1、 量测类型对电力体系状态估计精度影响分析第 1 章绪论1.1 引言电力系统状态估计的精度将影响到电力系统分析决策和控制的准确性。因此对电力系统状态估计精度的分析是很有必要的。通过电力系统状态估计中量测量误差对状态估计精度的影响分析，合理地设置量测权重有助于提高状态估计精度。传统的状态估计都只采用电压及功率的量测，随着相角量测量装置(Phasor Measurement Unit, PMU)的广泛应用，相角量测在电力系统状态估计中也有了一定的实际应用。相角是电力系统状态估计中一个非常重要的状态量，它能反映电力系统的实时运行状态，是进行稳定判别的重要依据。由于相角涉及到电力系统的监 -视、控制、保
2、护和调度等诸多领域，因此，相角的有效及精确测量，对电力系统发展具有重要意义。PMU的逐渐发展与应用，在电力系统状态估计方面也有很大的实用价值。.1.2 电力系统状态估计及相角量测的研究意义状态估计是现代能量管理系统(EMS)的重要组成部分，是运行电力系统其它应用软件的基础，其结果直接影响电调度的智能化分析与决策。许多安全和经济方面的功能都要用可靠数据集作为输入数据集，而状态估计程序的输出结果就是可靠数据集2。电力系统运行状态可用各母线的电压幅值和电压相角来表示，由络元件参数、表征络拓扑连接特性的开关状态和边界条件(发电和负荷水平）决定。近年来，随着电力市场的高速发展，电力系统调度自动化水平越来
3、越高，对电力系统状态估计的精度要求也越来越高。电力系统状态估计利用实时量测和伪量测数据估计出全的母线电压幅值和电压相角，排除随机干扰引起的错误信息，从而估计和预报系统的实时运行状态，实现对系统当前运行状态的安全监控。状态估计在现代电力系统中发挥着重要的作用。状态估计的功能是将从数据采集与监控系统(SCADA)传来的低精度、不完整及包含不良数据的生数据转化为可靠而完整的熟数据。其主要任务是利用 SCADA 系统的遥信按开关状态建立络模型，并对实时量测数据进行检测，排除其中的不良数据，对不足的量测点补充伪量测以保证冗余度，从而估计出系统运行中各母线上的电压幅值和相角，并计算出系统的功率分布；同时利
4、用计算结果分析系统的运行状态，加强全的可观测性，为系统的分析计算提供出完整的数据库。.第 2 章电力系统状态估计的基础知识2.1 概述SCADA 装置釆集电中的信息，并通过信息络将釆集的数据传送至调度中心的计算机监控系统。这些数据被用于一系列的应用程序，包括保证系统的经济运行以及对系统设备或线路故障时进行安全性评估分析，并最终构成了能量管理系统 EMS)。电力系统状态估计是能量管理系统中保证实时数据准确性的一个重要环节，它为能量管理系统中其它应用程序的应用奠定了基础28。状态估计也可以称为实时潮流，是由 SCADA 系统实时量测估计出来的，电力系统状态估计是在给定的量测系统、支路参数及络结线的
5、情况下，估计出系统的真实状态即母线上的电压相角与电压幅值以及各元件上的潮流）。其输入输出数据模型如下图：. 线路参数包括电抗、电阻以及对地电纳，变压器参数包括电抗和变比(一般不必考虑电阻) 。这些参数是由设备计算或实际测试中得到的，一般不随运行状态变化。但有些络参数，如带负荷调压变压器的变比和无功补偿等在运行中是变化的。一般地，假设状态估计模型中的络参数是没有误差的。但由于某些原因导致得到的络参数不准确时，也可以进行参数估计。这时要用到带误差的参数模型：由于各个量测量的量测精度不一样，为了提高状态估计的精度，应该使每个量测值分别选取一个权值，精度高的量测量权值大些，精度低的量测量权值小些。在此
6、基础上提出了加权最小二乘法。基本加权最小二乘法是状态估计中应用最为广泛的算法29_36。2.2 状态估计的数学模型电力系统的运行状态可以用节点电压幅值、电压相角、线路有功与无功功率、节点有功与无功注入量等物理量来表示。状态估计的目的就是应用经测量得到的上述物理量通过估计计算求出能表征系统运行状态的状态变量。电力系统运行的状态变量，通常取节点电压幅值与电压相角。如果系统结构与络参数都已知，根据状态变量就不难求出各支路的有功功率、无功功率及所有节点的注入有功功率和无功功率。随着通信技术的发展，特别是全球定位系统 GPS)的出现，为电力系统提供了统一的时钟标准，使得电压相角的同步测量成为可能西方国家
7、从 20 世纪 90 年代开始把相量测量装置 PMU应用于电力系统的监测、稳定控制和保护的理论及应用研究工作中Thorp 和 Phadke 博士等人研究相量量测在电力系统状态估计中的应用21 。国内的一些单位和学者也开展了 PMU 的研究开发工作，并取得了一些成果22_24。文献25 在传统的状态估计中加入了相角量测量，在可观测系统的条件下，研究了如何布置 PMU 测点：在给定的系统线性可观测的 PMU 配置方案和在给定 PMU 数量的情况下，能够使状态估计精度得到提高的 PMU 配置方案。文献26讨论了 PMU 在电力系统状态估计中的应用前景，并提出了新的 PMU 的状态估计模型。该模型是在
8、等效电流量测变换状态估计模型的基础上引入旋转变换，并且不需要对电压相角和幅值及有功和无功的量测权重做任何假设。文献27通过分析不同类型的量测量对状态估计的影响，利用摄动法分析了状态量对不同类型的量测量的灵敏度，最后发现状态量对节点电压以及注入功率的灵敏度较大，对支路功率的灵敏度较小，提出了新的量测权值的设置方法：支路功率量测给予较大的量测权重，节点注入功率以及节点电压给予较小的量测权重，这样的权重设置大大地提高了状态估计的精度。.第 3 章量测量的误差分析.203.1 量测量的误差来源.203.2 各类量测量的误差分析.203.2.1 节点电压量测量的误差.203.2.2 功率量测量的误差.2
9、23.2.3 相角量测量的误差.223.3 本章小结.24第 4 章量测权重设置.254.1 量测权值的选取.254.2 量测量权重的设置.254.2.1 络方程 254.2.2 量测量对状态估计的影响分析.264.3 本章小结.35第 5 章算例分析.365.14 节点系统算例.365.2IEEE30 节点算例.405.3 本章小结.44第 5 章算例分析5.1 4 节点系统算例上一章用基本加权最小二乘状态估计法分析了不同量测量误差对状态估计精度的影响，以及各个量测量权重的合理设计。通过理论分析分析得知：支路功率量测量误差对状态估计精度的影响较小，节点注入功率量测量误差、节点电压量测量误差以
10、及相角量测量误差对状态估计精度的影响较大，因此在设置权重的时候，将给支路功率量测设置较大的权重值，节点注入功率量测、节点电压量测以- 及相角量测设置相对较小的权重值，这样的权重设置可以大大地改善状态估计精度。选择合适的权重对于提高电力系统状态估计精度有重要的作用。本章将通过具体的算例对上章的理论分析进行验证。下面以 4 节点系统为例进行算例仿真分析。首先，假设已知系统的电压幅值和节点注入功率，经过潮流计算，把计算结果作为系统量测量以及状态量的真值。.结论传统的量测量主要包括支路功率、节点注入功率和节点电压，本文把相角作为量测量加入到传统的量测量中，通过理论分析确定了设置权重的合理方案，从而提高
11、电力系统状态估计的精度。主要包括以下方面：(1)首先分析了量测量的误差，主要是量测设备误差对各个量测量所造成的误差。(2)通过理论分析，合理地设置了量测权重。传统的量测权重方法通常是选取量测误差的方差倒数作为量测量的权重，误差相同，设置的权重值也相同。然而实际应用中发现，不同的量测类型，即使它们的量测误差相同，对状态估计精度的影响却是不同的。本文通过分析各个量测量对状态估计精度的影响，提出设置量测量权重值的合理方案。(3)通过理论分析发现，支路功率量测量的误差对状态估计精度的影响较小，节点注入功率量测量的误差、节点电压量测量的误差以及相角量测量的误差对状态估计精度的影响较大，因此，在设置权重值的时候，对支路功率设置较大的权重，其他量测量设置较小的权重，其中由于节点注入存在误差时对状态估计的影响，与该节点所连支路存在相同误差时状态估计的影响相当，因此在给节点注入功率权重时是根据节点出线数来设置的。通过合理的权重设置来达到提高状态估计精度的目的。
