\mathrm{\ϵ}}_{U_i};$

虚拟量测，采用的测量方程为：

通过电力***的网络约束形成虚拟测量，对于一个支路，虚拟测量方程表达为：

$\frac{P_{ij}}{U_i}=\frac{r_{ij}(U_i-U_{j}cos({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_j\left)\right)+x_{ij}{U}_{j}sin({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_j)}{(r_{ij}^2+x_{ij}^2)}$

$\frac{Q_{ij}}{U_i}=\frac{x_{ij}(U_i-U_{j}cos({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_j\left)\right)+r_{ij}{U}_{j}sin({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_j)}{(r_{ij}^2+x_{ij}^2)}$

对于并联电容器，其支路潮流的约束表达为：

$Q_{i,cap}=U_i^2{b}_{i,cap}$

其中b_i,cap是电容器的电纳。

2.根据权利要求1所述的一种处理支路电流量测的电网快速分解状态估计方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述虚拟量测采用的测量方程简化为：

$\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{ij}}{U_i}=-\frac{U_j{x}_{ij}({\mathrm{\Δ\θ}}_i-{\mathrm{\Δ\θ}}_j)}{({r_{ij}}^2+{x_{ij}}^2)}\≈-\frac{x_{ij}({\mathrm{\Δ\θ}}_i-{\mathrm{\Δ\θ}}_j)}{({r_{ij}}^2+{x_{ij}}^2)}$

$\frac{{\mathrm{\ΔQ}}_{ij}}{U_i}=-\frac{x_{ij}({\mathrm{\ΔU}}_i-{\mathrm{\ΔU}}_j)}{(r_{ij}^2+x_{ij}^2)};$

并联电容器的约束表达简化为：

$\frac{{\mathrm{\ΔQ}}_{i,cap}}{U_i}=b_{i,cap}.$

3.根据权利要求1所述的一种处理支路电流量测的电网快速分解状态估计方法，其特征在于：所述步骤S2中，进行支路电流量测时，以支路的有功功率和无功功率损耗表达电流测量。

4.根据权利要求1所述的一种处理支路电流量测的电网快速分解状态估计方法，其特征在于：所述步骤S2中，进行虚拟量测中，通过网络约束条件形成虚拟测量，进而添加至量测矢量中用于求算状态变量。