一種基于pmu量測的電力系統(tǒng)多區(qū)域分布式狀態(tài)估計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于PMU量測的電力系統(tǒng)多區(qū)域分布式狀態(tài)估計方法，首先假設(shè)量測模型線性，以擴展子區(qū)域法分區(qū)，擴展的子區(qū)域包含了相鄰區(qū)域的邊界母線，以邊界母線的狀態(tài)量相同為等式約束，WLS為優(yōu)化目標(biāo)，采用ADMM求解，各子區(qū)域僅需交換邊界母線狀態(tài)量信息，無需中央?yún)f(xié)調(diào)側(cè)，保留了各區(qū)域的獨立性；隨后將雙線性理論擴展到計及PMU量測，將傳統(tǒng)的非線性WLS估計轉(zhuǎn)化為三階段問題，第一、三階段為線性WLS估計(各子區(qū)域由ADMM分布式求解)，第二階段為一步非線性變換(各子區(qū)域可獨立變換)。最后，IEEE118的測試結(jié)果驗證了本發(fā)明方法有較高的估計精度、計算效率。
【專利說明】-種基于PMU量測的電力系統(tǒng)多區(qū)域分布式狀態(tài)估計方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[〇〇〇1] 本發(fā)明涉及一種基于PMU量測的電力系統(tǒng)多區(qū)域分布式狀態(tài)估計方法，屬于電力 系統(tǒng)分析控制領(lǐng)域。 【背景技術(shù)】
[0002] 電力系統(tǒng)狀態(tài)估計根據(jù)SCADA提供的實時量測估計出系統(tǒng)最佳的運行狀態(tài)，在現(xiàn) 代能量管理系統(tǒng)（energy management system, EMS)中，一系列后續(xù)分析計算（為確保電網(wǎng) 安全、經(jīng)濟運行）依賴于狀態(tài)估計提供的系統(tǒng)實時運行狀態(tài)，因而狀態(tài)估計已成為現(xiàn)代EMS 不可或缺的基礎(chǔ)功能。
[0003] 隨著國內(nèi)各區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)，不斷增大的系統(tǒng)規(guī)模增加了傳統(tǒng)整體式狀態(tài)估計的 計算負擔(dān)，此外，我國電網(wǎng)采用分層控制、分布處理的模式，各區(qū)域電網(wǎng)的數(shù)據(jù)資源差異較 大，電力市場的發(fā)展也進一步阻礙了各區(qū)域電網(wǎng)數(shù)據(jù)的共享，因而傳統(tǒng)的整體式狀態(tài)估計 難以符合現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展需求。相比而言，將互聯(lián)大電網(wǎng)按地理位置分為若干個子網(wǎng)，各區(qū) 域獨立進行狀態(tài)估計的分布式算法引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。
[0004] 一般而言，可以從以下5個方面評價電力系統(tǒng)多區(qū)域分布式狀態(tài)估計算法的優(yōu) 劣：1)估計精度：分布式狀態(tài)估計結(jié)果需與整體式方法相同，或者在允許的工程誤差內(nèi)，估 計精度盡可能接近整體式方法；2)計算效率：相比于整體式算法，分布式算法的一大優(yōu)點 在于提高了狀態(tài)估計的計算效率；3)通信復(fù)雜度：區(qū)域間交換的信息量應(yīng)盡可能少，以減 小通信時延、簡化數(shù)據(jù)接口，降低通信復(fù)雜度；4)收斂的魯棒性：分布式算法需在不同的分 區(qū)、拓撲、運行狀態(tài)、量測配置下可靠收斂。5)不良數(shù)據(jù)分析：分布式算法應(yīng)保留整體式算 法的不良數(shù)據(jù)辨識能力，易于計算正則化殘差，特別是對于邊界區(qū)域。
[0005] 傳統(tǒng)的分布式狀態(tài)估計方法大致可分為兩類：1)基于分解協(xié)調(diào)的分層次分布式 狀態(tài)估計方法，該類方法的收斂性能、不良辨識與整體式相當(dāng)，但分區(qū)側(cè)、協(xié)調(diào)側(cè)分開迭代 求解，一般只能求得次優(yōu)解，且分區(qū)側(cè)向協(xié)調(diào)側(cè)傳遞的信息種類繁多，通信復(fù)雜度大；2)無 需協(xié)調(diào)側(cè)的分布式方法，此類方法估計精度高，無需中央?yún)f(xié)調(diào)側(cè)，通信機制簡單，但收斂性 能薄弱，不良數(shù)據(jù)檢測辨識較難。因而傳統(tǒng)的兩類分布式方法均存在一定的不足，難以滿足 現(xiàn)代智能電網(wǎng)的發(fā)展需求。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：本發(fā)明提出一種基于PMU量測的電力系統(tǒng)多區(qū)域分布式狀態(tài)估計方 法，具有較高的計算效率和精度，以及良好的收斂性能。
[0007] 技術(shù)方案：本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于PMU量測的電力系統(tǒng)多區(qū)域分布式 狀態(tài)估計方法，包括以下步驟：
[0008] 1)使用擴展子區(qū)域法對全網(wǎng)分區(qū)，各個擴展子區(qū)域除原有區(qū)域外還包含相鄰子區(qū) 域的邊界母線；
[0009] 2)并以相鄰子區(qū)域邊界母線狀態(tài)量相同作為約束；
[0010] 3)假設(shè)各個子區(qū)域的量測與狀態(tài)量成線性關(guān)系；
[〇〇11] 4)選用加權(quán)最小二乘（WLS)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；
[0012] 5)引入中間輔助變量；
[0013] 6)基于ADMM求解所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；
[0014] 7)將現(xiàn)有處理非線性WLS估計的基于SCADA量測的雙線性理論轉(zhuǎn)化為三個階段， 依次是線性量測模型、中間變量的非線性變換、線性量測模型；
[0015] 8)對所述線性量測模型計及PMU量測；
[0016] 9)以雙線性理論線性化SCADA、PMU混合量測后，第一、三階段為線性WLS估計，各 子區(qū)域由ADMM分布式求解，第二階段為一步非線性變換，各子區(qū)域可獨立變換。
[0017] 優(yōu)選地，所述步驟2)中定義X為全網(wǎng)的狀態(tài)變量，xk[l]、Xl[k]為區(qū)域K、L邊界母 線的狀態(tài)變量，包含了邊界母線{a，b，c，d}的狀態(tài)變量。則基于擴展子區(qū)域的分布式狀態(tài) 估計需滿足以下等式約束：
[0018]
【權(quán)利要求】
1. 一種基于PMU量測的電力系統(tǒng)多區(qū)域分布式狀態(tài)估計方法，其特征在于，包 括以下步驟： 1) 使用擴展子區(qū)域法對全網(wǎng)分區(qū)，各個擴展子區(qū)域除原有區(qū)域外還包含相鄰子區(qū)域的 邊界母線； 2) 并以相鄰子區(qū)域邊界母線狀態(tài)量相同作為約束； 3) 假設(shè)各個子區(qū)域的量測與狀態(tài)量成線性關(guān)系； 4) 選用加權(quán)最小二乘（WLS)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)； 5) 引入中間輔助變量； 6) 基于ADMM求解所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)； 7) 將現(xiàn)有處理非線性WLS估計的基于SCADA量測的雙線性理論轉(zhuǎn)化為三個階段，依次 是線性量測模型、中間變量的非線性變換、線性量測模型； 8) 對所述線性量測模型計及PMU量測； 9) 以雙線性理論線性化SCADA、PMU混合量測后，第一、三階段為線性WLS估計，各子區(qū) 域由ADMM分布式求解，第二階段為一步非線性變換，各子區(qū)域可獨立變換。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PMU量測的電力系統(tǒng)多區(qū)域分布式狀態(tài)估計方法，其特 征在于，所述步驟2)中定義X為全網(wǎng)的狀態(tài)變量，x k[l]、Xl[k]為區(qū)域K、L邊界母線的狀態(tài) 變量，包含了邊界母線{a，b，c，d}的狀態(tài)變量。則基于擴展子區(qū)域的分布式狀態(tài)估計需滿 足以下等式約束：
式中：NK為與區(qū)域K相鄰的區(qū)域集合，N為全網(wǎng)總的分區(qū)數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PMU量測的電力系統(tǒng)多區(qū)域分布式狀態(tài)估計方法，其特 征在于，所述步驟3)中假設(shè)各區(qū)域量測與狀態(tài)量呈如下線性關(guān)系： zk = Hkxk+ek 式中：zk為區(qū)域K的量測量，Hk為區(qū)域K的雅克比矩陣，xk為擴展區(qū)域K的狀態(tài)量，e k 為區(qū)域K的量測噪聲。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PMU量測的電力系統(tǒng)多區(qū)域分布式狀態(tài)估計方法，其特 征在于，所述步驟4)中計及邊界狀態(tài)約束的區(qū)域K的狀態(tài)估計目標(biāo)函數(shù)為：
式中：f(xk)為區(qū)域K的狀態(tài)估計目標(biāo)函數(shù)，WK為權(quán)重矩陣，其大小與量測誤差的協(xié)方 差成反比。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PMU量測的電力系統(tǒng)多區(qū)域分布式狀態(tài)估計方法，其特 征在于，所述步驟5)中引入中間輔助變量x kl，在區(qū)域K中以xkl代替Xl[k]，在區(qū)域L中以 xkl代替xk[l]，即滿足xjk] =xk[l] =xkl，則上式可等價表述為：

引入中間輔助變量Xkl后，各子區(qū)域的狀態(tài)估計保持了完全的獨立性。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PMU量測的電力系統(tǒng)多區(qū)域分布式狀態(tài)估計方法，其特 征在于，所述步驟6)中基于ADMM求解上式，擴展區(qū)域K的狀態(tài)量{x k，xkl，ukl}可依據(jù)下式 求得：
基于ADMM求解子區(qū)域K的狀態(tài)估計，在每次迭代過程中，其相鄰區(qū)域L僅需傳遞邊界 母線的狀態(tài)量Xl [k]。推廣到全網(wǎng)各子區(qū)域的分布式狀態(tài)估計，各相鄰子區(qū)域間在迭代過程 中僅需交換邊界母線的狀態(tài)量，邊界母線的狀態(tài)量可直接通過聯(lián)絡(luò)線傳遞，無需中央?yún)f(xié)調(diào) 偵牝保留了各子區(qū)域的獨立性。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PMU量測的電力系統(tǒng)多區(qū)域分布式狀態(tài)估計方法，其特 征在于，所述步驟7)中將現(xiàn)有非線性WLS估計轉(zhuǎn)化為如下的三階段問題： z = By+ez u = s (y) u = Cx+eu 式中：第一階段（9_a)為線性量測模型，z為量測量，ez為量測誤差，y為第一階段狀態(tài) 變量，B為描述z與y之間線性關(guān)系的雅克比矩陣；第二階段（9-b)為中間變量的非線性變 換，u為中間變量，s( ·)為非線性變換函數(shù)；第三階段的（9-c)為線性量測模型，中間變量 u為等效量測量，X為狀態(tài)量，eu為等效量測誤差，C為描述u與X之間線性關(guān)系的雅克比矩 陣。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PMU量測的電力系統(tǒng)多區(qū)域分布式狀態(tài)估計方法，其特 征在于，所述步驟8)中對所述雙線性模型，可在第三階段計及PMU量測：
式中：θ PMU為PMU量測值，Cθ為由0、1構(gòu)成的恒定矩陣，保證了第三階段量測量與狀態(tài) 量間的線性關(guān)系。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PMU量測的電力系統(tǒng)多區(qū)域分布式狀態(tài)估計方法，其特 征在于，所述步驟9)中第一、三階段的迭代求解的收斂門檻為：
式中：ε為收斂門檻，本發(fā)明取ε =〇.〇〇1。
【文檔編號】G06F19/00GK104092212SQ201410357314
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】陳 勝, 衛(wèi)志農(nóng), 孫國強, 孫永輝, 張思德, 陳晨, 錢臻, 厲超 申請人:河海大學(xué)