含新能源的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的研究現(xiàn)狀與展望

1、含新能源的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的研究現(xiàn)狀與展望摘要：電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)是當(dāng)代電力系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)(EMS)的重要組成部分。本文首先介紹了電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的概念，其次介紹了狀態(tài)估計(jì)的研究現(xiàn)狀以及幾種較有代表性的狀態(tài)估計(jì)方法。結(jié)合目前新能源電力系統(tǒng)的推廣以及新能源接入電網(wǎng)的特點(diǎn)，綜述總結(jié)了對含新能源電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的方法及研究現(xiàn)狀。最后對含新能源的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的研究方向進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng) 狀態(tài)估計(jì) 能量管理系統(tǒng) 新能源Research Status and Prospect of the New Energy Power System State EstimationZHU Jie（Sou

2、thwest Jiaotong University, Sichuan Chengdu 611756）Abstract: The power system state estimation is an important part of the energy management system. This paper firstly reviews the concepts of power system state estimation. And then introduce the research status and several representative methods of

3、the recent power system state-estimate. At the same time, taking improving spread of the new energy power system into consideration and the characteristics of the new energy connected to the grid，we give the option of the methods and some suggestions of the new energy power system state estimation.

4、At last, some aspects to be studied further for new energy power system state estimation are proposed.Key words: power system; state estimation; energy management system; new energy7狀態(tài)估計(jì)是當(dāng)代電力系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)(EMS)的重要組成部分，尤其在電力市場環(huán)境中發(fā)揮更重要的作用。狀態(tài)估計(jì)問題的提出激發(fā)了許多學(xué)者的研究興趣，他們以數(shù)學(xué)、控制理論和其它新理論為指導(dǎo)，根據(jù)當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)軟件和硬件條件，結(jié)合電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，在

5、理論方而進(jìn)行了大量研究，并提出了一系列的算法1-5。經(jīng)過多年的研究，電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)估計(jì)各環(huán)節(jié)的基本框架己經(jīng)建成，并且己有成功的應(yīng)用6。 目前，新能源替代化石燃料供給能量的過程中，首先是將其轉(zhuǎn)化成電力資源，然后采用一定的技術(shù)手段保證該電力來源的持續(xù)可靠運(yùn)行。該技術(shù)就是分布式儲(chǔ)能技術(shù)，分布式接入的電源主要包括發(fā)電設(shè)備和儲(chǔ)能裝置。它與大電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，在用電負(fù)荷低谷時(shí)可向儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行充電，在用電負(fù)荷高峰時(shí)段儲(chǔ)能設(shè)備可為用戶提供電力。這樣的分布式接入使用戶的用電特性盡可能平穩(wěn)的同時(shí)，也使得電力系統(tǒng)變得日益復(fù)雜。所以，對含新能源電力系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)法的研究是確?？稍偕履茉醋鳛殡娏碓吹碾娏ο到y(tǒng)的

6、更好安全平穩(wěn)可靠運(yùn)行。1 電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)概述電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)也稱為濾波7，它是利用實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)的冗余度來提高數(shù)據(jù)精度，自動(dòng)排除隨機(jī)干擾和噪聲所引起的錯(cuò)誤信息，估計(jì)或預(yù)報(bào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。是遠(yuǎn)動(dòng)裝置和數(shù)據(jù)庫之間的重要一環(huán)。狀態(tài)估計(jì)功能流程圖如圖1所示8。圖1 狀態(tài)估計(jì)功能流程圖由圖可知，它能從遠(yuǎn)動(dòng)裝置接受低精度、不完整、少量的不良數(shù)據(jù)，而由狀態(tài)估計(jì)后輸出到數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)是完整而可靠的，提高了精度。2 電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的經(jīng)典算法及研究現(xiàn)狀2.1 靜態(tài)估計(jì)目前絕大多數(shù)的狀態(tài)估計(jì)是靜態(tài)估計(jì)，主要針對量測為電壓幅值及功率等進(jìn)行計(jì)算，數(shù)據(jù)源于電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)視系統(tǒng)（SCADA）。靜態(tài)狀態(tài)估計(jì)算法主要是

7、最小二乘法，包括加權(quán)最小二乘估計(jì)方法和抗差估計(jì)方法和遞推阻尼最小二乘法。鑒于最小二乘法的計(jì)算量很大，占用內(nèi)存大。因此，最小二乘法用于小型電力系統(tǒng)比較好。2.1.1加權(quán)最小二乘估計(jì)靜態(tài)估計(jì)的常用算法主要是加權(quán)最小二乘算法（WLS）。該算法一般情況下收斂性較好，容易實(shí)現(xiàn)，但在特殊情況下也存在病態(tài)條件，針對此種現(xiàn)象，文獻(xiàn)9中詳細(xì)概述目前對加權(quán)最小二乘法進(jìn)行的幾種改進(jìn)，主要有正交化變換法、混合法、帶等式約束條件的法方程法 、Hachtel增廣矩陣法。 以上幾種方法相比較，從穩(wěn)定性角度看，正交變換法的方法最好，法方程法的數(shù)值穩(wěn)定性最差，但正交變換法的缺點(diǎn)同樣明顯:計(jì)算工作量較大，對存儲(chǔ)器要求較高，不能利

8、用快速解耦技術(shù)；在同時(shí)考慮數(shù)值穩(wěn)定性、計(jì)算效率以及實(shí)施方便性等方面，混合法和Hachtel方法綜合性能較好。2.1.2遞推阻尼最小二乘估計(jì) 根據(jù)新數(shù)據(jù)對原估計(jì)量進(jìn)行修正，提高了迭代初值選取的可靠性，得到改善的新估計(jì)量。由此產(chǎn)生了遞推算法。 林茂瓊等人10對遞推最小二乘法的估計(jì)、辨識(shí)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，發(fā)現(xiàn)遞推最小二乘法在協(xié)方差矩陣減小時(shí)，參數(shù)易發(fā)生爆炸現(xiàn)象；參數(shù)向量和協(xié)方差矩陣的初值選擇不當(dāng)會(huì)使估計(jì)辨識(shí)過程參數(shù)收斂之前結(jié)束；在存在隨機(jī)噪聲的情況下，參數(shù)易產(chǎn)生漂移，因此提出了遞推阻尼最小二乘法。文獻(xiàn)11對遞推阻尼最小二乘法的穩(wěn)定性和收斂性進(jìn)行了進(jìn)一步的討論和分析。文獻(xiàn)12的仿真計(jì)算結(jié)果也

9、顯示了此算法的有效性?；谶f推阻尼最小二乘狀態(tài)估計(jì)可以有效的防止參數(shù)爆炸現(xiàn)象，使得估計(jì)參數(shù)在某一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，而不至于偏離太遠(yuǎn)。2.1.3抗差最小二乘估計(jì)抗差最小二乘法是通過等價(jià)權(quán)將抗差估計(jì)原理與最小二乘形式有機(jī)結(jié)合起來，因此抗差最小二乘估計(jì)的主體是最小二乘估計(jì)，它決定了抗差最小二乘的基本效率。量測值的主體一般符合正態(tài)分布，然而實(shí)際量測并不完全服從止態(tài)分布，因此許多學(xué)者研究抗差估計(jì)器?？共罟烙?jì)器大致分為三類: H估計(jì)器,L估計(jì)器, M估計(jì)器13。L估計(jì)是基于排序統(tǒng)計(jì)量的線性組合估計(jì)，計(jì)算簡單，適用于計(jì)算機(jī)模擬不同類型的抗差估計(jì)并對其抗差能力和效率進(jìn)行檢驗(yàn);H估計(jì)是通過秩檢驗(yàn)導(dǎo)出估計(jì)量，又稱秩檢

10、驗(yàn)估計(jì)二類抗差估計(jì)中，M估計(jì)是經(jīng)典的極大似然估計(jì)的推廣，通常稱為廣義極大似然估計(jì)。M估計(jì)應(yīng)用最多，它最接近經(jīng)典的WLS估計(jì)。 抗差估計(jì)的顯著優(yōu)點(diǎn)是能夠較真實(shí)地反映量測的實(shí)際分布模式，但其具有模型復(fù)雜和計(jì)算量大等缺點(diǎn)，并未得到廣泛的應(yīng)用。2.2 動(dòng)態(tài)估計(jì)動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)則是按運(yùn)動(dòng)力程與某一時(shí)刻的量測數(shù)據(jù)作為初值進(jìn)行下一時(shí)刻狀態(tài)量的估計(jì)，兼有狀態(tài)估計(jì)和狀態(tài)頂報(bào)的功能，具有重要的實(shí)用價(jià)值。目前動(dòng)態(tài)估計(jì)的主要算法是基于卡爾曼逐次算法14。DehS等人于20世紀(jì)70年代初首先提出了實(shí)用Kalman濾波算法，同時(shí)建立動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)。隨后，Schweppe等人把前一時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值作為下一時(shí)刻狀態(tài)估計(jì)的初值，沒有

11、考慮任何系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型但卻跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)的有效狀態(tài)估計(jì)算法提出了跟蹤狀態(tài)估計(jì)器。Nishiya等人在考慮負(fù)荷變化的情況下在該系統(tǒng)模型中引入傾斜因子，該方法把實(shí)際上隨系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化傾斜因子看成固定不變的。為了克服這一缺點(diǎn)，Silva等人用常參數(shù)指數(shù)平滑法建立系統(tǒng)模型，以提高估計(jì)精度Mallieu等人提出了一種更為實(shí)際的動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)模型，該模型基于節(jié)點(diǎn)負(fù)荷預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)環(huán)節(jié)是在注入節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行，而不是傳統(tǒng)的狀態(tài)量處理模型。隨后，Silva等人提出了一種基于在線處理系統(tǒng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)模型。這個(gè)模型具有快速的動(dòng)態(tài)反應(yīng)能力良好的狀態(tài)頂測能力。對于大系統(tǒng)，為了提高狀態(tài)估計(jì)的計(jì)算速度，有些專家和學(xué)者提出了分區(qū)協(xié)調(diào)算法，

12、即兩級(jí)狀態(tài)估計(jì)法，但此法目前尚處于研究階段。3 狀態(tài)估計(jì)新方法3.1 配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)大都基于量測或狀態(tài)量變換技術(shù)，或者把功率量測轉(zhuǎn)化為電流量測，或者以支路電流、支路功率、負(fù)荷電流為狀態(tài)向量，通過變換使量測函數(shù)線性定常，雅可比矩陣常數(shù)化，狀態(tài)向量實(shí)部和虛部解藕，三相解藕，提高計(jì)算速度。配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的結(jié)果用于配電自動(dòng)化的很多方面。由于配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)減小了數(shù)據(jù)誤差，修止了數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，提高了數(shù)據(jù)精度，因此還可用于檢查負(fù)荷數(shù)據(jù)，并對負(fù)荷模型和負(fù)荷數(shù)據(jù)加以校止，提高配電系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平15?，F(xiàn)代配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多狀態(tài)估計(jì)算法，如采用三相模型和牛頓法的最小二乘估計(jì)，基于量

13、測變換的狀態(tài)估計(jì)算法，基于配電匹配潮流技術(shù)的配電狀態(tài)估計(jì)等。3.2 新息圖狀態(tài)估計(jì)新息圖狀態(tài)估計(jì)是利用新息圖的方法，把新息和網(wǎng)絡(luò)圖結(jié)合起來進(jìn)行計(jì)算和推理，以處理壞數(shù)據(jù)、拓?fù)渥兓拓?fù)荷突變等異常情況，進(jìn)而計(jì)算系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。新息圖狀態(tài)估計(jì)既利用預(yù)報(bào)狀態(tài)來檢測不同時(shí)刻每個(gè)量測自身在時(shí)間方面的縱向變化，又運(yùn)用傳統(tǒng)靜態(tài)估計(jì)方法中所利用的不同量測之間的符合電路定律的空間的橫向聯(lián)系。通過縱橫兩方面的結(jié)合，使得新息圖識(shí)別功能大大提高，同時(shí)給出了狀態(tài)預(yù)估的結(jié)果，為電網(wǎng)調(diào)度和安全監(jiān)控提供快速可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)16-17。 新息圖法識(shí)別拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化能力強(qiáng)，計(jì)算速度快，所需冗余度小。但它在建立新息網(wǎng)絡(luò)圖時(shí)，采用的是直流

14、潮流模型，因而也就不可能考慮線路的充電電容支路，因而新息圖模型并不是一個(gè)很精確的模型。3.3 諧波狀態(tài)估計(jì)諧波狀態(tài)估計(jì)技術(shù)是在GPS技術(shù)和PMU技術(shù)基礎(chǔ)發(fā)展起來的一項(xiàng)新型技術(shù)。諧波狀態(tài)估計(jì)研究主要集中在諧波狀態(tài)估計(jì)建模、諧波狀態(tài)估計(jì)的求解算法、諧波狀態(tài)估計(jì)的可觀性和誤差、PMU量測優(yōu)化配置等方面18。由于諧波測量設(shè)備數(shù)量的限制,電力系統(tǒng)中的諧波測量數(shù)據(jù)是有限的,電力諧波狀態(tài)估計(jì)技術(shù)就是根據(jù)有限的諧波測量數(shù)據(jù)來估計(jì)整個(gè)電網(wǎng)諧波分布,達(dá)到對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行諧波監(jiān)測和諧波管理的目的。早期的諧波狀態(tài)估計(jì)技術(shù)受到傳統(tǒng)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的影響,將諧波有功功率和無功功率作為測量量,但諧波無功功率的定義存在爭議且其

15、測量裝置沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),因而采用無功功率的方法沒有說服力。隨著GPS和同步相量量測技術(shù)的發(fā)展,目前的諧波狀態(tài)估計(jì)都避開了將功率作為測量量,而是對母線諧波電壓、支路諧波電流和注入諧波電流進(jìn)行同步相量測量,使得估計(jì)方程成為線性方程,極大地簡化了求解方程的計(jì)算量19。4 含新電源的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)4.1 新能源接入電網(wǎng)的特點(diǎn)及應(yīng)用新能源以分布式連入電網(wǎng)，與大電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，在用電負(fù)荷低谷時(shí)可向儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行充電，在用電負(fù)荷高峰時(shí)段儲(chǔ)能設(shè)備可為用戶提供電力。這使得電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式變得日益復(fù)雜。為了保證狀態(tài)估計(jì)可靠性，分布式狀態(tài)估計(jì)無疑是一個(gè)很有應(yīng)用價(jià)值的方法。由于新能源的嵌入以及其上網(wǎng)時(shí)間的隨機(jī)性，

16、在原有的狀態(tài)估計(jì)程序中嵌入類似于風(fēng)電場的程序非常復(fù)雜，而分布式狀態(tài)估計(jì)的引入將為現(xiàn)有的狀態(tài)估計(jì)程序帶來很大的方便，只需將新能源電力作為一個(gè)孤島來處理，通過協(xié)調(diào)變量的計(jì)算就可以估計(jì)出整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，這就為電力系統(tǒng)程序提供了可靠的數(shù)據(jù)集合。該狀態(tài)估計(jì)方法在內(nèi)蒙古西部的電網(wǎng)（風(fēng)力發(fā)電）已經(jīng)有了應(yīng)用。4.2 分布式狀態(tài)估計(jì)的并行協(xié)調(diào)算法原理大規(guī)模電力系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)可以分解為若干個(gè)小規(guī)模電網(wǎng)的狀態(tài)估計(jì)，依靠修正各個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)注入功率，來處理各子網(wǎng)絡(luò)之間的耦合影響，來達(dá)到最終降低網(wǎng)絡(luò)階數(shù)、提高狀態(tài)估計(jì)計(jì)算速度的目的。Kron于上世紀(jì)50年代初曾提出網(wǎng)絡(luò)分塊算法理論以滿足狀態(tài)估計(jì)的實(shí)時(shí)性，文獻(xiàn)20介紹了K

17、ron提出的分塊算法理論。網(wǎng)絡(luò)分塊的方法主要有:一種是支路切割法，另一種方法是節(jié)點(diǎn)撕裂法。以上兩種網(wǎng)絡(luò)切割的方法，完成了把大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的分析計(jì)算問題變?yōu)闉樾∫?guī)模網(wǎng)絡(luò)加上協(xié)調(diào)變量的分析計(jì)算問題，因此，很大程度上降低了網(wǎng)絡(luò)求解的階數(shù)。文獻(xiàn)21提出了基于對角塊加邊模型(bordered block diagonal form-BBDF)，該算法是應(yīng)用分割理論來形成空間并行算法。5 展望目前，關(guān)于新能源的電力資源接入電網(wǎng)方面大多數(shù)都屬于分布式接入?？紤]今后每個(gè)電力用戶包括家庭電力用戶都是一個(gè)可獨(dú)立運(yùn)行的電力系統(tǒng)，它與大電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，使得電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式變得日益復(fù)雜。在進(jìn)行含新能源的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)

18、時(shí)，可以將新能源電力作為一個(gè)孤島來處理，通過協(xié)調(diào)變量的計(jì)算就可以估計(jì)出整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)。這也就是說，對于小電力系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)算法的研究和改善將無疑也會(huì)促進(jìn)新能源電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的發(fā)展。由此，可以在如下幾個(gè)方面全面提高狀態(tài)估計(jì)的應(yīng)用價(jià)值：（1）繼續(xù)研究計(jì)算速度快、數(shù)值穩(wěn)定性好、計(jì)算精度高、冗余數(shù)據(jù)少、對不良數(shù)據(jù)免疫性能強(qiáng)的多功能結(jié)合的動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)算法，進(jìn)而縮短面向大系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)執(zhí)行周期；（2）再者力求模型簡潔、計(jì)算量少、應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)的新型抗差狀態(tài)估計(jì)算法。參考文獻(xiàn)1李碧君，薛禹勝，韓禎祥，等.電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)問題的研究現(xiàn)狀和展望J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1998, 22(11):53-602劉浩，侯

19、博淵.保留非線性的快速RQ分解狀態(tài)估計(jì)法J.電力系統(tǒng) 自動(dòng)化，1995,19 (1): 26-30.3張俊龍，陳陽舟等.基于SHGM估計(jì)方法的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化2003,27(1):34-36.4倪小平，張步涵.一種帶有等式約束的狀態(tài)估計(jì)新算法J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2001, 25 (21) : 42-44.5余貽鑫，王耀瑜等.一種優(yōu)越的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法J .電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1993,17(5): 7-11.6王騫.向?qū)ο蟮碾娏ο到y(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的理論與軟件的研究與開發(fā)(碩士學(xué)位論文) D北京:華北電力大學(xué)，2001.7于爾鏗.電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)M.北京:水利電力出版社，1985.8蘭華，李積捷.電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)算法的研究現(xiàn)狀和展望J.繼電器，2007,35（10）:78-82.9宋佳音.電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的研究（碩士學(xué)位論文）D哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.10林茂瓊, 陳增強(qiáng), 袁著祉. 遞推阻尼最小二乘法J. 高校應(yīng)用數(shù)學(xué)