基于狀態(tài)估計(jì)的配電網(wǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢感知與評估探析

王旭東 劉二鵬 李輝

【摘 要】隨著分布式電源的廣泛接入和智能配電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)頻繁變化，迫切需要實(shí)時(shí)感知 其運(yùn)行態(tài)勢。本文首先采用狀態(tài)估計(jì)方法對量測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；然后從經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性3個(gè)方面建立 了配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行態(tài)勢評估指標(biāo)體系；最后結(jié)合層次分析法對配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估。結(jié)果表明，所提出 的方法可以減少量測誤差和量測壞數(shù)據(jù)對配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行態(tài)勢評估結(jié)果的影響，并給出配電網(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢的整體 評價(jià)結(jié)果，量化配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，為配電網(wǎng)的運(yùn)行控制提供重要的技術(shù)和數(shù)據(jù)支持；通過典型算例驗(yàn)證了 所提方法的可行性和有效性。

【關(guān)鍵詞】態(tài)勢感知；狀態(tài)估計(jì)；指標(biāo)體系；評估分析

引文

智能配電網(wǎng)態(tài)勢感知是配電系統(tǒng)可靠、經(jīng)濟(jì)和 安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí) 時(shí)監(jiān)控、分析與評估是智能配電網(wǎng)的重要技術(shù)環(huán) 節(jié)，能夠?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)的發(fā)展提供重要技術(shù)支撐[1]。為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的感知，需要實(shí)時(shí)量測 作為數(shù)據(jù)支持，而現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng) SCADA上 傳的數(shù)據(jù)存在精度低、含有壞數(shù)據(jù)、無法保證數(shù)據(jù) 完整性等諸多問題[2]。同時(shí)，相較于長時(shí)間尺度的配電網(wǎng)評估，配電網(wǎng)實(shí)時(shí)的態(tài)勢感知與運(yùn)行狀態(tài)評 估更加容易受到量測誤差和壞數(shù)據(jù)的影響，很可能 因?yàn)閿?shù)據(jù)質(zhì)量問題造成評估誤差較大，進(jìn)而給出錯(cuò) 誤的控制信號。狀態(tài)估計(jì)能夠利用實(shí)時(shí)量測的冗 余性，應(yīng)用估計(jì)算法來檢測與剔除壞數(shù)據(jù)，提高數(shù) 據(jù)精度，保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)不良量測 數(shù)據(jù)的辨識，并通過負(fù)荷估計(jì)及其他相容性分析方 法進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)修復(fù)和補(bǔ)充[3]。因此狀態(tài)估計(jì)是 實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行態(tài)勢感知與評估的基礎(chǔ)

1配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)分析方法

對于配電網(wǎng)的評價(jià)主要從經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安 全性等方面入手[4]，但是目前配電網(wǎng)的運(yùn)行指標(biāo)評 價(jià)體系往往是針對較長時(shí)間尺度下的電網(wǎng)運(yùn)行情 況建立的。文獻(xiàn)[5-6]針對城市配電網(wǎng)的規(guī)劃問題，結(jié)合配電網(wǎng)的特點(diǎn)，建立了綜合評價(jià)指標(biāo)體系.對于配電網(wǎng)的評估方法都是基于 比較長時(shí)間尺度的電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)提出的，不能應(yīng)用 于配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的分析評估。本文的評估 體系主要針對于配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的分析與評 估，通過狀態(tài)估計(jì)對實(shí)時(shí)量測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，減少 量測誤差和量測壞數(shù)據(jù)對評估結(jié)果的影響；分別從 經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性3個(gè)方面提出配電網(wǎng)運(yùn)行 狀態(tài)的評估指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢的綜合感 知；借助于層次分析法，將配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài) 量化表示，為配電網(wǎng)的運(yùn)行控制與管理提供有效的 數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

1.1基于加權(quán)最小二乘法的狀態(tài)估計(jì)分析

對于狀態(tài)估計(jì)問題，首先建立量測量與狀態(tài)變 量的關(guān)系，即 z=h（）x +v（1）式中：z為量測量；x為狀態(tài)變量；h（x）為量測函數(shù)；v 為量測誤差。為處理配電網(wǎng)中可能存在的零注入約束，提高 狀態(tài)估計(jì)的精度，在狀態(tài)估計(jì)中考慮零注入功率的 等式約束

1.2壞數(shù)據(jù)辨識方法

配電網(wǎng)中由于計(jì)量、通信等原因?qū)е碌牧繙y不 準(zhǔn)確，可能導(dǎo)致量測壞數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，而狀態(tài)估計(jì)的 一項(xiàng)主要功能就在于剔除網(wǎng)絡(luò)中存在的量測壞數(shù) 據(jù)，使網(wǎng)絡(luò)收斂于可靠的運(yùn)行狀態(tài)。然而，配電網(wǎng) 中的運(yùn)行狀態(tài)真值未知，狀態(tài)估計(jì)結(jié)果僅能提供量 測估計(jì)值與量測值之間的量測殘差，而壞數(shù)據(jù)的辨 識則是為了剔除量測誤差較大的量測，因此需首先 明確各量測殘差與量測誤差之間的關(guān)系。

2.配電網(wǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢指標(biāo)計(jì)算

本文主要從經(jīng)濟(jì)性和可靠性3個(gè)方面 對配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)

2.1 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

1）線損率 線損率是反映運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，配電網(wǎng) 中某條線路的線損率為 rΔPi = ΔPi Pi ×100%

2.2可靠性指標(biāo)

在可靠性方面，主要考慮配電線路在當(dāng)前運(yùn)行 工況下的轉(zhuǎn)供能力。對線路轉(zhuǎn)供情況的研究，可以 先分析出配電網(wǎng)中可轉(zhuǎn)供線路和不轉(zhuǎn)供線路，再對 可轉(zhuǎn)供線路進(jìn)行分析，找出可轉(zhuǎn)供線路中的完全可 轉(zhuǎn)供線路和部分可轉(zhuǎn)供線路。分析可轉(zhuǎn)供和不轉(zhuǎn)供線路的步驟如下：步驟1 對配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，將節(jié)點(diǎn) 和支路進(jìn)行編號，并形成配電網(wǎng)的鄰接矩陣；步驟2 根據(jù)鄰接矩陣，求出連接圖中所有節(jié) 點(diǎn)的度；步驟3 對連接圖進(jìn)行化簡，刪除圖中所有度 小于等于1的頂點(diǎn)以及與該頂點(diǎn)相關(guān)的邊，把與這 些邊相關(guān)的頂點(diǎn)的度減1；步驟4 如果還有度小于等于1的頂點(diǎn)重復(fù)步 驟2；步驟5 最后如果還存在未被刪除的頂點(diǎn)，則 表示有環(huán)，環(huán)上所包含的邊即為可轉(zhuǎn)供線路；否則 沒有環(huán)。如果存在可轉(zhuǎn)供線路，接下來通過負(fù)荷電流來 判斷線路為完全可轉(zhuǎn)供還是部分可轉(zhuǎn)供線路。

2.3 安全性指標(biāo)

1）電壓合格率 電壓偏差計(jì)算公式為 rΔVi = | |VR，i -Vi VR，i ×100%（17）式中：VR，i為設(shè)備i的額定電壓；Vi為設(shè)備i的實(shí)際運(yùn) 行電壓。如果電壓偏差超出了允許范圍則認(rèn)為電壓不 合格，電壓合格率rVQ計(jì)算公式為 rVQ= NVQ NDT ×100%（18）式中，NVQ為電壓合格的配變個(gè)數(shù)。

3配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)

本文主要針對中壓配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，在計(jì)算得到反映配電系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的指 標(biāo)后，需要確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。本文選用層次分 析法[12]AHP（analytichierarchyprocess）計(jì)算各項(xiàng)指 標(biāo)的權(quán)重。采用層次分析法確定權(quán)重指標(biāo)，首先要根據(jù)各 項(xiàng)指標(biāo)的重要情況，建立各項(xiàng)指標(biāo)間的兩兩比較矩 陣[13]，在得到兩兩比較矩陣后求取矩陣的最大特征 值和最大特征值對應(yīng)的特征向量，根據(jù)最大特征值 進(jìn)行一致性校驗(yàn)，如果該比較矩陣滿足一致性校驗(yàn) 要求，則將最大特征值對應(yīng)的特征向量歸一化處 理，處理后得到各個(gè)指標(biāo)最終的權(quán)重向量。計(jì)算一致性比例參數(shù)CR為 CR= CI RI（27）

如果CR<0.1時(shí)，認(rèn)為比較矩陣的一致性是可 以接受的，否則要對判斷矩陣進(jìn)行修正，對于該經(jīng) 濟(jì)性指標(biāo)的比較矩陣，其一致性比例為0，滿足一致 性要求。因此直接將其最大特征值對應(yīng)的特征向 量歸一化處理，得到線損率、配變輕載率和線路輕 載率的權(quán)重分別為0.1429、0.4286、0.4286。采用 同樣的方法可以用于計(jì)算安全性和可靠性各項(xiàng)指 標(biāo)的權(quán)重，以及經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性在運(yùn)行狀 態(tài)評估中所占的權(quán)重。在計(jì)算得到各項(xiàng)指標(biāo)所占的權(quán)重后，需要對各 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行打分。將指標(biāo)分為效益型和成本型兩 類，對于效益型的指標(biāo)，取值越大得分越高，對于成 本型指標(biāo)，取值越小得分越高。首先根據(jù)系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，得到指標(biāo)的取值范圍r∈[rmin，rmax]，然后 將整個(gè)取值范圍r采用聚類方法形成若干個(gè)待確定 的數(shù)據(jù)聚類，從而形成相應(yīng)聚類的上界與下界，即 子取值區(qū)間邊界。分析在各個(gè)子取值區(qū)間的指標(biāo) 取值個(gè)數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)確定該取值區(qū)間的評分范 圍。在各個(gè)子取值區(qū)間用線性函數(shù)進(jìn)行擬合。

4算例分析

本文采用IEEE33節(jié)點(diǎn)算例進(jìn)行分析[14]，量測數(shù)據(jù)中除包含量測誤差外，還包含一定的 壞數(shù)據(jù)，本文所提出的狀態(tài)估計(jì)方法可有效辨識出 量測壞數(shù)據(jù)。此時(shí)該算例運(yùn)行時(shí)間為0.37s，所采 用的測試算例運(yùn)行環(huán)境具體如下：硬件條件為IntelXeonCPUE5-2650，主頻為2.60GHz，內(nèi)存為16GB，操作系統(tǒng)為Windows10。相比于實(shí)時(shí)態(tài)勢感知分 析的時(shí)間維度在秒級以上，狀態(tài)估計(jì)方法及其壞數(shù)據(jù)辨識。

由于線路電流和節(jié)點(diǎn)電壓的量測不全，無法直 接運(yùn)用量測數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行態(tài)勢指標(biāo)的計(jì)算，對于這 種情況，除了采用狀態(tài)估計(jì)的方法外還可以采用潮 流計(jì)算的方式，用潮流計(jì)算的結(jié)果指標(biāo)計(jì)算，進(jìn)而 實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢的分析與評估。在得到線路電流和節(jié)點(diǎn)電壓的結(jié)果后，通過進(jìn) 一步計(jì)算可以得到各項(xiàng)指標(biāo)，計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)所占的 權(quán)重。在確定指標(biāo)權(quán)重時(shí)，要根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的相對 重要程度，確定兩兩比較矩陣。

結(jié)束語

本文提出了一種基于狀態(tài)估計(jì)的配電網(wǎng)實(shí)時(shí) 態(tài)勢感知與評估方法，在評估中考慮了量測誤差和 壞數(shù)據(jù)對配電網(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢實(shí)時(shí)評估的影響，通過狀 態(tài)估計(jì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)全和處理，有效降低了量測數(shù) 據(jù)質(zhì)量問題造成的評估偏差。同時(shí)本文從配電網(wǎng) 實(shí)時(shí)運(yùn)行態(tài)勢的感知與評估出發(fā)，從經(jīng)濟(jì)性、安全 性和可靠性3個(gè)方面建立了表征配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行 情況的指標(biāo)體系，綜合考慮各個(gè)方面的重要性，給 出配電網(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢的整體評價(jià)結(jié)果，能夠量化表示 配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，為配電網(wǎng)的運(yùn)行控制提供 重要的技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王守相，梁棟，葛磊蛟.智能配電網(wǎng)態(tài)勢感知和態(tài)勢利導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù) [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016，40（12）：2-8.

[2] 李從善，劉天琪，李興源，等.用于電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的WAMS/ SCADA混合量測數(shù)據(jù)融合方法 [J].高電壓技術(shù)，2013，39（11）：2686-2691.

[3] 楊驥.配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì) [D].南京：東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，2005.

（作者單位：國網(wǎng)銀川供電公司）