专利名称：一种基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法
技术领域：
本发明属于电力系统计算领域，更准确地说涉及一种应用于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法。
背景技术：
状态估计算法的研究直接关系到状态估计计算的速度、精度等。随着电力系统规模的不断扩大，考虑的因素也越来越多，传统的集中式状态估计建立的电力网络状态方程数目巨大、阶数很高，即使采用诸多的先进技术和高性能的计算机，传统的集中式状态估计仍呈现出计算机内存不足，收敛速度慢等维数灾难问题，不能满足实时性要求。但电力系统的安全、稳定运行迫切要求能在短时间内迅速进行静态和动态安全分析计算，判断当时电网的薄弱环节，以此作为采取调整和防范措施的依据，这对提高电网运行的可靠性，防止发生大的系统性事故是十分重要的。缩短计算时间的一种有效方法是采用系统的简化模型或等值模型。但过分简化，计算精度会下降，某些情况误差会大到无法接受的程度。为了减轻计算负担，提高运算速度，满足在线分析的需求，需要寻求新的状态估计算法以适应未来电力系统的发展需求。随着分布式技术的快速发展，分布式状态估计是未来电力系统状态估计发展的主要趋势。文献一《分布式能管理系统状态估计分布式异步迭代算法》(中国电机工程学报 1996年第16卷第3期160页)中应用状态估计分量解法，提出状态估计分布式异步迭代算法、可观性判定定理和收敛性定理。但是这种分布式异步迭代算法的构造和收敛性分析非常困难。文献二《分布式状态估计》(电力系统自动化1998年第12卷第6期35页)中提出搭接的分布式状态估计算法。这一算法解决了两级分层式状态估计算法的问题，但边界母线的状态值差异较大。文献三《分布式状态估计算法的研究》(中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十四届学术年会论文集762页)中采用基于区域划分的分布式算法来解决多区域状态估计优化向题，但在联络线处估计误差较大。
发明内容
为了解决传统的集中式状态估计在电网结构超过一定规模时所面临的高维度、数值稳定性低和收敛性差的问题，本发明提供了一种不仅可以明显提高状态估计的计算速度而且能够显著提高状态估计计算精度的基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法。为了解决上述问题，本发明所采取的技术方案是一种基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法，其特征在于包括以下步骤(1)、多源量测信息的获取可以从集控站的能量管理系统中取得实时量测数据， 在线获得的量测信息包括支路的三相电流幅值量测、支路的有功量测、支路的无功量测、开关流过的三相电流幅值量测、开关流过的有功功率量测、开关流过的无功功率量测、各节点的三相电压幅值量测、PMU量测、开关遥信状态；(2)、量测信息一致性检验对于集控站内各厂站的量测信息，进行一致性检验；(3)、多区域分布式状态估计计算根据子区域间的负荷与发电量尽可能平衡以及子区域间联络线尽量少的原则对集控站划分子系统，在划分子系统时，每个子系统要包括边界的联络线以及联络线对端的节点；(4)、集控站内可疑厂站的辨识多区域分布式状态估计通过辨识得到正则化残差，如果该残差大于检验门槛值，确定可疑量测，计算母线的可疑量测关联指数，根据该指数辨识出可疑母线，并将该母线所在的厂站辨识为可疑厂站；(5)、基于可疑厂站详细模型的二次状态估计计算对辨识出可疑厂站作详细建模，将断路器支路作为零阻抗支路处理。断路器的有功潮流、无功潮流以及断路器状态作为扩展状态变量进行二次状态估计计算。前述的一种基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法，其特征在于步骤 (2)包括以下一致性检验1)、基尔霍夫一致性检验利用基尔霍夫定律对各节点进行量测一致性检验，各节点所联支路的端点具备有效量测时满足基尔霍夫定律，根据设置门槛，剔除显著错误量测 fn息；2)、支路状态与量测一致性检验综合支路的量测信息对支路状态进行校验。对于支路有效量测并证明明显带电运行的设备，根据采集遥信对相应的开关刀间状态进行判定，给出可疑遥信状态；3)、断路器状态与刀闸状态一致性检验根据不同的接线方式对集控站内的断路器以及刀间状态进行一致性检验，给出可疑遥信状态；4)、时间序列一致性检验根据两次状态估计获取的量测信息断面进行时间序列的一致性检验，针对前后两次获取断面的量测变化情况对支路状态进行判定。前述的一种基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法，其特征在于所述步骤2、中，支路状态与量测一致性检验利用支路遥测信息对支路状态进行校验，根据支路量测的大小以及设定的量测门槛对支路量测状态进行判定，对于有效量测并证明明显带电的支路根据采集的遥信信息对支路的状态进行判定。前述的一种基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法，其特征在于所述步骤4)中，时间序列一致性检验综合使用上一个时间断面的量测信息以及本次时间断面的量测信息对支路状态进行一致性检验。前述的一种基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法，其特征在于所述步骤(3)中，多区域分布式状态估计计算按照所划区域把集控站内全系统状态估计做降维处理，提高局部量测冗余度，把局部不良数据和病态系统条件的影响限制在各区域内，避免由于局部影响而造成整体状态估计算法不收敛。前述的一种基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法，其特征在于所述步骤中，集控站内可疑厂站的辨识通过计算母线的可疑量测关联指数确定可疑母线， 并将该母线所在的厂站辨识为可疑厂站。前述的一种基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法，其特征在于所述步骤(5)中，基于可疑厂站详细模型的二次状态估计计算扩展可疑厂站的状态变量类型， 将流过断路器的有功潮流、无功潮流以及断路器状态作为扩展状态变量进入量测方程中， 利用已有的状态估计技术进行二次状态估计计算，从而确定集控站内正确的拓扑结构。本发明的有益效果是本发明分布式状态估计算法是将电力网络按区域分割，并在所分割的各个区域内实行状态估计，然后协调各个区域的状态估计。分布式状态估计算法充分利用现有计算机网络以及分布在各个子系统中独立的处理器不仅可以明显提高状态估计的计算速度而且能够显著提高状态估计计算的精度。
图1 基尔霍夫一致性检验流程示意图。图2 线路支路状态与量测一致性检验流程示意图。图3 绕组支路状态与量测一致性检验流程示意图。图4 设备状态与量测一致性检验流程示意图。图5 时间序列一致性检验流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的描述。一、多源量测信息的获取。本发明可以从集控站的能量管理系统(EMS)中取得实时量测数据，在线获得的量测信息包括支路的三相电流幅值量测、支路的有功量测、支路的无功量测、开关流过的三相电流幅值量测、开关流过的有功功率量测、开关流过的无功功率量测、各节点的三相电压幅值量测、PMU量测、开关遥信状态；二、量测信息一致性检验。在本发明中公开了对集控站内各厂站量测信息处理的方法。对于上述集控站内各厂站的量测信息，可以进行如下的一致性检验。1、基尔霍夫一致性检验如图1所示，对于集控站内各厂站的节点，如果该节点各相所联支路的端点处具备有效量测(包括支路端点处的有功量测、无功量测以及电流量测)，则对于该节点量测应满足基尔霍夫定律(KCL)，即任一节点的注入/流出功率(电流)应平衡。在图1中，首先判定是否内部节点，如果是则找出与该节点相关联的所有支路集合，对于该节点的所有的支路量测(包括电流和功率量测)求取量测代数和，如果此代数和大于设定的检验门槛值，则不满足基尔霍夫定律，存在可疑量测，如果此代数和小于设定的检验门槛值，则满足基尔霍夫定律，则量测值可用于状态估计。2、支路状态与量测一致性检验根据支路状态以及支路量测的一致性原则对断路器以及相关刀闸的状态进行检验。总原则是对于有效量测并证明其明显带电运行的设备，根据SCADA采集遥信对相应的开关刀闸位置进行检验。对于交流线路，当其单端处有足够大量测时，交流线路两端的断路器和相应刀闸应为合状态，同时考虑交流线路单端无功充电电容和交流线路各线端带有高抗的情况；对于双绕组变压器，其判断逻辑和交流线路相似；对于三绕组变压器，有量测一侧的支路断路器以及刀闸应为合状态，如果只有遥测有误并且只有一侧有量测，则该侧及电压等级较高侧的断路器和刀闸应为合状态。对于发电机、负荷、容抗器设备，当其有足够大量测时，相关断路器以及相应刀闸应为合状态。根据厂站各相量测数据以及量测数据的质量，对集控站内各厂站设备的量测给以量测状态标记，量测状态标记有以下三种量测有效(置FLASH逻辑位为真)量测正常且量测质量未标记“坏数据”、“非实测值”、“未初始化”以及“工况退出”；量测足够大(置INHIBIT逻辑位为真)根据设备的量测值大小划定。(判定的门槛值取决于设备类型及所在的电压等级)；量测较大(置MANIPULT逻辑位为真)根据设备的量测值大小划定。(判定的门槛值取决于设备类型)；其中量测足够大和量测较大主要用于证明设备是否带电运行，即量测值是否大于门槛死区；对于容抗器，其死区为额定容量与百分比门槛乘积；对于其他设备，其死区为基准容量与百分比门槛乘积。因此，可以得到量测证明的两个要素分别为设备量测有效、设备带电运行。根据设备的量测证明对支路状态进行一致性检验。对于不同的接线方式、按设备遍历已合断路器，将其相关刀闸合上，实现纠正错误遥信量测。主要包含以下几个方面交流线路通过单刀闸直接连母线，根据节点所连刀闸数判断出刀闸状态。对于交流线路，根据其线端断路器数判断出刀闸状态，若交流线端有一个刀闸已合则不做处理；否则，将两个刀闸都合上。具体而言，对于打开的交流线路支路，如果交流线路两端量测有效 (FLASH位为真)且量测较大(MANIPULT位为真)，则把交流线路两端断路器合上。对于合上的交流线路支路。如果线路两端(刀闸)都打开，而断路器都合上的，则将断路器相关的刀闸合上；如果线路一端断路器合上，而线路首端或末端量测足够大(INHIBIT位为真)，则将两端断路器对应刀闸置合且将分端断路器置合。如果线路一端刀闸打开，此时如果该端断路器合上或者首端量测足够大(INHIBIT位为真)或者末端量测足够大(INHIBIT位为真)，则将该端断路器相关刀闸合上，此时如果该端断路器分开也要置合。其检验流程如图 2所示。对于双绕组变压器，如果一侧支路首端或者末端有量测，则合上该支路断路器和相关断路器刀闸。对于三绕组变压器，如果一侧支路断开，而该支路有量测或者断路器合上，则该支路相关断路器刀闸置合。其检验流程如图3所示。对于发电机，如果连接断路器，此时如果发电机量测足够大(INHIBIT位为真)则合上断路器及断路器相应刀闸(发电机已通过其他断路器设备连接至电气岛则不处理)， 否则如果正常值且使用，则拉开断路器。对于负荷，如果连接断路器，此时如果负荷量测足够大(INHIBIT位为真)则合上断路器及断路器相应刀闸，负荷已通过其他断路器设备连接至电气岛则不处理。对于容抗器，如果连接断路器，此时如果容抗器量测足够大(INHIBIT 位为真)则合上断路器及断路器相应刀闸，容抗器已通过其他断路器设备连接至电气岛则不处理。其检验流程如图4所示。3、断路器状态与刀闸状态一致性检验对于断路器带刀闸的接线方式，如果判定断路器状态与刀闸状态不一致，则对于不一致状态的刀闸作处理。如果是分段断路器，且合上的，根据断路器两端节点找相连刀闸，如果刀闸连母线则置合。如果是母联断路器，且合上的，根据断路器两端的节点找相连刀闸，相连刀闸如果合上则不处理，若分开则将其合上。
对于母联、分段、旁路断路器，若存在功率或电流量测证明，则合断路器。对于待合断路器两侧的相关刀闸，则找到待合断路器两端节点编号，如果节点未连接物理母线，则找到与该节点相连的刀闸(非断路器本身)，如果所有刀闸都是打开，则合上刀闸，如果没有刀闸，则合上遍历该节点的最后一个刀闸。
4、时间序列一致性检验
如图5所示，根据两次状态估计获取的量测信息断面进行时间序列的一致性检验，针对前后两次获取断面的量测变化情况对支路状态进行判定。
图5流程中，是根据前后两次数据断面判定支路状态，首先遍历所有支路(包括交流线路支路、变压器绕组支路)，判定两个数据断面间同一支路电流量测是否有变化，如果有变化，则置量测变化标记为真。然后遍历所有节点，判定两个数据断面间同一节点电压量测是否有变化，如果有变化，则置量测变化标记为真。此后判定两个数据断面间支路状态是否有变化，如果有变化，则置拓扑变化标记为真，最后综合量测变化标记以及拓扑变化标记对支路状态进行校验。
三、多区域分布式状态估计计算方法。
在集控站内，根据厂站与集控站的关系对所属厂站划分区域，在划分子系统时，每个子系统要包括边界的联络线以及联络线对端的节点。这样，在第一层状态估计时，联络线以及其对端的节点被计算了两次。在第二层状态估计时，进行联络线功率的估计和全系统相角的归并。划分的区域数目为n，这η个子区域通过联接线路互相连接。区域i(l:n表示所划分区域的个数)节点类型定义如下
边界母线(c)相邻母线有一个是内部母线并且至少有一个外部母线。
内部母线(r)属于区域i的所有相邻母线。
外部母线(ο)区域i以外的其他区域的边界母线且至少与区域i的一个边界母线相联。
定义第i个区域的状态向量为A= [^f XrJ xf J (1)
式(1)中，区域i边界母线的状态向量；
< -区域i内部母线的状态向量；
X0i -区域i外部母线的状态向量；
区域i的状态向量不仅包括本区域的母线状态向量还包括相邻区域外部母线的状态向量，在每个区域根据本区域的量测信息进行状态估计后能够同时估计出相邻母线的状态变量。
局部区域状态估计的目标函数如下
Ji = JfRi^ri — min ( 2 )
其中a = Zi-Iii(Xi)，表示量测的残差，R表示量测权重相量。
在进行局部的区域状态估计后，采用协调校正估计，相应的状态向量为
Xs = [xbTubT]T (3)
式⑶中，？= [<r if ... <TJ.Ub = [U2 u3...un]T;Ui表示第i个区域松弛节点的相角，其中第一个区域的松弛节点被选作系统的参 考节点，即U1 = O15协调校正估计的目标函数如下
权利要求
1.一种基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法，其特征在于包括以下步骤(1)、多源量测信息的获取可以从集控站的能量管理系统中取得实时量测数据，在线获得的量测信息包括支路的三相电流幅值量测、支路的有功量测、支路的无功量测、开关流过的三相电流幅值量测、开关流过的有功功率量测、开关流过的无功功率量测、PMU量测、各节点的三相电压幅值量测、开关遥信状态；(2)、量测信息一致性检验对于集控站内各厂站的量测信息，进行基于规则的一致性检验；(3)、多区域分布式状态估计计算根据子区域间的负荷与发电量尽可能平衡以及子区域间联络线尽量少的原则对集控站划分子系统，在划分子系统时，每个子系统包括边界的联络线以及联络线对端的节点；G)、集控站内可疑厂站的辨识多区域分布式状态估计通过辨识得到正则化残差，如果该残差大于检验门槛值，通过确定的可疑量测计算母线的可疑量测关联指数，根据该指数辨识出可疑母线，并将该母线所在的厂站辨识为可疑厂站；(5)、基于可疑厂站详细模型的二次状态估计计算对辨识出可疑厂站作详细建模，将断路器支路作为零阻抗支路处理。断路器的有功潮流、无功潮流以及断路器状态作为扩展状态变量进行二次状态估计计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法，其特征在于步骤( 包括以下一致性检验1)、基尔霍夫一致性检验利用基尔霍夫定律对各节点进行量测一致性检验，各节点所联支路的端点具备有效量测时在该节点处应满足基尔霍夫定律，根据设置门槛剔除显著错误量测信息；2)、支路状态与量测一致性检验综合支路的量测信息对支路状态进行校验。对于支路有效量测并证明明显带电运行的设备，根据采集遥信对相应的开关刀间状态进行判定，给出可疑遥信状态；3)、断路器状态与刀闸状态一致性检验根据不同的接线方式对集控站内的断路器以及刀间状态进行一致性检验，给出可疑遥信状态；4)、时间序列一致性检验根据相邻两次状态估计获取的量测信息断面进行时间序列的一致性检验，针对前后两次获取断面的量测变化情况对支路状态进行判定。
3.根据权利要求2所述的一种基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法，其特征在于所述步骤2、中，支路状态与量测一致性检验利用支路遥测信息对支路状态进行校验；根据支路量测的大小以及设定的量测门槛对支路量测状态进行判定；对于有效量测并证明明显带电的支路根据采集的遥信信息对支路的状态进行判定。
4.根据权利要求3所述的一种基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法，其特征在于所述步骤4)中，时间序列一致性检验综合使用上一个时间断面的量测信息以及本次时间断面的量测信息对支路状态进行一致性检验。
5.根据权利要求4所述的一种基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法，其特征在于所述步骤(3)中，多区域分布式状态估计计算按照所划区域把集控站内全系统状态估计做降维处理，提高局部量测冗余度，把局部不良数据和病态系统条件的影响限制在各区域内，避免由于局部影响而造成整体状态估计算法不收敛。
6.根据权利要求5所述的一种基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法，其特征在于所述步骤中，集控站内可疑厂站的辨识通过计算母线的可疑量测关联指数确定可疑母线，并将该母线所在的厂站辨识为可疑厂站。
7.根据权利要求6所述的一种基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法，其特征在于所述步骤(5)中，基于可疑厂站详细模型的二次状态估计计算扩展可疑厂站的状态变量类型，将流过断路器的有功潮流、无功潮流以及断路器状态作为扩展状态变量进入量测方程中，利用已有的状态估计技术进行二次状态估计计算，从而确定集控站内正确的拓扑结构。
全文摘要
本发明公开了一种基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法，属于电力系统计算领域，其特征在于包括以下步骤(1)多源量测信息的获取，(2)量测信息一致性检验，(3)多区域分布式状态估计计算，(4)集控站内可疑厂站的辨识，(5)基于可疑厂站详细模型的二次状态估计计算。本发明解决了传统的集中式状态估计在电网结构超过一定规模时所面临的高维度、数值稳定性低和收敛性差的问题，提供了一种不仅可以明显提高状态估计的计算速度而且能够显著提高状态估计计算精度的基于集控站调度主站的分布式状态估计计算方法。
文档编号H02J13/00GK102522824SQ20111043986
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者冯树海, 刘俊, 戴则梅, 於益军, 王毅, 王礼文, 石飞, 高宗和 申请人:国电南瑞科技股份有限公司