一种计及光伏注入功率的状态估计方法与流程

本发明涉及配电网运行和控制技术领域，涉及一种计及光伏注入功率的状态估计方法。

背景技术：

随着光伏、风电等分布式电源不断涌入电网，具有波动性和间歇性分布式电源对电网的安全、稳定、高效运行提出更高的要求，而电网的有效估计是电网调度自动化的重要保证。由于电网规模不断扩大，会实时产生大量数据，这些数据常常受到常受随机误差、仪表误差和模式误差的干扰而导致数据不准。在保证系统可观性的条件下，状态估计方法依据实测装置的冗余度来提高量测数据的精度和准确性。与传统的潮流计算相比，状态估计在潮流计算的基础上进行了延伸，其依据的数据更多，涉及到数据的辨识和筛选，因此估计的电气结果更为精确。所以研究含光伏电源的状态估计方法对分析光伏电源的渗透对电网状态估计的作用有着十分重要的意义。

现有的电力系统状态估计方法通常选择把光伏电源作负荷处理，忽略光伏电源的类型、模型及自身状态变量，即只把光伏电源看作一般的负荷节点。这种估计方法只能得到节点的电压幅值和相角，既无法确定光伏电源的运行状态，也无法区分光伏电源的自身特性。现有技术中存在的忽略光伏电源的类型、模型及自身状态变量、精度低的问题，因此，提供一种有计及光伏电源特性的配电网状态估计方法就很有必要。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明提供一种计及光伏注入功率的状态估计方法，从而提高精度以及提高配电网的智能化和稳定性。

本发明提供了一种计及光伏注入功率的配电网状态估计方法，所述方法包括：

(1)初始化网络参数，建立光伏电站等值模型及注入功率量测方程；

(2)将配电网的支路功率量测、支路电流幅值量测、节点注入功率量测和电压幅值量测转换为支路电流的幅值和相角；

(3)构建量测矩阵，将支路电流i、逆变器幅值调制比m和相位调制角a作为状态量，采用估计算法进行状态估计，修正状态变量；

(4)重复步骤(3)直到满足收敛条件，得出状态估计结果，上传实时数据库。

本发明的工作原理：根据光伏电源的自身特性和对配电网潮流带来的影响，研究适合于含光伏电源配电网的状态估计方法，从而为配电网的智能化和安全稳定运行奠定基础。考虑光伏电源的自身特性，具体指光伏电池、光伏逆变器的输出特性，建立准确的光伏发电等值模型。将该模型并入配电网系统，构建量测矩阵，并以支路电流、逆变器幅值调制比和相位调制角作为状态量，采用估计方法进行状态估计，修正状态变量，从而得到配电网及光伏电源的实时运行状态。

上述方案中，为优化，进一步地，所述步骤(1)中光伏电站等值模型及注入功率量测方程为：

其中，pps为光伏发电的有功功率，qps为光伏发电的无功功率；u为交流侧电压的幅值，θ为交流侧电压的相角；ucell为光伏电池的电压；na为单个光伏阵列中光伏电池串联的数量；naa为所有光伏阵列所含光伏模块的数量；m为光伏发电模型中的逆变器幅值调制比，a为光伏发电模型中的相位调制角；zab、φab、zbc、φbc、zac、φac分别为光伏发电模型等值电路交流部分的y型电路转换成δ型等值电路的等值阻抗幅值和相角。

进一步地，所述步骤(2)中包括将支路有功功率量测、支路无功功率量测、电流幅值量测、节点功率注入量测、电压幅值量测转换为支路电流的幅值和相角。

进一步地，所述步骤(2)中将所述支路有功功率量测的虚实部、支路无功功率量测的虚实部，节点注入功率量测的虚实部以及电压幅值量测的虚实部，均分别表示为支路电流幅值和支路电流相角；将电流幅值量测表示为支路电流。

进一步地，所述估计算法为根据最小二乘法对步骤(1)中的光伏电站等值模型及注入功率量测方程进行迭代计算。

进一步地，所述步骤(3)中的估计算法包括：根据状态变量构建方程：x＝(i,δ,m,a)，根据方程x＝(i,δ,m,a)建立雅克比矩阵，所述雅克比矩阵为考虑多个状态量的状态估计模型，雅克比矩阵为：

其中，下标ps为光伏电场节点对应的功率，和的维数与配电网光伏电站的数量一致。

本发明中计及光伏电源接入的影响，建立考虑光伏电站等值模型及注入功率量测方程；将支路功率量测、支路电流幅值量测、节点注入功率量测和电压幅值量测转换为支路电流的幅值和相角；构建量测矩阵，以各支路的电流量、逆变器幅值调制比以及相位调制角作为状态量，采用估计算法进行状态估计，修正状态变量，从而获得准确的状态估计结果。在吸取基于支路电压量测变换方法的基础上提出了基于支路电流等多个状态变量的配电网状态估计算法，除了能够利用配电网中的功率量测外，还利用电流幅值量测和电压幅值量测，由于后两种量测在配电网量测中占据很大比重，因此算法有效地提高了量测冗余度和状态估计的可观性及准确性。

本发明的有益效果：

效果一，克服光伏电源并入配电网后，配电系统由之前单电源供电方式转为多样电源供电方式，潮流随之变化的问题；

效果二，光伏电源的并入增加了量测矩阵的阶数，提高了估计精度；

效果三，从而为配电网的智能化和安全稳定运行奠定基础。

附图说明

图1是本发明的光伏发电等值模型；

图2是本发明中交流侧等值模型图；

图3是本发明中线路的π型等值模型；

图4是本发明中功率注入量侧单线模式图；

图5是本发明的配电网状态估计方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种计及光伏注入功率的状态估计方法，如图5，所述方法包括：

(1)初始化网络参数，建立光伏电站等值模型及注入功率量测方程；

(2)将配电网的支路功率量测、支路电流幅值量测、节点注入功率量测和电压幅值量测转换为支路电流的幅值和相角；

(3)构建量测矩阵，将支路电流i、逆变器幅值调制比m和相位调制角a作为状态量，采用估计算法进行状态估计，修正状态变量；

(4)重复步骤(3)直到满足收敛条件，得出状态估计结果，上传实时数据库。

本实施例的工作流程：如图5所述，计及光伏电源接入的影响，建立考虑光伏电站等值模型及注入功率量测方程；将支路功率量测、支路电流幅值量测、节点注入功率量测和电压幅值量测转换为支路电流的幅值和相角；构建量测矩阵，以各支路的电流量、逆变器幅值调制比以及相位调制角作为状态量，采用估计算法进行状态估计，修正状态变量，从而获得准确的状态估计结果。

具体地，如图1，所述步骤(1)中光伏电站等值模型及注入功率量测方程为：

其中，pps为光伏发电的有功功率，qps为光伏发电的无功功率；u为交流侧电压的幅值，θ为交流侧电压的相角；ucell为光伏电池的电压；na为单个光伏阵列中光伏电池串联的数量；naa为所有光伏阵列所含光伏模块的数量；m为光伏发电模型中的逆变器幅值调制比，a为光伏发电模型中的相位调制角；zab、φab、zbc、φbc、zac、φac分别为光伏发电模型等值电路交流部分的y型电路转换成如图2的δ型等值电路的等值阻抗幅值和相角。

具体地，所述步骤(2)中包括将支路有功功率量测、支路无功功率量测、电流幅值量测、节点功率注入量测、电压幅值量测转换为支路电流的幅值和相角。

具体地，所述步骤(2)中将所述支路有功功率量测的虚实部、支路无功功率量测的虚实部，节点注入功率量测的虚实部以及电压幅值量测的虚实部，均分别表示为支路电流幅值和支路电流相角；将电流幅值量测表示为支路电流。

步骤(2)中配电系统中的各个量测是相互配合的，它们包括支路有功功率量测，支路无功功率量测，电流幅值量测，功率注入量测，即伪量测，电压幅值量测。线路可以被等效为π型模型，图3为从母线k到母线m支路的线路模型。

具体地，所述步骤(3)中的估计算法包括：根据状态变量构建方程：x＝(i,δ,m,a)，根据方程x＝(i,δ,m,a)建立雅克比矩阵，所述雅克比矩阵为考虑多个状态量的状态估计模型，雅克比矩阵为：

其中，下标ps为光伏电场节点对应的功率，和的维数与配电网光伏电站的数量一致。

另外，所述估计算法为根据最小二乘法对步骤(1)中的光伏电站等值模型及注入功率量测方程进行迭代计算。

最小二乘法状态估计的状态变量需要借助量测方程式，即联系状态向量与量测向量之间的函数关系来间接求得。在考虑有量测噪声式，它们之间的关系为：

z＝h(x)+v；

其中，z为m维的量测量向量；h(x)为量测函数向量：

h^t(x)＝[h1(x),h2(x),...,hm(x)]；

v为量测噪声向量，v的表达式为：

v^t＝[v1,v2,...,vm]；

最小二乘法状态估计的目标函数为：

j(x)＝[z-h(x)]^tr^-1[z-h(x)]；

其中，r^-1＝1/σ²；对于给定的量测向量z，状态估计向量x是使目标函数j(x)为最小的值。若要取得极值，需对j(x)＝[z-h(x)]^tr^-1[z-h(x)]进行求导，得到：

其中，为雅克比矩阵。

状态变量选择的是支路电流，即幅值和相位、逆变器幅值调制比和相位调制角。这种状态估计算法选取i、δ、m、a作为状态变量，即x＝(i,δ,m,a)，由此建立雅克比矩阵

状态变量的迭代方程为：

δx^(k+1)＝x^(k)+δx^(k)；

其中，g(x^(k))＝h^t(x^(k))r^-1h(x^(k))为增益矩阵；x^(k)、x^(k+1)分别为第k次和第k+1次迭代得到的状态变量。当|δx^(k+1)|满足收敛标准或达到迭代次数时，估计结束，并将结果上传实时数据库。

本实施例支路功率量测中，从母线k到母线m的功率可表示为：

pkm+jqkm＝vkm(ikm)^*＝vkmikm[cos(δk-αkm)+jsin(δk-αkm)]；

通过分开虚实部，有功和无功支路量测方程可以表示为：

pkm＝vkmikmcos(δk-αkm)；

qkm＝vkmikmsin(δk-αkm)；

支路电流幅值量测，从母线k到母线m的电流可表示为：

ikm(measurement)＝ikm；

注入功率量测，如图4，假设功率注入k母线，同时有n条母线与之相联。电流从母线1…m注入母线k，从母线k流入母线m+1…n。也就是说，母线1…m是母线k的上游母线，母线m+1…n是母线k的下游母线。

通过变换可以得到：

通过把虚实部分开，等式变成：

其中：re(x)：x的实部；im(x)：x的虚部。

电压幅值量测，假设电压幅值量测设置在母线k上，同时有n条支路将母线k与根母线0连接起来，所有的支路电流都是从母线0流出，可以得到，

其中，x为系统状态变量，pk为母线k的注入有功功率，qk为母线k的注入无功功率，pkm为从母线k到母线m的注入有功功率，qkm为从母线k到母线m的注入无功功率，vk为母线k的电压幅值，δk为母线k的电压相角，为母线k的复数电压形式，ikm为母线k到母线m的支路电流幅值，zkm为母线k到母线m的阻抗模值。

光伏注入功率量测中：

本发明公开了一种考虑光伏注入功率的状态估计方法，该方法计及光伏电源接入的影响，建立考虑光伏电站等值模型及注入功率量测方程；将支路功率量测、支路电流幅值量测、节点注入功率量测和电压幅值量测转换为支路电流的幅值和相角；构建量测矩阵，以各支路的电流量、逆变器幅值调制比以及相位调制角作为状态量，采用估计算法进行状态估计，修正状态变量，从而获得准确的状态估计结果。在吸取基于支路电压量测变换方法的基础上提出了基于支路电流等多个状态变量的配电网状态估计算法，除了能够利用配电网中的功率量测外，还利用电流幅值量测和电压幅值量测，由于后两种量测在配电网量测中占据很大比重，因此算法有效地提高了量测冗余度和状态估计的可观性及准确性。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。