一种基于同步相量量测的电力系统网络拓扑分析方法与流程

本发明属于电力系统运行和控制技术领域，特别涉及一种基于同步相量量测的电力系统网络拓扑分析方法。

背景技术：

电力系统的网络拓扑分析技术是电力系统运行和控制技术的关键技术，正确的拓扑分析结果是电网正常运行的基础要求。

传统的网络拓扑分析一般由两部分组成：第一步是厂站拓扑分析，即根据厂站内断路器和刀闸的状态，将通过零阻抗支路相连的一次设备汇集成计算用节点；第二步是系统网络分析，即将通过阻抗支路相连的计算用节点划分为电气岛。经过几十年的研究，基于遥信的拓扑分析取得了很大进展，但仍存在以下几个问题，一是拓扑分析采用的数据源比较单一，只利用遥信的开关量信息；二是遥信的刷新周期为秒级，实时性不够；三是遥信不带时标，同步性较差，可靠性也不够，遥信的开关量一旦出错，可能造成拓扑错误。

同步相量测量单元(phasormeasurementunit，pmu)是新一代的电网数据测量装置，相比传统的测量装置，pmu能够获取同步性更好、刷新频率更快的数据，pmu不仅可以提供开关量信息，还可以提供开关上的模拟量(电流、功率)以及进出线上的电流/电压相量量测信息，并且数据刷新周期可达十毫秒，为网络拓扑分析提供了新的数据源。但是基于pmu的网络拓扑分析研究还刚起步，相关算法还不是可靠性不高。

总的来看，目前各种分析计算使用的网络拓扑依然是根据遥信数据得到的，现有的基于pmu的拓扑分析方法也要使用开关量，需要知道各厂站内部详细的电气连接关系。实现不依靠开关量而只依赖pmu模拟量数据的网络拓扑分析的技术目前尚为空白。

技术实现要素：

本发明的目的是是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于同步相量量测的电力系统网络拓扑分析方法。本发明利用电网的同步向量测量技术，不受采集的开关量正确与否的影响，可快速准确获取电力系统的网络拓扑结构。

本发明提出的一种基于同步相量量测的电力系统网络拓扑分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立电力系统网络拓扑分析规则；

根据基尔霍夫电流定律，当一个厂站全部进出线的电流量测中无不良数据时，有以下规则成立：

规则1：全部进出线电流之和的绝对值小于不良数据阈值η1；

规则2：若厂站等效为2个节点记为节点a和节点b，则归属于节点a的进出线的电流之和的绝对值小于设定阈值η2；余下的进出线归属于节点b，且其电流之和的绝对值小于设定阈值η3；

规则3：归属于节点a的全部进出线的电压幅值极差小于设定阈值η4，相角极差小于设定阈值η5；归属于节点b的全部进出线的电压幅值极差小于设定阈值η6，相角极差小于设定阈值η5；

规则4：若一条进出线上的电流幅值大于该条线路的无电流阈值η7，则该条线路状态为运行，否则为停运；

2)获取某个断面的电网所有厂站的全部同步相量测量单元测量数据，包括每个厂站所有进出线和母线的电压幅值相角和电流幅值相角；

3)选取电网中任意一个厂站，该厂站全部进出线电流表示为电压表示为其中，符号上端的·表示测量数据为相量，即测量数据包含幅值和相角；l1,l2…ln为每条进出线的编号，n表示进出线总数目，分别表示a相、b相、c相和正序；

4)依次获取步骤3)选定厂站的所有进出线的线路额定电流幅值in，n＝l1,l2…ln，分别计算每条进出线线路相应的无电流阈值η7，表达式如下：

η7＝5％×in

判断每条进出线线路是否停运：如果某条进出线的电流幅值大于该线路所对应的无电流阈值η7时，则标记该条进出线线路状态为运行；否则为停运；

5)判断该厂站所有的进出线电流之和的绝对值是否小于不良数据阈值η1：若则说明该厂站的进出线电流测量数据中不存在不良数据，进入步骤6)；否则说明该厂站的进出线电流测量数据中存在不良数据，拓扑分析终止，返回步骤2)，重新获取下一个断面的同步相量测量单元测量数据；

6)若存在两个互斥的非空子集和满足则将这样的子集称为的二分子集，搜索中所有的二分子集，判断是否存在二分子集使得下列公式成立：

其中，和分别表示归属于节点a的进出线的电压幅值和相角；和分别表示归属于节点b的进出线的电压幅值和相角；range(.)表示极差，即最大值和最小值之差；

若成立，则该厂站等效为2个节点，记为节点a和节点b，且属于集合的进出线归属于节点a，属于集合的进出线归属于节点b；若不成立，则该厂站等效为1个节点；该厂站的拓扑分析完成；

7)重复步骤3)至步骤6)，完成对所有厂站的拓扑分析，最终获得整个电网的拓扑分析结果。

本发明的特点及有益效果在于：

本发明通过研究拓扑分析的实质，提出了将厂站等效成黑盒子，不用关心厂站内部细节，只需判断黑盒子内是等效成1个节点或2个节点，并决定进出线同节点的归属关系以及确定进出线运行状态的拓扑分析新思路。之后基于pmu测量的进出线电压、电流相量数据和基尔霍夫电流定律，给出了一套判断各厂站等效节点数以及进出线运行状态的方法，由此可快速获取网络的拓扑结构。

本发明所提出的拓扑分析方法不需要知道各厂站具体的接线图，也不需要知道厂站内各开关的状态，因此可以不受采集的开关量正确与否的影响，可以避免基于遥信的拓扑分析中由于采集的开关量信息出错造成的拓扑错误，为快速准确获取电力系统的网络拓扑结构提供了新的思路和方法。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图。

具体实施方式

本发明提出一种基于同步相量量测的电力系统网络拓扑分析方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。

电力系统中各厂站间的线路是固定的，区别在于其状态是“运行”还是“停运”；同时，正常运行情况下各厂站500kv电压等级最多只有2个母线(分别为第一母线和第二母线)接入网络(若有旁路母线，则一般在检修或者事故情况下才启用，即使启用旁路母线，其要么和第一母线或第二母线连通，要么第一母线或第二母线退出运行)，若2个母线连通则厂站等效为1个节点，若2个母线不连通则厂站等效为2个节点。若将各厂站用黑盒子来表示，则各黑盒子间的连线是确定的，本发明的网络拓扑分析所要做的是将各黑盒子等效成1个或者2个节点，并决定盒子间的连线同节点的归属关系以及连线的状态。

本发明提出的一种基于同步相量量测的电力系统网络拓扑分析方法，整体流程如图1所示，包括以下步骤：

1)建立电力系统网络拓扑分析规则；

根据基尔霍夫电流定律(kcl)，当一个厂站全部进出线的电流量测中无不良数据时，有以下规则成立：

规则1：全部进出线电流之和应为0。实际中考虑到量测误差和厂站用电，其绝对值应小于某个接近0的阈值η1，即不良数据阈值η1

规则2：若厂站等效为2个节点(不妨用节点a和节点b来表示)，则归属于节点a的进出线的电流之和应为0，实际中考虑到量测误差，其绝对值应小于某个接近0的阈值η2；余下的进出线归属于节点b，且其电流之和也应为0，实际中考虑到量测误差，其绝对值应小于某个接近0的阈值η3。

规则3：归属于节点a的全部进出线的电压应相等，实际中考虑到量测误差，其幅值极差应小于某个接近0的阈值η4，相角极差应小于某个接近0的阈值η5；归属于节点b的全部进出线的电压也应相等，实际中考虑到量测误差，其幅值极差应小于某个接近0的阈值η6，相角极差应小于某个接近0的阈值η5。

以上规则可以用来判断厂站的等效节点数是1个还是2个，以及进出线同节点的归属关系。而对于进出线运行状态的判断，可以基于以下规则：

规则4：若一条进出线上的电流幅值大于该条线路的无电流阈值η7，则该条线路状态为“运行”，否则为“停运”。

2)获取某个断面的电网所有厂站的全部pmu测量数据，包括每个厂站所有进出线和母线的电压幅值相角和电流幅值相角；

3)选取电网中任意一个厂站，该厂站全部进出线电流表示为电压表示为其中，符号上方的·表示测量值为相量，即测量值包含幅值和相角；l1,l2…ln为每条进出线的编号，n表示进出线总数目，分别表示a相、b相、c相和正序；

4)依次获取步骤3)选定厂站的所有进出线的线路额定电流幅值in，n＝l1,l2…ln，分别计算每条进出线线路相应的无电流阈值η7，表达式如下：

η7＝5％×in

利用规则4判断每条进出线线路是否停运：如果某条进出线的电流幅值大于该线路所对应的无电流阈值η7时，则标记该条进出线线路状态为“运行”；否则为“停运”。

5)利用规则1，判断该厂站所有的进出线电流之和的绝对值是否小于不良数据阈值η1：若则说明该厂站的进出线电流测量数据中不存在不良数据，进入步骤6)；否则说明该厂站的进出线电流测量数据中存在不良数据，拓扑分析终止。当存在不良数据时，说明该断面的测量数据无法用于拓扑分析，重新返回步骤2)，重新获取下一个断面的pmu测量数据；

6)若存在两个互斥的非空子集和满足(将这样的子集称为的二分子集)，搜索中所有的二分子集，根据规则2和规则3，判断是否存在二分子集使得下列公式成立：

若规则2和规则3成立，则该厂站可以等效为2个节点a和b，且属于集合的进出线归属于节点a，属于集合的进出线归属于节点b。其中，和分别表示归属于节点a的进出线的电压幅值和相角；和分别表示归属于节点b的进出线的电压幅值和相角；range(.)表示极差，即最大值和最小值之差；若不成立，则该厂站等效为1个节点；该厂站的拓扑分析完成；

7)重复步骤3)至步骤6)，完成对所有厂站的拓扑分析，即可获得整个电网的拓扑分析结果。

上述方案中，阈值η1～η6的取值可以根据pmu量测误差来确定，选取原则如下：

η5＝k5×δua×2

其中，k1～k6表示可靠系数，一般取1，当已知测量条件较为恶劣时，可适当增大取值；n、n1和n2分别为集合和中进出线的数目；δim、δum和δua分别表示pmu电流幅值的量测误差、电压幅值的量测误差和电压相角的量测误差，可根据各厂站pmu量测的精度来选取。