考虑宽频量测的配电网同步相量测量单元配置方法及系统与流程

1.本发明涉及状态监测和数据分析技术领域，尤其涉及一种考虑宽频量测的配电网同步相量测量单元配置方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.状态监测和数据分析技术的进步支撑着电力系统自动化水平的提高，在电网的安全经济运行中发挥着越来越重要的作用。精确的电网参数和网络拓扑是实现高级应用可靠运行的前提。
4.同步相量测量单元(phasor measurement unit，pmu)在配电网的应用，使得基于量测数据的参数估计方法成为可能，为提升电网的安全经济运行以及能量管理水平提供了途径。pmu作为一种高精度的在线安全监控工具，与其他测量设备相比，pmu可以直接提供精确、可靠的同步相量数据，因此正逐步地应用于故障定位、参数估计等领域。采用pmu量测数据对配电网进行状态估计，具有估计精度高，计算量小，实时性强的优点。随着硬件和通信成本的不断下降，近年来具备宽频带测量能力的pmu逐渐得到应用，为利用宽频带信息进行参数精确辨识提供了基础。
5.在对网络进行状态估计之前，要先对网络进行可观性分析。可观性分析是指识别一组可用量测量是否足以能够估计系统的状态，可观性与量测数量有关，也与其类型和位置有关。可观性分析确定是否可以运用给定的一组量测数据来获得唯一的系统状态估计，即系统是否完全可观。传统上，有两种主要方法用于确定网络可观性：数值客观性分析和拓扑可观性分析。数值方法是对雅克比矩阵的分析，当量测量的数量大于状态变量的数量时，则矩阵为列满秩，在这种情况下，网络是可观的。拓扑方法利用图论来确定基于量测类型和位置的网络可观性，该方法需要网络的拓扑结构即各节点的连接关系，量测数据的类型及其位置，但不需要网络的实际参数，是一种逻辑操作。
6.在对pmu进行优化配置时，围绕提升配电网可观性这个主题，pmu优化配置模型主要以实现网络完全可观为约束条件，围绕三点进行构建：最小化pmu数量、最大化量测冗余度以及考虑应急约束(单个pmu中断或单条线路中断)。基于不同的应用需求，pmu的优化配置方法有所不同。
7.综上，现有的研究在进行pmu优化配置时，多采用上述方法进行可观性分析，通过pmu优化配置提升配电网的可观性，进而提升配电网状态估计的精度。现代电力系统中，随着新能源发电大量接入电网，电力电子器件不断增多，系统中引入了大量工频以外的宽频信息，对宽频信息进行状态估计，是配电管理系统的迫切需求。使用现有方法对包括工频和宽频在内的电气量进行状态估计时，因宽频信号的数值相对较小、衰减速度快和量测误差大的特点，使得系统中一些节点事实上不可观，从而导致宽频信号的状态估计误差较大。


技术实现要素：

8.为了解决上述问题，本发明提出了一种考虑宽频量测的配电网同步相量测量单元配置方法及系统，利用宽频信号在输电线路上的衰减特性，针对某一频次，根据节点的量测信号的大小，去估计相邻节点宽频信号的大小，并根据估计结果与误差允许值进行比较，确定相邻节点的可观性；利用节点在不同频带测量条件下的可观性不同的特点，对网络的拓扑矩阵a中的元素，进行更新，再进行pmu量测点的优化配置，可以实现在pmu数量最少的情况下对宽频信号的完全可观，进而实现对宽频信号进行更加精确的状态估计。
9.在一些实施方式中，采用如下技术方案：
10.一种考虑宽频量测的配电网同步相量测量单元配置方法，包括：
11.获取电网的线路数据，包括配电网络的拓扑信息和线路的阻抗参数信息；
12.以最小化网络中pmu的配置数目为目标，以网络中的所有节点的状态均实现可观为约束条件，构建宽频量测的优化配置模型；
13.确定进行pmu配置需考虑的宽频带测量的具体频次以及总频次数k，并将各频次编号为i，i＝1,2,
…
k，其中i＝1时表示工频的编号，根据网络拓扑信息进行第i次频带信号的pmu配置，获取配置节点的pmu量测信息；根据第i次pmu配置结果以及配置节点的量测信息，对安装节点的相邻节点的第i个频次电压幅值进行估计；判定相邻节点的可观性，再对网络的拓扑矩阵进行修正，得到新的拓扑矩阵；令i＝i 1，重复该过程，直到满足设定次数上限k；
14.基于最终得到的拓扑矩阵，利用量测的优化配置模型，得到适用于各频次的pmu配置方案。
15.作为可选的方式，在得到pmu配置方案过程中需要进行电网各频次状态估计，以各频次信号量测综合效果最佳为目标进行量测配置。
16.作为可选的方式，以最小化网络中pmu的配置数目为目标，以网络中的所有节点的状态均实现可观为约束条件，构建量测的优化配置模型，具体为：
[0017][0018]
ε.t.：m＝ax o≥b
[0019]
其中，n为网络中的节点数目；i为网络中的节点编号；x为n维列向量，其中xi可以表示为：
[0020][0021]
h为量测矩阵，cond(h)＝||h-1
||
·
||h||为h矩阵的条件数，a为节点-支路拓扑矩阵，o＝[o1，o2，
…
，on]
t
为零注入观测向量，b＝[1，1，
…
，1]
t
为最小量测冗余度向量，bi＝1确保节点i可观；mi为节点i的量测冗余度。
[0022]
作为可选的方式，根据第i次pmu配置结果以及配置节点的量测信息，利用网络拓扑、参数所构成的电路模型，对安装节点的相邻节点的各频次电压幅值进行估计。
[0023]
作为可选的方式，判定相邻节点的可观性，再对网络的拓扑矩阵进行修正，具体包
括：
[0024]
若节点m安装pmu量测装置，节点n与节点m相连接，节点m的节点电压量测值为um，ε
um
为m点的节点电压量测误差，un为节点n的电压估计值，若un≤ε
um
，则定义节点n为相对于节点m的不可观节点，此时将拓扑矩阵a的元素a
nm
＝0及元素a
mn
＝0。
[0025]
作为可选的方式，若节点n除与节点m相连接外，还与其他节点相连接，且节点n相对于其相邻可观节点全部不可观，则节点n定义为不可观节点；则此时，将拓扑矩阵a的元素a
n...
＝0及元素a
...n
＝0，仅a
nn
＝1保持不变。
[0026]
作为可选的方式，若节点n相对于至少一个相邻可观节点可观，则点n为可观节点；配置量测装置的节点为可观节点。
[0027]
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0028]
一种考虑宽频量测的配电网同步相量测量单元配置系统，包括：
[0029]
数据获取模块，用于获取电网的线路数据，包括配电网络的拓扑信息和线路的阻抗参数信息；
[0030]
优化配置模型构建模块，用于以最小化网络中pmu的配置数目为目标，以网络中的所有节点的状态均实现可观为约束条件，构建宽频量测的优化配置模型；
[0031]
拓扑矩阵更新模块，用于确定进行pmu配置需考虑的宽频带测量的具体频次以及总频次数k，并将各频次编号为i，i＝1,2,
…
k，其中i＝1时表示工频的编号，根据网络拓扑信息进行第i次频带信号的pmu配置，获取配置节点的pmu量测信息；根据第i次pmu配置结果以及配置节点的量测信息，对安装节点的相邻节点的第i个频次电压幅值进行估计；判定相邻节点的可观性，再对网络的拓扑矩阵进行修正，得到新的拓扑矩阵；令i＝i 1，重复该过程，直到满足设定次数上限k；
[0032]
优化配置模块，用于基于最终得到的拓扑矩阵，利用量测的优化配置模型，得到适用于各频次的pmu配置方案。
[0033]
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0034]
一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的考虑宽频量测的配电网同步相量测量单元配置方法。
[0035]
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0036]
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的考虑宽频量测的配电网同步相量测量单元配置方法。
[0037]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0038]
(1)本发明考虑宽频量测信息的配电网pmu测点优化配置方法相比于传统的配电网pmu优化配置方案能够提高配电网宽频信号的状态估计精度，为电网状态监测和数据分析提供有力支撑。
[0039]
(2)本发明考虑宽频信息的配电网pmu测点优化配置方法相比于以往的只能对特定频次实现状态可观的配置方案，本方法能够对多频次的电气状态量进行状态估计，对多频次实现系统的完全可观。
[0040]
(3)本发明考虑宽频量测信息的配电网pmu测点优化配置方法相对于传统的配置方法，能够克服因宽频量测误差而造成的节点可观性判定不准确的问题，对可观性的描述
更加精确，对宽频状态估计、参数辨识等应用提供了更加精确的可观性参考。
[0041]
本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
[0042]
图1为本发明实施例中的考虑宽频量测的配电网同步相量测量单元配置方法流程图。
具体实施方式
[0043]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0044]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0045]
实施例一
[0046]
在一个或多个实施方式中，公开了一种考虑宽频量测的配电网同步相量测量单元配置方法，结合图1，具体包括如下过程：
[0047]
(1)获取电网的线路数据，包括配电网络的拓扑信息和线路的阻抗参数信息；根据量测装置传变特性确定宽频量测误差要求。
[0048]
(2)以最小化网络中pmu的配置数目为目标，以网络中的所有节点的状态均实现可观为约束条件，构建宽频量测的优化配置模型；
[0049]
本实施例中，模型的优化目标为最小化网络中pmu的配置数目，目标函数f(x)可以表示为：
[0050][0051]
式中：n为网络中的节点数目；i为网络中的节点编号；x为n维列向量，其中xi可以表示为：
[0052][0053]
pmu可以测量安装节点的电压相量和流经该节点的支路电流相量。通常情况下，若节点的电气状态量能够被直接量测得到或者通过计算得到，则该节点定义为可观测节点(可观节点)。
[0054]
结合pmu的量测性质，可给出以下可观测性分析规则：
①
置pmu的节点和所有与该节点相连的节点均为可观节点。
②
零注入节点可观且仅有一个相连节点的可观性未知时，该相连节点的电压相量可以根据基尔霍夫定律计算得到，即该节点也是可观节点。
③
当可观性未知的零注入节点的所有相连节点都可观时，该零注入节点的电压相量可以根据基尔
霍夫定律计算得到，即该零注入节点也是可观节点。
[0055]
约束条件为网络中的所有节点的状态均实现可观：
[0056]
m＝ax≥b
ꢀꢀ
(3)
[0057]
式中：m＝[m1,m2,
…
,mn]
t
为量测的冗余度向量，mi为节点i的量测冗余度，即节点i被观测到的次数；b＝[1,1,
…
,1]
t
为最小量测冗余度向量，其中bi＝1确保节点i可观；a为节点-支路拓扑矩阵，矩阵a的元素表示节点间的连接性关系：
[0058][0059]
随着网络规模的增大，在某一数目pmu下，具有相同可观节点数目的可行解可能存在多个。此时网络量测冗余度成为衡量方案优劣的重要指标。在pmu优化配置模型中，定义在多个拓扑结构下的平均量测冗余度：
[0060][0061]
为了使量测冗余度不会影响最小化pmu数目的最有效果，对目标函数进行更新如下：
[0062][0063]
当零注入节点及其k个相连节点中，任意k个节点是可观节点时，第k 1个节点的电压相量可以通过计算得到，即第k 1个节点也可观。因此，量测冗余度相量可以更新为：
[0064]
m＝ax o
ꢀꢀ
(7)
[0065]
式中：o＝[o1，o2，...，on]
t
为零注入观测向量，oi表示零注入节点或零注入节点的相连节点i是否因零注入节点的特性而成为可观节点：
[0066][0067][0068]
式中：节点p为零注入节点，节点p 1至节点p k为零注入节点的相邻节点。
[0069]
基于最小加权二乘法进行状态估计时的量测方程可以表示为：
[0070]
z-ε＝h(x δx)
ꢀꢀ
(10)
[0071]
其中：z为量测向量，x为状态变量，h为量测矩阵，ε为量测矩阵噪声，由上式可以解出误差向量满足：
[0072][0073]
其中：cond(h)＝||h-1
||
·
||h||为h矩阵的条件数。
[0074]
由上式可知，h矩阵的条件数影响着状态估计的精度，因此在进行状态估计时应使量测雅可比矩阵的条件数尽量的小，即：
[0075]
min cond(h)
ꢀꢀ
(11)
[0076]
综上，在进行基波状态估计时，量测的优化配置模型可以表示为：
[0077][0078]
(3)确定进行pmu配置需考虑的宽频带测量的具体频次以及总频次数k，并将各频次编号为i，i＝1,2,
…
k，其中i＝1时表示工频的编号，根据网络拓扑信息进行第i次频带信号的pmu配置，获取配置节点的pmu量测信息；根据第i次pmu配置结果以及配置节点的量测信息，对安装节点的相邻节点的第i个频次电压幅值进行估计；判定相邻节点的可观性，再对网络的拓扑矩阵进行修正，得到新的拓扑矩阵；令i＝i 1，重复该过程，直到满足设定次数上限k；
[0079]
使用基频参数下量测装置的配置方法对宽频信号进行状态估计时，存在宽频信号的状态估计结果幅值过小，甚至小于误差要求而使节点不可观的情况，使得宽频估计误差大。
[0080]
因此在进行宽频状态估计时，要获取更加精确的估计结果，需要根据宽频条件下节点的可观性进行考虑宽频量测的pmu优化配置，而节点在宽频量测下的可观性也需要进行重新定义：
[0081]
①
若节点m安装pmu量测装置(或节点m状态可观)，节点n与节点m相连接，节点m的节点电压量测值(或估计值)为um，ε
um
为m点的节点电压量测误差(或估计误差)，un为节点n的电压估计值，若un≤ε
um
，则定义节点n为相对于节点m的不可观节点，此时将拓扑矩阵a的元素a
nm
＝0及元素a
mn
＝0。ε
um
根据各频次宽频信号的的量测误差确定。
[0082]
②
若节点n除与节点m相连接外，还与其他节点相连接，且节点n相对于其相邻可观节点全部不可观，则节点n定义为不可观节点。则此时，置a
n...
＝0及元素a
...n
＝0，仅a
nn
＝1保持不变。
[0083]
③
若节点n相对于至少一个相邻可观节可观，则点n为可观节点。
[0084]
④
配置量测装置的节点为可观节点。
[0085]
在进行优化配置时，首先确定要进行优化配置的频次，再依次对各频次宽频量测信息应用上述方法，对节点在宽频条件下的可观性进行分析，并对拓扑矩阵a的元素进行更新，在得到新的拓扑矩阵a之后，再应用式(12)所表示的pmu配置方法进行pmu的优化配置，即可得到在宽频条件下的最优pmu配置方案。
[0086]
具体地，首先确定需要进行配置的频次次数k，置迭代次数为i＝1、拓扑矩阵为a1；
即根据网络拓扑信息进行初次pmu配置，获取配置节点的pmu量测信息，包括：输电线路的有功功率、无功功率、电压相量和电流相量；电流和功率的参考方向均以流入线路的方向为正方向；
[0087]
根据初次pmu配置结果以及配置节点的量测信息，对安装节点的相邻节点的工频电压幅值进行估计；对比估计值与量测误差的大小，根据上述
①‑④
的节点宽频条件下的可观性分析方法，判定相邻节点的可观性，再对网络的拓扑矩阵进行修正，得到新的拓扑矩阵ai；然后令i＝2，利用同样的方法进行第二次迭代。重复该过程，直到迭代次数全部完成，得到新的拓扑矩阵ak。
[0088]
需要注意的是，需要进行配置的频次并不一定是12345次依次增加，而是我们需要考虑哪一个频次就对哪一个频次进行分析。例如我们可以仅对配电网中除工频外典型的5次7次11次等宽频电气量进行分析,此时总频次数为4,设置1代表工频，2代表5次，3代表7次，4代表11次，对这四次依次进行可观性分析。初始拓扑矩阵a0根据网络节点的连接关系得到。
[0089]
(4)基于最终得到的拓扑矩阵，利用量测的优化配置模型，得到适用于各频次的pmu配置方案。
[0090]
根据更新得到的拓扑矩阵ak，根据式(12)进行pmu优化配置，得到适用于各频次的pmu配置方案；根据第i次pmu配置结果以及配置节点的量测信息包括各频次电压、电流的幅值、相位等，利用网络拓扑、参数所构成的电路模型，对安装节点的相邻节点的各频次电压幅值进行估计。
[0091]
需要说明的是，考虑到在对宽频信号进行状态估计时，主要对节点电压幅值以及相角等信息进行分析，而电压幅值在高频条件下，呈现出更加明显的衰减特征，对节点的可观性影响更加显著，故在进行可观性分析时主要考虑节点电压幅值对节点状态可观性的影响。
[0092]
本实施例方法能够对多频次的电气状态量进行状态估计，对多频次实现系统的完全可观。能够克服因宽频量测误差而造成的节点可观性判定不准确的问题，对可观性的描述更加精确，对宽频状态估计、参数辨识等应用提供了更加精确的可观性参考。
[0093]
实施例二
[0094]
在一个或多个实施方式中，公开了一种考虑宽频量测的配电网同步相量测量单元配置系统，包括：
[0095]
数据获取模块，用于获取电网的线路数据，包括配电网络的拓扑信息和线路的阻抗参数信息；
[0096]
优化配置模型构建模块，用于以最小化网络中pmu的配置数目为目标，以网络中的所有节点的状态均实现可观为约束条件，构建量测的优化配置模型；
[0097]
拓扑矩阵更新模块，用于确定进行pmu配置需考虑的宽频带测量的具体频次以及总频次数k(包括工频在内)，并将各频次编号为i(i＝1,2,
…
k)，其中i＝1时表示工频的编号，，根据网络拓扑信息进行考虑第i次频带信号的pmu配置(i＝1,2,
…
n)，获取配置节点的pmu量测信息；根据第i次pmu配置结果以及配置节点的量测信息，对安装节点的相邻节点的第i个频次电压幅值进行估计；判定相邻节点的可观性，再对网络的拓扑矩阵进行修正，得到新的拓扑矩阵；令i＝i 1，重复该过程，直到满足设定次数上限k。
[0098]
优化配置模块，用于基于最终得到的拓扑矩阵，利用量测的优化配置模型，得到适用于各频次的pmu配置方案。
[0099]
上述各模块的具体实现方式已经在实施例一中进行了说明，此处不再详述。
[0100]
实施例三
[0101]
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的考虑宽频量测的配电网同步相量测量单元配置方法。为了简洁，在此不再赘述。
[0102]
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元cpu，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器dsp、专用集成电路asic，现成可编程门阵列fpga或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0103]
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
[0104]
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
[0105]
实施例四
[0106]
在一个或多个实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中所述的考虑宽频量测的配电网同步相量测量单元配置方法。
[0107]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。