CN104332997B - 一种变电站三相线性广义状态估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站三相线性广义状态估计方法，该方法的状态估计在分相零阻抗网络中进行，计算规模小，计算难度低；利用来自测控装置、相量量测单元和保护装置的三相多源实时数据，提高了状态估计的数据冗余度和计算可靠性；建立的量测方程均为线性的，计算无需迭代，因此估计计算简单快速；建立开关状态伪量测方程，一起参与状态估计，利用最大残差法进行不良数据辨识，实现了模拟量不良数据和拓扑错误的同步辨识；该方法将不良数据和拓扑错误解决在变电站内，为调控中心提高更精确的基础数据，显著减少了调控中心状态估计的计算量，提高了可靠性。

Description

一种变电站三相线性广义状态估计方法

技术领域

本发明涉及一种变电站三相线性广义状态估计方法，属于变电站自动化领域。

背景技术

电力系统状态估计利用变电站采集的量测数据，估计或预报电力系统的运行状态。状态估计是能量管理系统中信息处理阶段的基础，直接影响到调控中心的决策，关系到电网的安全稳定运行。传统状态估计忽略了模拟量、开关量和网络参数三种数据之间的相互影响，状态估计前假设开关状态和网络参数为正确，当这些假设不成立的时候，将会导致严重错误。

广义状态估计方法对可疑变电站进行详细建模，将网络拓扑、网络参数同模拟量一起作为状态变量参与状态估计，避免了拓扑错误和参数错误带来的不良影响。但是在广义状态估计中，采用的是以有阻抗元件和零阻抗元件共同构成的网络，因此不可避免地存在着计算规模大、复杂度高等问题。变电站广义状态估计方法将零阻抗元件从广义电力网络中解耦出来，其研究对象是变电站面向开关的物理模型，另外变电站内测控装置、相量量测单元(PMU)、保护装置和其他智能电子设备等也可以提供更丰富的量测信息。因此变电站广义状态估计方法具有网络规模小、数据冗余度高的优点。变电站广义状态估计作为调控中心状态估计前的预处理阶段，要为调控中心提供更加精确的基础数据，需要具备快速可靠的特性，而该特性现有广义状态估计方法也不具备。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种变电站三相线性广义状态估计方法，计算规模小，复杂度低，计算快速，同时提高了可靠性。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种变电站三相线性广义状态估计方法，包括以下步骤，

步骤一，以变压器为界，将变电站分为n个电压等级，在各电压等级中，将零阻抗支路形成零阻抗网络，n为正整数，转至步骤二；

步骤二，定义b＝1，转至步骤三；

步骤三，忽略第b个电压等级中零阻抗支路之间的三相相间互感，建立分相零阻抗网络作为变电站三相线性广义状态估计的网络模型，转至步骤四；

步骤四，定义a＝1，转至步骤五；

步骤五，对第a个分相零阻抗网络进行状态估计，转至步骤六；

步骤六，利用状态估计获得的状态变量值计算各量测的标准化残差，转至步骤七；

步骤七，将残差绝对值最大值与检测门槛值比较，若超过门槛值则判定为有不良数据，如果有不良数据，则剔除该残差所对应的量测量，然后重复步骤五至步骤七，直至循环获得的残差绝对值最大值小于等于检测门槛值，转至步骤八；

步骤八，判断剔除的量测量中是否包含开关遥信的伪量测，如果包含则判断开关遥信错误，如果不包含则开关遥信正确，转至步骤九；

步骤九，判断a是否小于3，如果是则a＝a+1，转至步骤五，如果不是则转至步骤十；

步骤十，判断b是否小于n，如果是则b＝b+1，重复步骤三至步骤十，如果不是则结束。

所述状态估计是利用采集的量测数据，在每个分相零阻抗网络上，以各节点的电压以及各开关支路上流过的功率为状态变量，建立起全部为线性的量测方程组，对量测方程组进行估计计算，求得状态变量值。

所述量测数据包括测控装置采集的数据、相量量测单元采集的数据以及保护装置采集的数据；所述测控装置采集的数据包括节点i的电压幅值开关支路i-j上流过的有功功率开关支路i-j上流过的无功功率节点i注入的有功功率节点i注入的无功功率以及开关遥信值C_sca；所述相量量测单元采集的数据包括节点i的电压幅值节点i的电压相角开关支路i-j上流过的有功功率开关支路i-j上流过的无功功率节点i注入的有功功率节点i注入的无功功率以及开关遥信值C_pmu；所述保护装置采集的数据包括开关支路i-j上流过的有功功率开关支路i-j上流过的无功功率以及开关遥信数据C_pro。

所述量测方程包括节点电压量测方程、开关功率量测方程、节点注入功率量测方程和开关状态伪量测方程。

所述开关状态伪量测方程如下，

若开关支路i-j上的开关遥信为断开，开关支路上的功率为0，则开关状态伪量测方程为，

其中，状态变量分别为开关支路i-j上流过的有功功率和无功功率；分别是开关支路i-j上的有功和无功功率伪量测，其值应为零；为的量测误差，υ_oqij为的量测误差。

若上的开关遥信为闭合，开关支路两端电压差为0，则开关状态伪量测方程为，

为节点i的电压幅值，为节点j的电压幅值，为节点i的电压相角，为节点j的电压相角；分别是开关支路i-j两端的电压幅值差和相角差伪量测，其值应为零，υ_cvij为的量测误差，υ_cθij为的量测误差。

由于量测方程组中的方程均为线性，因此可将量测方程组写成如下矩阵形式，

$\left[\begin{array}{c}\tilde{V}\\ \widetilde{\mathrm{\θ}}\\ {\tilde{P}}_{\mathrm{ij}}\\ {\tilde{Q}}_{\mathrm{ij}}\\ {\tilde{P}}_i\\ {\tilde{Q}}_i\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}I& 0& 0& 0\\ 0& I& 0& 0\\ 0& 0& I& 0\\ 0& 0& 0& I\\ 0& 0& A_1& 0\\ 0& 0& 0& A_2\\ 0& 0& A_3& 0\\ 0& 0& 0& A_4\\ A_5& 0& 0& 0\\ 0& A_6& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_V\\ x_{\mathrm{\θ}}\\ x_P\\ x_Q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\υ}}_V\\ {\mathrm{\υ}}_{\mathrm{\θ}}\\ {\mathrm{\υ}}_P\\ {\mathrm{\υ}}_Q\\ {\mathrm{\υ}}_{P_i}\\ {\mathrm{\υ}}_{Q_i}\\ {\mathrm{\υ}}_{\mathrm{op}}\\ {\mathrm{\υ}}_{\mathrm{oq}}\\ {\mathrm{\υ}}_{\mathrm{cv}}\\ {\mathrm{\υ}}_{\mathrm{c\θ}}\end{array}\right]$

其中，I为单位矩阵，A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆均为系数矩阵，x_V、x_θ、x_P、x_Q均表示各类状态变量向量，均是各类量测量向量，υ_V、υ_θ、υ_P、υ_Q、υ_op、υ_oq、υ_cv、υ_cθ是各类量测量对应的量测误差向量；

状态估计的目标函数是求下述公式的最小值：

minJ(x)＝r^TR^-1r＝(z-Hx)^TR^-1(z-Hx)

其中r是残差向量，r^T是残差向量的转置，R^-1是权重矩阵，z是量测向量，H是量测方程系数矩阵，x表示需计算的状态变量；

根据优化公式得状态变量的估计值为

本发明所达到的有益效果：1、本发明的状态估计在分相零阻抗网络中进行，计算规模小，计算难度低；2、利用来自测控装置、相量量测单元和保护装置的三相多源实时数据，提高了状态估计的数据冗余度和计算可靠性；3、建立的量测方程均为线性的，计算无需迭代，因此估计计算简单快速；4、建立开关状态伪量测方程，一起参与状态估计，利用最大残差法进行不良数据辨识，实现了模拟量不良数据和拓扑错误的同步辨识；5、本发明将不良数据和拓扑错误解决在变电站内，为调控中心提高更精确的基础数据，显著减少了调控中心状态估计的计算量，提高了可靠性。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种变电站三相线性广义状态估计方法，包括以下步骤：

步骤一，以变压器为界，将变电站分为n个电压等级，在各电压等级中，将零阻抗支路形成零阻抗网络，n为正整数，转至步骤二。

步骤二，定义b＝1，转至步骤三。

步骤三，忽略第b个电压等级中零阻抗支路之间的三相相间互感，建立分相零阻抗网络作为变电站三相线性广义状态估计的网络模型，转至步骤四。

步骤四，定义a＝1，转至步骤五。

步骤五，对第a个分相零阻抗网络进行状态估计，转至步骤六。

状态估计是利用采集的量测数据，在每个分相零阻抗网络上，以各节点的电压以及各开关支路上流过的功率为状态变量，建立起全部为线性的量测方程组，通过估计计算，求得状态变量值。

量测数据包括测控装置采集的数据、相量量测单元采集的数据以及保护装置采集的数据。

测控装置采集的数据包括节点i的电压幅值开关支路i-j上流过的有功功率开关支路i-j上流过的无功功率节点i注入的有功功率节点i注入的无功功率以及开关遥信值C_sca。

PMU采集的数据包括节点i的电压幅值节点i的电压相角开关支路i-j上流过的有功功率开关支路i-j上流过的无功功率节点i注入的有功功率节点i注入的无功功率以及开关遥信值C_pmu。

保护装置采集的数据包括开关支路i-j上流过的有功功率开关支路i-j上流过的无功功率以及开关遥信数据C_pro。

建立的量测方程包括节点电压量测方程、开关功率量测方程、节点注入功率量测方程和开关状态伪量测方程。

开关状态伪量测方程如下，

若开关支路i-j上的开关遥信为断开，开关支路上的功率为0，则开关状态伪量测方程为，

其中，状态变量分别为开关支路i-j上流过的有功功率和无功功率；分别是开关支路i-j上的有功和无功功率伪量测，其值应为零；为的量测误差，υ_oqij为的量测误差。

若上的开关遥信为闭合，开关支路两端电压差为0，则开关状态伪量测方程为，

其中，状态变量为节点i的电压幅值，为节点j的电压幅值，为节点i的电压相角，为节点j的电压相角；分别是开关支路i-j两端的电压幅值差和相角差伪量测，其值应为零，υ_cvij为的量测误差，υ_cθij为的量测误差。

由于上述建立的量测方程均为线性的，所以其构成的量测方程组写成如下矩阵形式，

$\left[\begin{array}{c}\tilde{V}\\ \widetilde{\mathrm{\θ}}\\ {\tilde{P}}_{\mathrm{ij}}\\ {\tilde{Q}}_{\mathrm{ij}}\\ {\tilde{P}}_i\\ {\tilde{Q}}_i\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}I& 0& 0& 0\\ 0& I& 0& 0\\ 0& 0& I& 0\\ 0& 0& 0& I\\ 0& 0& A_1& 0\\ 0& 0& 0& A_2\\ 0& 0& A_3& 0\\ 0& 0& 0& A_4\\ A_5& 0& 0& 0\\ 0& A_6& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_V\\ x_{\mathrm{\θ}}\\ x_P\\ x_Q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\υ}}_V\\ {\mathrm{\υ}}_{\mathrm{\θ}}\\ {\mathrm{\υ}}_P\\ {\mathrm{\υ}}_Q\\ {\mathrm{\υ}}_{P_i}\\ {\mathrm{\υ}}_{Q_i}\\ {\mathrm{\υ}}_{\mathrm{op}}\\ {\mathrm{\υ}}_{\mathrm{oq}}\\ {\mathrm{\υ}}_{\mathrm{cv}}\\ {\mathrm{\υ}}_{\mathrm{c\θ}}\end{array}\right]$

其中，I为单位矩阵，A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆均为系数矩阵，x_V、x_θ、x_P、x_Q均表示各类状态变量向量，均是各类量测量向量，υ_V、υ_θ、υ_P、υ_Q、υ_op、υ_oq、υ_cv、υ_cθ是各类量测量对应的量测误差向量；

状态估计的目标函数是求下述公式的最小值：

minJ(x)＝r^TR^-1r＝(z-Hx)^TR^-1(z-Hx)

其中r是残差向量，r^T是残差向量的转置，R^-1是权重矩阵，z是量测向量，H是量测方程系数矩阵，x表示需计算的状态变量；

根据优化公式得状态变量的估计值为可根据该公式计算状态变量值。

步骤六，利用状态估计获得的状态变量值计算各量测的标准化残差，转至步骤七。

步骤七，将残差绝对值最大值与检测门槛值比较，若超过门槛值则判定为有不良数据，如果有不良数据，则剔除该残差所对应的量测量，然后重复步骤五至步骤七，直至循环获得的残差绝对值最大值小于等于检测门槛值，转至步骤八。

步骤八，判断剔除的量测量中是否包含开关遥信的伪量测，如果包含则判断开关遥信错误，如果不包含则开关遥信正确，转至步骤九。

步骤九，判断a是否小于3，如果是则a＝a+1，转至步骤五，如果不是则转至步骤十。

步骤十，判断b是否小于n，如果是则b＝b+1，重复步骤三至步骤十，如果不是则结束。

上述方法的状态估计在分相零阻抗网络中进行，计算规模小，计算难度低；该方法利用来自测控装置、相量量测单元和保护装置的三相多源实时数据，提高了状态估计的数据冗余度和计算可靠性；该方法建立的量测方程均为线性的，计算无需迭代，因此估计计算简单快速；该方法建立的开关状态伪量测方程，一起参与状态估计，利用最大残差法进行不良数据辨识，实现了模拟量不良数据和拓扑错误的同步辨识；该方法将不良数据和拓扑错误解决在变电站内，为调控中心提高更精确的基础数据，显著减少了调控中心状态估计的计算量，提高了可靠性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种变电站三相线性广义状态估计方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一，以变压器为界，将变电站分为n个电压等级，在各电压等级中，将零阻抗支路形成零阻抗网络，n为正整数，转至步骤二；

步骤二，定义b＝1，转至步骤三；

步骤三，忽略第b个电压等级中零阻抗支路之间的三相相间互感，建立分相零阻抗网络作为变电站三相线性广义状态估计的网络模型，转至步骤四；

步骤四，定义a＝1，转至步骤五；

步骤五，对第a个分相零阻抗网络进行状态估计，转至步骤六；

所述状态估计是利用采集的量测数据，在每个分相零阻抗网络上，以各节点的电压以及各开关支路上流过的功率为状态变量，建立起全部为线性的量测方程组，对量测方程组进行估计计算，求得状态变量值；

所述量测数据包括测控装置采集的数据、相量量测单元采集的数据以及保护装置采集的数据；所述测控装置采集的数据包括节点i的电压幅值开关支路i-j上流过的有功功率开关支路i-j上流过的无功功率节点i注入的有功功率节点i注入的无功功率以及开关遥信值C_sca；所述相量量测单元采集的数据包括节点i的电压幅值节点i的电压相角开关支路i-j上流过的有功功率开关支路i-j上流过的无功功率节点i注入的有功功率节点i注入的无功功率以及开关遥信值Cpmu；所述保护装置采集的数据包括开关支路i-j上流过的有功功率开关支路i-j上流过的无功功率以及开关遥信数据C_pro；

所述量测方程包括节点电压量测方程、开关功率量测方程、节点注入功率量测方程和开关状态伪量测方程；

步骤六，利用状态估计获得的状态变量值计算各量测的标准化残差，转至步骤七；

步骤七，将残差绝对值最大值与检测门槛值比较，若超过门槛值则判定为有不良数据，如果有不良数据，则剔除该残差所对应的量测量，然后重复步骤五至步骤七，直至循环获得的残差绝对值最大值小于等于检测门槛值，转至步骤八；

步骤八，判断剔除的量测量中是否包含开关遥信的伪量测，如果包含则判断开关遥信错误，如果不包含则开关遥信正确，转至步骤九；

步骤九，判断a是否小于3，如果是则a＝a+1，转至步骤五，如果不是则转至步骤十；

步骤十，判断b是否小于n，如果是则b＝b+1，重复步骤三至步骤十，如果不是则结束。

2.根据权利要求1所述的一种变电站三相线性广义状态估计方法，其特征在于：所述开关状态伪量测方程如下，

若开关支路i-j上的开关遥信为断开，开关支路上的功率为0，则开关状态伪量测方程为，

其中，状态变量分别为开关支路i-j上流过的有功功率和无功功率；分别是开关支路i-j上的有功和无功功率伪量测，其值应为零；为的量测误差，υ_oqij为的量测误差；

若开关支路i-j上的开关遥信为闭合，开关支路两端电压差为0，则开关状态伪量测方程为，

其中，状态变量为节点i的电压幅值，为节点j的电压幅值，为节点i的电压相角，为节点j的电压相角；分别是开关支路i-j两端的电压幅值差和相角差伪量测，其值应为零，υ_cvij为的量测误差，υ_cθij为的量测误差。

3.根据权利要求2所述的一种变电站三相线性广义状态估计方法，其特征在于：由于量测方程组中的方程均为线性，因此可将量测方程组写成如下矩阵形式，

其中，I为单位矩阵，A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆均为系数矩阵，x_V、x_θ、x_P、x_Q均表示各类状态变量向量，均是各类量测量向量，υ_V、υ_θ、υ_P、υ_Q、υ_op、υ_oq、υ_cv、υ_cθ是各类量测对应的量测误差向量；

状态估计的目标函数是求下述公式的最小值：

minJ(x)＝r^TR^-1r＝(z-Hx)^TR^-1(z-Hx)

其中r是残差向量，r^T是残差向量的转置，R^-1是权重矩阵，z是量测向量，H是量测方程系数矩阵，x表示需计算的状态变量；根据优化公式得状态变量的估计值为