CN103902814B - 基于动态分区的电力系统运行状态检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于动态分区的电力系统运行状态检测方法，该方法包括以下步骤：根据网络拓扑变化对电网进行动态分区；采用加权最小二乘法进行各分区状态估计；根据所述状态估计结果对电力系统运行状态进行检测。本发明能够快速响应电网系统拓扑变化，实现电网动态分区，降低某区域中量测数据误差对其他区域状态估计结果的影响，提高电网运行基础数据整体状态估计的准确率，从而保证检测出来的电力系统运行状态不会存在误差。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统运行技术领域，特别是涉及一种基于动态分区的电力系统运行状态检测方法。
背景技术
电力系统状态估计是电力系统调度中心的能量管理系统（EMS）的核心功能之一，是大部分在线应用的高级软件的基础，其功能是根据电力系统的各种量测信息，检测出电力系统当前的运行状态。
随着电力系统发展，互联电力系统间的统一调度可能会用到多个独立调度中心的状态估计结果；另一方面，全系统状态估计算法存在量测冗余度较难完全满足、计算速度慢无法满足实时性要求、某些区域量测量错误较多从而影响整个系统的状态估计精度等问题。因此，分布式或分区域互连电力系统状态估计有较强的应用背景。
现有的一些状态估计方法多是基于固定分区，认为网络拓扑结构不变，或者拓扑结构变化不大，即使变化也不会引起参数所属分区改变。这些方法利用优化技术直接将边界约束考虑到状态估计求解过程中，但是却忽略了非边界节点对其他分区状态估计的影响。当电力系统发生运行方式变化、负荷转移、开关动作等操作时，拓扑结构往往会改变，此时如果仍然采用传统的方法，所检测出来的电力系统运行状态的误差会比较大。
发明内容
基于此，本发明提供一种基于动态分区的电力系统运行状态检测方法，能够提高电力系统运行状态检测的准确率。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种基于动态分区的电力系统运行状态检测方法，包括以下步骤：
获取电网参数，根据所述电网参数对电网进行预处理，得到化简后的电网简单图；
获取化简后的电网简单图中电网节点总数N，并从1开始按顺序对所述电网节点编号至N，列写电网节点关联矩阵B；其中，所述关联矩阵B为N×N阶方阵，其第i行第j列元素Bij描述节点i和节点j之间的连接关系，若节点i和节点j有线路直接相连，则Bij=1，否则Bij=0；对角线元素Bii为所有Bij之和，其值表示与节点i直接相连的所有节点的个数，称为节点i的关联度bi；
根据所述关联矩阵对电网进行动态分区；
取迭代变量k=0，针对所有分区，分别采用加权最小二乘法进行状态估计；取分区n的目标函数为：式中，Xn是区域n中待估计的状态变量，Zn为区域n中遥测矢量，Hn(Xn)为区域n中遥测的非线性量测函数，上标T表示矩阵的转置，Rn为量测误差协方差阵；
计算目标函数Jn(Xn)，若为使目标函数Jn(Xn)达到最小的状态变量Xn，设定状态估计第k步迭代公式为：式中，
判断是否满足收敛条件：若是，则状态估计结束，输出分区n状态估计结果否则k=k+1并继续进行迭代；
根据所述状态估计结果对电力系统运行状态进行检测。
由以上方案可以看出，本发明的一种基于动态分区的电力系统运行状态检测方法，能够根据网络拓扑变化来对电网进行动态分区，并在各分区内分别进行状态估计，然后根据状态估计结果对电力系统运行状态进行检测。本发明能够快速响应电网系统拓扑变化，实现电网动态分区，降低某区域中量测数据误差对其他区域状态估计结果的影响，提高电网运行基础数据整体状态估计的准确率，从而保证了检测出来的电力系统运行状态不会存在太大误差。
附图说明
图1为本发明的一种基于动态分区的电力系统运行状态检测方法的实现步骤框图；
图2为本发明中分区状态估计具体流程图；
图3为本发明中整体协调状态估计流程图；
图4为本发明实施例中的网络拓扑结构图；
图5为本发明实施例中的网络动态分区图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示是本发明一种基于动态分区的电力系统运行状态检测方法的实现步骤框图。步骤一是电力网络动态分区；步骤二是分区状态估计；步骤三是整体协调状态估计。下面进行详细描述：
步骤一、电力网络动态分区。
1）获取电网参数，根据所述电网参数对电网进行预处理，得到化简后的电网简单图。本发明中，进行预处理的过程具体为合并相同节点之间的多回支路，其量测值和参数合并：有功功率、无功功率或电流线性相加，电压幅值和相角取求和平均值，等效阻抗按照多回支路并联方式计算；同一末端节点多个量测有功功率、无功功率或电流线性相加，电压幅值和相角取求和平均值。
2）获取化简后的电网简单图中电网节点总数N，并从1开始按顺序对所述电网节点编号至N，列写电网节点关联矩阵B；其中，所述关联矩阵B为N×N阶方阵，其第i行第j列元素Bij描述节点i和节点j之间的连接关系，若节点i和节点j有线路直接相连，则Bij=1，否则Bij=0；对角线元素Bii为所有Bij之和，其值表示与节点i直接相连的所有节点的个数，称为节点i的关联度bi；
3）根据所述关联矩阵对电网进行动态分区。
本发明中的分区原则为：若两个子网络之间仅存在唯一的独立边界线路L或者独立边界节点D，则确定独立边界线路L两端中某一节点为独立边界节点，并将此2个子网络在独立边界节点D上分区，独立边界节点D同时属于这两个分区。作为一个较好的实施例，根据所述关联矩阵对电网进行动态分区的过程可以包括如下：
根据所述关联矩阵将电网划分为最大辐射状分区、仅存在唯一电气连接线路分区以及仅存在唯一电气连接节点分区三种情况；
针对情况一的最大辐射状分区，辐射状网络与剩余非辐射状网络通过一条线路相连，选择该连接线路两端中节点关联度大的作为独立边界节点，并在此独立边界节点上将辐射状网络分解出来；
针对情况二的仅存在唯一电气连接线路分区，经过情况一最大辐射状分区辨识之后的剩余网络中，若两个子网络之间仅存在一回线路相连，则将此线路作为独立边界线路L，选择独立边界线路两端中节点关联度大的作为独立边界节点，并在此独立边界节点上将剩余网络分解；
针对情况三的仅存在唯一电气连接节点分区，经过情况二仅存在唯一电气连接线路分区辨识之后生成的各个分区（不包含情况一形成的分区）中，若某分区中存在两个子网络中都有多条线路与某节点D相连，但除此节点外，两个子网络没有其他节点相连，则此节点D为独立边界节点，并在此独立边界节点上将网络进一步分解。
情况一可查找出所有最大辐射状分区，作为一个较好的实施例，具体的分区步骤可以如下：
a）搜索所有关联度为1的末端节点，分别放入不同待定分区中；
b）将与这些关联度为1的下游节点直接相连的上游节点放在与下游节点相同的待定分区中，若某上游节点已经在其他待定分区中出现，则将这两个待定分区合并；
c）将这些关联度为1的下游节点在关联矩阵B中对应的行列数值全部清零，重新计算所有对角线元素，更新节点关联矩阵B；
d）返回a），重复此过程，直到不存在关联度为1的节点；
e）所有分解出来的待定分区即为情况一下的最大辐射状分区。
另外，情况二可查找出剩余网络中通过唯一连接线路弱连接的子网络，作为一个较好的实施例，情况二具体的分区步骤可以如下：
a）在剩余网络中采用枚举法选择2个节点；
b）列举这2个节点间的所有通道；
c）判断是否这些所有通道中都含有某一条共有支路。如有，记此支路为独立边界线路L，选择线路L两端节点中节点关联度大的为独立边界节点D，并将剩余网络在独立边界节点D上分区，独立边界节点D同时属于这两个分区，并将这两个分区分别返回a）重新检测；如没有，转至下一步；
d）判断是否遍历所有节点对。如已经遍历，情况二分区过程结束；否则，转至a）；
e）所有分解出来的分区即为情况二下的仅存在唯一电气连接线路的分区。
情况三可查找出剩余网络中通过唯一电气连接节点弱连接的子网络，作为一个较好的实施例，情况三具体的分区步骤可以包括如下步骤：
a）在情况二辨识出的某一分区中采用枚举法选择某1个节点；
b）断开此节点，并去除所有与该节点相连的线路；
c）判断该分区剩余部分是否形成多个独立子网络，若已经分解为多个独立的子网络，则该断开节点为独立边界节点D，将该分区在独立边界节点D上分区，独立边界节点D同时属于这多个分区，并将这多个分区分别返回a）重新检测；如没有，转至下一步；
d）判断是否遍历所有节点。如已经遍历，情况三分区过程结束；否则，转至a）；
e）所有分解出来的分区即为情况三下的仅存在唯一电气连接节点的分区。
步骤二：分区状态估计。如图2所示，其具体实现过程如下：
1）取迭代变量k=0；
2）针对所有分区，分别采用加权最小二乘法状态估计。取分区n的目标函数为
式中，Xn是区域n中待估计的状态变量，Zn为区域n中遥测矢量，Hn(Xn)为区域n中遥测的非线性量测函数，上标T表示矩阵的转置，Rn为量测误差协方差阵；
3）计算表达式（1），若为使目标函数Jn(Xn)达到最小的状态变量Xn，设定状态估计第k步迭代公式为：
式中，
3）判断是否满足收敛条件：
若满足收敛条件，状态估计结束，输出分区n状态估计结果若不满足收敛条件，k=k+1，返回3）继续迭代。
4）根据所述状态估计结果对电力系统运行状态进行检测。
作为一个较好的实施例，本发明在分区状态估计之后，还可以包括如下步骤：
步骤三、整体协调状态估计。将所有独立边界节点D列表，迭代计算各分区量测量与独立边界节点状态量之间的灵敏度系数矩阵和注入功率量测量的改变量，利用灵敏度系数计算分区n中独立边界节点的改变量，直至迭代收敛。如图3所示，其具体实现过程如下：
1）将所有独立边界节点D列表，设定迭代变量k=0；
2）若第n个分区中的独立边界节点D同时属于分区m，则第k次更新后的状态估计值为：
将更新后的独立边界节点状态量估计值分别返回分区n1和n2；
3）将所有分区中的估计后的状态变量矢量由变为
4）计算各分区量测量与独立边界节点状态量之间的灵敏度系数矩阵，分区n中量测量与独立边界节点D的灵敏度系数矩阵Kn为：
5）计算分区n中注入功率量测量的改变量：
6）根据灵敏度系数计算分区n中独立边界节点的改变量：
7）判断是否满足式（11）的收敛条件，若满足，转至下一步，若不满足，k=k+1返回至2）：
8）返回并输出总体协调状态估计结果。根据该总体协调状态估计结果来对电力系统运行状态进行检测，能够进一步的减少误差。
下面结合一个具体的算例，详细描述本发明的方案：
如图4所示为本发明具体实施方式的网络拓扑结构图。图中共有11个节点，已分别作了标号。
步骤一、电力网络动态分区。
1）获取电网参数，对电网进行预处理，化简为简单图；
2）记化简后的电网节点总数N=11，从1开始按顺序编号至N，列写网络节点关联矩阵B；
3）根据前述的分区原则，可将电网分成4个分区，如图5所示，分别体现了本发明方案的三种分区情况，具体的分区步骤此处不予赘述。
情况一：最大辐射状分区辨识，分区4属于这种情况。分区4是辐射状网络，其余分区是非辐射状网络，分区4与其余分区通过一条线路相连，选择该连接线路两端中节点关联度大的节点7作为独立边界节点，并在此独立边界节点上将辐射状网络分解出来。
情况二：仅存在唯一电气连接线路分区辨识，分区2和分区3属于这种情况。在除分区4之外的剩余网络中，分区2和分区3都是环网，且之间仅存在一回线路相连，选择独立边界线路两端中节点关联度大的节点5作为独立边界节点，并在此独立边界节点上将剩余网络分解。
情况三：仅存在唯一电气连接节点分区辨识，分区1和分区2属于这种情况。在除分区4之外的剩余网络中，分区1和分区2都是环网，且都有多条线路与节点3相连，但除此节点外，两个子网络没有其他节点相连，此节点3为独立边界节点，并在此独立边界节点上将网络进一步分解。
步骤二、分区状态估计。
根据步骤一得到的4个分区，分别进行状态估计，具体步骤如下：
1）取迭代变量k=0；
2）针对4个分区，分别采用加权最小二乘法状态估计。取分区n的目标函数为：
式中，Xn是区域n中待估计的状态变量，其中X1为5×1维状态变量，X2为5×1维状态变量，X3为7×1维状态变量，X4为7×1维状态变量；Zn为区域n中遥测矢量，其中Z1为15×1维量测矢量，Z2为15×1维量测矢量，Z3为20×1维量测矢量，Z4为16×1维量测矢量；Hn(Xn)为区域n中遥测的非线性量测函数，上标T表示矩阵的转置，Rn为量测误差协方差阵：其中R1为15×15对角阵，R2为15×15对角阵，R3为20×20对角阵，R4为16×16对角阵；n的取值范围是n∈[1,4]。
3）计算表达式（1），若为使目标函数Jn(Xn)达到最小的状态变量Xn，设定状态估计第k步迭代公式为：
式中，
4）判断收敛条件：
式中，εn的取值为10-4。若满足收敛条件，状态估计结束；若不满足收敛条件，k=k+1，返回3）继续迭代。
5）输出分区n状态估计结果
按照上述步骤二的迭代计算，得到电网分区后的状态估计结果，如下表所示。
其中，为1区1,2,3节点电压幅值与相角，为2区3,4,5节点电压幅值与相角，为3区5,6,7,8节点电压幅值与相角，为4区7,9,10,11节点电压幅值与相角。
步骤三、整体协调状态估计。
1）将所有独立边界节点D列表，D={3,5,7}；设定迭代变量k=1；
2）若第n个分区中的独立边界节点D同时属于分区m，则第k次更新后的状态估计值为：
将更新后的独立边界节点状态量估计值分别返回分区n和m。
3）所有分区中的估计后的状态变量矢量由变为
按照步骤2）和3），对所有分区，各独立边界节点电压幅值状态估计值取均值，各区节点相角做参考平衡点的位移后，第一次协调后的状态估计值为：
| 节点号 | 电压幅值 | 电压相角 |
| 1 | 1.0763 | 0 |
| 2 | 1.1248 | 5.6666 |
| 3 | 1.0278 | -0.9225 |
| 4 | 1.0292 | 3.3862 |
| 5 | 1.0215 | 5.4603 |
| 6 | 1.0294 | 14.1692 |
| 7 | 1.0865 | 9.8606 |
| 8 | 1.0782 | 16.2434 |
| 9 | 1.1075 | 8.5084 |
| 10 | 1.0475 | 6.5260 |
| 11 | 1.0628 | 7.0417 |
4）计算各分区量测量与独立边界节点状态量之间的灵敏度系数矩阵，分区n中量测量与独立边界节点D的灵敏度系数矩阵Kn为：
分区1的灵敏度系数矩阵K1为1×15阶矩阵，分区2的灵敏度系数矩阵K2为2×15阶矩阵，分区3的灵敏度系数矩阵K3为2×20阶矩阵，分区4的灵敏度系数矩阵K4为1×16阶矩阵；
5）计算分区n中注入功率量测量的改变量：
分区1的ΔZ1为15×1阶矢量，分区2的ΔZ2为15×1阶矢量，分区3的ΔZ3为20×1阶矢量，分区4的ΔZ4为16×1阶矢量；
6）利用灵敏度系数计算分区n中独立边界节点的改变量：
7）第一次协调后，各分区的目标函数值ΔJ1=0.0383，ΔJ2=7.0220，ΔJ3=4.0619，ΔJ4=7.1008，均不小于门槛值0.01，不满足收敛条件，对各边界节点状态量进行修正，并令k=k+1，返回2），继续迭代计算。
按照上述步骤三的迭代计算，迭代4次分区协调状态估计满足收敛条件，得到电网分区后的状态估计结果，如下表所示。
| 节点号 | 电压幅值 | 电压相角 |
| 1 | 1.0761 | 0 |
| 2 | 1.1246 | 5.6666 |
| 3 | 1.0229 | -0.9225 |
| 4 | 1.0194 | 3.3862 |
| 5 | 1.0108 | 5.4603 |
| 6 | 1.0148 | 14.1692 |
| 7 | 1.0805 | 9.8606 |
| 8 | 1.0643 | 16.2434 |
| 9 | 1.1055 | 8.5084 |
| 10 | 1.0455 | 6.5260 |
| 11 | 1.0608 | 7.0417 |
通过以上方案可以看出，本发明的一种基于动态分区的电力系统运行状态检测方法，能够根据网络拓扑变化来对电网进行动态分区，并在各分区内分别进行状态估计，然后根据状态估计结果对电力系统运行状态进行检测。本发明能够快速响应电网系统拓扑变化，实现电网动态分区，降低某区域中量测数据误差对其他区域状态估计结果的影响，提高电网运行基础数据整体状态估计的准确率，从而保证了检测出来的电力系统运行状态不会存在太大误差。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种基于动态分区的电力系统运行状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取电网参数，根据所述电网参数对电网进行预处理，得到化简后的电网简单图；
获取化简后的电网简单图中电网节点总数N，并从1开始按顺序对所述电网节点编号至N，列写电网节点关联矩阵B；其中，所述关联矩阵B为N×N阶方阵，其第i行第j列元素Bij描述节点i和节点j之间的连接关系，若节点i和节点j有线路直接相连，则Bij＝1，否则Bij＝0；对角线元素Bii为所有Bij之和，其值表示与节点i直接相连的所有节点的个数，称为节点i的关联度bi；
根据所述关联矩阵对电网进行动态分区；
所述根据所述关联矩阵对电网进行动态分区的过程包括：
根据所述关联矩阵将电网划分为最大辐射状分区、仅存在唯一电气连接线路分区以及仅存在唯一电气连接节点分区三种情况；
针对情况一的最大辐射状分区，若其中一分区与其余分区通过一条线路相连，则所述其中一分区为辐射状网络，所述其余分区为非辐射状网络，选择该连接线路两端中节点关联度相对较大的作为独立边界节点，并在此独立边界节点上将辐射状网络分解出来；
针对情况二的仅存在唯一电气连接线路分区，经过情况一最大辐射状分区辨识之后的剩余网络中，若两个子网络之间仅存在一回线路相连，则将此线路作为独立边界线路L，选择独立边界线路两端中节点关联度相对较大的作为独立边界节点，并在此独立边界节点上将剩余网络分解；
针对情况三的仅存在唯一电气连接节点分区，经过情况二仅存在唯一电气连接线路分区辨识之后生成的各个分区中，若某分区中存在两个子网络中都有多条线路与某节点D相连，除此节点外，两个子网络没有其他节点相连，则此节点D为独立边界节点，并在此独立边界节点上将网络进一步分解；
取迭代变量k＝0，针对所有分区，分别采用加权最小二乘法进行状态估计；取分区n的目标函数为：式中，Xn是分区n中待估计的状态变量，Zn为分区n中遥测矢量，Hn(Xn)为分区n中遥测的非线性量测函数，上标T表示矩阵的转置，Rn为量测误差协方差阵；
计算目标函数Jn(Xn)，若为使目标函数Jn(Xn)达到最小的状态变量Xn，设定状态估计第k步迭代公式为：式中，
判断是否满足收敛条件：若是，则状态估计结束，输出分区n状态估计结果否则k＝k+1并继续进行迭代；
根据所述状态估计结果对电力系统运行状态进行检测。
2.根据权利要求1所述的基于动态分区的电力系统运行状态检测方法，其特征在于，在输出分区n状态估计结果之后，还包括步骤：
将所有独立边界节点D列表，设定迭代变量k＝0；
若第n个分区中的独立边界节点D同时属于分区m，则计算第k次更新后的状态估计值为：并将更新后的独立边界节点状态量估计值分别返回分区n和m；
将所有分区中的估计后的状态变量矢量由变为
计算各分区量测量与独立边界节点状态量之间的灵敏度系数矩阵，分区n中量测量与独立边界节点D的灵敏度系数矩阵Kn为：
计算分区n中注入功率量测量的改变量：
根据所述灵敏度系数计算分区n中独立边界节点的改变量：
判断是否满足收敛条件：
若是，则输出总体协调状态估计结果。
3.根据权利要求2所述的基于动态分区的电力系统运行状态检测方法，其特征在于，对情况一的分区包括如下步骤：
搜索所有关联度为1的末端节点，分别放入不同待定分区中；
将与这些关联度为1的下游节点直接相连的上游节点放在与下游节点相同的待定分区中，若上游节点已经在其他待定分区中出现，则将这两个待定分区合并；
将这些关联度为1的下游节点在所述关联矩阵B中对应的行列数值全部清零，重新计算所有对角线元素，更新所述关联矩阵B；
返回搜索的步骤，重复上述过程，直到不存在关联度为1的节点；
将所有分解出来的待定分区作为情况一下的最大辐射状分区。
4.根据权利要求3所述的基于动态分区的电力系统运行状态检测方法，其特征在于，对情况二的分区包括如下步骤：
在剩余网络中采用枚举法选择2个节点；
列举这2个节点间的所有通道；
判断是否这些所有通道中都含有某一条共有支路；
若是，则记此支路为独立边界线路L，选择线路L两端节点中节点关联度相对较大的为独立边界节点D，并将剩余网络在独立边界节点D上分区，独立边界节点D同时属于这两个分区，并将这两个分区分别重新进行检测；
若否，则判断是否遍历所有节点对；若已经遍历，则情况二分区过程结束，将所有分解出来的分区作为情况二下的仅存在唯一电气连接线路分区。
5.根据权利要求4所述的基于动态分区的电力系统运行状态检测方法，其特征在于，对情况三的分区包括如下步骤：
在情况二辨识出的其中一个分区中采用枚举法选择1个节点；
断开此节点，并去除所有与该节点相连的线路；
判断该分区剩余部分是否形成多个独立子网络；
若是，则该断开节点为独立边界节点D，将该分区在独立边界节点D上分区，独立边界节点D同时属于这多个分区，并将这多个分区分别重新进行检测；
若否，判断是否遍历所有节点；若已经遍历，则情况三分区过程结束，将所有分解出来的分区作为情况三下的仅存在唯一电气连接节点分区。
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