文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告培養(yǎng)單位： 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系專 業(yè)： 電氣工程碩 士 生： 董 樹 鋒導(dǎo) 師： 盧 強(qiáng) 教授第一部分 課題背景和意義1.1 配電系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)概述隨著用戶對(duì)電能供給的質(zhì)量和可靠性要求越來(lái)越高，配電自動(dòng)化系統(tǒng)（das）必將被越來(lái)越多的變電站所采用，das監(jiān)視和控制配電系統(tǒng)電力設(shè)備，同時(shí)對(duì)電壓、電流、功率量進(jìn)行測(cè)量，并傳送到控制中心；配電管理系統(tǒng)（dms）也在快速發(fā)展，幫助調(diào)度員處理數(shù)據(jù)和系統(tǒng)分析1；配電系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)（dse）是dms的主要功能之一，在dse的基礎(chǔ)上，能提高監(jiān)測(cè)、控制和對(duì)配電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的能力15。狀態(tài)估計(jì)的功能是將從數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)()傳來(lái)的生數(shù)據(jù)（低精度、不完整及不良數(shù)據(jù)）轉(zhuǎn)為完整、合理、誤差小的一組數(shù)據(jù)。其主要任務(wù)是利用系統(tǒng)的遙測(cè)、遙信信息，按開關(guān)狀態(tài)建立網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)實(shí)時(shí)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行粗檢測(cè)，剔除其中的不良數(shù)據(jù)，對(duì)不足的量測(cè)點(diǎn)補(bǔ)充偽量測(cè)，以保證冗余度，從而估計(jì)出系統(tǒng)的狀態(tài)，計(jì)算出系統(tǒng)的潮流分布；同時(shí)利用計(jì)算結(jié)果分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，加強(qiáng)全網(wǎng)的可觀測(cè)性。由于許多客觀原因（比如基于經(jīng)濟(jì)性的考慮），配電系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量設(shè)備安裝的數(shù)量有限，dse所需要的實(shí)時(shí)量測(cè)數(shù)據(jù)是不足的，必須用偽量測(cè)數(shù)據(jù)和虛擬量測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)補(bǔ)充。偽量測(cè)數(shù)據(jù)主要來(lái)源是配電系統(tǒng)負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)；虛擬量測(cè)，比如節(jié)點(diǎn)功率的零注入，則是一種無(wú)誤差的數(shù)據(jù)。在實(shí)時(shí)量測(cè)還不夠多的現(xiàn)實(shí)情況下，利用偽量測(cè)和虛擬量測(cè)，尤其是零注入量測(cè)變得非常重要。配電系統(tǒng)中存在很多開關(guān)，如何得到系統(tǒng)的最新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，尤其是在有突發(fā)事件發(fā)成的情況下，保證控制中心的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湔_性，是配電自動(dòng)化的主要目標(biāo)之一。dse可以用于探測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，提高?duì)配電系統(tǒng)的監(jiān)控能力1。同時(shí)，在配電系統(tǒng)的優(yōu)化、控制方面，例如網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、無(wú)功優(yōu)化和電壓控制等，仍需要利用dse的結(jié)果，可以說(shuō)，dse是配電系統(tǒng)所有高級(jí)應(yīng)用功能的基礎(chǔ)和前提。狀態(tài)估計(jì)技術(shù)在輸電系統(tǒng)中的發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)有30多年的歷史，已經(jīng)成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，而對(duì)dse的研究不過(guò)是近十幾年的事，如何把輸電系統(tǒng)成熟的狀態(tài)估計(jì)技術(shù)運(yùn)用到配電系統(tǒng)中，是dse技術(shù)研究的一個(gè)主要的方向1。1.2 dse的基本理論電力系統(tǒng)的量測(cè)量方程可表示為(1)式中z為量測(cè)值矢量；h(x)為量測(cè)量的計(jì)算值矢量；v為量測(cè)誤差矢量；設(shè)量測(cè)量共m個(gè),則上述矢量均為m維;x為狀態(tài)量;設(shè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為n,則x一般為2n-2維。采用加權(quán)最小二乘估計(jì)，則給定量測(cè)矢量z以后,狀態(tài)估計(jì)矢量x是使目標(biāo)函數(shù)(2)達(dá)到最小的x的值。式中表示量測(cè)量的權(quán)重，且是對(duì)角陣(維)。當(dāng)x使得最小時(shí)，(3)其中叫量測(cè)jacobian矩陣。上式是個(gè)非線性方程組，不易用解析的方法直接求解，可以用牛頓拉夫遜方法迭代求解，第i步迭代中，有(4)(5)(4)式中稱為gain矩陣。當(dāng)小于一個(gè)足夠小的數(shù)時(shí)，我們認(rèn)為迭代已經(jīng)收斂，求得的x即為狀態(tài)估計(jì)后的狀態(tài)變量。第二部分 現(xiàn)狀和問(wèn)題 至今，配電系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)已經(jīng)被很多人研究過(guò)，這方面的進(jìn)展也很可觀；但是，隨著配電自動(dòng)化水平的提高和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異的發(fā)展，電力工業(yè)管理體制向市場(chǎng)化邁進(jìn)，配電系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方面又充滿了挑戰(zhàn)和機(jī)遇。要解決好這些問(wèn)題，我們必須對(duì)配電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的現(xiàn)狀作更清楚的認(rèn)識(shí)。2.1 配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和建模 配電系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)都是基于配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的，配電系統(tǒng)的特點(diǎn)可以從以下幾個(gè)方面來(lái)看：（1）配電系統(tǒng)主要是由饋線構(gòu)成，而饋線主要是輻射形式的，在某些情況下可能有少量的弱環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，而且最主要是單環(huán)網(wǎng)；（2）配電系統(tǒng)是三相不對(duì)稱的，饋線的支路可能是單相、雙相或者三相的；（3）饋線的負(fù)荷很分散，這些負(fù)荷對(duì)民用電往往是單相或者三相，對(duì)商業(yè)和工業(yè)用電來(lái)說(shuō)往往是三相的；（4），饋線段部分常是很短的線路，沒(méi)有經(jīng)過(guò)換位，支路電阻r和電抗x之比r/x一般比較大；根據(jù)根據(jù)配電系統(tǒng)的特點(diǎn)，饋電線采用三相建模，如圖1。圖1 三相饋電線路的阻抗根據(jù)圖1可以建立的節(jié)點(diǎn)阻抗陣，將地節(jié)點(diǎn)消去，可以得到的矩陣，電壓電流關(guān)系可以寫成(6)將上式寫成導(dǎo)納矩陣形式有(7)圖2是三相饋電線的等值電路。圖2 三相饋電線的等值電路2.2 配電系統(tǒng)量測(cè)數(shù)據(jù)1） 實(shí)時(shí)量測(cè)現(xiàn)代配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)能提供的實(shí)時(shí)量測(cè)相對(duì)于整個(gè)配電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是很少的，可以說(shuō)是局部冗余全局不足。由于許多客觀原因的限制，配電系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)量測(cè)設(shè)備的安裝數(shù)量是有限的。在變電站的母線上設(shè)置有電壓量測(cè)，饋線出口處放置功率和電流幅值量測(cè)。線路上重要的開關(guān)/刀閘上會(huì)配置電流幅值和功率量測(cè)。對(duì)于某些重負(fù)荷，可以放置實(shí)時(shí)量測(cè)以利于負(fù)荷監(jiān)控。另外，聯(lián)絡(luò)開關(guān)上也會(huì)裝配量測(cè)，通常以電流量測(cè)為主。盡管在聯(lián)絡(luò)開關(guān)打開時(shí)，這些量測(cè)不起作用，但是在負(fù)荷轉(zhuǎn)移和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的操作和分析時(shí)，會(huì)起到有益的作用。2） 偽量測(cè)對(duì)于配電系統(tǒng)，缺乏足夠的實(shí)時(shí)量測(cè)是真正的挑戰(zhàn)，通常的彌補(bǔ)辦法是構(gòu)造偽量測(cè)。偽量測(cè)最主要來(lái)源是各用戶負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)，怎樣利用偽量測(cè)來(lái)進(jìn)行更精確的狀態(tài)估計(jì)成為普遍的問(wèn)題，而且已有很多的這方面的研究。各種配電狀態(tài)估計(jì)算法，對(duì)于實(shí)時(shí)量測(cè)的修正都非常小，關(guān)鍵在于如何修正偽量測(cè)，可以說(shuō)，實(shí)時(shí)量測(cè)信息對(duì)于確定實(shí)時(shí)量測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)起著決定性的作用，而為數(shù)眾多的偽量測(cè)信息對(duì)于那些非實(shí)時(shí)量測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)起著至為重要的作用。2.3 配電系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的方法配電系統(tǒng)不同于輸電系統(tǒng)的特點(diǎn)有：網(wǎng)絡(luò)呈輻射狀，規(guī)模龐大；三相不平衡；量測(cè)配置相對(duì)不足，狀態(tài)估計(jì)需要補(bǔ)充預(yù)測(cè)的負(fù)荷數(shù)據(jù)才能進(jìn)行；量測(cè)中有電流幅值量測(cè)，無(wú)方向信息；大量短支路的存在會(huì)產(chǎn)生數(shù)值計(jì)算上的困難等等。這些特點(diǎn)決定了配電系統(tǒng)的一些分析計(jì)算方法與發(fā)輸電系統(tǒng)不同。例如，發(fā)輸電系統(tǒng)中的狀態(tài)估計(jì)/潮流計(jì)算大多采用快速分解法，這種方法計(jì)算速度較快，但該方法是基于下面的假設(shè)條件電壓幅值約等于1；電壓相角約等于0；線路rx。這三個(gè)假設(shè)在配電系統(tǒng)中并不能成立。在此外，配網(wǎng)通常缺少實(shí)時(shí)量測(cè)，需要補(bǔ)充虛擬量測(cè)數(shù)據(jù)才能夠進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)計(jì)算。因此有必要發(fā)展適合配電網(wǎng)的狀態(tài)估計(jì)算法。目前，dse一般都采用加權(quán)最小二乘法(wls)。文獻(xiàn)2 提出一種三相狀態(tài)估計(jì)算法。將節(jié)點(diǎn)電壓和相角作為狀態(tài)變量，利用jacobian矩陣做迭代。該文作者baran假設(shè)變電站電源點(diǎn)的電壓為三相平衡，然后巧妙地進(jìn)行變量變換。在對(duì)電壓和電流的三相分量移相之后，依然保持公式的原有形式，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的a，b，c相電壓的相位差很小(10度)，因此jacobian陣中與電壓/功率量測(cè)有關(guān)的元素近似為常數(shù)。對(duì)于支路電流幅值量測(cè)值的處理是這樣的，首先，假定電壓都為1，相角都為0，只利用只含有電壓/功率量測(cè)量的元素的jacobian矩陣進(jìn)行迭代k（比如3）次，然后利用第一步得到電流相角的近似值，添加jacobian矩陣中有關(guān)電壓/電流量測(cè)量的元素，考慮功率和電流量測(cè)進(jìn)行迭代，直到收斂，每次迭代中觀察電流相角的變化，如果變化很大的話，要修正jacobian矩陣。這樣就產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題：如果p,q測(cè)量值不足的情況下，對(duì)電流相角無(wú)法比較準(zhǔn)確的估計(jì)，算法的收斂好壞就很難保證，并且該算法需要求jacobian矩陣，計(jì)算量大。為了彌補(bǔ)文獻(xiàn)2方法的不足，baran和kelley在文獻(xiàn)3 提出了一種基于支路電流的狀態(tài)估計(jì)算法。該方法以支路電流為狀態(tài)變量，明顯區(qū)別于以節(jié)點(diǎn)電壓為狀態(tài)變量的傳統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法。baran 忽略節(jié)點(diǎn)電壓量測(cè)，以支路電流為狀態(tài)量，通過(guò)量測(cè)變換，將各種量測(cè)變換成等值的復(fù)電流量測(cè)，使法方程三相解耦，使信息陣與支路阻抗無(wú)關(guān)，數(shù)值條件良好，尤其是當(dāng)沒(méi)有電流幅值量測(cè)時(shí)，量測(cè)函數(shù)和法方程呈線性，法方程不但三相解耦，而且實(shí)虛部也解耦，計(jì)算效率很高，另外該算法在實(shí)現(xiàn)時(shí)有著配電潮流計(jì)算類似的前推回推計(jì)算過(guò)程，編程簡(jiǎn)單。 另外，該方法稍加改動(dòng)，就可應(yīng)用于弱環(huán)狀的配電網(wǎng)。該算法忽略電壓幅值量測(cè)，gain矩陣較復(fù)雜，很大程度上限制了它在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不足的配電系統(tǒng)中的應(yīng)用。文獻(xiàn)4針對(duì)文獻(xiàn)3中算法的不足，對(duì)該算法進(jìn)行了改進(jìn)。原算法在處理功率量測(cè)方面非常出色，jacobian矩陣只包含1或者-1，并且三相解耦，虛實(shí)部也解耦；然而在處理電流幅值量測(cè)的時(shí)候，雖然三相解耦，但是虛實(shí)部不解耦，并且每次迭代都要重新形成jacobian矩陣；在處理環(huán)網(wǎng)的時(shí)候，使得整個(gè)gain矩陣三相不解耦。文獻(xiàn)4通過(guò)對(duì)電流幅值量測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃щ娏髁繙y(cè)，在環(huán)網(wǎng)的處理上，利用了拉格朗日乘子，最后得到了一個(gè)恒定的jacobian矩陣，gain矩陣的因子分解只需要做一次。在對(duì)gain矩陣解耦的過(guò)程中，并不需要對(duì)電壓、相角和r/x做任何假設(shè)。改進(jìn)后的算法在a)rb的假設(shè)條件下，實(shí)現(xiàn)了處理等式約束后的gain矩陣的解耦。文獻(xiàn)9 中l(wèi)in和teng明確的提出了一種配電快速分解狀態(tài)估計(jì)算法，在文獻(xiàn)6的基礎(chǔ)上，最后得到了一個(gè)恒定的jacobian矩陣，gain矩陣的因子分解只需要做一次。在對(duì)gain矩陣解耦的過(guò)程中，并不需要對(duì)電壓、相角和r/x做任何假設(shè)，這是與輸電網(wǎng)快速分解法所不同的，并且在相同r/x，虛實(shí)部相同的權(quán)重下，解耦是嚴(yán)格的。文獻(xiàn)10考慮到分布發(fā)電和自動(dòng)無(wú)功調(diào)壓器等非線性的設(shè)備,利用hybrid particle swarm optimization (wpso)混合極小群優(yōu)化理論，提出相應(yīng)算法理論。這個(gè)算法可以估計(jì)出各個(gè)分布的發(fā)電機(jī)的輸出和靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器(svcs)等設(shè)備的輸出等。進(jìn)一步，文獻(xiàn)11提出狀態(tài)估計(jì)優(yōu)化算法，并給出計(jì)算的理論框架。更進(jìn)一步，文獻(xiàn)12-13把上述算法應(yīng)用的實(shí)踐中，提出了更為實(shí)際的算法，并且作了實(shí)際測(cè)試，并指出下一步的工作是，怎么樣確證根據(jù)此算法得到的dg（分布式發(fā)電機(jī)）和分接頭設(shè)備的接頭數(shù)據(jù)的輸出結(jié)果的正確性。這些算法都沒(méi)有很好的解決環(huán)網(wǎng)的狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題，且有大量的矩陣運(yùn)算，不易于實(shí)現(xiàn)。第三部分 工作內(nèi)容和計(jì)劃鑒于以上關(guān)于配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)現(xiàn)狀的介紹，總結(jié)出目前尚需解決的問(wèn)題以及隨著時(shí)代發(fā)展對(duì)配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)新的需求。3.1 需求分析隨著配電系統(tǒng)自動(dòng)化的蓬勃發(fā)展，配電系統(tǒng)scada系統(tǒng)被越來(lái)越多的安裝，能夠提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)供配電系統(tǒng)分析和控制使用，但是出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，測(cè)量設(shè)備安裝的數(shù)目是有限的，因此實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是不足的，而且由于設(shè)備和通訊的問(wèn)題，傳送到控制中心的數(shù)據(jù)有可能不正確，不可靠或者是時(shí)延的。配電系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)技術(shù)是解決上述問(wèn)題一種高效的方法，總結(jié)一下對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的需求情況：1）需要一種實(shí)用、穩(wěn)定、高效、易于編程實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)估計(jì)核心算法，針對(duì)配電系統(tǒng)特性，可以用于對(duì)大規(guī)模配電系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)；2）需要實(shí)用化的軟件，它應(yīng)該包含上述的核心算法，同時(shí)具備跨平臺(tái)，可視化操作的特點(diǎn)，適用于工程實(shí)際，程序需要利用中間件技術(shù)，采用統(tǒng)一接口，易于擴(kuò)展，適應(yīng)于各種數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)；3.2工作目標(biāo)針對(duì)需求，制訂以下工作目標(biāo)：1) 設(shè)計(jì)配電系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)算法根據(jù)現(xiàn)有的配電狀態(tài)估計(jì)方法，加以改進(jìn)和修改，設(shè)計(jì)一種實(shí)用的算法，它應(yīng)該具備以下的特點(diǎn)：a很強(qiáng)的輸入數(shù)據(jù)適應(yīng)性有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，發(fā)現(xiàn)并糾正遙信和遙測(cè)中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；并充分利用一切可用的離線數(shù)據(jù)，補(bǔ)充量測(cè)系統(tǒng)的不足；提供方便的人機(jī)交互手段給用戶修改數(shù)據(jù)，使在條件差的情況下狀態(tài)估計(jì)也可以進(jìn)行下去。b算法的適應(yīng)面廣，效率高能處理實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各種情況，并有較高的計(jì)算效率。不僅要對(duì)輻射狀配電網(wǎng)具有較高的計(jì)算效率和較好的收斂性，同時(shí)能較好的處理弱環(huán)網(wǎng)甚至多環(huán)網(wǎng)；可以處理三相對(duì)稱的情況，也可以處理三相不對(duì)稱的情況。c輸出結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化以xml形式輸出計(jì)算結(jié)果，并可以轉(zhuǎn)化為其他應(yīng)用程序所需的接口。2) 編寫新的配電系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)計(jì)算軟件該軟件除了實(shí)現(xiàn)上述核心算法之外，應(yīng)該具備較好可視化操作，良好的人機(jī)操作界面，該軟件應(yīng)該具備以下主要特點(diǎn)：a跨平臺(tái)無(wú)論用哪種面對(duì)對(duì)象的語(yǔ)言編寫軟件，力求做到跨平臺(tái)，初步打算用java編寫軟件的人機(jī)接口部分；b結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中間件軟件需要利用數(shù)據(jù)庫(kù)中間件，采用統(tǒng)一接口，這樣就可以適用于各種數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)；c在面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)上構(gòu)架軟件充分利用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，把配電系統(tǒng)的各種物理元件和虛擬元件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等全都利用面向?qū)ο蟮母拍罱?gòu)；3.3 工作計(jì)劃第一階段(2005.52005.7)：現(xiàn)有理論算法進(jìn)一步深入研究和消化吸收，設(shè)計(jì)出一種可以實(shí)用化的算法。第二階段(2005.72005.12)：再分為2到3個(gè)階段，分別利用上述算法進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)工作，編寫出新的狀態(tài)估計(jì)軟件。第三階段：通過(guò)多個(gè)算例對(duì)理論研究的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析，并且根據(jù)結(jié)果來(lái)總結(jié)思考和修訂參考文獻(xiàn)1 mesut e. baran, challenges in state estimation on distribution systems, ieee , july 2001, vol.1, pp.429 433.2 baran, m.e., and a, w, kelley, state estimation for real-time monitoring of distribution systems, ieee trans. on power systems, aug. 1994, pp. 1601-1608.3 baran, m.e., and a. w, 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