CN101577426B - 适用于广域测量系统的电力系统状态估计器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力系统运行和控制技术领域的适用于广域测量系统的电力系统状态估计器。本发明包括，数据融合模块、系统辨识模块、暂态稳定控制模块和安全评估模块，数据融合模块只存储反映电网特性、满足测量精度的“关键性”数据；系统辨识模块对系统参数及数据进行修正，其输出与暂态稳定控制模块相连；暂态稳定模块将处理后的数据送入安全评估模块，对系统进行安全评估，最终输出重要的信息。本发明能够实现对海量数据的融合、实时状态估计、分析评估，保证系统安全稳定运行，同时还能对电网参数进行辨识和对不良数据处理来提高状态估计精度；能够提供良好的应用界面和告警提示，有效发挥系统电网动态预警和事故处理作用。

Description

适用于广域测量系统的电力系统状态估计器

技术领域

本发明涉及一种电力系统运行和控制技术领域的状态估计器，具体是一种适用于广域测量系统的电力系统状态估计器。

背景技术

发展能量管理系统(Energy Management System，EMS)的主要目的是可以提高电力系统大规模发电和高压输电系统运行的安全性和经济性。状态估计是EMS的核心功能，是将可用的冗余信息(直接量测值及其他信息)转变为电力系统当前状态估计值的实时计算机程序和算法。准确的状态估计结果是进行后续工作(如安全分析、调度员潮流和最优潮流等)必不可少的基础。

近年来，全球定位系统(Global Position System，GPS)全面建成并投入运行，由于其时间传递精确而在电力系统中得到了越来越广泛的应用，基于GPS的相角测量装置(Phasor Measurement Unit，PMU)也逐步应用于电力系统。但是PMU的量测精度不够高，如果将PMU量测直接作为状态量真值使用，则参与估计的状态量比较多，状态估计问题的规模比较大，计算速度也比较慢，状态估计结果不能直接用来对系统进行安评估。

PMU的大量使用和传统数据采集与监视控制系统(Sepervisory Control AndData Acquisition，SCADA)系统的完善为广域同步测量系统(Wide AreaMeasurement System，WAMS)的发展奠定了良好的基础。广域同步测量系统(WAMS)由于其测量数据的快速性和同步性，已广泛应用于解决电力系统动态监测与控制问题，但是建设WAMS将是一个循序渐进的过程，在相当长一段时间内不会出现PMU全网可观测的局面；而且WAMS作为一种测量系统，一定程度上也不可避免地存在量测误差乃至坏数据。如果不对WAMS动态数据加以估计和处理而直接应用，则可能导致错误的判断和控制结果，从而给电力系统带来严重的损失。

经对现有技术文献的检索发现：中国发明专利(专利号02157858)公布了一种电力输送网状态估计系统，该种方法仅适用于对电力系统中输电网的状态估计，而无法适用于广域测量系统所包含的发电、输电和配电等整个电力系统的状态估计；美国发明专利(专利号7499816)提出了一种基于同步相量量测系统的实时状态估计系统，该种方法仅适用于对电力系统中同步和非同步数据的实时处理，且数据处理过程复杂，也没有对状态估计数据进行合理有效的分析。因此，研究一种适用于广域测量系统的状态估计器，实现对全网的海量数据融合、实时状态估计、估计数据合理分析评估，以保证系统安全稳定运行，具有重要的现实意义。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种适用于广域测量系统的电力系统状态估计器。本发明充分融合PMU量测数据和来自WAMS的海量数据，提取出反映电网特性、满足测量精度的“关键性”数据，同时还能对电网参数进行辨识和对不良数据处理来提高状态估计精度；本发明引入了暂态稳定控制模块，能够实现对电力系统机电暂态过程中的各种状态量进行估计，而且提供良好的应用界面和告警提示，对于有效发挥系统电网动态预警和事故处理起着重要作用。

本发明是通过以下技术方案实现的：本发明包括，数据融合模块、系统辨识模块、暂态稳定控制模块和安全评估模块，其中：数据融合模块接收来自于GPS的时间信号、广域测量系统的PMU和SCADA数据、变电站的Relay继电保护装置数据以及系统的网络模型，数据融合模块将处理过的数据传给系统辨识模块；系统辨识模块接收数据融合模块处理和估计后的数据，对该数据进行修正，并将修正后的数据传给暂态稳定控制模块；暂态稳定控制模块接收系统辨识模块输出的传统状态估计结果数据，对电力系统机电暂态过程中的各种状态量进行更详细的估计，并将处理后的数据传给安全评估模块；安全评估模块，接收暂态稳定控制模块计算后的动态信息，并对该信息进行分析，最终输出重要的信息：带有时间戳的状态估计值、模型修正信息、错误辨识信息、暂态信息和安全信息。

所述的数据融合模块包括，数据库管理模块、算法引擎模块和延时处理模块，其中：数据库管理模块采集来自于GPS的时间信号、广域测量系统的PMU和SCADA数据、变电站的Relay继电保护装置数据以及系统的网络模型数据，并保存在数据库中，数据库管理模块把处理后的数据传给给延时处理模块。数据库管理模块为采集的数据提供了一个适应高频度、大规模数据量处理的实时系统平台技术，该模块只存储反映电网特性、满足测量精度的“关键性”数据，而不是按照WAMS系统数据采集频度来保存大量“过剩”数据；在电网发生扰动/振荡过程中，该采集模块还能以数据采集频度的粒度、尽可能保存完整反映扰动/振荡过程的数据，以满足电网扰动/振荡过程的在线评估与精确分析。该数据库管理模块以满足数据精度及反映数据变化特性为目标，并非单纯基于事件，并且提供了高效率的数据压缩技术优势。因此，不论电网处于稳态或者非稳态，都能在保证数据精度要求情况下，充分利用资源；延时处理模块接收数据库管理模块处理后的数据，对SCADA量测和PMU量测进行协调，避免PMU量测的同步特性被大量时间断面一致性较差的SCADA量测量所湮没，处理后的数据传给算法引擎模块。该模块通过对实际的SCADA数据采集系统进行分析，利用量测时延分布模型，对量测量的时延差进行估计，并相应的进行补偿，以优化PMU和SCADA量测数据的匹配；算法引擎模块通过对数据的分析决定采用何种算法进行状态估计精度最高，然后把对系统数据进行状态估计的结果，传给系统辨识模块进行辨识与修正处理。算法引擎模块自动判断当前录入数据的模式，在PMU可观测地区使用基于PMU量测的线性状态估计，在PMU不可观测地区使用基于SCADA数据的非线性状态估计。对于全网的状态估计则以基于负荷区的简化核心网完全可观测为原则，利用PMU所产生的精确数据来同步系统其它部分的SCADA数据，并对其加上时间坐标，然后进一步利用状态估计来提高数据精度。

数据融合模块主要完成以下基本功能：①实现WAMS数据收集、调用；②实现系统通信状态监视；③提供数据服务；④与相关系统数据接口的管理；⑤对于数据通信的有效监视等。

所述的系统辨识模块包括，电网模型参数辨识模块、不良数据检测模块和修正模块，其中：电网模型参数辨识模块接收系统辨识模块传来的实时状态估计信息，获取反映电网动态变化特征的相关信息，依据电网模型参数的特点进行有效的信息处理，实现电网模型参数动态特征辨识，电网参数模型将辨识后的数据传给修正模块。由于电力系统的特点动态过程是发生在不同的时间尺度上，因此电网模型参数辨识模块主要分析不同元件对系统动态特性的影响时间尺度，在不同时间尺度上修改模型及参数；不良数据检测模块接收系统辨识模块发送过来的实时状态估计信息状，不良数据检测模块主要是检验电力系统实际运行中由于量测量和量测通道的误差及受到的干扰而产生的错误数据，然后将检测后的数据传给修正模块。不良数据的存在会给估计造成极大困难，甚至导致估计失败。不良数据检测模块根据实时网络信息自动选择适当合适状态的检测方法，通过量测量残差检测和量测量突变检测的相互配合，可以检测出系统正常运行、网络结果变化时的不良数据，而且在负荷快速变化时仍有很好的检测功能；修正模块接收电网模型参数辨识模块和不良数据检测模块传来的数据，并通过对数据阀值的判断决定系统误差的主要来源，如果由参数引起的误差则需对电网参数进行修正，如果由不良数据引起的误差则需对不良数据进行处理。将状态估计进行辩识与修正处理后的数据传给暂态稳定控制模块进行稳定分析。

所述的暂态稳定控制模块包括，启动判据模块和暂态稳定状态估计模块，其中：启动判据模块接收系统辨识模块传来的修正模块接收的状态估计结果，并对该状态估计结果进行判断，采用突变量作为启动判据，即连续3个采样点的机端电压和电流突变量均超过规定阀值时，启动暂态稳定状态估计模块；暂态稳定状态估计模块启动后，可以输出全网电压和电流相量、功率值、系统频率、发电机角加速度等。该模块选定不会突变而且服从转子运动微分方程约束的发电机转子功角和电角速度作为状态量进行估计。发电机功角轨迹含有最丰富的动态信息，能够获取估计后的轨迹，对于实现实时控制具有重要意义。暂态稳定状态估计模块将计算得出的动态信息发送给安全评估模块进行分析处理。

所述的安全评估模块包括，数据处理告警模块和系统动态扰动告警模块，安全评估模块主要对暂态稳定控制模块计算后的动态信息进行分析，提供初步的告警提示，并自动形成告警报告，其中：数据处理告警模块接收来自暂态稳定状态估计模块计算得出的动态信息，由于状态估计器接受来自于PMU、SCADA、继电保护系统的海量初始数据，因此数据处理告警模块主要对于如通道中断、延时、数据丢帧问题等进行告警提示；系统动态扰动告警模块对接收到的全网电压和电流相量、功率值、系统频率、发电机角加速度等大量信息，进行初步判断并自动形成相关报告，如扰动过程实时信息的自动提取与汇总，自动生成面向事件描述的相关测点、曲线、主要信息的(初步)报告信息页面等。

由于WAMS系统所涉及的数据处理信息量巨大，因此安全评估模块提供良好的应用界面和告警提示是有效发挥系统对于电网动态预警和事故处理辅助决策支持的基础。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明能够实现对GPS的时间信号、广域测量系统的PMU和SCADA数据、变电站的Relay继电保护装置数据以及系统的网络模型等海量数据进行融合、实时状态估计、估计数据合理分析评估，以保证系统安全稳定运行。同时，通过对状态估计结果的进一步分析，可以实现电网参数辨识、不良数据检测、暂态稳定控制以及安全评估等多种功能。而且本发明提供良好的应用界面和告警提示，对于有效发挥系统电网动态预警和事故处理起着重要作用。

附图说明

图1是本发明系统示意框图；

图2是本发明系统辨识模块的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：数据融合模块、系统辨识模块、暂态稳定控制模块和安全评估模块。其中数据融合模块接收来自于GPS的时间信号、广域测量系统的PMU和SCADA数据、变电站的Relay继电保护装置数据以及系统的网络模型，数据融合模块将处理过的数据传给系统辨识模块；系统辨识模块接收数据融合模块处理和估计后的数据，对该数据进行修正，并将修正结果传给暂态稳定控制模块；暂态稳定控制模块接收系统辨识模块输出的传统状态估计结果数据，对电力系统机电暂态过程中的各种状态量进行更详细的估计，并将处理后的数据传给安全评估模块。安全评估模块，接收暂态稳定控制模块计算后的动态信息，并对该信息进行分析，最终输出重要的信息：带有时间戳的状态估计值、模型修正信息、错误辨识信息、暂态信息和安全信息。

本实施例的数据融合模块包括，数据库管理模块、算法引擎模块和延时处理模块，其中：

1)数据库管理模块对采集到的来自于GPS的时间信号、广域测量系统的PMU和SCADA数据、变电站的Relay继电保护装置数据以及系统的网络模型数据，进行数据存储、数据过滤、数据压缩、数据访问。将电网运行过程的电压、电流、功率、频率、相角等模拟量，以及设备状态点等，依据对每个数据测量精度的要求，进行数据变化过滤，以及数据压缩，其不仅能保证数据精度，并有效地保存能完整反映数据变化特性的数据。数据库管理模块把处理后的数据发送给延时处理模块进行下一步的处理。

2)延时处理模块接收数据库管理模块处理的数据，对SCADA量测和PMU量测进行协调，对实际的SCADA数据采集系统进行分析，利用量测时延分布模型，对量测量的时延差进行估计，并将处理后的数据传给算法引擎模块。为了在各量测量存在不同时延时获得最优估计精度，延时处理模块根据量测时延期望值来匹配这些量测量的取用时刻，使匹配后的量测量对应于同一采样时刻，并对存在误差的数据进行相应的进行补偿，以优化PMU和SCADA量测数据的匹配。

3)算法引擎模块从延时处理模块取得有效数据，自动判断当前录入数据的模式，在PMU可观测地区使用基于PMU量测的线性状态估计，在PMU不可观测地区使用基于SCADA数据的非线性状态估计的结果作为伪测量，跟PMU量测一起进行线性状态估计，并将估计结果传给系统辨识模块进行辨识与修正处理。每次进行非线性状态估计时，更新系数矩阵H，来反映最新的系统运行状态；每次刷新PMU数据时，先对PMU可观测区域进行线性状态估计，再计算其余区域的各个相量。

本实施例的系统辨识模块包括，电网模型参数辨识模块、不良数据检测模块和修正模块，其中：

1)电网模型参数辨识模块接收系统辨识模块发送过来的实时状态估计信息，获取反映电网动态变化特征的相关信息，依据电网模型参数的特点进行有效的信息处理，实现电网模型参数动态特征辨识，电网参数模型将辨识后的数据传给修正模块。

2)不良数据检测模块接收系统辨识模块传来的实时状态估计信息状，不良数据检测模块主要是检验电力系统实际运行中由于量测量和量测通道的误差及受到的干扰而产生的错误数据，然后将检测后的数据传给修正模块。

3)如图2所示，修正模块接收电网模型参数辨识模块和不良数据检测模块发送来的数据，进行初始状态估计，并计算出参数误差矩阵和不良数据矩阵，然后比较两个矩阵的最大误差：如果参数误差矩阵λ^N的最大值大于不良数据矩阵γ^N的最大值，则说明参数误差矩阵是系统中的主要误差，再利用参数误差矩阵和事先设定的参数误差阀值进行比较，如果小于阀值则系统参数误差可以忽略，否则系统存在参数误差，需要对系统模型进行参数修正；如果不良数据矩阵的误差值较大，则继续判定其值和阀值的大小，当不良数据矩阵的值大于阀值，删除不良数据，否则忽略不计。系统辨识模块对状态估计进行辩识与修正处理后的数据发送到稳定控制模块进行稳定分析。

本实施例的暂态稳定控制模块包括，启动判据模块和暂态稳定状态估计模块，其中：

1)启动判据模块接收系统辨识模块的修正模块接收的状态估计结果，并对该状态估计结果进行判断，采用突变量作为启动判据，即连续3个采样点的机端电压和电流突变量均超过规定阀值时，启动暂态稳定状态估计模块。

2)暂态稳定状态估计模块对电力系统机电暂态过程中的各种状态量进行更详细的估计，选定服从转子运动微分方程约束的发电机转子功角和电角速度作为状态量进行估计，获得发电机功角轨迹。暂态稳定状态估计模块将计算得出的动态信息传给安全评估模块进行分析处理。

4、安全评估模块包括，数据处理告警模块和系统动态扰动告警模块，安全评估模块主要对暂态稳定控制模块计算后的动态信息进行分析，提供初步的告警提示，并自动形成告警报告，其中，

1)数据处理告警模块接收来自暂态稳定状态估计模块计算得出的动态信息，由于状态估计器接受来自于PMU、SCADA、继电保护系统的海量初始数据，因此对于如通道中断、延时、数据丢帧问题等进行告警提示。

2)系统动态扰动告警模块对于接收到的全网电压和电流相量、功率值、系统频率、发电机角加速度等大量信息，进行初步判断如发生系统故障、跳机、电压越限、频率越限、联络线潮流越限、低频振荡等事件，并自动形成相关报告，如扰动过程实时信息的自动提取与汇总，自动生成面向事件描述的相关测点、曲线、主要信息的(初步)报告信息页面等。

Claims (2)

1.一种适用于广域测量系统的电力系统状态估计器，其特征在于，包括数据融合模块、系统辨识模块、暂态稳定控制模块和安全评估模块，其中，

数据融合模块接收来自于GPS的时间信号、广域测量系统的相角测量装置和数据采集与监视控制系统数据、变电站的Relay继电保护装置数据以及系统的网络模型数据，数据融合模块将处理过的数据传给系统辨识模块；

系统辨识模块接收数据融合模块处理和估计后的数据，对该数据进行修正，并将修正后的数据传给暂态稳定控制模块；

暂态稳定控制模块接收系统辨识模块输出的修正后的数据，对电力系统机电暂态过程中的各种状态量进行更详细的估计，并将处理后的数据传给安全评估模块；

安全评估模块，接收暂态稳定控制模块处理后的数据，并对该信息进行分析，最终输出重要的信息：带有时间戳的状态估计值、模型修正信息、错误辨识信息、暂态信息和安全信息；

所述数据融合模块包括，数据库管理模块、算法引擎模块和延时处理模块，其中，

数据库管理模块采集来自于GPS的时间信号、广域测量系统的相角测量装置和数据采集与监视控制系统数据、变电站的Relay继电保护装置数据以及系统的网络模型数据，并保存在数据库中，数据库管理模块把处理后的数据传给延时处理模块；

延时处理模块接收数据库管理模块处理后的数据，对数据采集与监视控制系统量测和相角测量装置量测进行协调，将处理后的数据传给算法引擎模块；

算法引擎模块通过对数据的分析决定采用何种算法进行状态估计精度最高，然后把对系统数据进行状态估计的结果传给系统辨识模块；

所述安全评估模块包括，数据处理告警模块和系统动态扰动告警模块，其中，

数据处理告警模块接收来自暂态稳定控制模块计算得出的动态信息，对于通道中断、延时、数据丢帧问题进行告警提示；

系统动态扰动告警模块对于接收到的全网电压和电流相量、功率值、系统频率、发电机角加速度信息，进行初步判断并自动形成报告，自动生成面向事件描述的测点、曲线、信息的报告信息页面。

2.根据权利要求1所述的适用于广域测量系统的电力系统状态估计器，其特征是，所述系统辨识模块包括，电网模型参数辨识模块、不良数据检测模块和修正模块，其中，

电网模型参数辨识模块接收算法引擎模块传来的实时状态估计信息，实现电网模型参数动态特征辨识，电网模型参数辨识模块将辨识后的数据传给修正模块；

不良数据检测模块接收算法引擎模块传来的实时状态估计信息，检验电力系统实际运行中由于量测量和量测通道的误差及受到的干扰而产生的错误数据，然后将检测后的数据传给修正模块；

修正模块接收电网模型参数辨识模块和不良数据检测模块传来的数据，对状态估计结果或系统参数进行修正，将修正结果传给暂态稳定控制模块进行稳定分析。

Images