CN111313405A

CN111313405A - 一种基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法

Info

Publication number: CN111313405A
Application number: CN202010132448.4A
Authority: CN
Inventors: 赵健; 许栋梁; 王炜韬; 尤振飞; 王小宇; 边晓燕; 周斌
Original assignee: Shanghai University of Electric Power
Current assignee: Shanghai University of Electric Power
Priority date: 2020-02-29
Filing date: 2020-02-29
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2040-02-29
Also published as: CN111313405B

Abstract

本发明公开了一种基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法，包括获取μPMU的实时电压幅值量测数据；建立拓扑变动检测指标并判断拓扑是否发生变动；获取变动后的DSCADA和μPMU量测装置的多个时间断面的量测数据；以残差最小为目标构建多量测断面的混合整数二次规划拓扑辨识模型；采用大M法将所述混合整数二次规划拓扑辨识模型中的非线性项线性化；将所述多个时间断面的量测数据输入线性化的所述混合整数二次规划拓扑辨识模型得到配电网的拓扑结构，很好的利用配电网伪量测量和有限个量测量进行拓扑辨识，解决了现有技术下缺少冗余实时量测数据而无法精确地对配电网拓扑辨识的问题，方法简便，准确度高。

Description

一种基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法

技术领域

本发明涉及电力***配电技术领域，尤其涉及一种基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法。

背景技术

配电网拓扑辨识技术是配电网状态估计的一个重要应用，正确的拓扑结构是保证配电网安全分析和控制决策的重要基础。配电网线路数目庞大，电网改造频繁，导致配电网拓扑结构经常出现错误，严重影响配电***的运行和管理。

现有的输电网拓扑辨识方法主要有转移潮流法、新息图法、集合论法、人工神经网络算法等，这些方法都依赖于输电网丰富的开关量测信息，然而配电网中线路的量测数据要比输电网少得多，上述方法无法直接应用于配电网的拓扑辨识。故此，急需开发拓扑识别工具，利用配电网有限的量测信息实现配电网拓扑的可靠辨识。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有配电网拓扑辨识存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：解决现有技术无法直接应用于配电网的拓扑辨识导致无法实现配电网拓扑可靠辨识的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法，包括获取μPMU的实时电压幅值量测数据；建立拓扑变动检测指标并判断拓扑是否发生变动；获取变动后的DSCADA和μPMU量测装置的多个时间断面的量测数据；以残差最小为目标构建多量测断面的混合整数二次规划拓扑辨识模型；采用大M法将所述混合整数二次规划拓扑辨识模型中的非线性项线性化；将所述多个时间断面的量测数据输入线性化的所述混合整数二次规划拓扑辨识模型得到配电网的拓扑结构。

作为本发明所述的基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法的一种优选方案，其中：建立的所述拓扑变动检测指标具体为，

其中，i表示节点号，N表示节点总数，ΔT表示拓扑变动检测的时间间隔，

表示t+ΔT时刻测量得到的节点i的电压幅值，

均为N维向量，分别表示t+ΔT时刻N个节点的电压幅值的计算值、有功负荷和无功负荷的量测值，s_t表示t时刻的网络拓扑结构。

作为本发明所述的基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法的一种优选方案，其中：获取的所述多个时间断面的量测数据具体包括母线电压、支路的有功、无功功率以及节点的注入功率。

作为本发明所述的基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法的一种优选方案，其中：构建的所述混合整数二次规划拓扑辨识模型具体为，

目标函数：

其中，t表示量测断面数，Pr_t表示第t的量测断面的权重，Φ_m表示所有量测数据的集合，

表示第t个断面的量测数据，

表示第i个量测在第t个量测断面的方差，

表示第t个时间断面的量测方程，y表示选定的状态变量；

约束条件：c_t,ij∈{0,1}

节点有功和无功伪量测：

支路有功和无功量测：

母线电压幅值量测：

其中，

和

分别表示节点i在第t的量测断面的有功功率和无功功率的量测值，P_t,ij和Q_t,ij分别表示支路i-j在第t个时间断面流过的有功无功功率，

和

分别表示支路i-j在第t个时间断面流过的有功无功功率的量测值，c_t,ij表示支路i-j在第t个量测断面的连接情况，

表示第t个时间断面t节点的电压幅值量测，U_t,i表示第t个时间断面t节点的电压幅值，e表示各个量测量的误差。

作为本发明所述的基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法的一种优选方案，其中：将所述混合整数二次规划拓扑辨识模型中的非线性项线性化具体为，-c_t,ij·M≤P_t,ij≤c_t,ij·M

-c_t,ij·M≤Q_t,ij≤c_t,ij·M

U_t,i-U_t,j≤(1-c_t,ij)M+2(P_t,ijR_ij+Q_t,ijX_ij)

U_t,i-U_t,j≥-(1-c_t,ij)M+2(P_t,ijR_ij+Q_t,ijX_ij)

其中，U_i＝V_i ²，M是一个任意大的正数。

作为本发明所述的基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法的一种优选方案，其中：将所述多个时间断面的量测数据输入线性化的所述混合整数二次规划拓扑辨识模型具体为将多断面的有功、无功电压量测数和伪量测数据输入线性化的所述混合整数二次规划拓扑辨识模型中，求得残差加权平方和最小，且满足阈值条件时，得到配电网的拓扑结构。

本发明的有益效果：本发明基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法，通过对模型线性化处理，可以很好的利用配电网伪量测量和有限个量测量进行拓扑辨识，解决了现有技术下缺少冗余实时量测数据而无法精确地对配电网拓扑辨识的问题，方法简便，准确度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明提供的基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法的方法流程图；

图2为本发明提供的基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法中线性化混合整数二次项规划模型拓扑识别的具体流程图；

图3本发明提供的基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法在IEEE-33节点的测试***图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

请参阅图1～3，为本发明提供的基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法的第一个实施例：一种基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法，包括：

获取μPMU的实时电压幅值量测数据；

建立拓扑变动检测指标并判断拓扑是否发生变动；

获取变动后的DSCADA和μPMU量测装置的多个时间断面的量测数据；

以残差最小为目标构建多量测断面的混合整数二次规划拓扑辨识模型；

采用大M法将混合整数二次规划拓扑辨识模型中的非线性项线性化；

将多个时间断面的量测数据输入线性化的混合整数二次规划拓扑辨识模型得到配电网的拓扑结构。

其中，建立的拓扑变动检测指标具体为：

表示t+ΔT时刻测量得到的节点i的电压幅值，

均为N维向量，分别表示t+ΔT时刻N个节点的电压幅值的计算值、有功负荷和无功负荷的量测值，s_t表示t时刻的网络拓扑结构，假设最初存储在***中的网络拓扑结构是正确的，f表示以t时刻的网络拓扑结构以及t+ΔT时刻的节点负荷为输入进行潮流计算，得到N个节点电压的计算值

对计算得到的电压与利用μPMU获得的电压量测作差，取绝对值后求和，记为ΔV，设定适当的阈值，如果ΔV大于这个阈值，即可判断为配电网的拓扑结构发生了变化，反之则认为配电网拓扑未发生变化。

进一步的，获取的多个时间断面的量测数据具体包括母线电压、支路的有功、无功功率以及节点的注入功率。

具体的，构建的混合整数二次规划拓扑辨识模型具体为：

目标函数：

其中，t表示量测断面数，Pr_t表示第t的量测断面的权重，Φ_m表示所有量测数据的集合，包括实时量测数据和伪量测量，

表示第t个断面的量测数据，包括节点电压幅值、节点注入功率以及支路有功无功功率，

表示第i个量测在第t个量测断面的方差，

表示第t个时间断面的量测方程，y表示选定的状态变量，包括节点电压的幅值以及支路有功无功功率，具体的表达式在量测方程部分表明；

约束条件：c_t,ij∈{0,1}

其中，N_Node表示所有母线数量，N_root表示变电所数；c_t,ij用N_Node和N_root的差值表示支路i-j在第t个量测断面的连接情况，连接取1，断开取0，可以确保配电网的径向运行；

分别为t时刻母线i、j电压平方；R_ij、X_ij为支路i-j的电阻、电抗；

节点有功和无功伪量测：

其中，

和

分别表示节点i在第t的量测断面的有功功率和无功功率的量测值；

支路有功和无功量测：

其中，P_t,ij和Q_t,ij分别表示支路i-j在第t个时间断面流过的有功、无功功率；

和

分别表示支路i-j在第t个时间断面流过的有功无功功率的量测值；c_t,ijP_t,ij和c_t,ijQ_t,ij表示t时刻支路i-j之间是否有功率流通，若c_t,ij为1则表明t时刻支路间有功率流通，为P_ij和Q_ij；

母线电压幅值量测：

其中，

表示第t个时间断面t节点的电压幅值量测，U_t,i表示第t个时间断面t节点的电压幅值，e表示各个量测量的误差。量测误差越小表明状态估计越接近配电网实际状况。

具体的，采用大M法将混合整数二次项规划模型中各非线性条件线性化，具体流程如图2，节点电压等式约方程中含有一个复杂平方项，用一个较大正数M表示，电压平方项V_t ²用一个一次量U_t表示，将等式改写为节点电压不等式，避免了非线性带来的计算冲突：

U_t,i-U_t,j≤(1-c_t,ij)M+2(P_t,ijR_ij+Q_t,ijX_ij)

U_ti-U_tj≥-(1-c_tij)M+2(P_tijR_ij+Q_tijX_ij)

其中，U_i＝V_i ²，M是一个任意大的正数。由不等式约束可知，当母线i和母线j连通时x_ij＝1，不等式变为等式，相邻母线的电压的平方差可表示为：

U_i-U_j＝2(P_ijR_ij+Q_ijX_ij)

为了使约束线性化，采用有功无功不等式约束式析取约束：

-c_t,ij·M≤P_t,ij≤c_t,ij·M

-c_t,ij·M≤Q_t,ij≤c_t,ij·M

采用正数M和二进制变量c_t,ij作为不等式约束的上下限，来表示混合整数的线路有功、无功潮流项，将模型中非线性项转化为线性项；由不等式可知，当x_ij＝0时，P_ij、Q_ij等于0，即母线i和母线j间开断，支路无功率流动。当x_ij＝1时，母线间有功和无功功率范围为：

-M≤P_ij≤M

-M≤Q_ij≤M

依据不等式约束，原目标函数模型中的支路功率潮流等式、量测量与状态估计关系等式中的x_ijP_ij、x_ijQ_ij均被替代为P_ij、Q_ij。

得到线性化后的混合整数二次项拓扑辨识模型：

c_t,ij∈{0,1}

U_t,i-U_t,j≤(1-c_t,ij)M+2(P_t,ijR_ij+Q_t,ijX_ij)

U_t,i-U_t,j≥-(1-c_t,ij)M+2(P_t,ijR_ij+Q_t,ijX_ij)

各量测量与状态估计量等式关系为：

其中P_ij、Q_ij满足：

-c_t,ij·M≤P_t,ij≤c_t,ij·M

-c_t,ij·M≤Q_t,ij≤c_t,ij·M

线性化后的拓扑辨识模型可以充分配电网测得的母线电压幅值、线路有功无功的有限实时量测量和以及负荷有限伪量测量对配电网进行拓扑辨识，将多个时间断面的量测数据输入线性化的混合整数二次规划拓扑辨识模型得到配电网的拓扑结构具体步骤如下：

获取配电网状态估计量，负荷伪量测以及变压器、智能电表的有限个量测量

包括母线电压，支路传输有功功率、无功功率，并产生残差；

将产生的残差引入目标函数Obj中；

在服从母线电压差不等式、支路功率传输不等式等约束条件下，通过计算机CPLEX，对产生的残差利用加权最小二乘法求最小值Γ；

如果Obj最小值Г大于预设的基准值，拓扑辨识误差相对过大不可靠，重新获取最新量测量和状态估计量产生残差，回到步骤a2；

如果Obj最小值Γ小于等于预设的基准值，说明状态估计可靠，同时得到配电网的结构状态量c_ij；

利用计算得到的结构状态量c_ij确定配电网的拓扑结构。

需要注意的是：DSCADA:配电SCADA(Supervisory Control And DataAcquisition)***，即数据采集与监视控制***。用来获取节点电压幅值、支路功率以及节点注入功率的量测量。

μPMU：PMU(phasor measurement unit相量测量装置)是利用GPS秒脉冲作为同步时钟构成的相量测量单元,可用来测量各节点的电压相量。μPMU是适用于配电网的PMU。

目前，中压配电网拓扑识别的方法主要有以下几种：

基于不同状态量的状态估计法，该方法是简单的将应用于输电网的拓扑识别方法应用在配电网中，计算复杂性高，并且大多数的配电网缺乏冗余的测量数据，因此应用范围有限。

基于数据驱动的方法，该方法大多是分析节点电压数据之间的相关性，这些电压数据大多来自PMU，但是由于PMU的成本过高，不限制了其在配电网中的广泛应用，因此该方法不具有普遍性。

本专利通过配电网有限的量测数据，采用线性规划的方法进行中压配电网的拓扑辨识，可以很好的利用配电网伪量测量和有限个量测量进行拓扑辨识，解决了现有技术下缺少冗余实时量测数据而无法精确地对配电网拓扑辨识的问题，方法简便，准确度高。所提方法在IEEE-33节点的测试***上进行了测试，该***有33个节点，32条常闭的支路，以及5条常开的联络线。

在MATLAB上进行了100次仿真，相应的拓扑识别的准确率定义如下：

其中，N表示拓扑识别的次数，NC表示正确识别的次数。

改变网络拓扑结构：断开支路2-19，闭合支路12-22，考虑不同程度的量测误差以及量测断面数，进行拓扑识别，所得拓扑识别结果的准确率如下表1和表2：

表1：单时间断面2-19断开，12-22连接测量表

表2：多时间断面2-19断开，12-22连接测量表

改变网络拓扑结构：断开支路4-5，闭合支路12-22，考虑不同程度的量测误差以及量测断面数，进行拓扑识别，所得拓扑识别结果的准确率如下表3和表4：

表3：单时间断面4-5断开，22-12连接测量表

表4：多时间断面4-5断开，22-12连接测量表

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机***通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机***的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“***”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地***、分布式***中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它***进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法，其特征在于：包括，

获取μPMU的实时电压幅值量测数据；

建立拓扑变动检测指标并判断拓扑是否发生变动；

采用大M法将所述混合整数二次规划拓扑辨识模型中的非线性项线性化；

将所述多个时间断面的量测数据输入线性化的所述混合整数二次规划拓扑辨识模型得到配电网的拓扑结构。

2.根据权利要求1所述的基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法，其特征在于：建立的所述拓扑变动检测指标具体为，

表示t+ΔT时刻测量得到的节点i的电压幅值，

3.根据权利要求1所述的基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法，其特征在于：获取的所述多个时间断面的量测数据具体包括母线电压、支路的有功、无功功率以及节点的注入功率。

4.根据权利要求1所述的基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法，其特征在于：构建的所述混合整数二次规划拓扑辨识模型具体为，

目标函数：

表示第t个断面的量测数据，

表示第i个量测在第t个量测断面的方差，

表示第t个时间断面的量测方程，y表示选定的状态变量；

约束条件：c_t,ij∈{0,1}

节点有功和无功伪量测：

支路有功和无功量测：

母线电压幅值量测：

其中，

和

和

5.根据权利要求1所述的基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法，其特征在于：将所述混合整数二次规划拓扑辨识模型中的非线性项线性化具体为，

-c_t,ij·M≤P_t,ij≤c_t,ij·M

-c_t,ij·M≤Q_t,ij≤c_t,ij·M

U_t,i-U_t,j≤(1-c_t,ij)M+2(P_t,ijR_ij+Q_t,ijX_ij)

U_t,i-U_t,j≥-(1-c_t,ij)M+2(P_t,ijR_ij+Q_t,ijX_ij)

其中，U_i＝V_i ²，M是一个任意大的正数。

6.根据权利要求1所述的基于多量测断面的中压配电网拓扑辨识方法，其特征在于：将所述多个时间断面的量测数据输入线性化的所述混合整数二次规划拓扑辨识模型具体为将多断面的有功、无功电压量测数和伪量测数据输入线性化的所述混合整数二次规划拓扑辨识模型中，求得残差加权平方和最小，且满足阈值条件时，得到配电网的拓扑结构。