CN100431232C - 电力输送网状态估计 - Google Patents

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CN100431232C CNB021578583A CN02157858A CN100431232C CN 100431232 C CN100431232 C CN 100431232C CN B021578583 A CNB021578583 A CN B021578583A CN 02157858 A CN02157858 A CN 02157858A CN 100431232 C CN100431232 C CN 100431232C
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Abstract

在一种用于估计电力输送网状态的方法、计算机程序和系统中，由位于整个网络中第一位置组(11、12)的向量测量单元(1)进行带时间戳的向量测量，并估计第二位置组的多个电压和/或电流向量，其中第一(11、12)和第二位置组的位置彼此之间相距遥远，而且远离向量测量单元的网络元件(L4、L5、13)的状态是从该向量测量和估计的向量推断的。在本发明一种优选的变换中，网络元件是传输线(L1...L8)、开关设备、带负荷抽头变换变压器、补偿设备(13)或FACTA设备，而状态信息描述网络元件(L4、L5、13)是电气连接到所述网络还是从网络断开。

Description

电力输送网状态估计
发明领域
本发明涉及大规模电力输送网，更具体而言，涉及用于估计电力输送网状态的方法、计算机程序和系统。
发明背景
电力输送及分配系统或网络包括用于连接地理上分散区域的高压连接线，及用于变换电压和在线路之间切换连接的变电站。在一个带若干变电站的网络中，发电和负载流量是由能量管理系统控制的。为了管理该网络，期望能够确定网络的状态，尤其是负载流量和稳定裕度。网络中流动的电压、电流、有功功率及无功功率的平均RMS(均方根)值的测量和/或电压及电流相位的测量是在网络中不同地方进行，并且由变电站自动化(SA)系统和系统控制及数据采集(SCADA)系统进行采集的。SA和SCADA系统还提供关于网络元件，如开关设备、补偿装置和变比变压器，状态的信息。开关设备(即，电路断路器、隔离开关等)的状态使得可以推断网络的拓扑结构，即线路和装置是如何连接的，及哪些线路、发电机和用电设备断开了。此外，还进行电压和电流向量的测量和采集。所有上述来自整个网络的测量值都在能量管理系统收集，提供了网络状态的一个快照。该快照使得可以计算网络的状态，如在IEEE Transactions on power systems，Vol.PWRS-1，No.1，1996年2月，Phadke等所写的“State estimation withphasor measurements”(用相位测量值估算状态)中所描述的。那里边，测量了所有的正序母线电压和一些正序电流，假设网络拓扑结构已知，就可以计算未知的电压、相角和功率通量。
发明概述
本发明的一个目的是建立使用较少测量值的用于估计开头提到类型的电力输送网状态的方法、计算机程序和系统。
这些目的是通过按照本发明的用于估计电力输送网状态的方法、计算机程序和系统实现的。
在该用于估计电力输送网状态的创造性方法、计算机程序和系统中，带时间戳的向量测量是由位于整个网络中第一位置组的向量测量单元进行的，而位于第二位置组的多个电压和/或电流向量是估计的，其中第一和第二位置组的位置彼此之间距离很远，而远离向量测量单元的网络元件的状态是根据该向量测量值和估计的向量推断的。
这使得可以估计网络状态，而不必通过SCADA或变电站自动化系统采集如开关设备、补偿和FACTS装置及变比变压器的网络元件的状态信息。
另外一个优点是通过向量测量中加入高分辨率定时信息得到的。因此，由于传统的SCADA系统不提供关于例如开关设备状态的带时间戳信息，因此还有可能获得状态估计的更好的时间分辨率。这个更好的时间分辨率允许对网络更快更高质量的控制。
在本发明的一种优选变换中，网络元件是传输线、开关设备、带负荷抽头转换变压器、补偿装置或FACTS装置，而状态信息描述了网络元件是否电气连接到网络或从网络断开，可选地还描述元件的具体参数，如变压器抽头位置或FACTS阻抗值。对于如断路器或隔离开关的开关设备，该状态信息描述开关是开还是合。
在本发明的另一种优选变换中，估计的状态包括电流和负载流量，可选地还有表征网络稳定性的指标。由于本发明允许仅根据向量测量确定哪个网络元件是连通的，即网络拓扑结构，所以这是可能的。不需要关于网络拓扑结构的单独测量值或状态信息。因此，本发明可以完全独立于现有的SCADA系统工作或作为其冗余。
根据本发明用于估计电力输送网状态的系统包括一个数据处理设备，配置成计算在第二位置组的多个估计电压和/电流向量，其中第一(11、12)和第二位置组的位置彼此之间距离很远，并配置成从向量测量值和估计的向量计算远离向量测量单元的网络元件(L4、L5、13)的状态。
根据本发明用于估计电力输送网状态的计算机程序可以载入数字计算机的内存，并且包括计算机程序代码工具，当所述计算机程序代码工具载入计算机时使得计算机执行根据本发明的方法。在本发明的一种优选实施例中，一种计算机程序产品包括在其上记录计算机程序代码工具的计算机可读介质。
根据本发明的描述，更多优选实施例是显而易见的。
附图简述
参考在附图中说明的优选代表性实施例，在下文中将对本发明的主要问题进行更加具体的解释，其中：
图1示意性地示出了电力系统的一部分，
图2示出了传输线的一种等效电路，
图3示意性地示出了一个变电站，
图4示出了抽头转换变压器的一种等效电路，
图5示意性地示出了根据本发明的系统结构。
附图中所使用的标号及其含义以一览表的形式列在说明书最后的参考符号列表中。大体上，同样的部件在附图中用相同的标号表示。
优选实施例详述
图1示意性地示出了高或中压电力系统或网络的一部分，其中系统或网络包括如母线的节点n1…n5，及传输线L1…L6。多个节点n1、n2位于第一变电站11，另一节点n5位于第二变电站12。补偿元件13连接到第四节点n4。在第一和第二变电站11、12，向量测量单元(PMU)1配置成测量离开各变电站11、12的线路L1、L2、L3、L6的电压和/或电流向量。第三节点n3和第四节点n4没有配备PMU。第三节点n 3和第四节点n4彼此之间的距离，及距离第一变电站11和距离第二变电站12的地理相距遥远。它们之间的距离为连接它们的线路L1…L6的长度，一般在一千米到几十或几百千米之间。在线路与节点连接的地方，配置未在附图中示出的开关设备来在电气上隔离线路。
向量数据是由位于，例如，变电站进线级的馈线或沿传输线的分支点的向量测量单元确定的。电压向量表示，例如，馈线或线路的电压，而电流向量表示流过该馈线或线路的电流。
向量数据表示向量，而且可以是带极性的数字，其绝对值对应于量的实际大小或RMS值，而相位参数对应于零时的相角。可选地，向量可以是带实部和虚部的复数，或者向量可以利用矩形或指数表示法。相反，用在电力网中的传统检测装置通常只测量标量、平均数表示，如电压、电流等的RMS值。
向量数据是从在很大的地理区域，即从几十到几百千米范围，分布的向量测量单元采集的。由于来自这些完全不同来源的向量数据是联系在一起进行分析的，所以它们必须参照共同的相位基准。因此，不同的向量测量单元必须具有在给定精度范围内同步的本地时钟。向量测量单元的这种同步优选地是利用一种已知的时间分配系统，例如全球定位(GPS)系统，实现的。在一种典型的实现方案中，向量数据9是以至少每200或每100或优选地每40毫秒进行确定的，时间分辨率优选地小于1毫秒。在本发明的一种优选实施例中，时间分辨率小于10微秒，这对应于0.2度的相位误差。每个测量都同得自同步的本地时钟的时间戳关联。因此，该向量数据包括时间戳数据。
根据本发明，有可能确定第四条线路L4和第五条线路L5的状态，即所述线路是连通的还是断开的，而不需要关于在第三节点n3或第四节点n4处的开关设备状态的测量值或SCADA数据，甚至都不需要在第三或第四节点n3、n4处进行向量测量。术语“状态”用来表示网络元件的属性，如通常由与网络元件关联的控制装置和传动装置设置的“连通/断开”、“开/合”、“抽头比值”。
术语“状态”包括网络元件的“状态”及例如整个网络的电流和功率通量，可选地还有同不稳定性的接近程度。该状态是由网络元件状态确定的网络及网络拓扑结构电参数的结果。
图2示出了用于传输线或线段的标准π-等效电路。V1是在第一节点n1处的电压向量，I11是从第一节点n1流到第一条线路L1的电流向量。V1和I11都是由位于第一节点n1的PMU 1进行测量的。第一条线路L1由线路导纳Y1及并联导纳Y11和Y31表示，其中Y11＝Y31。出于惯例，对于电流，第一下标表示电流流出的节点，而第二下标表示电流流入的线路。对于并联导纳，第一下标表示分路器所在线路一侧的节点，而第二下标表示该线路。
V3是第三节点n3处的未知电压向量。V3是如下计算的
V 3 = ( Y 1 + Y 11 ) V 1 - I 11 Y 1 .
以一种类似的方式，参考图1所示的电力系统，第四节点n4处的电压V4是通过在第五节点n5处测量到的电压和电流向量V5和I56如下计算的
V 4 = ( Y 6 + Y 56 ) V 5 - I 56 Y 6 .
流经第一、第二和第三条线路L1、L2和L3进入第三节点n3的电流是从V3及测量值进行计算的。例如，
I31＝(Y1+Y31)V3-Y1V1
因此从第三节点n3流到第四节点n4的总电流是
I3to4＝(I31+I32+I33)。
如果这个电流是零，则第四和第五条线路L4、L5的状态是“断开的”。如果是非零，则有必要确定所述线路L4、L5中，如果有的话，哪条是断开的。假设只有第四条线路L4连通，而第五条线路L5不工作，则从第四条线路L4流到第三节点n3的电流可以如下计算
I34＝(Y4+Y34)V3-Y4V4，
该电流应该等于I3to4。如果相等，则假设有效。如果不等，则做相反的假设“只有第五条线路L5连通”并检查。如果这个假设也无效，则两条线路L4、L5都是连通的。
在不一定发生的第四条线路L4和第五条线路L5导纳相等的情况下，只有可能确定线路L4、L5是否都没有、有一条或都连通。不可能确定两条中的哪条是断开的。但是，正是因为线路导纳相同，所以这对于使用这个拓扑结构信息的负载流量计算是没有关系的，而不管两条线路L4、L5中哪条是断开的。
为了确定不能直接观察，即没有配备PMU 1，的补偿元件13的状态，执行如上所示的确定电压和检测线路状态的过程。然后根据该网络拓扑结构，所有流进第四节点n4的电流被计算。例如，如果第四和第五条线路L4、L5都连通，那么根据
I45＝(Y5+Y45)V4-Y5V5
因为从线路L4、L5和L6流到第四节点n4的电流之和是
I4in＝-(I45+I44+I46)。
如果I4in为零，则补偿元件13是断开的。如果I4in非零，则补偿元件13在使用中。
对于FACTS(柔性交流输电系统)装置，根据对该装置内部工作方式的了解，状态信息可以通过该装置的电流和电压向量来确定。不考虑内部工作方式，FACTS装置是否连通是以同如上所示对补偿元件13相同的方式进行推断的。
图3示意性地示出了第三变电站13，具有充当节点n6、n7的母线、连接到第六节点n6的变压器31、将第六节点n6连接到第七节点n7的母线连接器32及线路L7、L8和负载33，每条线路和负载33都连接到节点n6、n7中的一个，而且具有关联的PMU 1。尽管母线连接器32位于第三变电站13中，但还是不能通过PMU 1或电流传感器获得直接的观察值。因此，母线连接器32的状态是利用在第六节点n6或第七节点n7任何一处的向量测量值根据电流平衡推断的。例如，如果
Iinto6＝-(Itransformer+I67)
是0，则母线连接器32是打开的。否则，它是关闭的。
不带自动抽头转换的变压器是象静态线路元件一样，即由对称π-等效电路，模拟的，并且只具有一种开/关状态。
图4示出了带负荷抽头转换(ULTC)变压器的一种等效电路，其中变压器布置在带电压向量V1和V2及从带电压V2的节点流到该变压器的电流向量I2的节点之间。该电路的导纳依赖于抽头比t。该ULTC变压器配备有在额定电压比附近的确定界限内调整变压器电压比的控制装置。该控制装置设法将变压器一侧的校准电压，在本例中为V2，驱动至给定额定值V2nom附近的静带内。这种调整是由抽头比t表示的。对于t＝1，该变压器设置为额定电压比。典型地，抽头和电压比可以在额定值附近5％或10％范围内变化。为了确定电力网的电流和负载流量，抽头比t必须已知。根据本发明，没有必要从本地ULTC变压器的控制装置获得信息。作为代替，抽头比t是从向量信息中推导出的。该向量信息是由一个或多个靠近该ULTC变压器的PMU 1确定的，或者是由如上所述远处的PMU 1推断出的。同样地，确定该ULTC变压器是否根本就没有连通。该ULTC变压器必须已知的参数是其额定导纳Y、增量抽头比、最小和最大抽头比t和额定校准值附近的静带范围。
有两种情况是可能的：校准电压的实际或当前值V2nom已知或未知。
对于第一种情况，抽头比t是仅从校准电压V2确定的。令|…|表示复数变量的绝对值。那么
如果|V2|＜0.9|V2nom|＝＞t＝0.9
如果|V2|＞1.1|V2nom|＝＞t＝1.1
如果 0.98 < | V 2 | | V 2 nom | < 1.05 &DoubleRightArrow; t = 1
其中0.98和PMU 1.05是静带的边界，而且在所有其它情况下，根据增量抽头比，抽头比t四舍五入到最接近的可能值。
该等效电路的导纳是通过它们的额定值和抽头比t如下计算的
YULTC＝tY
Y1ULTC＝t(t-1)Y
Y2ULTC＝(1-t)Y
对于第二种情况，当校准电压的额定值V2nom未知时，ULTC变压器两侧的电压向量V1、V2及校准电压V2一侧的电流向量I2必须已知。抽头比如下计算
t = YV 2 - I 2 YV 1 .
在根据本发明系统的工程设计阶段，对于给定的网络拓扑结构，PMU 1的布局和计算电压和推断网络元件状态的操作的确切顺序是例如手动和借助计算机辅助确定的。优选地，给出一组其它用途所需的PMU 1。从它们的测量开始，产生用于确定作为在未配备PMU的节点和线路处同样数目的电压和电流向量的等式。这对所有可能的拓扑结构，即对所有连通或断开的网络元件，都有效。对于某些情况，如果现有的向量测量不够，则在需要信息的位置或连接到所述位置的节点加入一个附加的PMU 1。
在本发明的一种优选实施例中，PMU 1的布局最小化为一个两步的过程：第一步，确定配备PMU 1的变电站的最小个数，假设在这种变电站中，每个配备仪表变压器的节点都有关联的PMU。第二步，确定用于每个变电站的PMU的最小个数。
图5示意性地示出了根据本发明的一种系统的结构。多个PMU 1中的每一个都向网络元件状态检测器2发送电流和/或电压向量信息。如上所示，该网络元件状态检测器2是配置成确定网络元件状态的数据处理设备。作为附加输入，它配置成接收网络元件参数3，如线路和并联导纳、抽头比增量、限值和静带值、校准电压等。在本发明的一种优选实施例中，网络元件状态检测器2向状态计算/估计数据处理设备5发送网络元件状态和作为状态和向量信息4的向量信息。信息4由状态计算/估计设备5用来通过例如负载流量分析估计网络状态，其中拓扑结构信息是由网络元件的状态给出的，不需要附加的测量。
附：参考符号列表
1    向量测量单元(PMU)
2    网络元件状态检测
3    网络元件参数
4    状态和向量信息
5    状态计算/估计
11   第一变电站
12   第二变电站
13   补偿元件
13   第三变电站
31   变压器
32   母线连接器
33   负载
n1、n2…n7  第一节点、第二节点、…、第七节点
L1、L2…L8  第一线路、第二线路、…、第八线路
I..  电流向量
V..  电压向量
Y..  复数导纳
t    抽头比

Claims (28)

1、一种用于估计电力输送网状态的方法，其中带时间戳的向量测量是由位于整个网络中第一位置组(11、12)的向量测量单元(1)进行的，其特征在于：
位于第二位置组的多个电压和/或电流向量是估计的；而且其中第一(11、12)和第二位置组的位置彼此之间相距遥远，及
远离向量测量单元(1)的网络元件(L4、L5、13)的状态是从该向量测量值和估计的向量推断的。
2、根据权利要求1的方法，其中未配备向量测量单元(1)的变电站的电压和/或电流是估计的。
3、根据权利要求1的方法，其中包括网络负载和电流流量的网络状态是从测量和估计的电压和电流及从估计的网络拓扑结构估计的。
4、根据权利要求1-3中任意一项的方法，其中网络元件包括开关设备，而网络元件的状态包括关于开关是开还是合的信息。
5、根据权利要求4的方法，其中网络元件包括开关设备，而网络元件的状态包括关于开关是开还是合的信息。
6、根据权利要求1-3中任意一项的方法，其中网络元件包括传输线(L1...L8)，而网络元件的状态包括关于传输线是断开还是工作的信息。
7、根据权利要求4的方法，其中网络元件包括传输线(L1...L8)，而网络元件的状态包括关于传输线是断开还是工作的信息。
8、根据权利要求5的方法，其中网络元件包括传输线(L1...L8)，而网络元件的状态包括关于传输线是断开还是工作的信息。
9、根据权利要求1-3中任意一项的方法，其中网络元件包括带负荷抽头转换变压器，而网络元件的状态包括关于变压器抽头比的信息。
10、根据权利要求4的方法，其中网络元件包括带负荷抽头转换变压器，而网络元件的状态包括关于变压器抽头比的信息。
11、根据权利要求5的方法，其中网络元件包括带负荷抽头转换变压器，而网络元件的状态包括关于变压器抽头比的信息。
12、根据权利要求6的方法，其中网络元件包括带负荷抽头转换变压器，而网络元件的状态包括关于变压器抽头比的信息。
13、根据权利要求7的方法，其中网络元件包括带负荷抽头转换变压器，而网络元件的状态包括关于变压器抽头比的信息。
14、根据权利要求8的方法，其中网络元件包括带负荷抽头转换变压器，而网络元件的状态包括关于变压器抽头比的信息。
15、根据权利要求1-3中任意一项的方法，其中网络元件包括至少一个补偿装置(13)或柔性交流输电系统装置，而网络元件的状态包括关于所述装置是电气连接到网络还是从网络断开的信息。
16、根据权利要求4的方法，其中网络元件包括至少一个补偿装置(13)或柔性交流输电系统装置，而网络元件的状态包括关于所述装置是电气连接到网络还是从网络断开的信息。
17、根据权利要求5的方法，其中网络元件包括至少一个补偿装置(13)或柔性交流输电系统装置，而网络元件的状态包括关于所述装置是电气连接到网络还是从网络断开的信息。
18、根据权利要求6的方法，其中网络元件包括至少一个补偿装置(13)或柔性交流输电系统装置，而网络元件的状态包括关于所述装置是电气连接到网络还是从网络断开的信息。
19、根据权利要求7的方法，其中网络元件包括至少一个补偿装置(13)或柔性交流输电系统装置，而网络元件的状态包括关于所述装置是电气连接到网络还是从网络断开的信息。
20、根据权利要求8的方法，其中网络元件包括至少一个补偿装置(13)或柔性交流输电系统装置，而网络元件的状态包括关于所述装置是电气连接到网络还是从网络断开的信息。
21、根据权利要求9的方法，其中网络元件包括至少一个补偿装置(13)或柔性交流输电系统装置，而网络元件的状态包括关于所述装置是电气连接到网络还是从网络断开的信息。
22、根据权利要求10的方法，其中网络元件包括至少一个补偿装置(13)或柔性交流输电系统装置，而网络元件的状态包括关于所述装置是电气连接到网络还是从网络断开的信息。
23、根据权利要求11的方法，其中网络元件包括至少一个补偿装置(13)或柔性交流输电系统装置，而网络元件的状态包括关于所述装置是电气连接到网络还是从网络断开的信息。
24、根据权利要求12的方法，其中网络元件包括至少一个补偿装置(13)或柔性交流输电系统装置，而网络元件的状态包括关于所述装置是电气连接到网络还是从网络断开的信息。
25、根据权利要求13的方法，其中网络元件包括至少一个补偿装置(13)或柔性交流输电系统装置，而网络元件的状态包括关于所述装置是电气连接到网络还是从网络断开的信息。
26、根据权利要求14的方法，其中网络元件包括至少一个补偿装置(13)或柔性交流输电系统装置，而网络元件的状态包括关于所述装置是电气连接到网络还是从网络断开的信息。
27、一种用于根据来自位于整个网络中第一位置组(11、12)的向量测量单元(1)的带时间戳的向量测量估计电力输送网状态的系统，其特征在于
该系统包括一个数据处理设备，配置成
计算第二位置组的多个估计电压和/或电流向量，其中第一(11、12)和第二位置组的位置彼此之间相距遥远，还配置成
根据该向量测量值和估计的向量，计算远离向量测量单元的网络元件(L4、L5、13)的状态。
28、根据权利要求27的系统，其中数据处理设备配置成估计未配备向量测量单元(1)的变电站的电压和/或电流。
CNB021578583A 2001-12-21 2002-12-20 电力输送网状态估计 Expired - Fee Related CN100431232C (zh)

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