CN105067935B - 基于无功不平衡量的变压器分接头参数估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无功不平衡量的变压器分接头参数估计方法，包括利用变压器两端的量测装置采集变压器两侧多时段的SCADA量测数据；将采集的量测数据统一转换为相数据或者线数据；确定变压器的漏电抗、分接头级差和分接头位置、个数；根据变压器分接头的最低档位设置循环变量i，计算变压器两端无功不平衡功率的量测值，结合变压器参数求取变压器无功不平衡量差值的平均值，判断此时的i是否为变压器分接头的最高档位，如果是，则记录变压器无功不平衡差值的平均值最小时候变压器分接头的位置级对应变比，如果不是，则i+1，重复计算，本方法能够明显判断出变压器实际变比，方法简单，辨识度高，能够有效避免采用单时段中出现的数值不稳定问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于无功不平衡量的变压器分接头参数估计方法。
背景技术
变压器是电力系统的重要设备,其模型参数的精确度严重影响着电力系统仿真结果和调度决策水平的可信度。变压器运行状态的改变将会影响电网运行的安全性和稳定性。因此保证变压器参数的准确性是是维持电力系统安全经济运行的关键。
电力系统中变压器参数往往以设计参数来代替，由于环境、设备老化等原因，变压器的相关参数可能会偏离其设计值。在运行过程中，变压器分接头变化频繁，数据库中的数据不能得到及时更新。另外，遥信数据传输误差也可能导致调度中心对运行中的自动调压变压器的分接头位置掌握不准确。然而，变压器的变比在电力系统无功潮流计算中是以平方形式出现，对状态估计、潮流计算等结果影响比较大。因此有必要对变压器的分接头位置进行估计，确保参数的精确性。
为了解决电网参数不精确的问题，现有很多变压器参数估计方法被相继提出。在专利《一种变电站内变压器分接头位置的估计方法》中，提到了应用PMU数据进行变电站内变压器分接头位置的估计方法。该方法的缺点为，由于PMU设备价格高昂，PMU装置目前主要装备于500kV变电站以及重要的出线，而数量众多的220kV及以下等级的变电站仍只装备有SCADA系统。因此，对于仅仅装设SCADA装置的系统，该方法并不适用，该方法的工程适应性不高。在《基于相量测量单元实测数据的变压器参数在线估计方法》中提到了运用变压器两端电流相量之间的关系进行变压器变比估计的方法。然而在实际运行中，由于电流量测误差的存在，该方法存在比较大的辨识误差。对于能够广泛应于工程的参数辨识方法来说，以上两种方法都不存在普遍性和精确性。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于无功不平衡量的变压器分接头参数估计方法，本方法简单易于实现，避免了求解复杂的非线性方程组。该方法使用多时段的量测数据，避免了由于数据点偶然存在量测不准确情况带来的误差，满足了估计结果准确性的要求。另外，该方法具有辨识灵敏度好，工程适应性强等特点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于无功不平衡量的变压器分接头参数估计方法，包括以下步骤：
(1)利用变压器两端的量测装置采集变压器两侧多时段的SCADA量测数据；
(2)将采集的量测数据统一转换为相数据或者线数据；
(3)确定变压器的漏电抗、分接头级差和分接头位置、个数；
(4)根据变压器分接头的最低档位设置循环变量i，计算变压器两端无功不平衡功率的量测值，结合变压器参数求取变压器无功不平衡量差值的平均值，判断此时的i是否为变压器分接头的最高档位，如果是，则转至步骤(5)，如果不是，则i+1，重复本步骤；
(5)记录变压器无功不平衡差值的平均值最小时候变压器分接头的位置级对应变比。
所述步骤(1)中，SCADA量测数据包括量测电压幅值、电流幅值、有功功率幅值和无功功率幅值。
所述步骤(3)中，忽略变压器绕组电阻的影响，假设变压器漏电抗数值为理想值，将变压器主分接头位置对应的变比作为初始值。
所述步骤(4)中，包括以下步骤：
(4-1)初始化循环变量i，i的初值为变压器分接头的最低档位；
(4-2)根据变压器变比的初始值和分接头位置与级差，计算变压器的实际变比；
(4-3)将变压器两端的量测无功不平衡功率相加，计算变压器两端无功不平衡功率的量测量；
(4-4)根据变压器参数计算变压器两端无功不平衡功率的计算量；
(4-5)求取实测变压器无功不平衡量与计算所得的无功不平衡量差值；
(4-6)计算变压器无功不平衡量差值的在每个时段的平均值；
(4-7)判断i是否为变压器分接头的最高档位，若是，则结束计算若否，则返回步骤(4-2)步继续进行变压器第(i+1)档位的运算。
所述步骤(4-2)中，具体为：已知变压器分接头位置，根据方程：
k＝ki+i×w (1)
可得变压器的实际变比，其中，ki为变压器变比的初始值，i为变压器分接头位置，w为分接头级差。
所述步骤(4-3)中，计算变压器两端无功不平衡功率的量测量，根据方程：
Qlm＝Q1+Q2 (2)
计算变压器两端无功不平衡功率的量测量，其中，Qlm为N个时段的两端无功功率不平衡量的量测量，Q1为变压器I侧N个时段的量测无功功率，Q2为变压器II侧N个时段的量测无功功率。
所述步骤(4-4)中，根据计算方程为：
式中，Qlc为计算所得N个时段的两端无功功率不平衡量，I12为N个时段流过变压器等效电抗的电流，I1为SCADA量测数据中的I侧N个时段的电流幅值，I1为II侧N个时段的电流幅值，U1为I侧N个时段的电压幅值，U2为II侧N个时段的电压幅值，X为变压器的等效电抗，
所述步骤(4-5)中，计算方程式为：
ΔQl＝|Qlm-Qlc| (4)
式中，ΔQl为N个数据点的无功不平衡量差值，Qlm为N个时段量测所得变压器两端的量测无功不平衡量，Qlc为计算所得变压器两端N个时段的无功不平衡量，若变压器变比为真实值，则ΔQl最接近0，当变压器变比有误差时，ΔQl偏离0。
所述步骤(4-6)中，具体计算公式为：
其中，为变压器无功不平衡量差值的平均值，ΔQl为变压器无功不平衡量的差值，N为总的时段数。
所述步骤(5)中，变压器无功不平衡差值的平均值最小时候变压器分接头的位置，则该分接头位置即为变压器的实际分接头位置，该位置所对应的变压器变比即为实际变压器变比。
本发明的有益效果为：
(1)该方法简单易于实现，避免了求解复杂的非线性方程组，该方法使用多时段的量测数据，避免了由于数据点偶然存在量测不准确情况带来的误差，满足了估计结果准确性的要求；
(2)本方法能够明显判断出变压器实际变比，方法简单，具有辨识灵敏度好，工程适应性强等特点；
(3)与现有的基于相角的WAMS数据的变压器参数辨识方法，该方法采用无相角SCADA量测数据，在变压器两端无需另外装设价格昂贵的PMU装置，工程适应性强。该方法同样适用于两端为PMU量测装置的变压器，应用范围广；
(4)采用多时段SCADA数据进行变压器分接头的估计，能够有效避免采用单时段中出现的数值不稳定问题，辨识效果好，辨识结果准确；
(5)本发明可应用于变压器两端装有量测装置的变压器分接头参数估计，尤其适用于两端装设了SCADA量测装置的变压器分接头参数估计。
附图说明
图1为变压器等值模型示意图；
图2为流程示意图。
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2所示，一种基于无功不平衡量的SCADA数据有效性评估方法，利用变压器两端的量测装置以及参数库中变压器的分接头信息和等效电抗。通过程序，首先输入变压器的等效电抗和分接头信息，其次输入变压器两端多时段的SCADA量测数据。根据变压器两端的量测的SCADA无功功率得到变压器两端的无功不平衡量，根据变压器的相关参数、假定的变压器变比以及SCADA量测数据中的电压电流幅值准确计算变压器两端无功不平衡量。根据量测无功不平衡量与计算无功不平衡量差值判断变压器变比。具体包括以下步骤：
(1)输入变压器两侧多时段的SCADA量测数据。输入需辨识的变压器两端的SCADA量测数据，包括量测电压幅值、电流幅值、有功功率幅值、无功功率幅值。
(2)在第(1)步完成之后，对量测数据处理。将量测数据中的各个量测量统一转换为相数据或者线数据。
(3)在第(1)、(2)步完成之后，输入变压器的相关参数。输入变压器的漏电抗，分接头级差，分接头位置个数。在该方法中，忽略变压器绕组电阻的影响，假设变压器漏电抗数值为理想值。输入变压器主分接头位置对应的变比为初始值。
(4)变压器无功不平衡量的计算
在(1)、(2)、(3)步完成初始数据的输入后，计算变压器的无功不平衡量，具体步骤为：
1)首先，初始化循环变量i，i的初值为变压器分接头的最低档位。
2)在(4)—1)完成之后，计算变压器的变比。由1)已知变压器分接头位置。根据方程：
k＝ki+i×w (6)
可得变压器的实际变比。其中，ki为变压器变比的初始值。i为变压器分接头位置，w为分接头级差。
3)在(4)—2)完成之后，计算变压器两端无功不平衡功率的量测量。根据方程：
Qlm＝Q1+Q2 (7)
可计算变压器两端无功不平衡功率的量测量。其中，Qlm为N个时段的两端无功功率不平衡量的量测量，Q1为变压器I侧N个时段的量测无功功率，Q2为变压器II侧N个时段的量测无功功率。
4)在(4)—3)完成之后根据变压器参数计算变压器两端无功不平衡功率的计算量。计算方程为：
式中，如附图1所示，Qlc为计算所得N个时段的两端无功功率不平衡量。I12为N个时段流过变压器等效电抗的电流，I1为SCADA量测数据中的I侧N个时段的电流幅值，I1为II侧N个时段的电流幅值，U1为I侧N个时段的电压幅值，U2为II侧N个时段的电压幅值。X为变压器的等效电抗，
5)在(4)—4)完成之后求取实测变压器无功不平衡量与计算所得的无功不平衡量差值。计算方程式为：
ΔQl＝|Qlm-Qlc| (9)
式中，ΔQl为N个数据点的无功不平衡量差值。Qlm为N个时段量测所得变压器两端的量测无功不平衡量，Qlc为计算所得变压器两端N个时段的无功不平衡量。若变压器变比为真实值，则ΔQl最接近0，当变压器变比有误差时，ΔQl偏离0。
6)在(4)—5)完成之后计算变压器无功不平衡量差值的平均值。计算公式为：
其中，为变压器无功不平衡量差值的平均值，ΔQl为变压器无功不平衡量的差值，N为总的时段数。
7)在(4)—6)完成之后，判断i是否为变压器分接头的最高档位，若是，则结束(4)计算。若否，则返回第2)步继续进行变压器第(i+1)档位的运算。
(5)在(4)完成之后，输出变压器分接头的位置以及对应变比。根据第(4)步计算，可以判断出，变压器无功不平衡差值的平均值最小时候变压器分接头的位置，则该分接头位置即为变压器的实际分接头位置，该位置所对应的变压器变比即为实际变压器变比。
实施例一：
(1)输入变压器两侧多时段的SCADA量测数据。输入需辨识的变压器两端的SCADA量测数据，包括量测电压幅值、电流幅值、有功功率幅值、无功功率幅值。对第一个时段量测数据举例，图1中变压器两端的量测数据如下表所示：
| U1(p.u.) | U2(p.u.) | I1(p.u.) | I2(p.u.) | P1(p.u.) | Q1(p.u.) | P2(p.u.) | Q2(p.u.) |
| 1.025 | 1.028 | 1.590 | 1.591 | 1.630 | 0.02287 | 1.630 | 0.1352 |
变压器的I侧额定电压为UB1＝18kV，II侧额定电压为UB2＝230kV功率基准为SB＝100MVA。其中表格中，U1为I侧电压幅值，U2为II侧电压幅值；I1为I侧电流幅值，I2为II侧电流幅值；P1为I侧电流有功功率，P2为II侧有功功率；Q1为I侧电流无功功率，Q2为II侧无功功率。
(2)第(1)步完成以后，对量测数据处理。将量测数据中的各个量测量统一转换为相数据或者线数据。
(3)在第(1)、(2)步完成之后，输入变压器的相关参数。输入变压器的漏电抗，分接头级差，分接头位置个数。在该方法中，忽略变压器绕组电阻的影响，假设变压器漏电抗数值为理想值。输入变压器主分接头位置对应的变比为初始值。如图1所示，变压器的漏电抗X＝0.0625，分接头级差为1.25％，分接头位置个数为9个。变压器的初始变比为0.95。
(4)变压器无功不平衡量的计算
在(1)、(2)、(3)步完成初始数据的输入后，计算变压器的无功不平衡量，具体步骤为：
1)首先，初始化循环变量i，i的初值为变压器分接头的最低档位，i的初值为-4；
2)在(4)—1)完成之后，计算变压器的变比。由1)已知变压器分接头位置，根据技术方案中的公式(1)可得对应变压器变比为k＝0.9；
3)在(4)—2)完成之后，计算变压器两端无功不平衡功率的量测量；对第一个时段量测数据举例，根据技术方案中的公式(2)，变压器两端无功不平衡功率的量测量Qlm＝0.15807；
4)在(4)—2)完成之后，根据变压器参数计算变压器两端无功不平衡功率的计算量；对第一个时段举例，根据技术方案中的公式(3)，得到变压器无功不平衡功率的计算值Qlc＝0.35241。
5)在(4)—4)完成之后求取实测变压器无功不平衡量与计算所得的无功不平衡量差值。以第一时段为例，根据技术方案中的公式(4)，得到变压器无功不平衡功率的差值ΔQl＝0.19197。
6)在(4)—5)完成之后计算变压器无功不平衡量差值的平均值。计算公式为技术方案中的公式(5)；对前500个时间段举例，即N＝500，按照技术方案中的公式(5)，计算得到500个时间段的变压器无功不平衡差值的均值为
7)在(4)—6)完成之后，判断i是否为变压器分接头的最高档位，若是，则结束(4)计算。若否，则返回第2)步继续进行变压器第(i+1)档位的运算。在本次计算中，i＝-4，不是变压器分接头的最高档位，则i＝-3返回第(4)—2)继续进行计算，直至i＝5为止结束循环。
(5)在(4)完成之后，输出变压器分接头的位置以及对应变比。根据第(4)步计算，可以判断出，变压器无功不平衡差值的平均值最小时候变压器档位，则该档位即为变压器的实际档位，该位置所对应的变压器变比即为实际变压器变比。在经过(4)之后，得到的变压器各分接头位置以及所对应的无功不平衡量为：
| -4 | -3 | -2 | -1 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 0.19197 | 0.14351 | 0.14351 | 0.07001 | 0.04401 | 0.02441 | 0.01082 | 0.002842 | 0.00008 |
由上表可得，变压器分接头4所得到的无功不平衡功率的差值最小，最接近0，故变压器分接头处于4档位，变压器的实际变比为1.0，符合变压器的实际情况。验证了本算法的正确性和准确性。
实验效果
以附图1所示的变压器模型为对象，设计以下算例验证本发明方法的有效性。假设附图1中变压器的漏电抗X＝0.0625，分接头级差为1.25％，分接头个数为9个。变压器变比的真实值为1.0；变压器的I侧额定电压为UB1＝18kV，II侧额定电压为UB2＝230kV功率基准为SB＝100MVA；
某一时段变压器两端SCADA量测数据格式为，
| U1(p.u.) | U2(p.u.) | I1(p.u.) | I2(p.u.) | P1(p.u.) | Q1(p.u.) | P2(p.u.) | Q2(p.u.) |
| 1.02449 | 1.02778 | 1.59809 | 1.59921 | 1.63702 | 0.02579 | 1.63702 | 0.13383 |
该量测数据为理想量测数据。在以上量测数据中，加入呈正态分布的误差信号，形成带有量测误差的多个时段的SCADA仿真数据备用。
考虑以下四种情况：①变压器两端的电压幅值电流幅值有均值为0.5％，标准差为10％的正态分布误差信号②变压器两端的无功功率有均值为0.5％，标准差为10％的正态分布误差信号③变压器两端的电压幅值、电流幅值、无功功率有均值为0.5％，标准差为10％的正态分布误差信号④变压器两端的电压幅值、电流幅值、无功功率有均值为0.5％，标准差为10％的正态分布误差信号，变压器漏电抗有10％的误差，即X的参考值为0.06875⑤无误差。
通过本发明方法，可得变压器在各分接头位置下的无功不平衡功率差值的平均值。
| -4 | -3 | -2 | -1 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | |
| ① | 0.20101 | 0.15133 | 0.10995 | 0.07703 | 0.05272 | 0.03740 | 0.02995 | 0.02717 | 0.02649 |
| ② | 0.19066 | 0.14220 | 0.10175 | 0.06876 | 0.04272 | 0.02433 | 0.01536 | 0.01323 | 0.01311 |
| ③ | 0.19970 | 0.15002 | 0.10856 | 0.07473 | 0.04807 | 0.02890 | 0.01800 | 0.01414 | 0.01338 |
| ④ | 0.19541 | 0.150626 | 0.11331 | 0.08294 | 0.05903 | 0.04133 | 0.02976 | 0.02363 | 0.02189 |
| ⑤ | 0.19197 | 0.14351 | 0.14351 | 0.07001 | 0.04401 | 0.02441 | 0.01082 | 0.00284 | 0.00008 |
由上述计算结果可见，当变压器分接头处于4档位时，变压器两侧的无功不平衡功率的差值明显小于其他档位。此时变压器的变比为1.0，符合变压器的实际情况。说明，本算法对于变压器的分接头辨识度高，辨识效果好。
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 (10)
1.一种基于无功不平衡量的变压器分接头参数估计方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)利用变压器两端的量测装置采集变压器两侧多时段的SCADA量测数据；
(2)将采集的量测数据统一转换为相数据或者线数据；
(3)确定变压器的漏电抗、分接头级差和分接头位置、个数；
(4)根据变压器分接头的最低档位设置循环变量i，计算变压器两端无功不平衡功率的量测值，结合变压器参数求取变压器无功不平衡量差值的平均值，判断此时的i是否为变压器分接头的最高档位，如果是，则转至步骤(5)，如果不是，则i+1，重复本步骤；
(5)记录变压器无功不平衡差值的平均值最小时候变压器分接头的位置以及对应变比。
2.如权利要求1所述的一种基于无功不平衡量的变压器分接头参数估计方法，其特征是：所述步骤(1)中，SCADA量测数据包括量测电压幅值、电流幅值、有功功率幅值和无功功率幅值。
3.如权利要求1所述的一种基于无功不平衡量的变压器分接头参数估计方法，其特征是：所述步骤(3)中，忽略变压器绕组电阻的影响，假设变压器漏电抗数值为理想值，将变压器主分接头位置对应的变比作为初始值。
4.如权利要求1所述的一种基于无功不平衡量的变压器分接头参数估计方法，其特征是：所述步骤(4)中，包括以下步骤：
(4-1)初始化循环变量i，i的初值为变压器分接头的最低档位；
(4-2)根据变压器变比的初始值和分接头位置与级差，计算变压器的实际变比；
(4-3)将变压器两端的量测无功不平衡功率相加，计算变压器两端无功不平衡功率的量测量；
(4-4)根据变压器参数计算变压器两端无功不平衡功率的计算量；
(4-5)求取实测变压器无功不平衡量与计算所得的无功不平衡量差值；
(4-6)计算变压器无功不平衡量差值的在每个时段的平均值；
(4-7)判断i是否为变压器分接头的最高档位，若是，则结束计算若否，则返回步骤(4-2)步继续进行变压器第(i+1)档位的运算。
5.如权利要求4所述的一种基于无功不平衡量的变压器分接头参数估计方法，其特征是：所述步骤(4-2)中，具体为：已知变压器分接头位置，根据方程：
k＝ki+i×w (11)
可得变压器的实际变比，其中，ki为变压器变比的初始值，i为变压器分接头位置，w为分接头级差。
6.如权利要求4所述的一种基于无功不平衡量的变压器分接头参数估计方法，其特征是：所述步骤(4-3)中，计算变压器两端无功不平衡功率的量测量，根据方程：
Qlm＝Q1+Q2 (12)
计算变压器两端无功不平衡功率的量测量，其中，Qlm为N个时段的两端无功功率不平衡量的量测量，Q1为变压器I侧N个时段的量测无功功率，Q2为变压器II侧N个时段的量测无功功率。
7.如权利要求5所述的一种基于无功不平衡量的变压器分接头参数估计方法，其特征是：所述步骤(4-4)中，根据计算方程为：
<mrow>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mi>c</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<msup>
<msub>
<mi>I</mi>
<mn>12</mn>
</msub>
<mn>2</mn>
</msup>
<mi>X</mi>
<mo>+</mo>
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<msubsup>
<mi>U</mi>
<mn>1</mn>
<mn>2</mn>
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<mi>X</mi>
<mn>1</mn>
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<mo>+</mo>
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<mn>2</mn>
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</mrow>
<msub>
<mi>X</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>13</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中，Qlc为计算所得N个时段的两端无功功率不平衡量，I12为N个时段流过变压器等效电抗的电流，I1为SCADA量测数据中的I侧N个时段的电流幅值，I2为II侧N个时段的电流幅值，U1为I侧N个时段的电压幅值，U2为II侧N个时段的电压幅值，X为变压器的等效电抗，
8.如权利要求4所述的一种基于无功不平衡量的变压器分接头参数估计方法，其特征是：所述步骤(4-5)中，计算方程式为：
ΔQl＝|Qlm-Qlc| (14)
式中，ΔQl为N个数据点的无功不平衡量差值，Qlm为N个时段量测所得变压器两端的量测无功不平衡量，Qlc为计算所得变压器两端N个时段的无功不平衡量，若变压器变比为真实值，则ΔQl最接近0，当变压器变比有误差时，ΔQl偏离0。
9.如权利要求4所述的一种基于无功不平衡量的变压器分接头参数估计方法，其特征是：所述步骤(4-6)中，具体计算公式为：
<mrow>
<mi>&Delta;</mi>
<mover>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mi>l</mi>
</msub>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
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<mi>l</mi>
</msub>
</mrow>
<mi>N</mi>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>15</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，为变压器无功不平衡量差值的平均值，ΔQl为变压器无功不平衡量的差值，N为总的时段数。
10.如权利要求1所述的一种基于无功不平衡量的变压器分接头参数估计方法，其特征是：所述步骤(5)中，变压器无功不平衡差值的平均值最小时候变压器分接头的位置，则该分接头位置即为变压器的实际分接头位置，该位置所对应的变压器变比即为实际变压器变比。
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