狀態(tài)估計(jì)3課件

XiHuaUniversity主要內(nèi)容一、

PMU及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)背景二、同步相量測(cè)量基本原理三、同步相量測(cè)量裝置的功能及作用四、基于PMU的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)五、不良數(shù)據(jù)的辨識(shí)XiHuaUniversity第一節(jié)

PMU及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)背景XiHuaUniversityWAMS與PMU

WAMS(WideAreaMeasurementSystem)

廣域測(cè)量系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)視電網(wǎng)運(yùn)行性能，異常的頻率，低頻振蕩，擾動(dòng)期間和擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)特性。給調(diào)度人員提供高質(zhì)量的信息和分析工具，探測(cè)電網(wǎng)將要發(fā)生的緊急情況并降低電網(wǎng)事故。

PMU(PhasorMeasurementUnit)同步相量測(cè)量系統(tǒng)用于電力系統(tǒng)同步相量測(cè)量和輸出以及動(dòng)態(tài)過(guò)程的記錄。PMU和GPS、高速通信網(wǎng)絡(luò)、子站和主站分析系統(tǒng)共同構(gòu)成WAMS，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域以及跨區(qū)域大電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程監(jiān)測(cè)和分析。

XiHuaUniversity動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)出現(xiàn)的背景傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段:記錄電磁暫態(tài)過(guò)程的各種故障錄波儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況的SCADA系統(tǒng)但都存在不足:傳統(tǒng)的故障錄波器只能記錄故障前后幾秒的暫態(tài)波形由于數(shù)據(jù)量大，難以全天候保存不同地點(diǎn)之間缺乏準(zhǔn)確的共同時(shí)間標(biāo)記，記錄數(shù)據(jù)只是局部有效，難以用于對(duì)全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的分析XiHuaUniversity廣域同步相量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展歷史1988年前后，美國(guó)VirginiaUniversity的A.GPhadke為代表學(xué)者提出同步相量測(cè)量算法，并開(kāi)發(fā)了最早的同步相量測(cè)量裝置。XiHuaUniversityV.T與美國(guó)Microdyne合作開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)工業(yè)用PMU,MODEL1690。XiHuaUniversity美國(guó)邦納維爾電力局(BPA)采用MODEL1690，組建了最早的WAMSKennethMartinXiHuaUniversity引進(jìn)臺(tái)灣歐華的ADX3000XiHuaUniversity2001200220032004國(guó)外WAMS研究國(guó)內(nèi)WAMS研究美國(guó)8.14事故2005200620072008中國(guó)10.29振蕩7.1事故中國(guó)11.07振蕩XiHuaUniversity相量概念正弦信號(hào)

采用向量表示：X=Ｘejφ

＝Xcosφ+jXsinφ相量由兩部分組成，即幅值X（有效值）和相位φ，用直角坐標(biāo)則表示為實(shí)部和虛部。所以相量測(cè)量就必須同時(shí)測(cè)量幅值和相位。幅值可以用交流電壓電流表測(cè)量；而相位的大小取決于時(shí)間參考點(diǎn)，同一個(gè)信號(hào)在不同的時(shí)間參考點(diǎn)下，其相角值是不同的。所以，在進(jìn)行系統(tǒng)相量測(cè)量時(shí)，必須有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間參考點(diǎn)。XiHuaUniversity電力系統(tǒng)同步相量

利用GPS的秒脈沖作為統(tǒng)一的時(shí)間參考點(diǎn)，測(cè)得輸電線兩端的電壓相量為兩地相角差δ實(shí)際上是指在同一時(shí)刻兩個(gè)節(jié)點(diǎn)正序電壓的相角差，它是系統(tǒng)運(yùn)行的重要狀態(tài)變量之一。利用這個(gè)角度，可以得知兩端電力潮流的方向與大小；相角差的大小也反映了靜穩(wěn)裕度的大小，它的周期變化就表明系統(tǒng)發(fā)生了功率振蕩。對(duì)相角的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能使調(diào)度員及時(shí)采取措施，以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。猶如系統(tǒng)的“狀態(tài)示波器”，為調(diào)度員對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷提供及時(shí)而有力的依據(jù)。XiHuaUniversity第三節(jié)

同步相量測(cè)量裝置的功能及作用XiHuaUniversity基本系統(tǒng)功能PMU1PMU2PMU3PMU4PMUnWAMS服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)管理子站通信管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)時(shí)監(jiān)視低頻振蕩檢測(cè)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)重演人機(jī)交互（狀態(tài)顯示、報(bào)警等）同步相量計(jì)算數(shù)據(jù)記錄擾動(dòng)觸發(fā)WEB發(fā)布調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)事件消息顯示電網(wǎng)擾動(dòng)識(shí)別GPS發(fā)電機(jī)運(yùn)行裕度監(jiān)視XiHuaUniversity1、裝置同時(shí)向主站傳送實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。2、裝置接受多個(gè)主站的召喚命令，傳送部分或全部測(cè)量通道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。一、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能二、實(shí)時(shí)記錄功能1、裝置能實(shí)時(shí)記錄全部測(cè)量通道的相量數(shù)據(jù)。2、裝置實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)的保存時(shí)間應(yīng)不少于14天。3、當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生頻率越限、頻率變化率越限、相電壓越限、正序電壓越限、相電流越限、正序電流越限、線路低頻振蕩、相角差越限等事件時(shí)，裝置應(yīng)能建立事件標(biāo)識(shí)，以方便用戶獲取事件發(fā)生時(shí)段的實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)。4、當(dāng)裝置監(jiān)測(cè)到繼電保護(hù)或安全自動(dòng)裝置跳閘輸出信號(hào)或接到手動(dòng)記錄命令時(shí)應(yīng)建立事件標(biāo)識(shí)，以方便用戶獲取對(duì)應(yīng)時(shí)段的實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)。XiHuaUniversity

2）捕捉電網(wǎng)的低頻振蕩電網(wǎng)的低頻振蕩的捕捉是PMU裝置的一個(gè)重要功能。通過(guò)傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)分析低頻振蕩，由于其數(shù)據(jù)通訊的刷新速度為秒級(jí)，不能夠很可靠的判斷出系統(tǒng)的振蕩情況?；赑MU高速實(shí)時(shí)通訊（每秒可高達(dá)100HZ數(shù)據(jù)）可較快地獲取系統(tǒng)運(yùn)行信息。3）實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)電機(jī)功角信息發(fā)電機(jī)功角是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)電勢(shì)與定子端電壓或電網(wǎng)參考點(diǎn)母線電壓正序相量之間的夾角，是表征電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要狀態(tài)變量之一，是電網(wǎng)擾動(dòng)、振蕩和失穩(wěn)軌跡的重要記錄數(shù)據(jù)。XiHuaUniversity4）分析發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性及安全峪度分析通過(guò)PMU裝置高速采集的發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、氣門(mén)開(kāi)度信號(hào)、AGC控制信號(hào)、PSS控制信號(hào)等，可分析出發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)調(diào)頻特性，進(jìn)行發(fā)電機(jī)的安全峪度分析，為分析發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程提供依據(jù)。監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)進(jìn)相、欠勵(lì)、過(guò)勵(lì)等運(yùn)行工況，異常時(shí)報(bào)警。繪制發(fā)電機(jī)運(yùn)行極限圖，根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)確定發(fā)電機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)，實(shí)時(shí)計(jì)算發(fā)電機(jī)運(yùn)行裕度，在異常運(yùn)行時(shí)告警。

XiHuaUniversity

(2)測(cè)量發(fā)電機(jī)機(jī)端三相電壓、三相電流、開(kāi)關(guān)量、轉(zhuǎn)軸鍵相信號(hào)、勵(lì)磁信號(hào)、氣門(mén)開(kāi)度信號(hào)、AGC、AVC、PSS等信號(hào)。機(jī)端A相電壓同步相量Ua/Фua;機(jī)端B相電壓同步相量Ub/Фub；機(jī)端C相電壓同步相量Uc/Фuc；機(jī)端正序電壓同步相量U1/Фu1；機(jī)端A相電流同步相量Ia/Фia；機(jī)端B相電流同步相量Ib/Фib；機(jī)端C相電流同步相量Ic/Фic；機(jī)端正序電流同步相量I1/Фi1；內(nèi)電勢(shì)同步相量ε/Ф(ε);發(fā)電機(jī)功角δ；開(kāi)關(guān)量XiHuaUniversity

(3)同步測(cè)量勵(lì)磁電流／勵(lì)磁電壓，用于分析機(jī)組的勵(lì)磁特性

(4)同步AGC控制信號(hào)，用于分析AGC控制響應(yīng)特性

(5)獲取高精度的時(shí)間信號(hào)XiHuaUniversityPMU的硬件結(jié)構(gòu)框圖GPS接收模塊同步信號(hào)發(fā)生器微處理器通訊模塊A/D轉(zhuǎn)換器電壓、電流互感器低通濾波器交流輸入頻率跟蹤器存儲(chǔ)器單元XiHuaUniversityPMU測(cè)量軟件模擬量采集開(kāi)關(guān)量采集4-20mA采集發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)采集GPS信號(hào)處理相量計(jì)算及轉(zhuǎn)換擾動(dòng)錄波通信模塊控制輸出XiHuaUniversity基于PMU的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)第四節(jié)XiHuaUniversity等值電路：支路電流向量：設(shè)有N個(gè)母線節(jié)點(diǎn)和B條支路的等值電力網(wǎng),在L母線節(jié)點(diǎn)上裝有相角測(cè)量裝置。測(cè)得PMU電壓相量測(cè)量為z。,電流相量測(cè)量為

,則線性測(cè)量方程為:上式中；分別為PMU節(jié)點(diǎn)和非PMU節(jié)點(diǎn)的電壓相量，I表示LXL階單位陣;為有節(jié)點(diǎn)相連支路對(duì)應(yīng)的串聯(lián)和并聯(lián)導(dǎo)納構(gòu)成的塊矩陣;為電壓相量量測(cè)和電流相量量測(cè)對(duì)應(yīng)的量測(cè)誤差。根據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)理論可以推導(dǎo)出由最小二乘可知線性狀態(tài)估計(jì)這種線性估計(jì)模型不用迭代，運(yùn)行周期短，收斂性好。線性估計(jì)模型的應(yīng)用前提是系統(tǒng)基于PMU可觀，這在短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)XiHuaUniversity

非線性狀態(tài)估計(jì)模型是在保留SCADA量測(cè)的基礎(chǔ)上增加PMU量測(cè),在利用PMU量測(cè)來(lái)改善狀態(tài)估計(jì)性能的同時(shí),也充分利用了SCADA量測(cè)以確保狀態(tài)估計(jì)的可靠性。由于測(cè)量方程非線性,狀態(tài)估計(jì)方程仍需迭代求解。

(l)直接將PMU的節(jié)點(diǎn)電壓相量量測(cè)作為狀態(tài)真值這種方式的突出特點(diǎn)是計(jì)算速度非?？?。不需要修改原有狀態(tài)估計(jì)程序,只需確定哪些節(jié)點(diǎn)有PMU測(cè)量值、哪些沒(méi)有便可以計(jì)算;缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)精度偏低

(2)增加PMU節(jié)點(diǎn)電壓相量量測(cè)方程將PMU節(jié)點(diǎn)電壓相量量測(cè)方程加入傳統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)算法中,并利用PMU測(cè)量精度高的特點(diǎn)給測(cè)錄數(shù)據(jù)以較大的權(quán)重,能夠有效提高狀態(tài)估計(jì)結(jié)果的精度非線性狀態(tài)估計(jì)XiHuaUniversity

(3)利用PMU節(jié)點(diǎn)電壓相量構(gòu)造相應(yīng)修正方程式將PMU電壓相量量測(cè)進(jìn)行適當(dāng)變換,變換為其他量測(cè)（如功率量測(cè))再代人傳統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法中一起迭代求解（4）利用PMU的電壓量測(cè)和電流量測(cè)計(jì)算相關(guān)支路的等值功率量測(cè)及量測(cè)誤差,如下式所示，然后代入傳統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算XiHuaUniversity混合非線性狀態(tài)估計(jì)m維量測(cè)量z與n維狀態(tài)量x之間的量測(cè)方程為：

目標(biāo)函數(shù)：狀態(tài)估計(jì)的迭代修正公式：其中，HTR-1H

稱為n×n維信息（增益）矩陣，其逆陣對(duì)角元通?？梢杂脕?lái)衡量狀態(tài)估計(jì)的精度。XiHuaUniversity把SCADA量測(cè)轉(zhuǎn)化為PMU相量偽量測(cè)補(bǔ)足線性可觀性實(shí)現(xiàn)線性狀態(tài)估計(jì)變換

在混合狀態(tài)估計(jì)領(lǐng)域，一直有兩大類(lèi)方法把PMU量測(cè)轉(zhuǎn)化為SCADA偽量測(cè)或PMU節(jié)點(diǎn)電壓偽量測(cè)，增加SCADA量測(cè)冗余度實(shí)現(xiàn)非線性狀態(tài)估計(jì)保留保留

變換PMU，線性量測(cè)，有限SCADA，非線性量測(cè)，豐富

混合非線性狀態(tài)估計(jì)XiHuaUniversity直接利用PMU的節(jié)點(diǎn)電壓相量量測(cè)，與經(jīng)過(guò)必要坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的PMU支路電流相量量測(cè)，以及原SCADA的傳統(tǒng)量測(cè)一起進(jìn)行混合非線性迭代計(jì)算新方法的提出保留保留PMU，線性量測(cè)，有限SCADA，非線性量測(cè)，豐富混合非線性狀態(tài)估計(jì)XiHuaUniversityＰＭＵ節(jié)點(diǎn)電壓相量量測(cè)ＰＭＵ支路電流相量量測(cè)

混合非線性狀態(tài)估計(jì)XiHuaUniversity引入PMU節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流相量的混合量測(cè)狀態(tài)估計(jì)模型如下所示：SCADAPMUUPMUI

混合非線性狀態(tài)估計(jì)PMU測(cè)量值的引入增加了量測(cè)的冗余度,從而有助于提高狀態(tài)估計(jì)解的精度和穩(wěn)定性XiHuaUniversityPMU支路電流相量量測(cè)（Iij∠θIij）轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系下的實(shí)、虛部公式為：按照誤差傳遞公式，間接量測(cè)誤差方差為：求得間接量測(cè)的誤差σ2Iij,r，σ2Iij,i，形成支路電流量測(cè)的方差陣RI。混合非線性狀態(tài)估計(jì)XiHuaUniversity計(jì)算各種量測(cè)的雅可比陣與殘差形成混合量測(cè)的雅可比陣與混合殘差向量形成混合量測(cè)方差陣坐標(biāo)轉(zhuǎn)換XiHuaUniversity第五節(jié)不良數(shù)據(jù)辨識(shí)XiHuaUniversity1、當(dāng)狀態(tài)估計(jì)檢測(cè)出SCADA系統(tǒng)有可疑數(shù)據(jù)時(shí),取出SCADA系統(tǒng)的可疑功率數(shù)據(jù),同時(shí)取出對(duì)應(yīng)的WAMS系統(tǒng)的電壓、電流量測(cè),利用功率量測(cè)和電壓相量量測(cè)按照下式轉(zhuǎn)換為等效電流量測(cè):將電流量測(cè)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)形式：XiHuaUniversity因很小,所以故將兩種途徑得到的電流量測(cè)進(jìn)行比較,若電流實(shí)部相差較大,則認(rèn)為有功功率量測(cè)為不良數(shù)據(jù);同理,若電流虛部相差較大,則認(rèn)為無(wú)功功率量測(cè)為不良數(shù)據(jù)2、當(dāng)檢測(cè)出不良數(shù)據(jù)后,可采取兩種方法進(jìn)行處理:①用PMU電壓、電流量測(cè)計(jì)算相應(yīng)的功率量測(cè),并根據(jù)誤差傳遞理論計(jì)算其權(quán)值,替換原功率量測(cè)。②利用估計(jì)辨識(shí)法直接對(duì)狀態(tài)估計(jì)值進(jìn)行修正。若電流實(shí)部虛部均相差不大,則說(shuō)明此功率量測(cè)為好數(shù)據(jù),SCADA系統(tǒng)發(fā)生殘差淹沒(méi)現(xiàn)象。此時(shí)將檢測(cè)的功率量測(cè)作好數(shù)據(jù)處理,縮小可疑數(shù)據(jù)范圍,再用估計(jì)辨識(shí)法進(jìn)行不良數(shù)據(jù)辨識(shí),將檢測(cè)出來(lái)的可疑數(shù)據(jù)再用兩個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行校對(duì)。直到辨識(shí)出所有不良數(shù)據(jù)為止。XiHuaUniversity3、當(dāng)WAMS系統(tǒng)檢測(cè)出有不良數(shù)據(jù)時(shí),因其較快的數(shù)據(jù)刷新速度,若此時(shí)刻有SCADA數(shù)據(jù),則