專利名稱：基于潮流方程靈敏度分析的非pmu測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)廣域測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種對(duì)非PMU測(cè)點(diǎn)的量測(cè)量的 動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行估計(jì)的方法。
背景技術(shù)：
為了保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確而全面的實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的信息采集主要來(lái)源于RTU和各種廠站綜合自動(dòng)化裝置在線提供的大量靜態(tài) 和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)信息，以及故障錄波和保護(hù)裝置事后提供的大量暫態(tài)信息。信息的來(lái)源導(dǎo)致數(shù)據(jù) 采集與監(jiān)控系統(tǒng)(Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA)采樣間隔為3 5秒，同時(shí)SCADA系統(tǒng)只能監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的靜態(tài)特征，不能實(shí)時(shí)反映電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)行為?；谌?定位系統(tǒng)(GPS)的相量測(cè)量單元(Phasor Measurement Unit, PMU)的成功研制，標(biāo)志著同 步相量測(cè)量技術(shù)的誕生，同步相量測(cè)量單元的采樣間隔為5ms 30ms，為電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行 為的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了可能性。但是由于價(jià)格和通訊技術(shù)上的要求，目前不可能在全網(wǎng)安裝 PMU，所以目前的基于PMU的廣域測(cè)量系統(tǒng)(Wide AreaMeasurement System, WAMS)難以解 決電網(wǎng)的可觀測(cè)性的全部要求。因此有文獻(xiàn)提出了時(shí)空綜合防御框架的概念，指出應(yīng)該盡 可能地整合信息源提供的數(shù)據(jù)構(gòu)建統(tǒng)一的廣域信息平臺(tái)，這些信息數(shù)據(jù)源應(yīng)該包括SCADA 系統(tǒng)采集的靜態(tài)數(shù)據(jù)，PMU采集的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，故障錄波器提供的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以及對(duì)預(yù)想事 故進(jìn)行仿真提供的偽量測(cè)。如何利用這些混合量測(cè)通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘獲得電網(wǎng)的廣域靜態(tài)和廣 域動(dòng)態(tài)信息是目前研究的熱點(diǎn)。有文獻(xiàn)提出了基于SCADA/PMU的靜態(tài)狀態(tài)估計(jì)模型，通過(guò) 部分節(jié)點(diǎn)安裝PMU后提高狀態(tài)估計(jì)的精度，這些方法僅僅是利用PMU的量測(cè)改善傳統(tǒng)狀態(tài) 估計(jì)的精度，不能動(dòng)態(tài)跟蹤電網(wǎng)的狀態(tài)。還有文獻(xiàn)結(jié)合SCADA系統(tǒng)和部分PMU量測(cè)，提出了 一種基于擴(kuò)展Kalman濾波的動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)方法，該方法雖然采用動(dòng)態(tài)遞推狀態(tài)估計(jì)，但是 SCADA系統(tǒng)刷新較慢，所以這種方法也僅僅是一種"靜態(tài)"估計(jì)方法。另有文獻(xiàn)提出了一種 基于SCADA/PMU的混合實(shí)時(shí)狀態(tài)估計(jì)方法，但是該方法需要結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)量轉(zhuǎn)換 預(yù)測(cè)再通過(guò)潮流計(jì)算預(yù)報(bào)狀態(tài)，由于運(yùn)行方式和故障形態(tài)的組合爆炸，對(duì)歷史數(shù)據(jù)的前期 分析不僅計(jì)算量十分龐大，而且也難完全保證預(yù)測(cè)的精度，并且潮流計(jì)算會(huì)增加相應(yīng)的計(jì) 算時(shí)間，狀態(tài)運(yùn)行周期為秒級(jí)。以上這些基于PMU的混合狀態(tài)估計(jì)模型都沒(méi)有從真正意義 上跟蹤電網(wǎng)動(dòng)態(tài)行為。 最近有文獻(xiàn)提出了真正意義上的對(duì)非PMU測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)的方法， 但是該方法完全不依賴網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和電網(wǎng)狀態(tài)矩陣或潮流方程的信息，而是采用類似于"黑 箱"辨識(shí)的方法，僅基于已有的PMU和SCADA的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，不利用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和拓?fù)湫畔?，?duì)非 PMU量測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行黑箱估計(jì)。 本發(fā)明提出了一種新的基于SCADA/PMU混合量測(cè)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)方法，該方 法區(qū)別于基于統(tǒng)計(jì)學(xué)準(zhǔn)則的傳統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)以及黑箱辨識(shí)技術(shù)，以穩(wěn)態(tài)時(shí)刻的SCADA或靜態(tài) 狀態(tài)估計(jì)提供的潮流斷面值為初始狀態(tài)，通過(guò)研究電網(wǎng)潮流方程各節(jié)點(diǎn)間電壓相量變化的 函數(shù)關(guān)系，利用若干已安裝PMU的節(jié)點(diǎn)的電壓相量動(dòng)態(tài)過(guò)程量測(cè)曲線可以迅速、直接地計(jì)算其他未安裝PMU節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)的電壓相量動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線，這種估計(jì)本質(zhì)上是一種動(dòng)態(tài)過(guò)程 計(jì)算。由于該方法嚴(yán)格按照潮流分布來(lái)決定節(jié)點(diǎn)間的電壓變化的相互聯(lián)系以及PMU具有較 高的測(cè)量精度，所以在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和狀態(tài)信息誤差小的情況下，這種過(guò)程估計(jì)可以保證很高 的精度，并能保證未安裝PMU的節(jié)點(diǎn)可以以PMU裝置相應(yīng)的采樣頻率進(jìn)行快速的狀態(tài)刷新。
發(fā)明內(nèi)容
為了在PMU布點(diǎn)不足的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)各非PMU量測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程的實(shí)時(shí)估計(jì)和 監(jiān)視。本發(fā)明專利公開(kāi)了一種根據(jù)潮流方程得到的電壓相量的靈敏度矩陣，利用安裝相量 測(cè)量單元節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)或狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)未 安裝PMU節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)的方法。本發(fā)明具體技術(shù)方案如下
該方法利用由潮流雅可比矩陣推出的各節(jié)點(diǎn)間電壓變化量間的靈敏度關(guān)系，通過(guò) SCADA或狀態(tài)估計(jì)提供的初始值，和安裝了 PMU的節(jié)點(diǎn)的電壓相量的動(dòng)態(tài)量測(cè)可以估計(jì)出 其它未安裝PMU節(jié)點(diǎn)的電壓相量的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。電網(wǎng)中電流、功率、頻率等其他電氣量的 動(dòng)態(tài)變化過(guò)程由各節(jié)點(diǎn)電壓動(dòng)態(tài)變化過(guò)程和電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)求出。具體步驟說(shuō)明如下
步驟1 :選擇需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)的無(wú)相量測(cè)量單元PMU的節(jié)點(diǎn)i，以及該節(jié)點(diǎn) 需要直接進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)的物理量Xi，包括該節(jié)點(diǎn)的電壓幅值Vi和電壓相角e,;以及需 要間接進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程的物理量Yi，例如電流、功率、頻率等。這里直接動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)是指利 用PMU/SCADA混合量測(cè)，根據(jù)本發(fā)明給出的有PMU節(jié)點(diǎn)與無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)間電壓相量變化量的 靈敏度關(guān)系，推算無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)電壓幅值或電壓相位的過(guò)程；而間接動(dòng)估計(jì)，是指利用節(jié)點(diǎn)電 壓根據(jù)電路方程求解其他電氣量的過(guò)程。在選擇需要進(jìn)行直接動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)的節(jié)點(diǎn)時(shí)，要 注意考慮有些只能間接進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)的電氣量，例如線路電流和功率，需要先對(duì)線路 兩端的節(jié)點(diǎn)電壓相量進(jìn)行直接動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)，因此線路兩端的節(jié)點(diǎn)都需要被選為需要做直 接動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)求節(jié)點(diǎn)電壓相量的點(diǎn)。 步驟2 :對(duì)每一個(gè)無(wú)相量測(cè)量單元PMU節(jié)點(diǎn)i選擇用于估計(jì)其動(dòng)態(tài)過(guò)程的有PMU節(jié) 點(diǎn)集合Spmu—i :該集合中的相量測(cè)量單元PMU節(jié)點(diǎn)由節(jié)點(diǎn)i所在電氣島中距離節(jié)點(diǎn)i電氣距 離最近的4 6個(gè)有PMU節(jié)點(diǎn)組成。 步驟3 :根據(jù)當(dāng)前最新SCADA量測(cè)或狀態(tài)估計(jì)結(jié)果，計(jì)算出當(dāng)前的潮流雅可比矩 陣，并由潮流雅可比矩陣元素推導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)集合Spmu—i中各有PMU節(jié)點(diǎn)j的量測(cè)量變化量與無(wú) PMU節(jié)點(diǎn)i的量測(cè)量變化量間的靈敏度系數(shù)aij，以及節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的關(guān)于該類量測(cè) 量(電壓幅值或電壓相角)的電氣距離dij。具體計(jì)算方法如下 (1)量測(cè)量變化量間的靈敏度系數(shù)aij的計(jì)算方法以電壓幅值變化量間的靈敏度 關(guān)系為例。在較小的時(shí)間段內(nèi)，認(rèn)為同一電氣島(島中任意兩節(jié)點(diǎn)有物理電氣路徑相連)中 兩節(jié)點(diǎn)i， j間電壓的幅值變化是成比例的即A 、 = aij A Vj。式中"(/ 4M/3aFK/3a]， 其中3F/3g是PQ解耦的無(wú)功潮流方程A Q = -L A V的雅可比矩陣L的逆矩陣中的元素，下 標(biāo)i， j對(duì)應(yīng)L矩陣的行列號(hào)。由于各個(gè)潮流斷面時(shí)刻節(jié)點(diǎn)電壓是變化的，因此L及其逆是 變化的。 為了避免在每次潮流變化后重新求解雅可比矩陣L以及其逆，從而滿足實(shí)時(shí)計(jì)算 的要求，采用類似快速PQ解耦潮流計(jì)算方法中所采用的兩個(gè)假設(shè)(l)線路兩端的相角差 不大，而且電導(dǎo)|Gij|遠(yuǎn)小于電納|Bij| ;(2)節(jié)點(diǎn)無(wú)功功率相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)納Qi/V/遠(yuǎn)小于節(jié)點(diǎn)自導(dǎo)納。此時(shí)，無(wú)功潮流方程可寫(xiě)成AQ' = AQ/V = B〃 AV，其中B〃是由節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣 的虛部(即電納)組成，是一個(gè)常數(shù)對(duì)稱矩陣，具體計(jì)算方法可參見(jiàn)電力系統(tǒng)潮流計(jì)算方面 的教科書(shū)。在這種假設(shè)下，可重新定義 =[3^ /3"'PK / 3"']，其中5F/ S0'是節(jié)點(diǎn)電納
矩陣虛部B〃的逆矩陣中元素，V是節(jié)點(diǎn)電壓幅值，Q'是節(jié)點(diǎn)的注入無(wú)功功率，下標(biāo)表示對(duì) 應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號(hào)，因此靈敏度系數(shù)aij變成常數(shù)，只需要在程序開(kāi)始時(shí)以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變 化時(shí)計(jì)算一次便可。 類似地，可根據(jù)快速PQ解耦的潮流計(jì)算方程推得電壓相角變化量間的靈敏度系 數(shù)％ =[辨/ W]，其中^/W是快速PQ解耦潮流計(jì)算方法中有功潮流方程節(jié)點(diǎn) 導(dǎo)納矩陣虛部B'的逆矩陣中的元素，e是節(jié)點(diǎn)電壓相對(duì)于同一電氣島內(nèi)某選定參考點(diǎn)的 相角，P'是節(jié)點(diǎn)的注入有功功率，下標(biāo)表示對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號(hào)。 應(yīng)指出的是當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生短路跳閘、斷線等線路開(kāi)斷事件時(shí)，對(duì)步驟3中的節(jié)點(diǎn) 電納矩陣B〃和B'應(yīng)進(jìn)行如下修正若線路開(kāi)斷發(fā)生于節(jié)點(diǎn)i與j之間，則B〃矩陣中的 Bii〃 (節(jié)點(diǎn)i的自電納)和Bjj〃 (節(jié)點(diǎn)j的自電納)元素分別減去被開(kāi)斷線路的電納bij， 而B(niǎo)〃矩陣中的Bi/'(節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j間的互電納)和Bji〃 (節(jié)點(diǎn)j和節(jié)點(diǎn)i間的互電 納)元素分別加上被開(kāi)斷線路的電納bij;同時(shí)，B'矩陣中的Bii〃和Bj/元素分別減去被 開(kāi)斷線路的電納bij，而B(niǎo)'矩陣中的Bi/和Bji'元素分別加上被開(kāi)斷線路的電納bij。
(2)節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的關(guān)于該類量測(cè)量(電壓幅值或電壓相角)的電氣距離
的計(jì)算公式如下
=-logw(aijXaji) 步驟4 :在最新的SCADA或狀態(tài)估計(jì)時(shí)間斷面Tk后，直到下一次SCADA或狀態(tài)估計(jì) 出現(xiàn)的Tk+1時(shí)間斷面前的PMU量測(cè)時(shí)段，根據(jù)步驟3中的各靈敏度系數(shù)aij和電氣距離dij， 由有PMU節(jié)點(diǎn)量測(cè)量相對(duì)于Tk時(shí)間斷面的變化量AXj(t)估計(jì)出無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)的量測(cè)量相對(duì) 于Tk時(shí)間斷面的變化量A & (t) ， Tk的下標(biāo)k表示第k次SCADA量測(cè)或第k次狀態(tài)估計(jì)，循 環(huán)變量k為從0開(kāi)始的整數(shù)，t表示PMU量測(cè)時(shí)刻，所使用的估計(jì)公式如下 步驟5 :根據(jù)方程式Xi(t) = AXi(t)+Xi(Tk)，求出該無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)的待估計(jì)量在各 PMU量測(cè)時(shí)刻t的估計(jì)值Xi (t)，其中Tk < t < Tk+1 ; 步驟6 :在各PMU采樣時(shí)刻，根據(jù)潮流方程即電路方程利用直接動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)得到 的各節(jié)點(diǎn)的電壓相量計(jì)算需要的電流、有功功率、無(wú)功功率等電氣量，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的相 角進(jìn)行求導(dǎo)可求得各節(jié)點(diǎn)的角速度，并進(jìn)而得到節(jié)點(diǎn)頻率；從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)i的電 氣量l的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行間接動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)。 步驟7:當(dāng)有新的SCADA量測(cè)數(shù)據(jù)或狀態(tài)估計(jì)結(jié)果出現(xiàn)時(shí)，返回步驟3，進(jìn)行下一 PMU量測(cè)時(shí)段的動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)。 本發(fā)明基于SCADA/PMU混合量測(cè)，對(duì)非PMU測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了在線估計(jì)，而且 由于其利用了電網(wǎng)的拓?fù)洹?shù)和狀態(tài)信息，在這些信息誤差小的情況下，其動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì) 的精度將非常高，并能保證未安裝PMU的節(jié)點(diǎn)可以以PMU裝置相應(yīng)的采樣頻率進(jìn)行快速的
6狀態(tài)刷新。例如，通過(guò)對(duì)大量故障的仿真算例表明，其動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)的誤差通常在±0. 1% 之內(nèi)，這通常滿足對(duì)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行監(jiān)視的精度要求。
圖1基于潮流方程靈敏度分析的非PMU測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)估計(jì)算法流程圖； 圖2IEEE 39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)圖； 圖3切除負(fù)荷事件下，無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)2電壓幅值仿真曲線和估計(jì)曲線； 圖4切除負(fù)荷事件下，無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)2電壓幅值仿真值和估計(jì)值的誤差曲線； 圖5單相短路切線路事件下，無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)2電壓幅值仿真曲線和估計(jì)曲線； 圖6單相短路切線路事件下，無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)2電壓幅值仿真值和估計(jì)值的誤差曲線。
具體實(shí)施例方式
在實(shí)際系統(tǒng)中，基于本發(fā)明原理的動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)估計(jì)軟件可運(yùn)行于下述的典型軟 硬件環(huán)境中。將動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)估計(jì)軟件運(yùn)行于控制中心的廣域測(cè)量系統(tǒng)(WAMS)的高級(jí)應(yīng) 用服務(wù)器。動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)估計(jì)軟件從SCADA/EMS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)庫(kù)在線獲得當(dāng)前電網(wǎng)的SCADA 量測(cè)值或狀態(tài)估計(jì)值(包含開(kāi)關(guān)、刀閘等拓?fù)湫畔?，以及進(jìn)行潮流計(jì)算所需要的網(wǎng)絡(luò)參數(shù) 信息。然后，利用本發(fā)明給出的方法求出在當(dāng)前SCADA或狀態(tài)估計(jì)時(shí)間斷面對(duì)應(yīng)的各待估 計(jì)量測(cè)量相關(guān)的au和參數(shù)；在接收到下一次SCADA量測(cè)值或狀態(tài)估計(jì)值之前，動(dòng)態(tài)過(guò)程 實(shí)時(shí)估計(jì)軟件利用當(dāng)前無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)的aij和參數(shù)以及從WAMS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器獲得的相 關(guān)有PMU節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓幅值、電壓相位量測(cè)值，對(duì)無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)的待估計(jì)電壓相量在各PMU 量測(cè)時(shí)間斷面的相應(yīng)值進(jìn)行估計(jì)，并進(jìn)一步結(jié)合網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，根據(jù)電路方程求出需要的電流、 功率以及頻率等間接估計(jì)量，然后將各PMU量測(cè)時(shí)間斷面的估計(jì)結(jié)果存入到WAMS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 服務(wù)器，并做出標(biāo)記表明是非PMU實(shí)測(cè)值。需要指出的是，由于目前SCADA通常不測(cè)量節(jié)點(diǎn) 電壓相角，因此要進(jìn)行節(jié)點(diǎn)電壓相角的動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)，通常需要從狀態(tài)估計(jì)獲取相應(yīng)信息。 為了提高估計(jì)的精度，當(dāng)從狀態(tài)估計(jì)獲取信息時(shí)，狀態(tài)估計(jì)斷面間的時(shí)間間隔最好小于1 分鐘，最長(zhǎng)不超過(guò)5分鐘。 下面結(jié)合仿真算例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的具體步驟進(jìn)行進(jìn)一步的描述，附圖1給出 了本發(fā)明方法的軟件實(shí)現(xiàn)流程圖。為了驗(yàn)證本發(fā)明方法的有效性，在下面的算例中待估計(jì) 動(dòng)態(tài)過(guò)程的量測(cè)量的實(shí)際值由仿真程序給出，這樣就可以將估計(jì)出的動(dòng)態(tài)過(guò)程與實(shí)際的動(dòng) 態(tài)過(guò)程進(jìn)行比較，求得動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)的誤差，以驗(yàn)證本發(fā)明方法的有效性。基于潮流方程靈 敏度分析的非PMU測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下 (1)選擇需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)的無(wú)相量測(cè)量單元PMU的節(jié)點(diǎn)i，以及該節(jié)點(diǎn)需 要直接進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)的物理量Xi，包括該節(jié)點(diǎn)的電壓幅值Vi和電壓相角e,;以及需要 間接進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程的物理量Yi，例如電流、功率、頻率等。這里直接動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)是指利用 PMU/SCADA混合量測(cè)，根據(jù)本發(fā)明給出的有PMU節(jié)點(diǎn)與無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)間電壓相量變化量的靈敏 度關(guān)系，推算無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)電壓幅值或電壓相位的過(guò)程；而間接動(dòng)估計(jì)，是指利用節(jié)點(diǎn)電壓根 據(jù)電路方程求解其他電氣量的過(guò)程。在選擇需要進(jìn)行直接動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)的節(jié)點(diǎn)時(shí)，要注意 考慮有些只能間接進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)的電氣量，例如線路電流和功率，需要先對(duì)線路兩端 的節(jié)點(diǎn)電壓相量進(jìn)行直接動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)，因此線路兩端的節(jié)點(diǎn)都需要被選為需要做直接動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)求節(jié)點(diǎn)電壓相量的點(diǎn)。 (2)對(duì)每一個(gè)無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)i選擇用于估計(jì)其動(dòng)態(tài)過(guò)程的有PMU節(jié)點(diǎn)集合Spmu—i :該 集合中的相量測(cè)量單元PMU節(jié)點(diǎn)由節(jié)點(diǎn)i所在電氣島中距離節(jié)點(diǎn)i電氣距離最近的4 6 個(gè)有PMU節(jié)點(diǎn)組成。 (3)判斷是否是首次計(jì)算即還沒(méi)形成過(guò)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆凶兓羰?，則 根據(jù)快速PQ解耦潮流計(jì)算法形成或修正節(jié)點(diǎn)電納陣B〃和B'，其中B〃是無(wú)功潮流方程的 節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納陣虛部，B'是有功潮流的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納陣虛部；若否，則轉(zhuǎn)步驟(5)。
(4)求出或更新各無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)i與各相關(guān)有PMU節(jié)點(diǎn)量測(cè)量的a".系數(shù)和電氣距 離dij，方法如下 4. 1)電壓幅值變化量間的靈敏度關(guān)系^=[^/^/][3^/^/]，其中^/^是
快速解耦潮流計(jì)算方法中無(wú)功潮流節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣B〃的逆矩陣中元素。 4. 2)電壓相角變化量間的靈敏度關(guān)系 .=[辨/，其中^/3尸'是快
速PQ解耦潮流計(jì)算方法中有功潮流方程導(dǎo)納陣B'的逆矩陣中的元素。 4. 3)節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的關(guān)于該類量測(cè)量(電壓幅值或電壓相角)的電氣距離
dij的計(jì)算公式為= -logw(aijXaji)。 4.4)當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生短路跳閘、斷線等線路開(kāi)斷事件時(shí)，無(wú)需對(duì)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣虛部 B〃和B'重新計(jì)算，只需按如下方法修正若線路開(kāi)斷發(fā)生于節(jié)點(diǎn)i與j之間，則B〃矩陣 中的Bii〃和Bj/'元素分別減去被開(kāi)斷線路的電納bij，而B(niǎo)〃矩陣中的Bi/'和Bji〃元素分 別加上被開(kāi)斷線路的電納bij;類似地，B'矩陣中的8 '和Bjj'元素分別減去bij，而B(niǎo)' 矩陣中的Bi/和Bji'元素分別加上bij。 (5)獲得當(dāng)前最近的SCADA量測(cè)或狀態(tài)估計(jì)值為隨后時(shí)段的動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)做準(zhǔn) 備，設(shè)最新的SCADA或狀態(tài)估計(jì)時(shí)間斷面Tk時(shí)間斷面為Tk。 (6)判斷是否有新的PMU量測(cè)斷面，若有則轉(zhuǎn)下一步進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)，否則轉(zhuǎn)到 步驟(12)。 (7)計(jì)算出在當(dāng)前時(shí)刻t，有PMU節(jié)點(diǎn)的量測(cè)相對(duì)于最近的SCADA量測(cè)或狀態(tài)估計(jì) 值的變化量AXj(t)。 (8)根據(jù)步驟4中的各靈敏度系數(shù)&和電氣距離dij，由有PMU節(jié)點(diǎn)量測(cè)量相對(duì) 于Tk時(shí)間斷面的變化量AXj(t)估計(jì)出無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)的量測(cè)量相對(duì)于Tk時(shí)間斷面的變化量 A & (t)，所使用的估計(jì)公式如下 A^(f),，-:…—— (9)根據(jù)方程式Xi(t) = AXi(t)+Xi(Tk)，求出該無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)的待估計(jì)量在各PMU 量測(cè)時(shí)刻t的估計(jì)值& (t)，其中Tk < t < Tk+1。 (10)判斷在當(dāng)前PMU采樣時(shí)刻t還有無(wú)其他需要估計(jì)的電壓幅值和電壓相角量 測(cè)，若有則轉(zhuǎn)到步驟(7);否則轉(zhuǎn)到下一步進(jìn)行間接過(guò)程估計(jì)。 (11)計(jì)算間接估計(jì)量在當(dāng)前PMU采樣時(shí)刻t，根據(jù)潮流方程即電路方程利用直接 動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)得到的各節(jié)點(diǎn)的電壓相量計(jì)算需要的節(jié)點(diǎn)電流、支路電流、有功功率、無(wú)功功
8率等電氣量；通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的相角進(jìn)行求導(dǎo)可求得各節(jié)點(diǎn)的角速度，并進(jìn)而得到節(jié)點(diǎn)頻 率；從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)i的電氣量Yi的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行間接動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)。在本 步驟，通常還應(yīng)將當(dāng)前PMU量測(cè)時(shí)間斷面t的直接和間接估計(jì)結(jié)果存入到WAMS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服 務(wù)器，并做出標(biāo)記表明是非PMU實(shí)測(cè)值。 (12)判斷是否有新的SCADA或狀態(tài)估計(jì)斷面，若有則返回步驟(3)以新的SCADA 斷面為起點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)，否則進(jìn)行下一步。 (13)判斷是否需要終止動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)程序，若為否，則返回步驟6判斷檢測(cè)有無(wú) 新的PMU斷面，否則進(jìn)行下一步終止程序。
(14)終止動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)程序。 下面以IEEE 39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)(見(jiàn)附圖2)為例，給出仿真實(shí)例來(lái)驗(yàn)證本發(fā)明所提出方 法的有效性。假設(shè)節(jié)點(diǎn)1、3、10、16、18、28安裝了 PMU，這種安裝方法不能保證電網(wǎng)的完全 可觀測(cè)性，所以需要采用本專利提出的方法對(duì)未安裝PMU的節(jié)點(diǎn)，例如節(jié)點(diǎn)2的電壓相量進(jìn) 行估計(jì)。以PST 2. O(Power System Toolbox)對(duì)不同故障場(chǎng)景進(jìn)行時(shí)域仿真，積分時(shí)間為 3s。以仿真計(jì)算獲得的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)1、3、7、10、16、28處的電壓相量做為對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)PMU所獲得 的量測(cè)。這里給出關(guān)于兩個(gè)故障事件的仿真結(jié)果供參考。 事件1 :0. Is時(shí)刻切除節(jié)點(diǎn)15的負(fù)荷。利用所有與節(jié)點(diǎn)2有較高電氣聯(lián)系并且
安裝了 PMU的節(jié)點(diǎn)(此時(shí)選擇節(jié)點(diǎn)1、3、7、10)的電壓量測(cè)對(duì)節(jié)點(diǎn)2的電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程估
計(jì)，節(jié)點(diǎn)2電壓幅值仿真曲線和估計(jì)曲線見(jiàn)圖3，兩者的誤差曲線見(jiàn)圖4，可見(jiàn)電壓幅值動(dòng)態(tài)
估計(jì)的誤差絕對(duì)值在5X 10—4即0. 05%之內(nèi)，即具有很高的動(dòng)態(tài)估計(jì)精度。 事件2 :假設(shè)O. ls線路29(其相關(guān)節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)17、 18)發(fā)生單相短路故障，O. 12s
切除該線路故障。采用有PMU節(jié)點(diǎn)1、3、7、10的電壓相量對(duì)節(jié)點(diǎn)2的電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程估
計(jì)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)2電壓幅值仿真曲線和估計(jì)曲線見(jiàn)圖5，兩者的誤差曲線見(jiàn)圖6，可見(jiàn)電壓幅值
動(dòng)態(tài)估計(jì)的誤差在(2X10—4 7X10—4)即(0.02% 0.07% )之內(nèi)，即具有很高的動(dòng)態(tài)估
計(jì)精度。 從上述仿真結(jié)果可見(jiàn)利用本專利提出的方法對(duì)未安裝PMU的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程 估計(jì)的精度很高，可以滿足在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需求。
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權(quán)利要求
一種基于潮流方程靈敏度分析的非PMU測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)方法，所述方法利用由潮流雅可比矩陣推出的各節(jié)點(diǎn)間電壓變化量間的靈敏度關(guān)系，通過(guò)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADA或狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)提供的初始值，和安裝了相量測(cè)量單元PMU的節(jié)點(diǎn)的電壓相量的動(dòng)態(tài)量測(cè)估計(jì)出其它未安裝相量測(cè)量單元PMU節(jié)點(diǎn)的電壓相量的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程；其特征在于，所述基于潮流方程靈敏度分析的非相量測(cè)量單元PMU測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)估計(jì)方法包括以下步驟步驟1選擇需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)的無(wú)相量測(cè)量單元PMU的節(jié)點(diǎn)i，以及該節(jié)點(diǎn)需要直接進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)的物理量Xi，包括該節(jié)點(diǎn)的電壓幅值Vi和電壓相角θi；以及需要間接進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程的物理量Yi，包括電流、功率、頻率；所述直接動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)是指根據(jù)有相量測(cè)量單元PMU節(jié)點(diǎn)與無(wú)相量測(cè)量單元PMU節(jié)點(diǎn)間電壓相量變化量的靈敏度關(guān)系，推算無(wú)相量測(cè)量單元PMU節(jié)點(diǎn)電壓幅值或電壓相位的過(guò)程；而所述間接動(dòng)估計(jì)，是指利用節(jié)點(diǎn)電壓，根據(jù)電路方程求解其他電氣量的過(guò)程；步驟2對(duì)每一個(gè)無(wú)相量測(cè)量單元PMU節(jié)點(diǎn)i選擇用于估計(jì)其動(dòng)態(tài)過(guò)程的有相量測(cè)量單元PMU節(jié)點(diǎn)集合Spmu-i該集合中的相量測(cè)量單元PMU節(jié)點(diǎn)由節(jié)點(diǎn)i所在電氣島中距離節(jié)點(diǎn)i電氣距離最近的4～6個(gè)有PMU節(jié)點(diǎn)組成；步驟3根據(jù)當(dāng)前最新的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADA量測(cè)或狀態(tài)估計(jì)結(jié)果，計(jì)算出當(dāng)前的潮流雅可比矩陣，并由潮流雅可比矩陣元素推導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)集合Spmu-i中各有相量測(cè)量單元PMU節(jié)點(diǎn)j的量測(cè)量變化量與無(wú)相量測(cè)量單元PMU節(jié)點(diǎn)i的量測(cè)量變化量間的靈敏度系數(shù)aij，以及節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間關(guān)于該類量測(cè)量的電氣距離dij，具體如下電壓幅值變化量間的靈敏度關(guān)系其中是快速PQ解耦潮流計(jì)算方法中無(wú)功潮流方程的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣虛部B″的逆矩陣中元素，V是節(jié)點(diǎn)電壓幅值，Q’是節(jié)點(diǎn)的注入無(wú)功功率，下標(biāo)表示對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號(hào)；電壓相角變化量間的靈敏度系數(shù)其中是快速PQ解耦潮流計(jì)算方法中有功潮流方程節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣虛部B′的逆矩陣中元素，θ是節(jié)點(diǎn)電壓相對(duì)于同一電氣島內(nèi)某選定參考點(diǎn)的相角，P’是節(jié)點(diǎn)的注入有功功率，下標(biāo)表示對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號(hào)；根據(jù)上面得到的量測(cè)量間的靈敏度系數(shù)，可按下式計(jì)算出對(duì)應(yīng)量測(cè)量間的電氣距離dijdij＝-log10(aij×aji)步驟4在所述當(dāng)前最新的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADA量測(cè)或狀態(tài)估計(jì)時(shí)間斷面Tk后，直到下一次電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADA量測(cè)或狀態(tài)估計(jì)出現(xiàn)的Tk+1時(shí)間斷面前的相量測(cè)量單元PMU量測(cè)時(shí)段，根據(jù)步驟3中的各靈敏度系數(shù)aij和電氣距離dij，由有相量測(cè)量單元PMU節(jié)點(diǎn)量測(cè)量相對(duì)于Tk時(shí)間斷面的變化量ΔXj(t)估計(jì)出無(wú)相量測(cè)量單元PMU節(jié)點(diǎn)的量測(cè)量相對(duì)于Tk時(shí)間斷面的變化量ΔXi(t)，Tk的下標(biāo)k表示第k次電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADA量測(cè)或第k次狀態(tài)估計(jì)，循環(huán)變量k為從0開(kāi)始的整數(shù)，t表示相量測(cè)量單元PMU量測(cè)時(shí)刻，所使用的估計(jì)公式如下 <mrow><mi>Δ</mi><msub> <mi>X</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><munder> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>∈</mo><msub> <mi>S</mi> <mrow><mi>pmu</mi><mo>-</mo><mi>i</mi> </mrow></msub> </mrow></munder><msub> <mi>a</mi> <mi>ij</mi></msub><mi>Δ</mi><msub> <mi>X</mi> <mi>j</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub> <mi>d</mi> <mi>ij</mi></msub> </mrow> <mrow><munder> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>∈</mo><msub> <mi>S</mi> <mrow><mi>pmu</mi><mo>-</mo><mi>i</mi> </mrow></msub> </mrow></munder><mn>1</mn><mo>/</mo><msub> <mi>d</mi> <mi>ij</mi></msub> </mrow></mfrac> </mrow>步驟5根據(jù)方程式Xi(t)＝ΔXi(t)+Xi(Tk)，求出該無(wú)相量測(cè)量單元PMU節(jié)點(diǎn)的待估計(jì)量在各相量測(cè)量單元PMU量測(cè)時(shí)刻t的估計(jì)值Xi(t)，其中Tk＜t＜Tk+1；步驟6在各相量測(cè)量單元PMU采樣時(shí)刻，根據(jù)潮流方程即電路方程利用直接動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)得到的各節(jié)點(diǎn)的電壓相量計(jì)算需要的電流、有功功率、無(wú)功功率，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的相角進(jìn)行求導(dǎo)可求得各節(jié)點(diǎn)的角速度，并進(jìn)而得到節(jié)點(diǎn)頻率；從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各無(wú)PMU節(jié)點(diǎn)i的電氣量Yi的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行間接動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)；步驟7當(dāng)有新的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADA量測(cè)數(shù)據(jù)或狀態(tài)估計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)，返回步驟3，進(jìn)行下一PMU量測(cè)時(shí)段的動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)。F2010100340838C00011.tif,F2010100340838C00012.tif,F2010100340838C00013.tif,F2010100340838C00014.tif
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于潮流方程靈敏度分析的非PMU測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)估計(jì)方 法，其特征在于在步驟1中在選擇需要進(jìn)行直接動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)的節(jié)點(diǎn)時(shí)，對(duì)于只能間接進(jìn) 行動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)的電氣量，需要先對(duì)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)電壓相量進(jìn)行直接動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)，因此與 間接進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)的電氣量有關(guān)的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)都需要被選為需要做直接動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì) 求相應(yīng)節(jié)點(diǎn)電壓相量的點(diǎn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于潮流方程靈敏度分析的非PMU測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)估計(jì) 方法，其特征在于當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生短路跳閘、斷線等線路開(kāi)斷事件時(shí)，對(duì)步驟3中的節(jié)點(diǎn)導(dǎo) 納矩陣虛部B〃和B'進(jìn)行如下修正若線路開(kāi)斷發(fā)生于節(jié)點(diǎn)i與j之間，則B〃矩陣中的 Bii〃 、即節(jié)點(diǎn)i的自電納，和Bj/'、即節(jié)點(diǎn)j的自電納分別減去被開(kāi)斷線路的電納bij，而B(niǎo)" 矩陣中的Bi/'、即節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j間的互電納，和Bji〃 、即節(jié)點(diǎn)j和節(jié)點(diǎn)km，間的互電納分 別加上被開(kāi)斷線路的電納bij;同時(shí)，B'矩陣中的自電納Bii和Bj/'元素分別減去被開(kāi)斷線 路的電納bi,.，而B(niǎo)'矩陣中的互電納Bi,.'和B,.i'元素分別加上被開(kāi)斷線路的電納bi,.。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種根據(jù)潮流方程得到的電壓相量的靈敏度矩陣，利用安裝相量測(cè)量單元PMU節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADA數(shù)據(jù)或狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)未安裝PMU節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)的方法。該方法利用由潮流雅可比矩陣推出的各節(jié)點(diǎn)間電壓變化量間的靈敏度關(guān)系，通過(guò)SCADA或狀態(tài)估計(jì)提供的初始值和安裝了PMU的節(jié)點(diǎn)的電壓的動(dòng)態(tài)量測(cè)可以估計(jì)出其它未安裝PMU節(jié)點(diǎn)的電壓相量的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。電網(wǎng)中電流、功率、頻率等其他電氣量的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程由各節(jié)點(diǎn)電壓相量值和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，根據(jù)電路原理求出。該方法有效地解決了在電網(wǎng)PMU配置不足的情況下，如何觀測(cè)非PMU測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)過(guò)程的難題。
文檔編號(hào)G01R21/00GK101750562SQ20101003408
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2010年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月13日
發(fā)明者吳京濤, 孫建波, 孫曉彥, 李大虎, 李小平, 李淼, 楊東, 段剛 申請(qǐng)人:湖北省電力公司;北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司