CN112736911B - 基于pmu量测相似度的配电网拓扑结构辨识方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识方法及系统，包括：建立网络运行拓扑库；对正常状态下拓扑结构进行潮流计算；获取每种拓扑结构下节点负荷总的谐波有功及无功功率矩阵；采集各个节点的测量电压；计算测量电压和各拓扑结构中各节点的计算电压的偏差；计算每种拓扑结构与当前实际拓扑结构的相似度矩阵；筛选出相似度矩阵中较大的k个元素对应的拓扑结构；测量当前总线上总的基波及高次谐波有功与无功功率；计算筛选出的拓扑结构对应的谐波功率与测量的谐波功率之间的偏差；建立谐波相似度矩阵，对k个拓扑结构校验选取谐波相似度矩阵最大的元素对应的拓扑结构为拓扑辨识结果。本发明中的上述方法可提高容错能力，加快数据更新。

Description

基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识方法及系统
技术领域
本发明涉及配电网拓扑结构辨识领域，特别是涉及一种基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识方法及系统。
背景技术
PMU即同步相量测量单元，是一种以全球定位系统为时间基准，可提供高精度、带时标电压、电流及频率信号的电网检测手段，其相量特性、时钟同步性及数据上传具有实时性。配电网拓扑识别技术可以更新开关状态的变化，形成新的拓扑结构，为配电网管理系统中的高级应用如状态估计、故障诊断、潮流计算、无功优化、电网重构等提供必要的网络结构数据。正确的拓扑识别对配电网运行控制和诊断具有十分重要的意义。传统方法数据来源单一，容错能力差，数据更新较慢，拓扑辨识的实时性面临挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识方法及系统，提高容错能力，加快数据更新。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识方法，所述辨识方法包括：
建立网络运行拓扑库；所述拓扑库包含m种拓扑结构，n个节点以及b个支路；
对所述拓扑库中正常状态下所有的拓扑结构进行潮流计算，得到各个拓扑结构中各个节点的计算电压；
获取每种拓扑结构下节点负荷总的谐波有功功率矩阵以及无功功率矩阵；
采集各个节点的测量电压V'＝[V1'V2'…Vn']；
计算所述测量电压和所述各个拓扑结构中各个节点的计算电压的偏差矩阵；
基于所述电压的偏差矩阵计算所述拓扑库中每种拓扑结构与当前实际拓扑结构的相似度矩阵；
筛选出所述相似度矩阵中较大的k个元素对应的拓扑结构，并输出相应的相似度；
测量当前总线上总的基波有功功率与无功功率以及高次谐波有功功率与无功功率；
计算筛选出的拓扑结构对应的谐波功率与当前测量得到的谐波功率之间的偏差；
建立谐波相似度矩阵，对筛选出的k个拓扑结构进行校验，选取谐波相似度矩阵最大的元素对应的拓扑结构作为拓扑辨识结果。
可选的，所述拓扑库的形式为如下矩阵：
Figure BDA0002867821460000021
其中，xmb表示第m种拓扑结构中第b条支路的开合状态，1为闭合，表示该支路为运行状态，0表示该支路处于断开状态。
可选的，所述各个拓扑结构中各个节点的计算电压的形式为如下矩阵：
Figure BDA0002867821460000022
其中，Vmn表示第m种拓扑结构中节点n的计算电压。
可选的，所述谐波有功功率矩阵以及无功功率矩阵的形式如下：
Figure BDA0002867821460000031
Figure BDA0002867821460000032
其中，Pm2n-1表示第m中拓扑结构下总的2n-1次谐波有功功率，Qm2n-1表示第m中拓扑结构下总的2n-1次谐波无功功率。
可选的，所述计算所述测量电压和所述各个拓扑结构中各个节点的计算电压的偏差矩阵具体采用以下公式：
Figure BDA0002867821460000033
其中，V′表示测量电压，V表示测量电压。
可选的，基于所述电压的偏差矩阵计算所述拓扑库中每种拓扑结构与当前实际拓扑结构的相似度矩阵具体采用以下公式：
Figure BDA0002867821460000034
其中，sum(ΔV)表示对电压偏差矩阵中ΔV的各个元素求和。
可选的，当前总线上总的基波有功功率与无功功率以及高次谐波有功功率与无功功率形式如下：
Figure BDA0002867821460000041
其中，P2n-1表示测量得到的总线上目前的2n-1次谐波有功功率，Q2n-1表示测量得到的总线上目前的2n-1次谐波无功功率。
可选的，所述计算筛选出的拓扑结构对应的谐波功率与当前测量得到的谐波功率之间的偏差具体采用如下公式：
Figure BDA0002867821460000042
其中，Pa'～Pe'为经过筛选得到的k种拓扑结构对应的谐波有功功率信息，Q'a～Q'e为经过筛选得到的k种拓扑结构对应的谐波无功功率信息，所述k的取值为5。
可选的，所述谐波相似度矩阵形式如下：
Figure BDA0002867821460000043
其中，ΔW表示筛选出的拓扑结构对应的谐波功率与当前测量得到的谐波功率之间的偏差。
本发明另外提供一种基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识系统，所述辨识系统包括：
拓扑库建立模块，用于建立网络运行拓扑库；所述拓扑库包含m种拓扑结构，n个节点以及b个支路；
潮流计算模块，用于对所述拓扑库中正常状态下所有的拓扑结构进行潮流计算，得到各个拓扑结构中各个节点的计算电压；
有功及无功功率矩阵获取模块，用于获取每种拓扑结构下节点负荷总的谐波有功功率矩阵以及无功功率矩阵；
节点测量电压采集模块，用于采集各个节点的测量电压V'＝[V1’ V’2 … V’n]；
电压偏差计算模块，用于计算所述测量电压和所述各个拓扑结构中各个节点的计算电压的偏差矩阵；
相似度矩阵计算模块，用于基于所述电压的偏差矩阵计算所述拓扑库中每种拓扑结构与当前实际拓扑结构的相似度矩阵；
筛选模块，用于筛选出所述相似度矩阵中较大的k个元素对应的拓扑结构，并输出相应的相似度；
基波有功功率与无功功率以及高次谐波有功功率与无功功率测量模块，用于测量当前总线上总的基波有功功率与无功功率以及高次谐波有功功率与无功功率；
谐波功率偏差计算模块，用于计算筛选出的拓扑结构对应的谐波功率与当前测量得到的谐波功率之间的偏差；
谐波相似度矩阵建立模块，用于建立谐波相似度矩阵，对筛选出的k个拓扑结构进行校验，选取谐波相似度矩阵最大的元素对应的拓扑结构作为拓扑辨识结果。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明中的上述方法通过建立网络运行拓扑库；对所述拓扑库中正常状态下所有的拓扑结构进行潮流计算，得到各个拓扑结构中各个节点的计算电压；获取每种拓扑结构下节点负荷总的谐波有功功率矩阵以及无功功率矩阵；采集各个节点的测量电压V'＝[V1'V’2 … V’n]；计算所述测量电压和所述各个拓扑结构中各个节点的计算电压的偏差矩阵；基于所述电压的偏差矩阵计算所述拓扑库中每种拓扑结构与当前实际拓扑结构的相似度矩阵；筛选出所述相似度矩阵中较大的k个元素对应的拓扑结构，并输出相应的相似度；测量当前总线上总的基波有功功率与无功功率以及高次谐波有功功率与无功功率；计算筛选出的拓扑结构对应的谐波功率与当前测量得到的谐波功率之间的偏差；建立谐波相似度矩阵，对筛选出的k个拓扑结构进行校验，选取谐波相似度矩阵最大的元素对应的拓扑结构作为拓扑辨识结果，数据来源丰富，容错能力强，且数据更新快。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识方法的流程图；
图2为本发明实施例IEEE33节点网络图；
图3为本发明实施例节点电压相似度柱状图；
图4为本发明实施例谐波功率相似度柱状图；
图5为本发明实施例基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识方法基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识方法及系统，提高容错能力，加快数据更新。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识方法流程图，如图1所示，本发明通过讨论对该方法的性能进行了测试，同时为了评估性能，将本方案在IEEE33总线上进行测试，IEEE33节点网络图如图2所示，所述方法包括：
步骤101：建立网络运行拓扑库；本发明中的该实施方式中的33个节点，37条支路，10种常用运行方式，即10种拓扑结构，具体情况如表1所示，表1为本发明实施例使用节点电压相似度时各个拓扑结构对应的相似度。
所述拓扑库的形式为如下矩阵：
Figure BDA0002867821460000071
其中，x1037，为0-1变量，表示第10种拓扑结构中第37条支路的开合状态，1为闭合，表示该支路为运行状态，0表示该支路处于断开状态。
表1节点电压相似度
Figure BDA0002867821460000072
Figure BDA0002867821460000081
步骤102：对所述拓扑库中正常状态下所有的拓扑结构进行潮流计算，得到各个拓扑结构中各个节点的计算电压，记为矩阵V，形式如下：
Figure BDA0002867821460000082
其中，V1033表示第10种拓扑结构中节点33的计算电压。
步骤103：获取每种拓扑结构下节点负荷总的谐波有功功率矩阵以及无功功率矩阵。
具体的，是通过历史数据获取每种拓扑结构下节点负荷总的谐波有功功率矩阵以及无功功率矩阵，形式如下：
Figure BDA0002867821460000083
Figure BDA0002867821460000084
其中，P107表示第10种拓扑结构下总的7次谐波有功功率，Q107表示第10种拓扑结构下总的7次谐波无功功率。
步骤104：设定此时实际运行拓扑结构为1号拓扑。采集各个节点的测量电压V'＝[V1' V’2 … V’n]。
具体的，是通过安装在节点上的PMU采集得到各个节点的测量电压。
步骤105：计算所述测量电压和所述各个拓扑结构中各个节点的计算电压的偏差矩阵，形式如下：
Figure BDA0002867821460000091
步骤106：基于所述电压的偏差矩阵计算所述拓扑库中每种拓扑结构与当前实际拓扑结构的相似度矩阵，具体形式如下：
Figure BDA0002867821460000092
其中，sum(ΔV)表示对电压偏差矩阵ΔV中的各个元素求和。
步骤107：筛选出所述相似度矩阵中较大的5个元素对应的拓扑结构，并输出相应的相似度，接下来使用网络中的谐波功率对其进行校验。本实施例中选择出的五种拓扑结构编号分别为1、6、8、4、3。
步骤108：测量采集到的当前总线上总的基波有功功率与无功功率以及高次谐波有功功率与无功功率，形式如下：
Figure BDA0002867821460000093
其中，P7表示测量得到的总线上目前的7次谐波有功功率，Q7表示测量得到的总线上目前的7次谐波无功功率。
步骤109：计算筛选出的拓扑结构对应的谐波功率与当前测量得到的谐波功率之间的偏差，形式如下：
Figure BDA0002867821460000101
其中，P’a～P’e为经过步骤107筛选得到的五种拓扑结构对应的谐波有功功率信息，Q'a～Q'e为经过步骤107筛选得到的五种拓扑结构对应的谐波无功功率信息。
步骤110：建立谐波相似度指标，对步骤107中筛选出的5个拓扑结构进行校验谐波相似度矩阵S'形式如下：
Figure BDA0002867821460000102
表2谐波功率相似度
Figure BDA0002867821460000103
Figure BDA0002867821460000111
步骤111：选取谐波相似度矩阵最大的元素对应的拓扑结构作为拓扑辨识结果。本例中编号为1的拓扑结构相似度最大，故最终识别结果为编号1拓扑，与实际情况相同。图3、图4给出了本实施例中相似度柱状图，使结果更加直观。
本发明提供的基于谐波相似度的配电网拓扑辨识方法，相对于现有的技术方法其应用场合更广泛。
图5为本发明实施例基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识系统结构示意图，如图5所示，所述辨识系统包括：
拓扑库建立模块201，用于建立网络运行拓扑库；所述拓扑库包含m种拓扑结构，n个节点以及b个支路；
潮流计算模块202，用于对所述拓扑库中正常状态下所有的拓扑结构进行潮流计算，得到各个拓扑结构中各个节点的计算电压；
有功及无功功率矩阵获取模块203，用于获取每种拓扑结构下节点负荷总的谐波有功功率矩阵以及无功功率矩阵；
节点测量电压采集模块204，用于采集各个节点的测量电压V'＝[V1’ V’2 … V’n]；
电压偏差计算模块205，用于计算所述测量电压和所述各个拓扑结构中各个节点的计算电压的偏差矩阵；
相似度矩阵计算模块206，用于基于所述电压的偏差矩阵计算所述拓扑库中每种拓扑结构与当前实际拓扑结构的相似度矩阵；
筛选模块207，用于筛选出所述相似度矩阵中较大的k个元素对应的拓扑结构，并输出相应的相似度；
基波有功功率与无功功率以及高次谐波有功功率与无功功率测量模块208，用于测量当前总线上总的基波有功功率与无功功率以及高次谐波有功功率与无功功率；
谐波功率偏差计算模块209，用于计算筛选出的拓扑结构对应的谐波功率与当前测量得到的谐波功率之间的偏差；
谐波相似度矩阵建立模块210，用于建立谐波相似度矩阵，对筛选出的k个拓扑结构进行校验，选取谐波相似度矩阵最大的元素对应的拓扑结构作为拓扑辨识结果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识方法，其特征在于，所述辨识方法包括：
建立网络运行拓扑库；所述拓扑库包含m种拓扑结构，n个节点以及b个支路；
对所述拓扑库中正常状态下所有的拓扑结构进行潮流计算，得到各个拓扑结构中各个节点的计算电压；
获取每种拓扑结构下节点负荷总的谐波有功功率矩阵以及无功功率矩阵；
采集各个节点的测量电压V'＝[V1'V2'…Vn']；
计算所述测量电压和所述各个拓扑结构中各个节点的计算电压的偏差矩阵；
基于所述电压的偏差矩阵计算所述拓扑库中每种拓扑结构与当前实际拓扑结构的相似度矩阵；
筛选出所述相似度矩阵中较大的k个元素对应的拓扑结构，并输出相应的相似度；
测量当前总线上总的基波有功功率与无功功率以及高次谐波有功功率与无功功率；
计算筛选出的拓扑结构对应的谐波功率与当前测量得到的谐波功率之间的偏差；
建立谐波相似度矩阵，对筛选出的k个拓扑结构进行校验，选取谐波相似度矩阵最大的元素对应的拓扑结构作为拓扑辨识结果；
所述计算所述测量电压和所述各个拓扑结构中各个节点的计算电压的偏差矩阵具体采用以下公式：
Figure FDA0004125513950000011
其中，V′表示测量电压，Vm表示各个拓扑结构中各个节点的计算电压；
所述谐波相似度矩阵形式如下：
Figure FDA0004125513950000021
其中，ΔW表示筛选出的拓扑结构对应的谐波功率与当前测量得到的谐波功率之间的偏差。
2.根据权利要求1所述的基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识方法，其特征在于，所述拓扑库的形式为如下矩阵：
Figure FDA0004125513950000022
其中，xmb表示第m种拓扑结构中第b条支路的开合状态，1为闭合，表示该支路为运行状态，0表示该支路处于断开状态。
3.根据权利要求1所述的基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识方法，其特征在于，所述各个拓扑结构中各个节点的计算电压的形式为如下矩阵：
Figure FDA0004125513950000023
其中，Vmn表示第m种拓扑结构中节点n的计算电压。
4.根据权利要求1所述的基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识方法，其特征在于，所述谐波有功功率矩阵以及无功功率矩阵的形式如下：
Figure FDA0004125513950000031
Figure FDA0004125513950000032
其中，Pm2n-1表示第m种拓扑结构下总的2n-1次谐波有功功率，Qm2n-1表示第m种拓扑结构下总的2n-1次谐波无功功率。
5.根据权利要求1所述的基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识方法，其特征在于，基于所述电压的偏差矩阵计算所述拓扑库中每种拓扑结构与当前实际拓扑结构的相似度矩阵具体采用以下公式：
Figure FDA0004125513950000033
其中，sum(ΔV)表示对电压偏差矩阵中ΔV的各个元素求和。
6.根据权利要求1所述的基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识方法，其特征在于，当前总线上总的基波有功功率与无功功率以及高次谐波有功功率与无功功率形式如下：
Figure FDA0004125513950000034
其中，P2n-1表示测量得到的总线上目前的2n-1次谐波有功功率，Q2n-1表示测量得到的总线上目前的2n-1次谐波无功功率。
7.根据权利要求1所述的基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识方法，其特征在于，所述计算筛选出的拓扑结构对应的谐波功率与当前测量得到的谐波功率之间的偏差具体采用如下公式：
Figure FDA0004125513950000041
其中，Pa'～Pe'为经过筛选得到的k种拓扑结构对应的谐波有功功率信息，Q'a～Q'e为经过筛选得到的k种拓扑结构对应的谐波无功功率信息，所述k的取值为5。
8.一种基于PMU量测相似度的配电网拓扑结构辨识系统，其特征在于，所述辨识系统包括：
拓扑库建立模块，用于建立网络运行拓扑库；所述拓扑库包含m种拓扑结构，n个节点以及b个支路；
潮流计算模块，用于对所述拓扑库中正常状态下所有的拓扑结构进行潮流计算，得到各个拓扑结构中各个节点的计算电压；
有功及无功功率矩阵获取模块，用于获取每种拓扑结构下节点负荷总的谐波有功功率矩阵以及无功功率矩阵；
节点测量电压采集模块，用于采集各个节点的测量电压”'
V'＝[V1V2…Vn]；
电压偏差计算模块，用于计算所述测量电压和所述各个拓扑结构中各个节点的计算电压的偏差矩阵；
相似度矩阵计算模块，用于基于所述电压的偏差矩阵计算所述拓扑库中每种拓扑结构与当前实际拓扑结构的相似度矩阵；
筛选模块，用于筛选出所述相似度矩阵中较大的k个元素对应的拓扑结构，并输出相应的相似度；
基波有功功率与无功功率以及高次谐波有功功率与无功功率测量模块，用于测量当前总线上总的基波有功功率与无功功率以及高次谐波有功功率与无功功率；
谐波功率偏差计算模块，用于计算筛选出的拓扑结构对应的谐波功率与当前测量得到的谐波功率之间的偏差；
谐波相似度矩阵建立模块，用于建立谐波相似度矩阵，对筛选出的k个拓扑结构进行校验，选取谐波相似度矩阵最大的元素对应的拓扑结构作为拓扑辨识结果；
所述计算所述测量电压和所述各个拓扑结构中各个节点的计算电压的偏差矩阵具体采用以下公式：
Figure FDA0004125513950000051
其中，V′表示测量电压，Vm表示各个拓扑结构中各个节点的计算电压；
所述谐波相似度矩阵形式如下：
Figure FDA0004125513950000052
其中，ΔW表示筛选出的拓扑结构对应的谐波功率与当前测量得到的谐波功率之间的偏差。
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