電力系統(tǒng)自動控制技術(shù)課件：電力系統(tǒng)狀態(tài)估計

電力系統(tǒng)自動控制技術(shù)

電力系統(tǒng)狀態(tài)估計回顧內(nèi)容以電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定為例，說明新型電力系統(tǒng)3道防線的配置情況。2025/3/72第1道防線：事故發(fā)生前通過調(diào)整一次調(diào)頻備用、慣量水平等手段調(diào)節(jié)電網(wǎng)運行方式的預(yù)防控制；第2道防線：事件驅(qū)動的根據(jù)策略表的緊急控制，屬于前饋控制；第3道防線：針對極端情況的基于響應(yīng)驅(qū)動的校正控制，以低頻減載等為主要形式的反饋控制。電力系統(tǒng)狀態(tài)估計狀態(tài)估計技術(shù)背景現(xiàn)代調(diào)度系統(tǒng)要求能迅速、準(zhǔn)確而全面地掌握電力系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)，預(yù)測和分析系統(tǒng)的運行趨勢，對運行中發(fā)生的各種問題提出對策，并要提供下一步運行的決策。數(shù)據(jù)是計算機自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)；保證電力系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的質(zhì)量是提高軟件水平的關(guān)鍵。因此,如何低成本、高精度地提供電力系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)是電力系統(tǒng)計算機應(yīng)用領(lǐng)域的一大關(guān)鍵問題。量測數(shù)據(jù)為什么不可直接用？調(diào)度中心計算機系統(tǒng)電力高級應(yīng)用軟件(PAS)三、狀態(tài)估計What?Why?How?電力系統(tǒng)狀態(tài)估計主要指實時潮流的狀態(tài)估計，它的作用是：對給定的系統(tǒng)構(gòu)成及量測配置，能估計出系統(tǒng)的真實狀態(tài)，即各母線上的電壓相角與模值及各元件上的潮流。調(diào)度中心計算機系統(tǒng)三、狀態(tài)估計調(diào)度中心計算機系統(tǒng)三、狀態(tài)估計主CPU模塊統(tǒng)籌全局，與各模塊采用并行或串行方式進行通信。公共總線（包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線）由主CPU控制，通過地址總線來選擇各模塊，只有被選中的模塊才可以接收控制信號并存取數(shù)據(jù)。主CPU可用命令來定義各模塊，設(shè)置工作參數(shù)，并對其定時掃描。遙信模塊也可采用中斷方式通知主CPU取數(shù)，以使遙信變位等故障信息盡早被處理。RTU調(diào)度中心計算機系統(tǒng)三、狀態(tài)估計RTU要從電流互感器（TA）和電壓互感器（TV）取得信息，但這些互感器的二次側(cè)電流或電壓量不能適應(yīng)模/數(shù)變換器的輸入范圍要求，故需對它們進行變換。電壓變換器將由電壓互感器二次側(cè)引來的電壓進一步降低。電流變換器將電流互感器二次側(cè)引來的電流變換成電壓信號，并進一步降低電壓。一般模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片要求輸入信號電壓為±5V或±10V。由此可以決定上述電壓變換器，電流變換器的變比。電壓形成電路除了起電量變換作用外，另一個重要作用是將一次設(shè)備的電流互感器TA、電壓互感器TV的二次回路與微機A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)完全隔離，提高抗干擾能力。穩(wěn)壓管組成雙向限幅，使電路后面環(huán)節(jié)的采樣保持器、A/D變換芯片的輸入電壓限制在峰～峰值±10V（或±5V）以內(nèi)。調(diào)度中心計算機系統(tǒng)三、狀態(tài)估計調(diào)度中心計算機系統(tǒng)誤差及其來源：量測值與真實值的差值稱為量測誤差電力系統(tǒng)量測誤差來源(環(huán)節(jié))大體可歸納為：1、變換器（電壓互感器和電流互感器）的誤差；2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的誤差3、數(shù)據(jù)傳送過程中的誤差4、量測和傳送過程中的時間延遲5、運行中三相不平衡及功率因數(shù)的變化，會給單相量測和計算帶來誤差這種由遠(yuǎn)動裝置直接傳送來的數(shù)據(jù)具有較大的誤差，偶爾還包含不良數(shù)據(jù)，習(xí)慣上稱為生數(shù)據(jù)(rawdata)。三、狀態(tài)估計調(diào)度中心計算機系統(tǒng)三、狀態(tài)估計一般來講，誤差具有正態(tài)分布的性質(zhì)：μ-σμ+σZμP(Z)平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差誤差的性質(zhì)只有0.3%的可能性，Z落在3σ范圍之外誤差大于±3σ的量測數(shù)據(jù)可認(rèn)為是不良壞數(shù)據(jù)；實際應(yīng)用中不良數(shù)據(jù)誤差界限往往?。?～7）σ調(diào)度中心計算機系統(tǒng)三、狀態(tài)估計提高數(shù)據(jù)可靠性和完備性的措施建立可靠而完整的數(shù)據(jù)庫有兩條途徑：硬件途徑：增加量測設(shè)備和遠(yuǎn)動設(shè)備，并提高其精度、速度與可靠性；導(dǎo)致技術(shù)和經(jīng)濟上付出過大的代價軟件途徑：采用數(shù)學(xué)、軟件技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行實時處理，提高數(shù)據(jù)的可靠性和完整性。在具備一定水平的硬件基礎(chǔ)上，采用狀態(tài)估計技術(shù)則能充分發(fā)揮已有硬件的潛力，提高數(shù)據(jù)的精度，補充測點和量測項目的不足，排除偶然的錯誤信息和數(shù)據(jù)，提高整個數(shù)據(jù)系統(tǒng)的質(zhì)量與可靠性。狀態(tài)估計基本概念也稱為濾波，它是利用實時量測系統(tǒng)的冗余度來提高數(shù)據(jù)精度，自動排除隨機干擾所引起的錯誤信息，估計或預(yù)報系統(tǒng)的運行狀態(tài)（或軌道）。狀態(tài)估計作為近代計算機實時數(shù)據(jù)處理的手段，首先應(yīng)用在宇宙飛船、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、潛艇和飛機的追蹤、導(dǎo)航和控制。狀態(tài)估計主要處理對象是某一時間斷面上的高維空間（網(wǎng)絡(luò)）問題，而且對量測誤差的統(tǒng)計知識又不夠清楚，因此目前很多電力系統(tǒng)實際采用的狀態(tài)估計算法是最小二乘法。調(diào)度中心計算機系統(tǒng)三、狀態(tài)估計狀態(tài)估計的作用獲得全網(wǎng)的狀態(tài)感知：得到電網(wǎng)狀態(tài)變量估計值為量測量的配置提供建議：可觀性分析剔除不良數(shù)據(jù)：對生數(shù)據(jù)進行不良數(shù)據(jù)檢測與辨識，刪除或改正不良數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)系統(tǒng)的可靠性。進行拓?fù)溴e誤辨識：估計電網(wǎng)實際開關(guān)狀態(tài)，保證結(jié)線方式的正確性。網(wǎng)絡(luò)結(jié)線辨識或開關(guān)狀態(tài)辨識，拓?fù)溴e誤可導(dǎo)致不收斂。進行參數(shù)估計：狀態(tài)估計所依賴的網(wǎng)絡(luò)模型需要知道網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)信息，包括線路、變壓器正序采納數(shù)。參數(shù)臺賬或運行中變化會導(dǎo)致參數(shù)偏差，借助冗余量測量實現(xiàn)可疑參數(shù)估計。2025/3/715調(diào)度中心計算機系統(tǒng)三、狀態(tài)估計狀態(tài)估計問題輸入輸出狀態(tài)估計發(fā)展六十年代初期卡爾曼、布西等人提出的一種遞推式數(shù)字濾波，既節(jié)約內(nèi)存，又大大降低了每次估計的計算量1968年豐田純一提出用卡爾曼濾波方法做負(fù)荷預(yù)報和水庫來水預(yù)報的文章，已經(jīng)屬于狀態(tài)估計在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的研究最早應(yīng)用狀態(tài)估計程序的是挪威水利電力局（Tokke）一個小電網(wǎng)公司和美國電力公司（AEP）所屬的較大電網(wǎng)1977年開始，我國北京、廣東和華東等電力系統(tǒng)與有關(guān)的科研機構(gòu)和高等院校合作開展了狀態(tài)估計課題的研究工作調(diào)度中心計算機系統(tǒng)三、狀態(tài)估計狀態(tài)估計數(shù)學(xué)描述量測矢量：Z=[Z1,Z2,…,Zm]T,m維實際量測值量測誤差矢量：ν=[ν1,ν2,…,νm]T,m維量測函數(shù)：h(x)=[h1(x),h2(x),…,hm(x)]T理論（符合物理規(guī)律）狀態(tài)量：x＝[x1,x2,…,xn]T,n維量測方程調(diào)度中心計算機系統(tǒng)三、狀態(tài)估計狀態(tài)估計數(shù)學(xué)描述方程個數(shù)m大于狀態(tài)變量的個數(shù)n多余m-n個方程為矛盾方程，找不到常規(guī)意義上的解，只能用統(tǒng)計的方法求在某種估計意義上的解。調(diào)度中心計算機系統(tǒng)三、狀態(tài)估計最小二乘估計（LeastSquaresEstimation）對量測方程:滿足上述目標(biāo)的稱為的最小二乘估計值建立目標(biāo)函數(shù)，求極小值：調(diào)度中心計算機系統(tǒng)三、狀態(tài)估計最小二乘估計（LeastSquaresEstimation）A10伏R10歐V狀態(tài)量x為電流I測量值：I=1.05A＝1.05p.u；U=9.8V＝0.98p.u；P=9.6W=0.96p.u；量測方程：Z1=x+v1Z2=Rx+v2Z3=Rx2+v3標(biāo)么化：調(diào)度中心計算機系統(tǒng)三、狀態(tài)估計最小二乘估計（LeastSquaresEstimation）目標(biāo)函數(shù)：

Min.J(x)=(1.05-x)2+(0.98-Rx)2+(0.96-Rx2)2令調(diào)度中心計算機系統(tǒng)三、狀態(tài)估計最小二乘估計（LeastSquaresEstimation）狀態(tài)的估計值x=0.9917量測的估計值：電流I=x=0.9917p.u.=0.9917A電壓U=Rx=0.9917p.u.=9.917V有功P=Rx2=0.9835p.u.=9.835W量測估計值的誤差：電流νI=0.9917-1.0=-0.0083A(-0.0083p.u.)電壓νU=9.917-10.0=-0.083V(-0.0083p.u.)有功νP=9.835-10.0=-0.165W(-0.0165p.u.)加權(quán)最小二乘估計若事先知道量測值的精度，可給精度高的儀表賦較大的權(quán)值，以提高估計精度新目標(biāo)函數(shù)：三、狀態(tài)估計示例2minJ(x)=2(1.05-x)2+2(0.98-x)2+(0.96-x2)2前例中各估計值的誤差分別為：電流：0.0083，電壓：0.0083，有功：0.0165設(shè)各量的權(quán)值為電流:2電壓:2有功:1三、狀態(tài)估計示例3minJ(x)=2(1.05-x)2+(0.98-x)2+(0.96-x2)2設(shè)各量的權(quán)值為電流:2電壓:1有功:1三、狀態(tài)估計電力系統(tǒng)最小二乘法狀態(tài)估計四節(jié)點狀態(tài)估計例題三、狀態(tài)估計已知條件是電力系統(tǒng)的實時量測值，包括各節(jié)點電壓、注入有功無功、支路有功無功，共m(=16)維：待求的狀態(tài)量，與常規(guī)潮流完全相同，仍然是各結(jié)點電壓幅值和相角組成的n（=7）維矢量：三、狀態(tài)估計根根基爾霍夫定律，可以建立用未知狀態(tài)量x和導(dǎo)納矩陣表示的各量測量的計算式h(x)，共有m(=16)個方程式：三、狀態(tài)估計只要有一組狀態(tài)量x就可以得到一組量測量的計算值h(x)。給定的量測值與此計算值的差值稱為殘差。由各量測量的殘差組成m維殘差矢量：三、狀態(tài)估計2025/3/731三、狀態(tài)估計三、狀態(tài)估計三、狀態(tài)估計2025/3/734三、狀態(tài)估計2025/3/735三、狀態(tài)估計迭代收斂標(biāo)準(zhǔn)：三、狀態(tài)估計2025/3/737三、狀態(tài)估計三、狀態(tài)估計三、狀態(tài)估計狀態(tài)估計VS潮流計算狀態(tài)估計注入量不僅包括結(jié)點注入復(fù)功率，還包括支路復(fù)功率和電壓幅值量測量數(shù)多于狀態(tài)量數(shù)超定方程組，普通意義下是無解的，只能在新設(shè)定的準(zhǔn)則下定義它的解。常規(guī)潮流計算把各PQ結(jié)點給定的注入功率、PV結(jié)點注入有功和電壓幅值看作量測量量測量數(shù)等于狀態(tài)量數(shù)正定方程組三、狀態(tài)估計狀態(tài)估計對SCADA的要求量測配置合理量測有一定的冗余度開關(guān)/刀閘的狀態(tài)基本正確實時信息的同時性較好三、狀態(tài)估計由于m＞n和量測誤差的存在，不可能找到一個x，使殘差矢量r的各分量均為0，然而可以期望得到使加權(quán)殘差平方和