一種基于pmu的電力系統(tǒng)分布式動態(tài)狀態(tài)估計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)動態(tài)狀態(tài)估計技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于PMU的電力系統(tǒng) 分布式動態(tài)狀態(tài)估計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，互聯(lián)程度不斷加強，結(jié)構(gòu)和運行方式日趨復雜。對 于大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)的狀態(tài)估計問題，在調(diào)度中心進行集中式狀態(tài)估計的方法在可靠性及實 時性方面存在一定的局限性。首先，局部系統(tǒng)的不可觀測及不良數(shù)據(jù)都將直接影響到整個 系統(tǒng)狀態(tài)估計能否順利進行；其次，由于系統(tǒng)階數(shù)過大，系統(tǒng)計算中心需要處理大量量測數(shù) 據(jù)及求解大規(guī)模估計方程，很難滿足系統(tǒng)分析和控制對狀態(tài)估計實時性的要求。
[0003] 在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行過程中，斷路器狀態(tài)不會發(fā)生改變，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)已知。因 此，可以在調(diào)度中心基于網(wǎng)絡拓撲約束進行集中式狀態(tài)估計。而當系統(tǒng)發(fā)生故障后，在保護 裝置的作用下，斷路器會迅速動作，將故障線路從系統(tǒng)中隔離，自動重合閘裝置還可能進行 一次或多次重合。該過程結(jié)束后，系統(tǒng)中斷路器將不再動作，系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)也不會再發(fā)生改 變，電力系統(tǒng)進入機電暫態(tài)過程。在系統(tǒng)故障的持續(xù)期間，主要由保護裝置和自動重合閘裝 置作用于斷路器，系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)會不斷發(fā)生改變，控制設備難以實施有效的控制措施。而在 機電暫態(tài)過程中，故障線路已經(jīng)從系統(tǒng)中切除，斷路器狀態(tài)不會發(fā)生改變，監(jiān)控設備能夠?qū)?機電暫態(tài)過程進行監(jiān)測并采取及時有效的控制措施，從而保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。 因此，電力系統(tǒng)動態(tài)狀態(tài)估計就是研究系統(tǒng)機電暫態(tài)過程狀態(tài)估計問題。
[0004] 電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)改變，難以實時獲得；系統(tǒng)節(jié)點電壓會發(fā)生突 變，不易預測。因此，傳統(tǒng)的基于網(wǎng)絡拓撲約束的狀態(tài)估計已經(jīng)不再可行。盡管信息技術(shù)的 發(fā)展直接促進了分布式狀態(tài)估計計算的應用和發(fā)展，取得了許多成果。然而大部分分布式 狀態(tài)估計方法僅僅是對集中式狀態(tài)估計算法進行分布計算，無法在本質(zhì)上解決機電暫態(tài)過 程中拓撲未知的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于PMU的電力系統(tǒng)分布式動態(tài)狀態(tài)估計方法，極大的 提升了機電暫態(tài)過程中系統(tǒng)狀態(tài)量的估計精度。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0007] -種基于PMU的電力系統(tǒng)分布式動態(tài)狀態(tài)估計方法，包括：
[0008] 獲取電力系統(tǒng)發(fā)生故障后的發(fā)電機動態(tài)狀態(tài)估計信息、變電站動態(tài)狀態(tài)估計信息 及斷路器實際狀態(tài)；
[0009] 根據(jù)各個變電站的斷路器實際狀態(tài)，并結(jié)合關(guān)聯(lián)矩陣對全網(wǎng)進行結(jié)線分析，再對 各個變電站發(fā)送的變電站動態(tài)狀態(tài)估計信息進行數(shù)據(jù)整合，獲得的網(wǎng)絡節(jié)點電壓和電流相 量作為網(wǎng)絡節(jié)點電壓和電流相量的偽量測；
[0010] 將發(fā)電機動態(tài)狀態(tài)估計信息通過機網(wǎng)接口轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)節(jié)點電壓相量，并將該系統(tǒng) 節(jié)點電壓相量作為全系統(tǒng)狀態(tài)估計的偽量測；
[0011] 通過誤差傳遞計算量測過程中的誤差方差，并基于網(wǎng)絡節(jié)點電壓和電流相量、系 統(tǒng)節(jié)點電壓相量以及量測過程中的誤差方差，實現(xiàn)電力系統(tǒng)發(fā)生故障后系統(tǒng)動態(tài)狀態(tài)估 計。
[0012] 進一步的，所述發(fā)電機動態(tài)狀態(tài)估計信息包括：
[0013] 利用電力系統(tǒng)發(fā)生故障后的發(fā)電廠實時數(shù)據(jù)庫中PMU量測信息對發(fā)電機動態(tài)狀 態(tài)進行估計，獲得的發(fā)電機動態(tài)狀態(tài)的狀態(tài)量估計值與估計誤差方差即為發(fā)電機動態(tài)狀態(tài) 估計信息。
[0014] 進一步的，所述變電站動態(tài)狀態(tài)估計信息及斷路器實際狀態(tài)包括：
[0015] 電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，利用變電站內(nèi)流過各斷路器的電流相量和各節(jié)點電壓相量 的PMU量測值以及靜態(tài)數(shù)據(jù)庫中各元件的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進行變電站動態(tài)狀態(tài)估計并確定斷路 器實際狀態(tài)。
[0016] 進一步的，所述將發(fā)電機動態(tài)狀態(tài)估計信息通過機網(wǎng)接口轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)節(jié)點電壓相 量包括：
[0017] 利用機網(wǎng)接口的直接解法將發(fā)電機動態(tài)狀態(tài)估計信息轉(zhuǎn)化系統(tǒng)節(jié)點電壓相量，其 計算步驟包括：坐標變換與求解網(wǎng)絡方程；
[0018] 其中，坐標變換過程如下：
[0019] 當發(fā)電機采用四階模型時，定子電壓方程的導納矩陣形式為：
[0021] 式中：UjP U q分別為發(fā)電機出口電壓相量的d軸和q軸分量；E' jP P q分別 為發(fā)電機的d軸和q軸暫態(tài)電動勢；X',和t q分別為發(fā)電機的d軸和q軸暫態(tài)電抗；I d和Iq分別為發(fā)電機定子電流的d軸和q軸分量；;r a為發(fā)電機等值電阻；
[0022] 引入坐標變換矩陣
，將dq坐標下的發(fā)電機電氣量轉(zhuǎn)化為xy坐 標下，則有：
[0024] 式中：IJP Iy分別為定子電流的實部和虛部；JPW y分別為暫態(tài)電動勢的 實部和虛部；
為發(fā)電機坐標變換后的等值導納矩陣，S為發(fā)電機功角；
[0025] xy坐標下發(fā)電機各電氣量的計算公式為：
[0027] 求解網(wǎng)絡方程過程如下：
[0028] 將η個節(jié)點的網(wǎng)絡復數(shù)線性代數(shù)方程:M = j增階化為2η維實線性代數(shù)方程，獲得 如下節(jié)點導納矩陣：
[0030] 其中，L = G 表示節(jié)點導納矩陣Υ的第i行j列元素；和 /%=【&分別為網(wǎng)絡支路電流相量I和系統(tǒng)節(jié)點電壓相量中第i個兀素；
[0031] 若轉(zhuǎn)化為xy坐標后的定子電壓方程的導納矩陣所描述的發(fā)電機接于網(wǎng)絡的第i 個節(jié)點，則
[0032] 將轉(zhuǎn)化為xy坐標后的定子電壓方程的導納矩陣帶入節(jié)點導納矩陣中的第i個方 程，消去，則網(wǎng)絡的第i個節(jié)點方程為：
[0034] 當根據(jù)系統(tǒng)微分方程得到本計算時步末的發(fā)電機動態(tài)狀態(tài)量后，則根據(jù)所述xy 坐標下發(fā)電機各電氣量的計算公式計算出發(fā)電機各電氣量；
[0035] 然后根據(jù)所述網(wǎng)絡的第i個節(jié)點方程計算發(fā)電機注入網(wǎng)絡的等值電流^ ;
[0036] 再利用發(fā)電機的等值導納矩陣
根據(jù)所述網(wǎng)絡的第i個節(jié)點方程對節(jié)點 導納矩陣進行修正，并將所述網(wǎng)絡的第i個節(jié)點方程代替節(jié)點導納矩陣中的第i個節(jié)點方 程；對各個發(fā)電機節(jié)點均作上述處理后，則能夠求解出網(wǎng)絡方程，從而獲得轉(zhuǎn)化后的系統(tǒng)節(jié) 點電壓相量zP
[0037] 進一步的，所述通過誤差傳遞計算量測過程中的誤差方差包括：
[0038] 發(fā)電機動態(tài)狀態(tài)估計信息通過轉(zhuǎn)換后最終作為全系統(tǒng)狀態(tài)估計的偽量測，通過誤 差傳遞計算該過程的誤差方差，具體過程如下：
[0039] 誤差傳遞過程需要用到dq坐標下發(fā)電機動態(tài)狀態(tài)的狀態(tài)量估計值i和估計誤差 方差矩陣P(；，發(fā)電機各電氣量的計算公式中采用該狀態(tài)量估計值i時，表示為：
分別表示δ、E' q、E' d的估計值；y為xy坐 標下暫態(tài)電動勢和等值導納矩陣所組成的相量，
$分別表示 E' X、E' y的估計值；y為發(fā)電機各電氣量計算方程組；
[0042] 利用卡爾曼濾波進行發(fā)電機動態(tài)狀態(tài)估計時，獲得估計誤差方差矩陣，根據(jù)dq 坐標下發(fā)電機動態(tài)狀態(tài)的狀態(tài)量估計值與估計誤差方差矩陣，并利用非線性函數(shù)的協(xié) 方差傳播律計算相量y的誤差方差矩陣py:
[0043] Py= DPgDt；
[0044] 式中，D為靈敏度矩陣；
[0045] 再利用相量y與誤差方差矩陣己計算xy坐標下發(fā)電機注入網(wǎng)絡電流".與"y的誤差方差矩陣Pz:
[0047] 式中，xy坐標下發(fā)電機注入網(wǎng)絡電流"，與"亦靈敏度矩陣；
[0048] 將發(fā)電機d軸暫態(tài)阻抗的倒數(shù)作為發(fā)電機等值導納直接并入節(jié)點導納矩陣，若發(fā) 電機等值導納
·都已并入節(jié)點導矩陣Y，則系統(tǒng)節(jié)點電壓相量&為：
[0050] 式中，Y1為節(jié)點導納矩陣Y的逆矩陣；^為網(wǎng)絡節(jié)點的注入電流復向量，對于％ 個發(fā)電機節(jié)點，
U對于負荷節(jié)點，將負荷作為等值導納 并入節(jié)點導納矩陣，則節(jié)點注入電流為〇 ;
[0051] 將系統(tǒng)節(jié)點電壓相量F的實部UR與虛部U :分別寫為：
[0053] 式中，G與B分別為節(jié)點導納矩陣逆矩陣Y 1的實部和虛部；
[0054] 信息轉(zhuǎn)換時的誤差方差包括節(jié)點電壓實部和虛部的估計誤差方差PUR與P w，表示 為：
[0056] 式中，ff),f分別為發(fā)電機注入電流實部和虛部的誤差方差矩陣。
[0057] 進一步的，所述通過誤差傳遞計算量測過程中的誤差方差，并基于網(wǎng)絡節(jié)點電壓 和電流相量、系統(tǒng)節(jié)點電壓相量以及量測過程中的誤差方差，實現(xiàn)電力系統(tǒng)發(fā)生故障后系 統(tǒng)動態(tài)狀態(tài)估計包括：
[0058] 建立電力系統(tǒng)發(fā)生故障后系統(tǒng)動態(tài)狀態(tài)估計模型：
[0059] z = [zjZuZ^Zp]1；
[0060] 式中，zP為通過機網(wǎng)接口將發(fā)電機動態(tài)狀態(tài)估計信息進行轉(zhuǎn)化后的系統(tǒng)節(jié)點電壓 相量為根據(jù)變電站動態(tài)狀態(tài)估計信息及斷路器實際狀態(tài)計算獲得的網(wǎng)絡節(jié)點電壓和電 流相量；2:為支路電流量；Z In為節(jié)點注入電流量；
[0061] 量測過程中的誤差方差R表示為：
[0063] 式中，R!、R。、RIn、RP分另U為z !、Zu、zIn、zP量測誤差方差矩陣；
[0064] RP的表達式為：
[0066] 式中，與分別為估計誤差方差PUR與Ρ 的第i個對角元素 ，i = [1，η];
[0067] 根據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)生故障后系統(tǒng)動態(tài)狀態(tài)估計模型及量測過程中的誤差方差R，并 結(jié)合線性最小二乘法對系統(tǒng)節(jié)點電壓相量進行估計，從而實現(xiàn)電力系統(tǒng)發(fā)生故障后系統(tǒng)動 態(tài)狀態(tài)估計：
[0068] ]H] 'H R lz ：
[0069] 式中，H為全系統(tǒng)線性狀態(tài)估計的量測矩陣。
[0070] 由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，分別在發(fā)電廠和變電站內(nèi)進行狀態(tài)估 計，將狀態(tài)估計結(jié)果以及斷路器的真實狀態(tài)上傳進行全系統(tǒng)狀態(tài)估計；同時，基于機網(wǎng)接口 的直接解法，給出了將發(fā)電機動態(tài)狀態(tài)估計結(jié)果轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡節(jié)點電壓相量偽量測的誤差方 差計算方法；并且建立了涉及發(fā)電機動態(tài)狀態(tài)估計約束的全系統(tǒng)狀態(tài)估計模型，通過發(fā)電 機動態(tài)狀態(tài)估計約束進一步提升全系統(tǒng)狀態(tài)估計精度，與PMU直接量測相比，精度得到了 進一步提升。
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