CN103678931B - 基于精确量测负荷数据的变电站覆盖区域能效评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于精确量测负荷数据的变电站覆盖区域能效评估方法，收集变电站基础资料，对于评估变电站一定周期的负荷数据采用同步向量测量装置(PMU)以及SCADA进行采集，采用线性模型和非线性模型结合的方法进行估计，根据给出的不同型号变电站内各电气设备运行年限以及综合成本、年运行维护成本，给出预期的节能降损效果及技术经济分析；该体系构建了一整套全过程的变电站综合能效评价方法，该评估体系能比较科学、完整地综合反映变电站能源消耗的各属性要素；全面地应用现有的综合评价方法，该体系理论清晰，更加剧有科学性和针对性，为变电站的能效评估和节能改造提出了一种崭新的思路和方法。

Description

基于精确量测负荷数据的变电站覆盖区域能效评估方法

技术领域

本发明涉及变电站能效评估技术领域，尤其涉及一种基于精确量测负荷数据的变电站覆盖区域能效评估方法。

背景技术

随着社会的发展及人民生活水平的逐步提高，电能需求量逐步增加。由于作为输配电的关键环节，数量众多的变电站节能减排工作具有重要的意义。变电站节能能效评估是针对规划、设计和运行等不同阶段的变电站，结合国家对产品的能效限定值和节能评价值的规定，采用现代系统分析理论，制定相应的变电站节能评估方法、评估标准，形成统一的评估体系和规范。在此基础上，对不同阶段变电站开展系统科学的分析评估，得到的综合评估结果将为变电站规划、设计和运行提供能源节约方面的技术支撑手段，有助于提高变电站资金利用效率和能源利用效率，使变电站真正实现节能减排和可持续发展。变电站节能评估主要包括建筑物、设备以及系统三方面的综合评估，同时考虑了变电站运行可靠性统计指标，以及变电站建设改造项目的优先顺序的建议等。评估方法由定性转为定量，具有很高的可操作性。

能源告急、污染加剧，因此如何充分利用当前并不富裕的能源、降低变电站中的损耗，就成了当务之急。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于精确量测负荷数据的变电站覆盖区域能效评估方法，建立变电站能效评估体系，该体系构建了一整套全过程的变电站综合能效评价方法，该评估体系能比较科学、完整地综合反映变电站能源消耗的各属性要素；全面地应用现有的综合评价方法。该体系理论清晰，更加具有科学性和针对性，为变电站的能效评估和节能改造提出了一种崭新的思路和方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于精确量测负荷数据的变电站覆盖区域能效评估方法，包括以下步骤：

(1)首先建立一张空白数据表用来存放中间结果；

(2)收集变电站基础资料，并将变电站覆盖供电区域根据用电性质和被管辖范围分割为若干小区域，对各系统运行功率记录和实测数据进行分析，并把小区域根据负载分为线性区域和非线性区域；最后把收集的变电站基础资料存入数据库；

(3)对于评估变电站一定周期的负荷数据采用同步向量测量装置(PMU)以及SCADA进行采集，包括各负荷点的电压相量量测、电流相量量测、电压相量、测数据有节点电压幅值、注入节点有功功率、注人节点无功功率、流出节点支路的有功功率和流出节点支路的无功功率；

(4)对于步骤(2)中的线性区域采用线性模型，充分利用PMU电压量测和电流量测，计算与PMU装置节点相关联节点处的电压相量，同时利用PMU量测采样周期短的特点，将计算得到的电压相量作为非线性区域状态估计的初值参与计算从而增加PMU量测对整个状态估计的影响。当线性区域计算得到的结果进入非线性区域进行状态估计时，采用非线性模型，根据误差传递公式进行权值计算。

(5)根据给出的不同型号变电站内各电气设备运行年限以及综合成本、年运行维护成本，再根据步骤(2)、(3)、(4)分别给出基于精确量测负荷数据有针对性的节能降损措施，给出预期的节能降损效果及技术经济分析；当降损措施实施后，转入步骤(2)，进行效果后评估。

所述变电站基础资料包括变电站名称、地理位置、隶属关系、建筑结构围护、变压器、暖通空调系统、照明系统和交流屏系统的系统运行记录数据和实测数据。

所述步骤(4)中线性模型的建立过程为：

①相应线性区域具有N个母线节点和B条支路，PMU装置安装在L个母线节点上线性模型方程为：

式中：U_i为电压相量量测；P_ij为电流相量量测；H为雅可比矩阵；U_M为安装PMU节点的电压相量；U_C为没有安装PMU节点的电压相量；I为Z×f阶的单位阵；Y₁₁为与安装PMU节点相连支路对应的串联导纳矩阵块；Y₂₂为与安装PMU节点相连支路对应的并联导纳矩阵块；v_U为电压相量量测误差；v_I为电流相量量测误差。

②根据电网基本理论，结合所研究的电网结构，可以得到雅可比矩阵的表达式为：

式中：Y_1B为电压量测点相连的支路自导纳矩阵，其为BxB阶对角矩阵；Y_2B为与电压量测点相连的支路间导纳矩阵，其为BxB阶非对角矩阵；A为NxB网络关联矩阵，A＝[A_M A_c]^T；A_M为LxB阶量测电压节点对应的关联矩阵；Ac为(L-1)×B阶的不可测电压节点对应的关联矩阵。

③通常情况下H不是一个方阵，由于系统可观测，有rank(H)=N，由最小二乘规则可得：

该模型中雅可比矩阵H、权重矩阵R^-1、信息矩阵G＝(H^TR^-1H)是常数。

所述步骤(4)中非线性负载区域的模型的建立过程为：

①非线性区域的模型为：

式中：z_α为与母线节点的电压幅值有关的量测数据；z_γ为与母线节点的电压相角有关的量测数据；v_α为与母线节点的电压幅值有关量测的误差；v_γ为与母线节点的电压相角有关量测的误差；h_α(θ,u)与h_γ(θ,u)为状态量。

②求解非线性方程，采用加权最小二乘法，则h(θ,u)的偏导数可表示为：

③同时，权值矩阵也表示为有功与无功两部分，即：

所以信息阵写为：

④将功率解耦关系(有功功率影响节点相位，无功功率影响节点电压幅值)代人，式(7)中有h_αγ＝0，h_γα＝0，可以得到对角矩阵：

同时由于节点间相位差比较小，各节点电压幅值接近于系统平衡节点电压幅值，因此信息短阵变为常数矩阵，当网络结构和参数不变时无需修改。

⑤因为一般为稀疏矩阵，所以可以利用稀疏矩阵的特点进行求解。求解关系式如下：

或写成：

Ax＝b (10)

则迭代的修正方程式可写成：

其中，

本发明的有益效果：

本发明对现场具体变电站能效评估有较大的参考作用，能够有针对性的指导变电站规划改造建设，同时也有助于变电站运行人员掌握变电站能效运行情况，在实际的评估和规划工作中可指导安排科学合理的变电站建设及改造项目，保证变电站可靠的、经济的运行，由此带来巨大的经济效益。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为实施例IEEE-14节点结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1，一种基于精确量测负荷数据的变电站覆盖区域能效评估方法，包括以下步骤：

(1)首先建立一张空白数据表用来存放中间结果；

(2)收集变电站基础资料，并将变电站覆盖供电区域根据用电性质和被管辖范围分割为若干小区域，对各系统运行功率记录和实测数据进行分析，并把小区域根据负载分为线性区域和非线性区域；最后把收集的变电站基础资料存入数据库；

(3)对于评估变电站一定周期的负荷数据采用同步向量测量装置(PMU)以及SCADA进行采集，包括各负荷点的电压相量量测、电流相量量测、电压相量、测数据有节点电压幅值、注入节点有功功率、注人节点无功功率、流出节点支路的有功功率和流出节点支路的无功功率；

(4)对于步骤(2)中的线性区域采用线性模型，充分利用PMU电压量测和电流量测，计算与PMU装置节点相关联节点处的电压相量，同时利用PMU量测采样周期短的特点，将计算得到的电压相量作为非线性区域状态估计的初值参与计算从而增加PMU量测对整个状态估计的影响，当线性区域计算得到的结果进入非线性区域进行状态估计时，采用非线性模型，根据误差传递公式进行权值计算；

(4)根据给出的不同型号变电站内各电气设备运行年限以及综合成本、年运行维护成本，再根据步骤(2)、(3)、(4)分别给出基于精确量测负荷数据有针对性的节能降损措施，给出预期的节能降损效果及技术经济分析；当降损措施实施后，转入步骤(2)，进行效果后评估。

所述变电站基础资料包括变电站名称、地理位置、隶属关系、建筑结构围护、变压器、暖通空调系统、照明系统和交流屏系统的系统运行记录数据和实测数据。

所述步骤(4)中线性模型的建立过程为：

①相应线性区域具有N个母线节点和B条支路，PMU装置安装在L个母线节点上线性模型方程为：

式中：U_i为电压相量量测；P_ij为电流相量量测；H为雅可比矩阵；U_M为安装PMU节点的电压相量；U_C为没有安装PMU节点的电压相量；I为Z×f阶的单位阵；Y₁₁为与安装PMU节点相连支路对应的串联导纳矩阵块；Y₂₂为与安装PMU节点相连支路对应的并联导纳矩阵块；v_U为电压相量量测误差；v_I为电流相量量测误差。

②根据电网基本理论，结合所研究的电网结构，可以得到雅可比矩阵的表达式为：

式中：Y_1B为电压量测点相连的支路自导纳矩阵，其为BxB阶对角矩阵；Y_2B为与电压量测点相连的支路间导纳矩阵，其为BxB阶非对角矩阵；A为NxB网络关联矩阵，A＝[A_M A_c]^T；A_M为LxB阶量测电压节点对应的关联矩阵；Ac为(L-1)×B阶的不可测电压节点对应的关联矩阵。

③通常情况下H不是一个方阵，由于系统可观测，有rank(H)=N，由最小二乘规则可得：

该模型中雅可比矩阵H、权重矩阵R^-1、信息矩阵G＝(H^TR^-1H)是常数。

所述步骤(4)中非线性模型的建立过程为：

①非线性区域的模型为：

式中：z_α为与母线节点的电压幅值有关的量测数据；z_γ为与母线节点的电压相角有关的量测数据；v_α为与母线节点的电压幅值有关量测的误差；v_γ为与母线节点的电压相角有关量测的误差；h_α(θ,u)与h_γ(θ,u)为状态量。

②求解非线性方程，采用加权最小二乘法，则h(θ,u)的偏导数可表示为：

③同时，权值矩阵也表示为有功与无功两部分，即：

所以信息阵写为：

④将功率解耦关系(有功功率影响节点相位，无功功率影响节点电压幅值)代人，式(7)中有h_αγ＝0，h_γα＝0，可以得到对角矩阵：

同时由于节点间相位差比较小，各节点电压幅值接近于系统平衡节点电压幅值，因此信息短阵变为常数矩阵，当网络结构和参数不变时无需修改。

⑤因为一般为稀疏矩阵，所以可以利用稀疏矩阵的特点进行求解。求解关系式如下：

或写成：

Ax＝b （10）

则迭代的修正方程式可写成：

其中，

实施例1

IEEE 14节点系统中线路数据已经化为以100MVA为基准的标么值。假定节点1、2、4、6、8、9、11、13装有SCADA的数据采集装置，该装置可以提供节点注入功率、支路潮流数据以及节点电压幅值数据，该数据是在潮流计算的真值上注人随机误差得到的。设PMU量测装置分别安装在节点l、2,6、9，该状态提供的量测数据为节点电压相最最测和支路电流相量量测，

该数据也是在潮流计算的真值上注人随机误差得到的。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种基于精确量测负荷数据的变电站覆盖区域能效评估方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)首先建立一张空白数据表用来存放中间结果；

(2)收集变电站基础资料，并将变电站覆盖供电区域根据用电性质和被管辖范围分割为若干小区域，对各系统运行功率记录和实测数据进行分析，并把小区域根据负载分为线性区域和非线性区域；最后把收集的变电站基础资料存入数据库；所述变电站基础资料包括变电站名称、地理位置、隶属关系、建筑结构围护、变压器、暖通空调系统、照明系统和交流屏系统的系统运行记录数据和实测数据；

(3)对于评估变电站一定周期的负荷数据采用PMU以及SCADA进行采集，包括各负荷点的电压相量量测、电流相量量测、电压相量、节点电压幅值、注入节点有功功率、注入节点无功功率、流出节点支路的有功功率和流出节点支路的无功功率；

(4)对于步骤(2)中的线性区域采用线性模型，充分利用PMU电压量测和电流量测，计算与PMU装置节点相关联节点处的电压相量，同时利用PMU量测采样周期短的特点，将计算得到的电压相量作为非线性区域状态估计的初值参与计算从而增加PMU量测对整个状态估计的影响，当线性区域计算得到的结果进入非线性区域进行状态估计时，采用非线性模型，根据误差传递公式进行权值计算；

(5)根据给出的不同型号变电站内各电气设备运行年限、综合成本以及年运行维护成本，再根据步骤(2)、(3)、(4)分别给出基于精确量测负荷数据有针对性的节能降损措施，给出预期的节能降损效果及技术经济分析；当降损措施实施后，转入步骤(2)，进行效果后评估。

2.如权利要求1所述基于精确量测负荷数据的变电站覆盖区域能效评估方法，其特征是，所述步骤(4)中线性模型的建立过程为：

①相应线性区域具有N个母线节点和B条支路，PMU装置安装在L个母线节点上线性模型方程为：

$z=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_i\\ {\stackrel{\·}{P}}_{ij}\end{array}\right]=H\stackrel{\·}{U}+v=\left[\begin{array}{cc}I& 0\\ Y_{12}& Y_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_M\\ {\stackrel{\·}{U}}_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_U\\ v_I\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中：U_i为电压相量量测；P_ij为电流相量量测；H为雅可比矩阵；U_M为安装PMU节点的电压相量；U_C为没有安装PMU节点的电压相量；I为Z×f阶的单位阵；Y₁₂为与安装PMU节点相连支路对应的串联导纳矩阵块；Y₂₂为与安装PMU节点相连支路对应的并联导纳矩阵块；v_U为电压相量量测误差；v_I为电流相量量测误差；

②根据电网基本理论，结合所研究的电网结构，可以得到雅可比矩阵的表达式为：

$H=\left[\begin{array}{cc}I& 0\\ Y_{1B}{A_M}^T& Y_{2B}{A_C}^T\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中：Y_1B为电压量测点相连的支路自导纳矩阵，其为BxB阶对角矩阵；Y_2B为与电压量测点相连的支路间导纳矩阵，其为BxB阶非对角矩阵；A为NxB网络关联矩阵，A＝[A_MA_c]^T；A_M为LxB阶量测电压节点对应的关联矩阵；Ac为(L-1)×B阶的不可测电压节点对应的关联矩阵；

③因为H不是一个方阵，由于系统可观测，有rank(H)＝N，由最小二乘规则可得：

$\stackrel{\·}{U}={\left(H^T{R}^{-1}H\right)}^{-1}{H}^T{R}^{-1}Z---\left(3\right)$

该模型中雅可比矩阵H、权重矩阵R^-1和信息矩阵G＝(H^TR^-1H)均为常数。

3.如权利要求1所述基于精确量测负荷数据的变电站覆盖区域能效评估方法，其特征是，所述步骤(4)中非线性负载区域的模型的建立过程为：

①非线性区域的模型为：

$z=\left[\begin{array}{c}{z}_{\mathrm{\α}}\\ z_{\mathrm{\γ}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{h}_{\mathrm{\α}}(\mathrm{\θ},u)\\ h_{\mathrm{\γ}}(\mathrm{\θ},u)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\γ}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

式中：z_α为与母线节点的电压幅值有关的量测数据；z_γ为与母线节点的电压相角有关的量测数据；v_α为与母线节点的电压幅值有关量测的误差；v_γ为与母线节点的电压相角有关量测的误差；h_α(θ,u)与h_γ(θ,u)为状态量；

②求解非线性方程，采用加权最小二乘法，则h(θ,u)的偏导数表示为：

$\frac{\∂h}{\∂x}=H(\mathrm{\θ},u)=\left[\begin{array}{cc}\frac{\∂h_{\mathrm{\α}}(\mathrm{\θ},u)}{\∂\mathrm{\θ}}& \frac{\∂h_{\mathrm{\α}}(\mathrm{\θ},u)}{\∂u}\\ \frac{\∂h_{\mathrm{\γ}}(\mathrm{\θ},u)}{\∂\mathrm{\θ}}& \frac{\∂h_{\mathrm{\γ}}(\mathrm{\θ},u)}{\∂u}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{H}_{\mathrm{\α}\mathrm{\α}}& H_{\mathrm{\α}\mathrm{\γ}}\\ H_{\mathrm{\γ}\mathrm{\α}}& H_{\mathrm{\γ}\mathrm{\γ}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

③同时，权值矩阵也表示为有功与无功两部分，即：

$R^{-1}=\left[\begin{array}{cc}{R_{\mathrm{\α}}}^{-1}& 0\\ 0& {R_{\mathrm{\γ}}}^{-1}\end{array}\right]---\left(6\right)$

所以信息阵写为：

$\begin{array}{c}{H}^T{R}^{-1}H=\left[\begin{array}{cc}{H_{\mathrm{\α}\mathrm{\α}}}^T& {H_{\mathrm{\γ}\mathrm{\α}}}^T\\ {H_{\mathrm{\α}\mathrm{\γ}}}^T& {H_{\mathrm{\γ}\mathrm{\γ}}}^T\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{R_{\mathrm{\α}}}^{-1}& 0\\ 0& {R_{\mathrm{\γ}}}^{-1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{H}_{\mathrm{\α}\mathrm{\α}}& H_{\mathrm{\α}\mathrm{\γ}}\\ H_{\mathrm{\γ}\mathrm{\α}}& H_{\mathrm{\γ}\mathrm{\γ}}\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{cc}{H_{\mathrm{\α}\mathrm{\α}}}^T{R_{\mathrm{\α}}}^{-1}{H}_{\mathrm{\α}\mathrm{\α}}+{H_{\mathrm{\α}\mathrm{\γ}}}^T{R_{\mathrm{\γ}}}^{-1}{H}_{\mathrm{\γ}\mathrm{\α}}& {H_{\mathrm{\α}\mathrm{\α}}}^T{R_{\mathrm{\α}}}^{-1}{H}_{\mathrm{\α}\mathrm{\γ}}+{H_{\mathrm{\γ}\mathrm{\α}}}^T{R_{\mathrm{\γ}}}^{-1}{H}_{\mathrm{\γ}\mathrm{\γ}}\\ {H_{\mathrm{\α}\mathrm{\γ}}}^T{R_{\mathrm{\α}}}^{-1}{H}_{\mathrm{\α}\mathrm{\α}}+{H_{\mathrm{\γ}\mathrm{\γ}}}^T{R_{\mathrm{\γ}}}^{-1}{H}_{\mathrm{\γ}\mathrm{\α}}& {H_{\mathrm{\α}\mathrm{\λ}}}^T{R_{\mathrm{\α}}}^{-1}{H}_{\mathrm{\α}\mathrm{\γ}}+{H_{\mathrm{\γ}\mathrm{\γ}}}^T{R_{\mathrm{\γ}}}^{-1}{H}_{\mathrm{\γ}\mathrm{\γ}}\end{array}\right]\end{array}---\left(7\right)$

④将功率解耦关系“有功功率影响节点相位，无功功率影响节点电压幅值”代入，式(7)中有h_αγ＝0，h_γα＝0，可以得到对角矩阵：

$H^T{R}^{-1}H=\left[\begin{array}{cc}\frac{\∂{h_{\mathrm{\α}}}^T}{\∂\mathrm{\θ}}{R_{\mathrm{\α}}}^{-1}\frac{\∂h_{\mathrm{\α}}}{\∂\mathrm{\θ}}& 0\\ 0& \frac{\∂{h_{\mathrm{\γ}}}^T}{\∂u}{R_{\mathrm{\α}}}^{-1}\frac{\∂h_{\mathrm{\γ}}}{\∂u}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}A& 0\\ 0& B\end{array}\right]---\left(8\right)$

同时由于节点间相位差比较小，各节点电压幅值接近于系统平衡节点电压幅值，因此信息短阵变为常数矩阵，当网络结构和参数不变时无需修改；

⑤因为为稀疏矩阵，所以可以利用稀疏矩阵的特点进行求解，求解关系式如下：

$\[H^T\left(\widehat{x^{\left(l\right)}}\right)R^{-1}H\left(\widehat{x^{\left(l\right)}}\right)\]\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{x}=H^T\left(\widehat{x^{\left(l\right)}}\right)R^{-1}\[z-h\left(\widehat{x^{\left(l\right)}}\right)\]---\left(9\right)$

或写成：A_x＝b (10)

则迭代的修正方程式写成：

AΔθ^(l)＝a^(l)

BΔu^(l)＝b^(l)

其中，

$a^{\left(l\right)}=\left[\begin{array}{cc}\frac{\∂{h_{\mathrm{\α}}}^T}{\∂\mathrm{\θ}}& \frac{\∂{h_{\mathrm{\γ}}}^T}{\∂\mathrm{\θ}}\end{array}\right]R^{-1}\[z-h(u,\mathrm{\θ})\]{|}_{\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}^{\left(l\right)},u=u^{\left(l\right)}}---\left(11\right)$

$b^{\left(l\right)}=\left[\begin{array}{cc}\frac{\∂{h_{\mathrm{\α}}}^T}{\∂u}& \frac{\∂{h_{\mathrm{\γ}}}^T}{\∂u}\end{array}\right]R^{-1}\[z-h(u,\mathrm{\θ})\]{|}_{\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}^{\left(l\right)},u=u^{\left(l\right)}}---\left(12\right).$