基于配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)及可靠性分析

胡興 黃敏

摘 要：電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)是當(dāng)電網(wǎng)模型給定，并且知道電網(wǎng)設(shè)備的停運(yùn)實(shí)況，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的實(shí)時(shí)量測數(shù)據(jù)，剔除測量數(shù)據(jù)中含有的不良數(shù)據(jù)后估計(jì)出母線的電壓幅值和相角的最優(yōu)值，并計(jì)算出線路或變壓器上流過的有功功率和無功功率，從而對整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況形成完整準(zhǔn)確的掌握。隨著電力系統(tǒng)的負(fù)荷成為人們?nèi)找嬖鲩L的生活一部分，人們對電力依賴性越來越強(qiáng)，所以配電網(wǎng)狀態(tài)評估及穩(wěn)定可靠性研究越為越必要性。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；狀態(tài)估計(jì)；可靠性

中圖分類號：TM732 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）24-0047-02

Abstract： The state estimation of power system is based on the real-time measurement data collected by data acquisition system when the grid model is given and the outage of power network equipment is known. After eliminating the bad data contained in the measured data， the voltage amplitude and phase angle of the bus are estimated， and the active power and reactive power flowing through the line or transformer are calculated. In order to form a complete and accurate grasp of the quasi-steady-state operation of the whole system. As the load of power system becomes more and more obvious， people are more and more dependent on power， so it is more and more necessary to study the state evaluation and stability reliability of distribution network.

Keywords： distribution network； state estimation； reliability

引言

目前互聯(lián)大電網(wǎng)的元件種類繁多、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行方式及運(yùn)行環(huán)境多變，負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化，使得可靠性評估及靈敏度計(jì)算復(fù)雜。針對電網(wǎng)的網(wǎng)架復(fù)雜及運(yùn)行方式多變導(dǎo)致靈敏度分析中計(jì)算量大，計(jì)算時(shí)間長。在過去幾十年中，對于電力系統(tǒng)可靠性的研究，主要側(cè)重于發(fā)電和輸變電組成的大電力系統(tǒng)，配電系統(tǒng)的可靠性研究遠(yuǎn)沒得到應(yīng)有的重視，有統(tǒng)計(jì)資料顯示，大約有80%的停電事故由配電系統(tǒng)故障所造成，因此配電系統(tǒng)可靠性的研究對保障用戶電力供應(yīng)具有極其重要的意義。

1 FEMA法原理

目前改進(jìn)的配電網(wǎng)可靠性評估方法還有最小路法和網(wǎng)絡(luò)等值法等。相關(guān)學(xué)者運(yùn)用的是基于最小路的算法將非最小路上的元件故障影響折算到最小路節(jié)點(diǎn)上，對最小路上的元件計(jì)算負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)，該方法在網(wǎng)絡(luò)中含有復(fù)雜分支饋線時(shí)評估效果不理想，而且對非最小路上的元件故障影響的折算也會影響計(jì)算精度。另一方面有基于最小割集法將需要計(jì)算的故障狀態(tài)縮小到最小割集內(nèi)，大大減小了計(jì)算量，但由于配電系統(tǒng)日益復(fù)雜，使得最小割集的求取變的非常困難。

2 狀態(tài)估計(jì)的必要性

為了使電網(wǎng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行人員需要時(shí)刻監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。對此問題可在所有關(guān)心的量測量所在位置上裝設(shè)量測系統(tǒng)和遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)來直接測量這些量，并且將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度控制中心。然而這樣做有以下缺點(diǎn)：（1）由于經(jīng)濟(jì)條件的制約，在所有關(guān)心的量上裝設(shè)測量系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)并不現(xiàn)實(shí)。（2）電力系統(tǒng)中有些量（如節(jié)點(diǎn)電壓角度等）很難直接用儀器測量到，雖然隨著GPS技術(shù)的發(fā)展可以對電力系統(tǒng)中的相角實(shí)現(xiàn)直接測量，但這種技術(shù)還沒有投入大規(guī)模使用。（3）由于測量儀表總是存在誤差，數(shù)據(jù)傳送渠道也會產(chǎn)生誤差，這終端得到的量側(cè)數(shù)據(jù)必然存在誤差，因此需要提高這些數(shù)據(jù)的精度，并除去其中含有的不良數(shù)據(jù)。

上圖所示的電力系統(tǒng)中，A、B分別是兩個(gè)變電站的母線，C、D位于同一個(gè)發(fā)電廠。在發(fā)電廠側(cè)裝設(shè)有測量裝置，可將線路CA、CB及變壓器CD流過的功率（P和Q）測到，則母線C的電壓也可以測得。

如果僅依靠硬件，則在變電站A、B都需要安裝測量裝置，測量線路AC，BC，AB，BA上流過的功率以及節(jié)點(diǎn)A、B的電壓幅值與角度，但這樣做很不經(jīng)濟(jì)。實(shí)際上，要想計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)中所有的狀態(tài)量只要利用發(fā)電廠測得的信息就能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)中量測數(shù)量增加時(shí)還可以進(jìn)一步提高計(jì)算得出的系統(tǒng)狀態(tài)量的精度。

因此，除了依靠硬件手段直接測量系統(tǒng)狀態(tài)的值之外，還可以在硬件測量到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)法得到系統(tǒng)狀態(tài)變量的最優(yōu)值，從而知道網(wǎng)絡(luò)中的潮流分布。通過這方法將已有的硬件設(shè)備的潛力得到充分發(fā)揮，對已有量測的不足實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)充，抵御了不良數(shù)據(jù)對估值造成的影響，從而有助于提高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可靠性及數(shù)據(jù)質(zhì)量。狀態(tài)估計(jì)正是這樣一種數(shù)學(xué)方法，正是憑借評測數(shù)據(jù)的冗余度提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，對于隨意干擾所引起的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)可以自動(dòng)刪除，盡可能準(zhǔn)確的估計(jì)出系統(tǒng)狀態(tài)的準(zhǔn)備值。如果是單一的量測測采取重復(fù)量測提高量測數(shù)據(jù)精度，在電網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中，則是通過某一時(shí)刻采集得到一組冗余數(shù)據(jù)來提高估值精度。

3 配網(wǎng)靈敏度初步理論

電力系統(tǒng)的可靠性評估對電力系統(tǒng)規(guī)劃，備用容量優(yōu)化，運(yùn)行方式調(diào)整，區(qū)域能量交換等都具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。而通過靈敏度分析，能識別電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，為電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供保障，還能對有效指導(dǎo)經(jīng)濟(jì)投資，為決策提供參考。

在對電力系統(tǒng)進(jìn)行長期電源規(guī)劃時(shí)，經(jīng)常使用到發(fā)電系統(tǒng)可靠性充裕度的評估，它同時(shí)也是系統(tǒng)運(yùn)行和規(guī)劃需要考慮的重要方面。進(jìn)行可靠性充裕度評估的主要目的是對電網(wǎng)可靠性水平進(jìn)行量化評估給規(guī)劃提供參考。量化評估后，如何辨識系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，如何辨識系統(tǒng)的重要度較高的元件，如何評估采取的提高可靠性水平的措施，就必須對系統(tǒng)進(jìn)行靈敏度分析。

靈敏度分析的目的就是找系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，找到“關(guān)鍵”元件，評估各種可能提高可靠性水平的措施。

4 基于狀態(tài)空間的靈敏度計(jì)算模型

電力系統(tǒng)可靠性的靈敏度分析實(shí)質(zhì)是求取各可靠性指標(biāo)對系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的偏微分，因此靈敏度指標(biāo)反映了設(shè)備參數(shù)的微小變化所引起的系統(tǒng)可靠性的改變程度及改變趨勢。而可靠性指標(biāo)計(jì)算通常與測試函數(shù)和概率函數(shù)相關(guān)。

式中S表示系統(tǒng)狀態(tài)；X表示系統(tǒng)狀態(tài)空間；F（S）表示可靠性指標(biāo)測試函數(shù)，計(jì)算不同指標(biāo)時(shí)，代表含義不同，但是都是以系統(tǒng)狀態(tài)為自變量；P（S）表示系統(tǒng)狀態(tài)S的狀態(tài)概率；E（F）表示隨機(jī)函數(shù)F（S）的概率期望值。以下是可靠性評估中的基本指標(biāo)，其他指標(biāo)可通過以下指標(biāo)推算出來。LOLP（Loss of Load Probability） 失負(fù)荷概率指標(biāo)：系統(tǒng)中出現(xiàn)停電切負(fù)荷的概率。

根據(jù)上述可靠性指標(biāo)對元件的可用度ɑ、不可用度？滋、故障率λ以及修復(fù)率？滋求偏導(dǎo)即可得到不同可靠性指標(biāo)對不同設(shè)備參數(shù)的靈敏度。該靈敏度反映元件可靠性參數(shù)的微小變化對系統(tǒng)失效概率的影響程度及趨勢。

為了更容易的分析發(fā)輸電混合系統(tǒng)，可靠性分析中引入了狀態(tài)空間的思想。將設(shè)備的運(yùn)行、停運(yùn)、檢修等用狀態(tài)表示，綜合電力系統(tǒng)中所有設(shè)備的狀態(tài)的排列組合構(gòu)成了狀態(tài)空間，在狀態(tài)空間中包含了電力系統(tǒng)可能出現(xiàn)的所有狀態(tài)，對所有的狀態(tài)分析出現(xiàn)的概率以及造成的后果，得到系統(tǒng)最后的可靠性指標(biāo)。假設(shè)選取的系統(tǒng)空間狀態(tài)X分為兩部分狀態(tài)Xm、Xn組成，Xm中元件k處于正常狀態(tài)，Xn中元件k是處于故障狀態(tài)。根據(jù)可靠性基礎(chǔ)理論，可知：

從以上公式可以看出可靠性指標(biāo)對元件k的有效度ɑ的靈敏度大小與其對無效度？滋互為相反數(shù)。

5 結(jié)束語

本文介紹了狀態(tài)估計(jì)的輸入量、輸出量，靜態(tài)狀態(tài)估計(jì)和動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)的概念，狀態(tài)估計(jì)首先要涉及的網(wǎng)絡(luò)可觀測性問題的分析，狀態(tài)估計(jì)的測量數(shù)據(jù)的誤差以及不良數(shù)據(jù)；接著重點(diǎn)對配網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性討論，其中可靠性指標(biāo)對有效度及靈敏的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]李可文，張步涵，曲偉君.一種基于量測變換的快速解耦狀態(tài)估計(jì)方法[J].華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，2.

[2]孫宏斌，張伯明，相年德.基于支路功率的配電狀態(tài)估計(jì)方法[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化，1998，22（8）：12-16.

[3]李建，王心豐，段剛，等.基于等效功率變換的配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)算法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27（10）：39-44.

[4]朱占新，謝德馨，張艷麗.大型電力變壓器三維漏磁場與結(jié)構(gòu)件損耗的時(shí)域分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（9）.