一种电力系统状态相似性分析方法与流程

本发明属于电力自动化技术领域，具体讲涉及一种电力系统状态相似性分析方法。

背景技术：

智能电网的基础是电力系统分析，电力系统分析倚重于电网状态数据。由于当前电网建设投资规模继续加大，建设速度不断加快，以及电网运行控制向精细化、智能化方向发展要求。电网数据的规模越来越大，在提高网络分析的速度方面，仅依靠改进算法和提高计算能力的途径在海量数据面前越来越无能为力。

传统判断数据是否相同可以很容易采用数据文件的对比来判断。然而，很多情况并不仅只需做数据是否相同的判断，而且还需做数据内容是否近似的判断。数据相似性判断最早的需求源自互联网领域，其主要目的是作为判断网页内容重复的依据。当面对海量数据时，往往会出现一系列差异极大的情况。例如，处理数据需要较之更大的存储空间，需要对数据文件之间的相似性进行快速量化分析，处理数据需要尽可能少的计算量。尽管数据的相似性比较困难多，但是技术步骤却是相似的，主要为：将数据文件进行采样压缩，形成文件内容的精简描述数据集合；依靠相似性比较算法比较不同数据集合可量化的相似性。电力系统状态描述电网某一时刻的电网信息，其相似性分析与上述步骤基本一致。然而，描述电力系统状态的数据主要为结构性数据且其数据存在相互的潮流方程约束，电力网络分析计算的数据特别有其自生特点，因此，需要提供一种电力系统状态相似性的量化方法，以在获取电力系统的样本空间、样本表达方式和样本空间的相似性分析的诸多方面更加有效。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种电力系统状态相似性分析方法，用于将电力系统电网状态的相似性进行量化分析。其不同于传统的电力系统状态的比较技术，在面对大量的电网状态数据时，其可将电网状态数据精简为一个携带电网状态特征的状态向量，然后通过满足局部灵敏性的函数计算两个状态向量之间的距离，通过距离表征不同两个电网状态数据的相似性。

一种电力系统状态相似性分析方法，所述方法包括：

I、网络分析计算确定多级拓扑分析的级数；

II、对根据拓扑分析的级数确定的规则集合F的成员进行拓扑分析；

III、从多级拓扑分析的抽象结果提取关键信息并形成状态向量；

IV、根据距离函数计算的不同状态向量的距离确定状态间的相似度。

进一步的，所述步骤I包括：

I-1、输入电网拓扑模型；

I-2、构建物理节点及其连接支路形成的拓扑图。

进一步的，所述拓扑图包括：

物理节点及其连接支路形成的第一级拓扑图；

将支路阻抗为零的物理节点合并后其连接支路形成的第二级拓扑图；

将同一厂站内的接入同一母线的机组或负荷合并，简化计算节点后及其连接支路形成的第三级拓扑图。

进一步的，所述厂站出现群现象时，合并厂站，该合并厂站的节点及其连接支路形成第四级拓扑图。

进一步的，按需求对所述拓扑图进行抽象处理，形成较之更高一级的拓扑图。

进一步的，所述步骤II包括：依据下式所示的规则集合F的成员对电力系统的N个级别分别进行k级拓扑分析，并对下式所示的拓扑分析结果W_k进行保留；

所述规则集合F＝{F₁，……，F_k|其中函数F_i：W_i→W_i+1，i＜k}，所述拓扑分析结果W_k＝{U₁，U₂……，U_k|U₁∪U₂∪U₃……∪U_k＝V，U_i∩U_j＝φ，i≦k，j≦k，i≠j}，其中，V为电网拓扑模型图的顶点构成的非空集合。

进一步的，所述步骤III包括：

III-1、从多级拓扑分析抽象的结果提取支路的视在功率；

III-2、将支路的视在功率按由高至低的电压等级排序，或按功率由大至小排序，构建L表；

III-3、依据电网规模和相似性量化的精度选取的前n个构建新的Ln列表；

III-4、将列表Ln＝[L₁,L₂,…Ln]转化为向量Pn＝(P₁,P₂,…Pn)，其中Pi为对应支路Li的视在功率大小。

进一步的，所述步骤IV的所述状态间的相似度如下式所示：

其中，P_x和P_y分别为两个电力系统状态的向量，P_x＝(p_x1，p_x2，…，p_xn)，P_y＝(p_y1，p_y2，…，p_yn)。

一种电力系统状态相似性分析方法所用的装置，所述装置包括：

采集模块，用于采集不同的电网状态数据；

状态估计模块，与采集模块连接，用于对电网状态数据进行状态估计；

计算模块，与状态估计模块连接，用于计算两个电网状态间的相似度；

输出模块，与计算模块连接，用于输出计算结果。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明提供的技术方案能够快速判断全天电网状态变化的波动幅度，可以依靠波动大小快速确定是否启动电网分析计算。

2、本发明提供的技术方案能够对给定的电网状态数据进行全时段快速检索，快速识别出相似或相同时刻的电网状态数据。

3、本发明的提供的技术方案能够依据电网状态数据的相似性，降低电网分析计算次数，大大提升电网实时计算的效率。

4、本发明的提供的技术方案不依据时间段，而是只依据电网状态的相似性，对海量的电网状态数据进行分类。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为实施例中电网状态两两比较的2维图；

图3为实施例中电网状态两两比较的3维图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

数学表达式如下所示：

1)多级拓扑模型可以采用数学模型表示，其描述如下：

(1)存在图G＝<V,E>，其中V＝{d₁,……,d_n}，E＝{(d_i,d_j)|d_i∈V,d_j∈V,d_i≠d_j}

(2)存在集合U_k≠φ，满足U₁∪U₂∪U₃……∪U_m＝V，U_i∩U_j＝φ，其中k≦m，i≦m，j≦m，i≠j；

(3)存在集合W_k＝{U₁，U₂……，U_k|U₁∪U₂∪U₃……∪U_k＝V，U_i∩U_j＝φ，i≦k，j≦k，i≠j}

(4)存在规则集合F＝{F₁，……，F_k|其中函数F_i：W_i→W_i+1，i＜k}；

多级拓扑分析就是对拓扑图中节点和支路的部分合并处理，以期达到对同一电力网络拓扑的不同层次的实现。

2)计算两个状态向量距离的函数需要满足如下两个条件：

①如果d(x,y)≦d1，则f(x)＝f(y)的概率至少为p1，即P(f(x)＝f(y))≧p1；

②如果d(x,y)≧d2，则f(x)＝f(y)的概率至多为p2，即P(f(x)＝f(y))≦p2；

其中，x和y为状态向量，d(x,y)为状态向量的距离函数，f(x)和f(y)为状态向量表征的状态，P(f(x)＝f(y))为x和y表征的两个状态相等的概率，p1和p2为概率值，d1和d2为距离值，且p1>p2>0,d2>d1。

能够满足以上两个条件的距离函数很多，本发明采用余弦相似度函数来判断两个向量x和y的距离：

其中，x＝(x₁,x₂,…，x_n)，y＝(x₁,x₂,…，x_n)，

<x,y>＝x₁y₁+x₂y₂+…+x_ny_n

如图1所示为本发明的实现流程：

依据以上数学模型的描述，本发明中电力系统状态的相似性分析具体的实现流程如下：

1)根据网络分析计算分析的要求，确定多级拓扑分析的级数；

2)根据拓扑分析的级数确定拓扑分析中使用的规则集合F，规则集合的成员数由第一步确定的级数决定；

3)依次依据规则集合F的成员进行拓扑分析，对拓扑分析的结果进行保留；

从多级拓扑分析抽象的结果提取出关键信息并形成状态向量；

4)通过距离函数对不同状态向量的距离进行计算，函数获得两个状态之间的相似度大小。

一种电力系统状态相似性分析方法的实施方案：对两个不同电网状态数据，通过多级拓扑分析，获取抽象到所需层次的电网模型，然后抽取电网状态关键信息，形成电网状态向量，通过电网状态向量的距离函数计算两个状态向量之间的距离，从而表征两个不同电网状态的相似性。

所述方法中对于电力系统状态的相似性分析方法具有以下步骤：

步骤一、根据网络分析计算分析的要求，确定多级拓扑分析的级数；

具体多级拓扑分析的的级数与相关网络分析应用和电网状态数据有关，可以根据分析的速度和存储规模等要求确定合适级数。其中，抽象级数越高，存储空间越小，分析速度越快，但电力系统状态信息损失越多。电力系统建模时，最详细的可以看作物理节点及其连接支路形成的图，此为第一级图。当将支路阻抗为零的物理节点合并，则形成计算节点及其连接支路形成的图，此为第二级图。当将同一厂站内，接入同一母线的机组或负荷合并，则形成简化计算节点及其连接支路形成的图，此为第三级图。当存在电厂群等现象是，可以将这些厂站进行合并，则形成合并厂站的节点及其连接支路形成的图，此为第四级图。

步骤二、从多级拓扑分析抽象的结果提取出关键信息并形成状态向量；

从抽象的的拓扑图中提取出关键信息具体有以下步骤：

2.1从多级拓扑分析抽象的结果提取支路列表和对应支路的视在功率；

2.2将支路视在功率首先按照电压等级由高到低排序，对于相同电压等级的支路路则按照功率由大到小排序，形成列表L；

2.3依据电网规模和相似性量化的精度要求，选取前n个列表元素作为新的列表Ln；(通常按照列表L的元素个数的30％确定n值；如果相关应用对电网精度要求高，可以取值到50％以上；如果要求信息无损失，可直接选取列表L的所有元素)

2.4将列表Ln＝[L1,L2,…Ln]转化为向量Pn＝(P1,P2,…Pn)，其中Pi为对应支路Li的视在功率大小；

步骤三、通过距离函数对不同状态向量的距离进行计算，函数获得两个状态之间的相似度大小。

当获得两个电力系统状态的向量Px和Py后，通过向量的余弦定理来表征两个电力系统状态样本的相似性。相似性大小范围为[0,1]，计算结果越接近1，则两个电力系统状态越近似。

其中，P_x和P_y分别为两个电力系统状态的向量，P_x＝(p_x1，p_x2，…，p_xn)，P_y＝(p_y1，p_y2，…，p_yn)。

电力系统状态相似性分析方法所用的装置，该装置包括：

采集模块，用于采集不同的电网状态数据；

状态估计模块，与采集模块连接，用于对电网状态数据进行状态估计；

计算模块，与状态估计模块连接，用于计算两个电网状态间的相似度；

输出模块，与计算模块连接，用于输出计算结果。

具体计算方法可以参见上述方法实施例的记载，此处不再赘述。

以某省级电网全天24小时每5分钟的电网状态估计结果为计算数据，数据大小491MB，进行288个电网状态数据的两两相似性对比，相似性计算总共计算了82944次，采用计算机计算，计算时长81秒，最终效果图如附图2和附图3所示。

从图2和图3中，用颜色从深色至浅色区域表示相似性从大到小。图中可以看出数据满足时间越接近越相似的常识性规律。从图中可以看出全天电网大概平稳运行时段有3个，该时间区域内可以减少电网分析的计算次数。在3个区域的间隔处，存在波动剧烈时间段，这个时间段应该增强电网分析次数和电网监控。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。