一种电网状态估计方法和装置与流程

本发明涉及电网管理领域，具体涉及一种电网状态估计方法和装置。

背景技术：

近年来，随着电网数字化水平和电力调度自动化水平的不断提高，丰富的信息得以实时或准实时地传送到各级调度中心，这使得综合利用采集的各类实时信息进行电网运行状态评估成为可能，基于准确的电网状态评估并最终用于系统状态转移的预测，实现全景把握电网运行安全稳定水平、调度调整能力以及电网抵御风险的能力。实现对电网安全运行薄弱环节及时进行相应预防控制，降低电网运行的风险。

电网中安装pmu(phasormeasurementunit，电力系统同步相量测量装置，用于进行同步相量的测量和输出以及进行动态记录的装置)系统的节点数量相对较少，单纯使用pmu数据无法完成对系统的状态估计，且若对其数据利用的不充分，其对基于scada(supervisorycontrolanddataacquisition，数据采集与监视控制系统)系统数据的电网状态估计的性能改善效果不够明显。同时由于pmu提供电压量测数据和电流量测数据，给状态估计增加了数据的冗余度。由此产生的scada数据和pmu数据的混合状态估计增加了其建模难度和求解的难度。有必要进一步考虑降低其建模难度的求解方法。

因此，如何降低现有技术中电网状态估计的建模难度和求解难度、提高量测数据利用率，成为一个亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中电网状态估计的建模难度和求解难度大、数据冗余度高。

有鉴于此，本发明实施例的一方面提供了一种电网状态估计方法，所述电网中安装有scada系统，所述电网中包括：第一节点、第二节点和第三节点，所述第一节点安装有pwu装置，所述方法包括：获取电网中第一节点的pmu量测数据；根据所述pmu量测数据计算满足预设条件的第二节点的伪pwu量测数据；获取电网中除去所述第一节点和所述第二节点之后的第三节点的scada量测数据；根据所述pmu量测数据、所述伪pwu量测数据和所述scada量测数据估计所述电网的当前潮流状态。

优选地，所述根据所述pmu量测数据、所述伪pwu量测数据和所述scada量测数据估计所述电网的当前潮流状态包括：获取所述电网中的量测向量：

以及节点状态向量：

其中，为所述第三节点量测数据，为所述第二节点的伪注入量测数据，为所述第一节点与所述第二节点之间的传输功率，为所述第一节点注入量，为所述第一节点量测数据，x为所述节点状态向量，xp所述第一节点的电压向量，xb所述第二节点的电压向量，xs所述第三节点的电压向量，θp为所述第一节点的电压相位，θb为所述第二节点的电压相位，θs为所述第三节点的电压相位；vp为所述第一节点的电压幅值，vb为所述第二节点的电压幅值，vs为所述第三节点的电压幅值；选取参考节点校正所述节点状态向量；根据所述量测向量和所述校正后的节点状态向量计所述电网的当前潮流状态。

优选地，所述根据所述量测向量和所述校正后的节点状态向量计所述电网的当前潮流状态包括：采用如下估计模型估计所述电网的当前潮流状态：

其中，h为量测方程的非线性向量函数；eα为所述pmu装置的量测误差。

优选地，所述选取参考节点校正所述节点状态向量包括：确定所述参考节点的电压相位；

采用如下公式计算得到相位估计量：

θi'＝θi-θref

令采用如下公式计算得到所述校正后的节点状态向量：

zx-se＝hcoθco+eco

其中，θi为节点电压相位量测绝对值，θi'为校正后的节点电压相位量测值，θref为所述参考节点的电压相位，μ^t为所述电网中除去所述参考节点外余下节点的电压数据，zx-se为所述校正后的节点状态向量，hco为所述伪pmu量测数据与所述校正后的节点状态向量之间的线性参数，eco为误差向量。

优选地，所述根据所述pmu量测数据计算满足预设条件的第二节点的伪pwu量测数据包括：所述预设条件包括：支路一端的电压和电流相量都已知，求另一端的电压相量；和/或支路两端电压相量已知，求此支路电流相量；和/或与未安装pmu装置的节点相关联支路中仅有1条支路电流相量未知而其余支路电流相量都已知；采用如下数学模型计算得到所述伪pwu量测数据：

其中，是所述pmu量测数据中的电压向量，是所述pmu量测数据中的电流向量，是所述伪pmu量测数据中的电压向量，是所述伪pmu量测数据中的电流向量，y是导纳矩阵，z是阻抗矩阵，ev为电压测量误差，ei是电流测量误差。

根据本发明实施例的另一方面提供了一种电网状态估计装置，所述电网中安装有scada系统，所述电网中包括：第一节点、第二节点和第三节点，所述第一节点安装有pwu装置，所述装置包括：第一获取模块，用于获取电网中第一节点的pmu量测数据；计算模块，用于根据所述pmu量测数据计算满足预设条件的第二节点的伪pwu量测数据；第二获取模块，用于获取电网中除去所述第一节点和所述第二节点之后的第三节点的scada量测数据；状态估计模块，用于根据所述pmu量测数据、所述伪pwu量测数据和所述scada量测数据估计所述电网的当前潮流状态。

优选地，所述状态估计模块包括：获取单元，用于获取所述电网中的量测向量：

以及节点状态向量：

其中，为所述第三节点量测数据，为所述第二节点的伪注入量测数据，为所述第一节点与所述第二节点之间的传输功率，为所述第一节点注入量，为所述第一节点量测数据，x为所述节点状态向量，xp所述第一节点的电压向量，xb所述第二节点的电压向量，xs所述第三节点的电压向量，θp为所述第一节点的电压相位，θb为所述第二节点的电压相位，θs为所述第三节点的电压相位；vp为所述第一节点的电压幅值，vb为所述第二节点的电压幅值，vs为所述第三节点的电压幅值；选取单元，用于选取参考节点校正所述节点状态向量；计算单元，用于根据所述量测向量和所述校正后的节点状态向量计所述电网的当前潮流状态。

优选地，所述根据所述量测向量和所述校正后的节点状态向量计所述电网的当前潮流状态包括：采用如下估计模型估计所述电网的当前潮流状态：

其中，h为量测方程的非线性向量函数；eα为所述pmu装置的量测误差。

优选地，所述选取参考节点校正所述节点状态向量包括：确定所述参考节点的电压相位；采用如下公式计算得到相位估计量：

θi'＝θi-θref

令采用如下公式计算得到所述校正后的节点状态向量：

zx-se＝hcoθco+eco

其中，θi为节点电压相位量测绝对值，θi'为校正后的节点电压相位量测值，θref为所述参考节点的电压相位，μ^t为所述电网中除去所述参考节点外余下节点的电压数据，zx-se为所述校正后的节点状态向量，hco为所述伪pmu量测数据与所述校正后的节点状态向量之间的线性参数，eco为误差向量。

优选地，所述根据所述pmu量测数据计算满足预设条件的第二节点的伪pwu量测数据包括：所述预设条件包括：支路一端的电压和电流相量都已知，求另一端的电压相量；和/或支路两端电压相量已知，求此支路电流相量；和/或与未安装pmu装置的节点相关联支路中仅有1条支路电流相量未知而其余支路电流相量都已知；采用如下数学模型计算得到所述伪pwu量测数据：

其中，是所述pmu量测数据中的电压向量，是所述pmu量测数据中的电流向量，是所述伪pmu量测数据中的电压向量，是所述伪pmu量测数据中的电流向量，y是导纳矩阵，z是阻抗矩阵，ev为电压测量误差，ei是电流测量误差。

本发明的技术方案具有以下优点：

本发明提供的电网状态估计方法和装置，首先依据电网中已安装pmu装置的第一节点确定第一节点的pmu量测数据，然后可以根据相关电网原理计算得到与第一节点相关的未安装pmu装置的第二节点的相关电网数据作为伪pwu量测数据，电网中剩余的第三节点的电网数据通过scada系统获得，即通过scada系统可以得到第三节点的scada量测数据，然后根据三种节点对应的三种量测数据对电网进行潮流状态估计，与现有技术相比，综合考虑了电网中存在少量的pmu节点和全网存在的scada节点的特点，充分利用了pmu量测数据和scada量测数据，pmu量测数据准确性高、可观测性强，通过电网分解与协调计算，降低了电网状态估计过程的矩阵维数、以及建模的复杂度和求解的难度，能够更好的利用有限的pmu量测数据，提高电网状态估计的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的电网状态估计方法的一个流程图；

图2为本发明实施例1的经典的π型接线的一个示意图；

图3为本发明实施例2的电网状态估计装置的一个框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种电网状态估计方法，电网中安装有scada系统，电网中包括：第一节点、第二节点和第三节点，第一节点安装有pwu装置，如图1所示，该方法包括如下步骤：

s1：获取电网中第一节点的pmu量测数据；此处将电网中安装有pmu装置的节点作为第一节点，pmu装置主要安装在高电压等级变电站和电网系统内主要发电厂上，主要实现对电压向量量测和电流向量量测，即实现了对状态估计中的状态量的直接测量，且由于pmu量测数据的精度很高，一定程度上可以认为pmu量测数据即为实际值，实现对系统局部的可观测性。

s2：根据pmu量测数据计算满足预设条件的第二节点的伪pwu量测数据；此处第二节点可以是没有安装pmu装置、但是可以根据电网原理通过第一节点的pmu量测数据计算出其相关电网数据的节点，由此计算出的第二节点的电网数据即为伪pwu量测数据，第一节点的高精度pmu量测数据可以为第二节点提供精准的数据支持，不仅可以充分利用电网中的pmu量测数据，而且可以提高计算精度。

作为一种优选方案，步骤s2中的预设条件包含但不限于：

①支路一端的电压和电流相量都已知，求另一端的电压相量。

②支路两端电压相量已知，求此支路电流相量。

③未安装pmu装置的节点的相关联支路中仅有1条支路电流相量未知而其余支路电流相量都已知，根据基尔霍夫电流定律可求得该支路的电流相量。pmu装置测量的是所在母线的电压相量与所有出线的电流相量，因此对于电网中安装pmu装置的母线上的节点，只要满足上述任意一种预设条件，均可以采用如下数学模型进行相关的迭代计算得到其对应的伪pwu量测数据：

其中，是pmu量测数据中的电压向量，是pmu量测数据中的电流向量，是伪pmu量测数据中的电压向量，是伪pmu量测数据中的电流向量，y是导纳矩阵，z是阻抗矩阵，ev为电压测量误差，ei是电流测量误差。

s3：获取电网中除去第一节点和第二节点之后的第三节点的scada量测数据；即将剩余的电网节点将自动化为第三节点，由于电网中安装有scada系统，因此可以得到第三节点的scada量测数据，scada系统能够量测线路功率、节点注入量、节点电压等，但是不能量测到相位，无法实现直接可观，本实施例中可以通过加权最小二乘法对scada量测数据进行状态估计，实现对系统的可观测性，如此充分利用了电网中的数据资源。

s4：根据pmu量测数据、伪pwu量测数据和scada量测数据估计电网的当前潮流状态。即综合考虑电网中存在少量的pmu节点和全网存在的scada节点的特点，充分利用了pmu量测数据和scada量测数据，pmu量测数据准确性高、可观测性强，通过电网分解与协调计算，可以降低电网状态估计过程中的矩阵维数、以及建模的复杂度和求解的难度，能够更好的利用有限的pmu量测数据，提高量测数据利用率、提高电网状态估计的效率。

作为一种优选方案，步骤s4可以包括如下步骤：

步骤一：获取电网中的量测向量：

以及节点状态向量：

其中，为第三节点量测数据，为第二节点的伪注入量测数据，为第一节点与第二节点之间的传输功率，为第一节点注入量，为第一节点量测数据，x为节点状态向量，xp第一节点的电压向量，xb第二节点的电压向量，xs第三节点的电压向量，θp为第一节点的电压相位，θb为第二节点的电压相位，θs为第三节点的电压相位；vp为第一节点的电压幅值，vb为第二节点的电压幅值，vs为第三节点的电压幅值。

步骤二：选取参考节点校正节点状态向量；电网在进行全网的状态估计时，首先要确定一个参考节点(相当于潮流计算中的平衡节点)，假定参考节点的电压相位为0，剩下节点与参考节点的相位差可以通过状态估计方程计算得到，而该相位差即为该节点的电压相位。在传统的方法中，对于电网中不同类型的节点分别选取不同的参考节点，造成整个电网系统存在多个参考节点，计算比较繁琐。本实施例中，通过为第一、二、三节点选取相同的参考节点，即选取统一的参考节点校正节点状态向量，实现不同类型的节点对应参考节点之间的协调，可以降低数据计算的复杂程度。作为一种具体的实施方式，步骤二可以包括：确定参考节点的电压相位；假定某一安装pmu装置的节点作为参考节点，其相位为θref，其它节点的相位量测以该参考节点为参考进行校正，采用如下公式计算得到相位估计量：

θi'＝θi-θref

则整个电网系统中余下的节点构成μ＝[μ2，μ3，…，μn]，μi为节点i的电压向量，令可以采用如下公式计算得到校正后的节点状态向量：

zx-se＝hcoθco+eco

其中，θi为节点电压相位量测绝对值，θi'为校正后的节点电压相位量测值，zx-se为校正后的节点状态向量，hco为伪pmu量测数据与校正后的节点状态向量之间的线性参数，eco为误差向量。

步骤三：根据量测向量和校正后的节点状态向量计电网的当前潮流状态。经过步骤二校正过相位的节点状态向量具有统一的度量标准，将其结合量测向量可以得到更加准确且直观的潮流状态估计结果。作为一种具体的实施方式，步骤三可以按照如下方式实施：采用如下估计模型估计电网的当前潮流状态：

其中，h为量测方程的非线性向量函数；eα为pmu装置的量测误差，这里xp可以是第一节点经过相位校正的电压向量，xb第二节点经过相位校正的电压向量。在计算过程中，可以将安装有pmu装置的多个第一节点组成的集合看成一个广义节点，暂且将该广义节点叫做pmu岛，按照电路原理(即基尔霍夫电流定律)，流入pmu岛的所有电流之和等于所有流出pmu岛的电流之和，如图2所示，下面以经典的π型接线进行说明：

对任意电网系统中的一条线路，其两端节点分别为：j,k。按照节点j,k是否是第一节点可以分为三类，分别讨论其特性：

情况1：若节点j在pmu岛内部，而节点k在pmu岛外部，此时pmu电流量测向量满足式(1)-(2)。

式(6)中：是pmu电流量测向量，g为线路电导，b为线路电纳，ic,r为的有功分量，ic,i为的无功分量，v为相应节点的电压向量，θ是相位，其中下标j表示节点j的相关量，下标k表示节点k的相关量，下标jk表示节点j与节点k之间的相关量。

情况2：若节点j,k均在pmu岛内部，此时pmu电流量测向量满足式(3)：

情况3：若节点j,k均不在pmu岛内部，流出pmu岛的电流代数和c(x)满足：

按照计算得到的伪pmu量测数据，依据加权最小二乘法分层进行电网系统状态估计，其数学模型如式(5)所示。

对无注入的pmu岛建立带有等式约束的状态估计模型：

minj(x)＝(z-h(x))^tr^-1(z-h(x))(5)

st.c(x)＝0

上式中：表示量测误差阵。

针对式(4)中的数学模型，构造拉格朗日函数：

minf(x)＝j(x)+λ·c(x)(6)

λ为拉格朗日函数算子，参考拉格朗日函数求解方法，对状态变量x和松弛变量λ求导，整理得到如下迭代公式：

其中：δc＝-c(x)，为2×n维矢量，n为pmu岛内待求状态变量个数。由此可以得到整个电网系统的潮流状态。

需要说明的是，本发明的技术方案并不局限于上述以经典的π型接线进行的说明，只要是能实现本发明的技术方案的接线方式均适用于本发明。

本实施例提供的电网状态估计方法，首先依据电网中已安装pmu装置的第一节点确定第一节点的pmu量测数据，然后可以根据相关电网原理计算得到与第一节点相关的未安装pmu装置的第二节点的相关电网数据作为伪pwu量测数据，电网中剩余的第三节点的电网数据通过scada系统获得，即通过scada系统可以得到第三节点的scada量测数据，然后根据三种节点对应的三种量测数据对电网进行潮流状态估计，与现有技术相比，综合考虑了电网中存在少量的pmu节点和全网存在的scada节点的特点，充分利用了pmu量测数据和scada量测数据，pmu量测数据准确性高、可观测性强，通过电网分解与协调计算，降低了电网状态估计过程的矩阵维数、以及建模的复杂度和求解的难度，能够更好的利用有限的pmu量测数据，提高电网状态估计的效率。

实施例2

本实施例供了一种电网状态估计装置，电网中安装有scada系统，电网中包括：第一节点、第二节点和第三节点，第一节点安装有pwu装置，如图3所示，该装置包括：第一获取模块31、计算模块32、第二获取模块33和状态估计模块34，各模块的主要作用如下：

第一获取模块31，用于获取电网中第一节点的pmu量测数据。具体参见实施例1中对步骤s1的详细描述。

计算模块32，用于根据pmu量测数据计算满足预设条件的第二节点的伪pwu量测数据。具体参见实施例1中对步骤s2的详细描述。

第二获取模块33，用于获取电网中除去第一节点和第二节点之后的第三节点的scada量测数据。具体参见实施例1中对步骤s3的详细描述。

状态估计模块34，用于根据pmu量测数据、伪pwu量测数据和scada量测数据估计电网的当前潮流状态。具体参见实施例1中对步骤s4的详细描述。

作为一种优选方案，状态估计模块34包括：获取单元321，用于获取电网中的量测向量：

以及节点状态向量：

其中，为第三节点量测数据，为第二节点的伪注入量测数据，为第一节点与第二节点之间的传输功率，为第一节点注入量，为第一节点量测数据，x为节点状态向量，xp第一节点的电压向量，xb第二节点的电压向量，xs第三节点的电压向量，θp为第一节点的电压相位，θb为第二节点的电压相位，θs为第三节点的电压相位；vp为第一节点的电压幅值，vb为第二节点的电压幅值，vs为第三节点的电压幅值；选取单元322，用于选取参考节点校正节点状态向量；计算单元323，用于根据量测向量和校正后的节点状态向量计电网的当前潮流状态。具体参见实施例1中对步骤s4的优选方案的相关详细描述。

作为一种优选方案，根据量测向量和校正后的节点状态向量计电网的当前潮流状态包括：采用如下估计模型估计电网的当前潮流状态：

其中，h为量测方程的非线性向量函数；eα为pmu装置的量测误差。具体参见实施例1中对步骤三的相关详细描述。

作为一种优选方案，选取参考节点校正节点状态向量包括：确定参考节点的电压相位；采用如下公式计算得到相位估计量：

θi'＝θi-θref

令采用如下公式计算得到校正后的节点状态向量：

zx-se＝hcoθco+eco

其中，θi为节点电压相位量测绝对值，θi'为校正后的节点电压相位量测值，θref为参考节点的电压相位，μ^t为电网中除去参考节点外余下节点的电压数据，zx-se为校正后的节点状态向量，hco为伪pmu量测数据与校正后的节点状态向量之间的线性参数，eco为误差向量。具体参见实施例1中对步骤二的相关详细描述。

作为一种优选方案，根据pmu量测数据计算满足预设条件的第二节点的伪pwu量测数据包括：预设条件包括：支路一端的电压和电流相量都已知，求另一端的电压相量；和/或支路两端电压相量已知，求此支路电流相量；和/或与未安装pmu装置的节点相关联支路中仅有1条支路电流相量未知而其余支路电流相量都已知；采用如下数学模型计算得到伪pwu量测数据：

其中，是pmu量测数据中的电压向量，是pmu量测数据中的电流向量，是伪pmu量测数据中的电压向量，是伪pmu量测数据中的电流向量，y是导纳矩阵，z是阻抗矩阵，ev为电压测量误差，ei是电流测量误差。具体参见实施例1中对步骤s2的优选方案的相关详细描述。

本实施例提供的电网状态估计装置，首先依据电网中已安装pmu装置的第一节点确定第一节点的pmu量测数据，然后可以根据相关电网原理计算得到与第一节点相关的未安装pmu装置的第二节点的相关电网数据作为伪pwu量测数据，电网中剩余的第三节点的电网数据通过scada系统获得，即通过scada系统可以得到第三节点的scada量测数据，然后根据三种节点对应的三种量测数据对电网进行潮流状态估计，与现有技术相比，综合考虑了电网中存在少量的pmu节点和全网存在的scada节点的特点，充分利用了pmu量测数据和scada量测数据，pmu量测数据准确性高、可观测性强，通过电网分解与协调计算，降低了电网状态估计过程的矩阵维数、以及建模的复杂度和求解的难度，能够更好的利用有限的pmu量测数据，提高电网状态估计的效率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。