CN109193665A - 一种基于scada量测的电网支路静态参数辨识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于电网稳定运行监测技术领域的一种基于SCADA量测的电网支路静态参数辨识方法,所述方法包括构建支路潮流方程、形成局部计算区域、构建系统量测方程、构建以参数为状态量的不动点迭代格式的量测方程以及修正可疑参数,该方法针对传统辨识方法量测冗余度不高,且对多支路参数错误情形辨识困难的问题,通过状态空间的转换,以支路参数为状态量,直接对支路参数进行估计,突破了传统方法将节点电压复相量作为状态量的思维模式,本方法还将局部区域内的非可疑参数作为伪量测加入了量测方程,提高了量测的冗余度,改善了辨识效果。
Description
技术领域
本发明属于电网稳定运行监测技术领域,尤其涉及一种基于SCADA量测的电网支路静态参数辨识方法。
背景技术
电力系统所涉及的参数检测与辨识主要包括电网参数辨识、拓扑错误辨识及量测数据辨识三部分。在参数检测辨识方面,目前国内外学者研究较多的辨识方法有以下三类,分别为:残差灵敏度法、相对误差辨识法以及新息图法。残差灵敏度法基于错误参数的具体位置寻找与该参数相关联的量测集。由于支路潮流分量及量测残差之间存在一定的灵敏度关系,通过计算该灵敏度值,若该值大于所设定阈值,则该支路视为可疑支路。然而该方法需要根据经验值选择残差灵敏度阈值,一旦存在残差污染或残差淹没现象,定位错误参数所属支路位置的难度也大大增加。相对误差辨识法应用于同时包含SCADA和WAMS的混合量测系统,利用SCADA量测可以获取支路功率及节点注入功率量测,利用WAMS系统则可以获取节点电压及支路电流相量量测。对比实际量测系统的量测量与通过潮流计算所得到的对应值,若该量测量相对误差超过设定阈值,则认为该量测量所属支路参数为可疑参数,然而该方法对PMU的配置要求较高。一旦量测数据中存在不良数据时会在很大程度上影响辨识效果。对于新息图法,该方法首先利用动态估计实时检测各个量测的变化趋势,同时考虑到所有相关量测之间所存在的基本定律,完成对参数的检测辨识。通过求解某条可疑支路与其直接相连的其它支路新息值,利用新息值是否超过设定阈值判别支路是否存在错误参数。但该方法对只存在单个量测坏数据时有效辨识,一旦出现多个不良量测,仍需要进一步研究该方法的辨识效果。
网络参数对于能量管理系统(EMS)及其它高级应用软件分析的准确性有着决定性作用。而EMS系统利用分析结果做出的电网调控运行决策直接影响电力系统的安全稳定运行。由于传统辨识方法具有量测冗余度不高,且对多支路参数错误情形辨识困难,对错误的网络参数进行估计和修正是十分必要的。
发明内容
针对上述问题,本发明提出了一种基于SCADA量测的电网支路静态参数辨识方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:构建支路潮流方程
根据支路类型建立与之相应的支路潮流方程,并对其进行状态空间转换,形成以支路参数为状态量的矩阵方程,其中支路类型包括线路支路和变压器支路;
步骤2:形成局部计算区域
采用广度优先搜索算法,以可疑支路为中心,向外搜索两层,形成局部计算区域;
步骤3:构建系统量测方程
按照量测类型计算对应量测的雅克比矩阵,将局部区域内的非可疑参数作为伪量测加入量测方程,构建包含伪量测的系统量测方程;
步骤4:构建以参数为状态量的不动点迭代格式
根据步骤3的系统量测方程构建以参数为状态量的不动点迭代格式,将电压作为参数的隐函数,并将参数的状态估计分解成两层交替进行迭代;
步骤5:修正可疑参数
将步骤4估计结果中对应的可疑参数值作为该可疑参数的修正值,以修正可疑参数。
所述步骤1构建支路潮流方程的具体过程如下:
对于线路支路,其支路的潮流方程为:
对上述潮流方程进行状态空间转换,得到以支路参数为状态量的矩阵方程为:
假设线路支路的序号为r,将公式(3)转换为分块矩阵:
式中,gij,bij,yij分别为支路电导,支路电纳和对地电纳;Ui和Uj分别为首末端电压幅值,Pij和Qij分别为支路首端有功、无功量测,Pji和Qji分别为支路末端有功、无功量测,v为量测误差,SLr为线路支路功率量测,HLr为量测矩阵,xLr为线路参数。
对于变压器支路,将潮流方程进行状态空间转换,得到以支路参数为状态量的矩阵方程为:
假设变压器支路的序号为r,将公式(5)转换为分块矩阵:
式中,K为变压器的非标准变比,gij,bij分别为变压器等效电导和电纳;STs为变压器支路功率量测,HTs为量测矩阵,xTs为变压器参数。
所述步骤2形成局部计算区域的具体方法为:
对于任意一条可疑支路,将其首末节点视为外部节点,从首末节点出发,分别搜索与所述首末节点直接相连的支路,得到新的外部节点,再逐一遍历新的外部节点,搜索与新的外部节点直接相连的支路,最终得到局部计算区域。
所述步骤3构建系统量测方程的方法为:
步骤3-1:计算节点注入量测
假设k表示节点编号,将节点k注入功率看作所有与节点k相连的支路功率的叠加,则节点k注入功率表示为:
式中,SJk表示节点k的注入有功功率PJk或注入无功功率QJk;集合A与B分别表示与节点k直接相连的线路支路和变压器支路;分别表示支路a,b所对应的量测矩阵,XLa、XTb分别表示支路a,b的参数;
步骤3-2:计算节点注入量测对应的雅克比矩阵元素,建立雅克比矩阵;
逐一搜索与计算节点相连的支路,对于每条支路,定位注入量测所在行,根据支路类型求解公式(3)或公式(5),并将计算结果填入雅克比矩阵在注入量测所在行的对应列,搜索完毕后,注入量测所在行的其他元素均为0;
步骤3-3:将局部区域内的非可疑参数作为伪量测加入量测方程,构建包含伪量测的系统量测方程;
假设XR表示非可疑参数,则对应的量测方程为:
式中,为可信任参数值,v为量测误差。
假设局部区域内包含r条线路支路,s个变压器支路和k个节点注入量测,则系统量测方程表示为:
其中,
HL=diag(HL1,HL2,…,HLr),HT=diag(HT1,HT2,…,HTs) (11)
式中,SL为线路支路功率量测量测集,ST为变压器支路功率量测集,SJ为节点注入功率量测集,xL为线路参数集,xT为变压器参数集,HL为线路支路量测对应的量测矩阵,HT为变压器支路量测对应的量测矩阵,HJL和HJT为节点注入功率对应的量测矩阵,HRL和HRT为可信任参数伪量测对应的量测矩阵。
所述步骤4构建以参数为状态量的不动点迭代格式的量测方程的具体过程为:
采用加权最小二乘法对参数进行状态估计,将对参数迭代求解的过程表示为:
xk=xk-1+Σ-1HTR-1[z-h(xk-1)] (13)
其中,
Σ=HTR-1H (14)
r=z-h(x) (15)
xk表示第k次迭代的状态量,xk-1表示第(k-1)次迭代的状态量,Σ表示信息矩阵,H表示量测矩阵,R表示量测权重的对角阵,r表示量测残差。
将电压看作参数的隐函数,即:
u=f(xp) (16)
则对参数的迭代求解过程表示为:
为了得到参数的估计值,将公式(17)分解为两个交替进行的两层迭代,即在每轮迭代中,首先对电压进行常规的状态估计,收敛后得到局部区域各节点电压幅值和相角的估计值,再对参数进行迭代求解,直到再次收敛;具体过程如下:
(1)进行外层对参数的迭代过程
在外层进行第k次迭代时,网络参数采用第(k-1)次迭代得到的结果,即:
其中,
式中,u表示节点电压的幅值和相角,um为第m次迭代的电压幅值和相角,um-1为第(m-1)次迭代的电压幅值和相角,Hu表示常规对电压状态估计的雅克比矩阵。
当公式(19)通过迭代计算收敛后,将收敛后的结果作为uk,并通过uk对参数的雅克比矩阵进行计算;
(2)进行内层对参数的迭代过程
内层迭代公式为:
其中,
式中,xp表示参数向量;为第k次迭代的参数,为第(k-1)次迭代的参数。
所述步骤5修正可疑参数的具体方法为:
当公式(21)通过迭代计算收敛后,将收敛后的结果作为第k次迭代的参数估计结果重复迭代,直到相邻的两次参数迭代结果小于指定精度ε,即满足公式:
则估计结果中对应的可疑参数值即为该可疑参数的修正值。
本发明的有益效果在于:
(1)本方法在只利用SCADA量测数据的前提下,利用历史断面的量测数据,直接对网络参数进行辨识。
(2)本方法通过引入可信任参数伪量测,将局部区域内的非可疑参数作为伪量测加入了量测方程,提高了量测系统的冗余度,改善了辨识效果。
(3)本方法通过状态空间的转换,完全以支路参数为状态量,直接对支路参数进行估计,突破了传统方法将节点电压复相量作为状态量的思维模式。同样适用于局部区域内多支路参数错误的情况。
(4)本方法在以可疑支路为中心的局部电网内,利用加权最小二乘估计(WLS)算法实现对可疑参数的辨识修正。克服了传统辨识方法量测冗余度不高,且对多支路参数错误情形辨识困难的问题。
附图说明
附图1为本发明提出的基于SCADA量测的电网支路静态参数辨识方法流程图;
附图2为线路支路计算模型;
附图3为变压器支路计算模型;
附图4为局部电网形成示例;
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图1为本发明提出的基于SCADA量测的电网支路静态参数辨识方法流程图,如图1所示,该方法包括以下步骤:
步骤1:构建支路潮流方程
根据支路类型建立与之相应的支路潮流方程,并对其进行状态空间转换,形成以支路参数为状态量的矩阵方程,其中支路类型包括线路支路和变压器支路;
步骤2:形成局部计算区域
采用广度优先搜索算法,以可疑支路为中心,向外搜索两层,形成局部计算区域;
步骤3:构建系统量测方程
按照量测类型计算对应量测的雅克比矩阵,将局部区域内的非可疑参数作为伪量测加入量测方程,构建包含伪量测的系统量测方程;
步骤4:构建以参数为状态量的不动点迭代格式的量测方程
根据步骤3的系统量测方程构建以参数为状态量的不动点迭代格式的量测方程,将电压作为参数的隐函数,并将参数的状态估计分解成两层交替进行迭代;
步骤5:修正可疑参数
将步骤4估计结果中对应的可疑参数值作为该可疑参数的修正值,以修正可疑参数。
具体的,所述步骤1构建支路潮流方程的具体过程如下:
对于线路支路,根据图2所示的Π型等效电路,可以得到线路支路首端的潮流方程为:
对上述潮流方程进行状态空间转换,得到以支路参数为状态量的矩阵方程为:
由于线路参数的对称性,支路末端的潮流方程只需将公式中的i与j互换即可。假设线路支路的序号为r,将公式(3)转换为分块矩阵:
式中,gij,bij,yij分别为支路电导,支路电纳和对地电纳;Ui和Uj分别为首末端电压幅值,Pij和Qij分别为支路首端有功、无功量测,Pji和Qji分别为支路末端有功、无功量测,v为量测误差,SLr为线路支路功率量测,HLr为量测矩阵,xLr为线路参数。
对于变压器支路,根据图3所示的等效电路,由于变压器的励磁支路通常可以忽略,且对电网分析的影响不大,在列写支路潮流方程时,把励磁支路参数当作可信任参数处理,将励磁支路的功率提前扣除。另外,变压器的变比属于量测参数,这里也将其作为可信任参数。仿照线路支路的做法,将参数作为未知量,将潮流方程进行状态空间转换,得到以支路参数为状态量的矩阵方程为:
假设变压器支路的序号为r,将公式(5)转换为分块矩阵:
式中,K为变压器的非标准变比,gij,bij分别为变压器等效电导和电纳;STs为变压器支路功率量测,HTs为量测矩阵,xTs为变压器参数。
具体的,所述步骤2形成局部计算区域的具体方法为:对于任意一条可疑支路,将其首末节点视为外部节点,从首末节点出发,分别搜索与所述首末节点直接相连的支路,得到新的外部节点,再逐一遍历新的外部节点,搜索与新的外部节点直接相连的支路,最终得到局部计算区域。
附图4以IEEE 118节点系统的1号支路为例,展示了局部分区的形成过程。需要注意的是,在提取局部区域量测时,对于最后一次搜索得到的外部节点,应当剔除其节点注入量测。
具体的,所述步骤3构建系统量测方程的方法为:
步骤3-1:计算节点注入量测
假设k表示节点编号,将节点k注入功率看作所有与节点k相连的支路功率的叠加,则节点k注入功率表示为:
式中,SJk表示节点k的注入有功功率PJk或注入无功功率QJk;集合A与B分别表示与节点k直接相连的线路支路和变压器支路;分别表示支路a,b所对应的量测矩阵,XLa、XTb分别表示支路a,b的参数。
步骤3-2:计算节点注入量测对应的雅克比矩阵元素,建立雅克比矩阵;
在计算参数的雅克比矩阵时,对于与该节点相连的每一条具体支路而言,其雅克比元素与该支路的支路量测对应的雅克比元素计算公式完全一致,且不受其他支路的影响。假设xkp表示与节点k直接相连的某条支路的某个参数,则有:
式中,Skp表示根据支路类型确定的支路k-p的支路潮流或
因此,对于节点注入量测对应的雅克比矩阵元素计算的具体方法逐一搜索与计算节点相连的支路,对于每条支路,定位注入量测所在行,根据支路类型求解公式(3)或公式(5),并将计算结果填入雅克比矩阵在注入量测所在行的对应列,搜索完毕后,注入量测所在行的其他元素均为0。
步骤3-3:将局部区域内的非可疑参数作为伪量测加入量测方程,构建包含伪量测的系统量测方程;
为了增加量测方程的冗余度,在检测环节过后,将局部区域内的非可疑参数作为伪量测加入量测方程。假设XR表示非可疑参数,则对应的量测方程为:
式中,为可信任参数值,v为量测误差。
假设局部区域内包含r条线路支路,s个变压器支路和k个节点注入量测,则系统量测方程表示为:
其中,
HL=diag(HL1,HL2,…,HLr),HT=diag(HT1,HT2,…,HTs) (12)
式中,SL为线路支路功率量测量测集,ST为变压器支路功率量测集,SJ为节点注入功率量测集,xL为线路参数集,xT为变压器参数集,HL为线路支路量测对应的量测矩阵,HT为变压器支路量测对应的量测矩阵,HJL和HJT为节点注入功率对应的量测矩阵,HRL和HRT为可信任参数伪量测对应的量测矩阵。
矩阵HJL和HJT的每一行可以根据(8)计算。矩阵和的每一行只有该可信任参数对应列的值为1,该行其他列的元素均为0。
具体的,所述步骤4构建以参数为状态量的不动点迭代格式的量测方程的具体过程为:
考虑一般的加权最小二乘估计问题:
min J(x)=rTR-1r (14)
其中,
r=z-h(x) (15)
式中,r表示量测残差,R表示量测权重的对角阵。
将该问题的迭代求解过程表示为:
xk=xk-1+Σ-1HTR-1[z-h(xk-1)] (16)
其中,
Σ=HTR-1H (17)
式中,xk表示第k次迭代的状态量,xk-1表示第(k-1)次迭代的状态量,Σ表示信息矩阵。
由于SCADA量测系统不能提供节点电压的相角信息,因此将电压看作参数的隐函数,即:
u=f(xp) (18)
则根据公式(16)对参数的迭代求解过程表示为:
为了得到参数的估计值,将公式(19)分解为两个交替进行的两层迭代,即在每轮迭代中,首先对电压进行常规的状态估计,收敛后得到局部区域各节点电压幅值和相角的估计值,再对参数进行迭代求解,直到再次收敛;具体过程如下:
(1)进行外层对参数的迭代过程
在外层进行第k次迭代时,网络参数采用第(k-1)次迭代得到的结果,即:
其中,
式中,u表示节点电压的幅值和相角,um为第m次迭代的电压幅值和相角,um-1为第(m-1)次迭代的电压幅值和相角,Hu表示常规对电压状态估计的雅克比矩阵。
当公式(20)通过迭代计算收敛后,将收敛后的结果作为uk,并通过uk对参数的雅克比矩阵进行计算;
(2)进行内层对参数的迭代过程
内层迭代公式为:
其中,
式中,xp表示参数向量;为第k次迭代的参数,为第(k-1)次迭代的参数。
具体的,所述步骤5修正可疑参数的具体方法为:
当公式(22)通过迭代计算收敛后,将收敛后的结果作为第k次迭代的参数估计结果重复迭代,直到相邻的两次参数迭代结果小于指定精度ε,即满足公式:
此时,将估计结果中对应的可疑参数值作为该可疑参数的建议修正值。
实施例1
为了验证本发明的有效性,本实施例以IEEE 118节点系统为例进行仿真测试,其测试结果如下所述:
以标准潮流数据为基准,添加0.2%的高斯白噪声模拟量测误差,将部分线路的支路参数分别设置为正常值的120%,使用本方法得到的部分测试结果如表1和表2所示:
表1 电抗参数
支路号 | 真值(p.u.) | 设置值(p.u.) | 估计值(P.U.) | 相对误差(%) |
5 | 0.0540 | 0.0648 | 0.0532 | 1.481 |
11 | 0.0682 | 0.0818 | 0.0678 | 0.587 |
30 | 0.0492 | 0.0590 | 0.0498 | 1.220 |
42 | 0.0985 | 0.1182 | 0.1019 | 3.452 |
55 | 0.0605 | 0.0726 | 0.0596 | 1.488 |
80 | 0.0966 | 0.1159 | 0.0961 | 0.518 |
108 | 0.1270 | 0.1524 | 0.1289 | 1.496 |
150 | 0.0869 | 0.1043 | 0.0855 | 1.611 |
167 | 0.2290 | 0.2748 | 0.2292 | 0.087 |
174 | 0.1813 | 0.2176 | 0.1827 | 0.772 |
表2 电阻参数
从结果可以看出,本方法对参数的辨识是有效的。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于SCADA量测的电网支路静态参数辨识方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:构建支路潮流方程
根据支路类型建立与之相应的支路潮流方程,并对其进行状态空间转换,形成以支路参数为状态量的矩阵方程,其中支路类型包括线路支路和变压器支路;
步骤2:形成局部计算区域
采用广度优先搜索算法,以可疑支路为中心,向外搜索两层,形成局部计算区域;
步骤3:构建系统量测方程
按照量测类型计算对应量测的雅克比矩阵,将局部区域内的非可疑参数作为伪量测加入量测方程,构建包含伪量测的系统量测方程;
步骤4:构建以参数为状态量的不动点迭代格式的量测方程
根据步骤3的系统量测方程构建以参数为状态量的不动点迭代格式的量测方程,将电压作为参数的隐函数,并将参数的状态估计分解成两层交替进行迭代;
步骤5:修正可疑参数
将步骤4估计结果中对应的可疑参数值作为该可疑参数的修正值,以修正可疑参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于SCADA量测的电网支路静态参数辨识方法,其特征在于,所述步骤1构建支路潮流方程的具体过程如下:
对于线路支路,假设线路支路的潮流方程为:
对上述潮流方程进行状态空间转换,得到以支路参数为状态量的矩阵方程为:
假设线路支路的序号为r,将公式(3)转换为分块矩阵:
式中,gij,bij,yij分别为支路电导,支路电纳和对地电纳;Ui和Uj分别为首端和末端电压幅值,Pij和Qij分别为支路首端有功、无功量测,Pji和Qji分别为支路末端有功、无功量测,v为量测误差,SLr为线路支路功率量测,HLr为量测矩阵,xLr为线路参数;
对于变压器支路,将潮流方程进行状态空间转换,得到以支路参数为状态量的矩阵方程为:
假设变压器支路的序号为r,将公式(5)转换为分块矩阵:
式中,K为变压器的非标准变比,gij,bij分别为变压器等效电导和电纳;STs为变压器支路功率量测,HTs为量测矩阵,xTs为变压器参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于SCADA量测的电网支路静态参数辨识方法,其特征在于,所述步骤2形成局部计算区域的具体方法为:
对于任意一条可疑支路,将其首末节点视为外部节点,从首末节点出发,分别搜索与所述首末节点直接相连的支路,得到新的外部节点,再逐一遍历新的外部节点,搜索与新的外部节点直接相连的支路,最终得到局部计算区域。
4.根据权利要求1所述的一种基于SCADA量测的电网支路静态参数辨识方法,其特征在于,所述步骤3构建系统量测方程的方法为:
步骤3-1:计算节点注入量测
假设k表示节点编号,将节点k注入功率看作所有与节点k相连的支路功率的叠加,则节点k注入功率表示为:
式中,SJk表示节点k的注入有功功率PJk或注入无功功率QJk;集合A与B分别表示与节点k直接相连的线路支路和变压器支路;分别表示支路a,b所对应的量测矩阵,XLa、XTb分别表示支路a,b的参数;
步骤3-2:计算节点注入量测对应的雅克比矩阵元素,建立雅克比矩阵;
逐一搜索与计算节点相连的支路,对于每条支路,定位注入量测所在行,根据支路类型求解公式(3)或公式(5),并将计算结果填入雅克比矩阵在注入量测所在行的对应列,搜索完毕后,注入量测所在行的其他元素均为0;
步骤3-3:将局部区域内的非可疑参数作为伪量测加入量测方程,构建包含伪量测的系统量测方程;
假设XR表示非可疑参数集,则对应的量测方程为:
式中,为可信任参数值,v为量测误差;
假设局部区域内包含r条线路支路,s个变压器支路和k个节点注入量测,则系统量测方程表示为:
其中,
式中,SL为线路支路功率量测量测集,ST为变压器支路功率量测集,SJ为节点注入功率量测集,xL为线路参数集,xT为变压器参数集,HL为线路支路量测对应的量测矩阵,HT为变压器支路量测对应的量测矩阵,HJL和HJT为节点注入功率对应的量测矩阵,HRL和HRT为可信任参数伪量测对应的量测矩阵。
5.根据权利要求1所述的一种基于SCADA量测的电网支路静态参数辨识方法,其特征在于,所述步骤4构建以参数为状态量的不动点迭代格式的量测方程的具体过程为:
采用加权最小二乘法对参数进行状态估计,将对参数迭代求解的过程表示为:
xk=xk-1+Σ-1HTR-1[z-h(xk-1)] (13)
其中,
Σ=HTR-1H (14)
r=z-h(x) (15)
xk表示第k次迭代的状态量,xk-1表示第(k-1)次迭代的状态量,Σ表示信息矩阵,H表示量测矩阵,R表示量测权重的对角阵,r表示量测残差;
将电压看作参数的隐函数,即:
u=f(xp) (16)
则对参数的迭代求解过程表示为:
为了得到参数的估计值,将公式(17)分解为两个交替进行的两层迭代,即在每轮迭代中,首先对电压进行常规的状态估计,收敛后得到局部区域各节点电压幅值和相角的估计值,再对参数进行迭代求解,直到再次收敛;具体过程如下:
(1)进行外层对参数的迭代过程
在外层进行第k次迭代时,网络参数采用第(k-1)次迭代得到的结果,即:
其中,
式中,u表示节点电压的幅值和相角,um为第m次迭代的电压幅值和相角,um-1为第(m-1)次迭代的电压幅值和相角,Hu表示常规对电压状态估计的雅克比矩阵;
当公式(19)通过迭代计算收敛后,将收敛后的结果作为uk,并通过uk对参数的雅克比矩阵进行计算;
(2)进行内层对参数的迭代过程
内层迭代公式为:
其中,
式中,xp表示参数向量;为第k次迭代的参数,为第(k-1)次迭代的参数。
6.根据权利要求1所述的一种基于SCADA量测的电网支路静态参数辨识方法,其特征在于,所述步骤5修正可疑参数的具体方法为:
当公式(21)通过迭代计算收敛后,将收敛后的结果作为第k次迭代的参数估计结果重复迭代,直到相邻的两次参数迭代结果小于指定精度ε,即满足公式:
则估计结果中对应的可疑参数值即为该可疑参数的修正值。
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