含新能源的电力系统状态估计的研究现状与展望

1、含新能源的电力系统状态估计的研究现状与展望摘要：电力系统状态估计是当代电力系统能量管理系统(EMS)的重要组成部分。本文首先介绍了电力系统状态估计的概念，其次介绍了状态估计的研究现状以及几种较有代表性的状态估计方法。结合目前新能源电力系统的推广以及新能源接入电网的特点，综述总结了对含新能源电力系统状态估计的方法及研究现状。最后对含新能源的电力系统状态估计的研究方向进行了展望。关键词：电力系统 状态估计 能量管理系统 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状态估计是当代电力系统能量管理系统(EMS)的重要组成部分，尤其在电力市场环境中发挥更重要的作用。状态估计问题的提出激发了许多学者的研究兴趣，他们以数学、控制理论和其它新理论为指导，根据当时的计算机软件和硬件条件，结合电力系统的特点，在

5、理论方而进行了大量研究，并提出了一系列的算法1-5。经过多年的研究，电力系统实时网络状态估计各环节的基本框架己经建成，并且己有成功的应用6。 目前，新能源替代化石燃料供给能量的过程中，首先是将其转化成电力资源，然后采用一定的技术手段保证该电力来源的持续可靠运行。该技术就是分布式储能技术，分布式接入的电源主要包括发电设备和储能装置。它与大电力系统联网运行，在用电负荷低谷时可向储能设备进行充电，在用电负荷高峰时段储能设备可为用户提供电力。这样的分布式接入使用户的用电特性尽可能平稳的同时，也使得电力系统变得日益复杂。所以，对含新能源电力系统的状态估计法的研究是确保可再生新能源作为电力来源的电力系统的

6、更好安全平稳可靠运行。1 电力系统状态估计概述电力系统状态估计也称为滤波7，它是利用实时测量系统的冗余度来提高数据精度，自动排除随机干扰和噪声所引起的错误信息，估计或预报系统的运行状态。是远动装置和数据库之间的重要一环。状态估计功能流程图如图1所示8。图1 状态估计功能流程图由图可知，它能从远动装置接受低精度、不完整、少量的不良数据，而由状态估计后输出到数据库的数据是完整而可靠的，提高了精度。2 电力系统状态估计的经典算法及研究现状2.1 静态估计目前绝大多数的状态估计是静态估计，主要针对量测为电压幅值及功率等进行计算，数据源于电网实时数据的采集和监视系统（SCADA）。静态状态估计算法主要是

7、最小二乘法，包括加权最小二乘估计方法和抗差估计方法和递推阻尼最小二乘法。鉴于最小二乘法的计算量很大，占用内存大。因此，最小二乘法用于小型电力系统比较好。2.1.1加权最小二乘估计静态估计的常用算法主要是加权最小二乘算法（WLS）。该算法一般情况下收敛性较好，容易实现，但在特殊情况下也存在病态条件，针对此种现象，文献9中详细概述目前对加权最小二乘法进行的几种改进，主要有正交化变换法、混合法、带等式约束条件的法方程法 、Hachtel增广矩阵法。 以上几种方法相比较，从稳定性角度看，正交变换法的方法最好，法方程法的数值稳定性最差，但正交变换法的缺点同样明显:计算工作量较大，对存储器要求较高，不能利

8、用快速解耦技术；在同时考虑数值稳定性、计算效率以及实施方便性等方面，混合法和Hachtel方法综合性能较好。2.1.2递推阻尼最小二乘估计 根据新数据对原估计量进行修正，提高了迭代初值选取的可靠性，得到改善的新估计量。由此产生了递推算法。 林茂琼等人10对递推最小二乘法的估计、辨识领域的应用进行了计算机仿真，发现递推最小二乘法在协方差矩阵减小时，参数易发生爆炸现象；参数向量和协方差矩阵的初值选择不当会使估计辨识过程参数收敛之前结束；在存在随机噪声的情况下，参数易产生漂移，因此提出了递推阻尼最小二乘法。文献11对递推阻尼最小二乘法的稳定性和收敛性进行了进一步的讨论和分析。文献12的仿真计算结果也

9、显示了此算法的有效性。基于递推阻尼最小二乘状态估计可以有效的防止参数爆炸现象，使得估计参数在某一个范围内波动，而不至于偏离太远。2.1.3抗差最小二乘估计抗差最小二乘法是通过等价权将抗差估计原理与最小二乘形式有机结合起来，因此抗差最小二乘估计的主体是最小二乘估计，它决定了抗差最小二乘的基本效率。量测值的主体一般符合正态分布，然而实际量测并不完全服从止态分布，因此许多学者研究抗差估计器。抗差估计器大致分为三类: H估计器,L估计器, M估计器13。L估计是基于排序统计量的线性组合估计，计算简单，适用于计算机模拟不同类型的抗差估计并对其抗差能力和效率进行检验;H估计是通过秩检验导出估计量，又称秩检

10、验估计二类抗差估计中，M估计是经典的极大似然估计的推广，通常称为广义极大似然估计。M估计应用最多，它最接近经典的WLS估计。 抗差估计的显著优点是能够较真实地反映量测的实际分布模式，但其具有模型复杂和计算量大等缺点，并未得到广泛的应用。2.2 动态估计动态状态估计则是按运动力程与某一时刻的量测数据作为初值进行下一时刻状态量的估计，兼有状态估计和状态顶报的功能，具有重要的实用价值。目前动态估计的主要算法是基于卡尔曼逐次算法14。DehS等人于20世纪70年代初首先提出了实用Kalman滤波算法，同时建立动态状态估计。随后，Schweppe等人把前一时刻的状态估计值作为下一时刻状态估计的初值，没有

11、考虑任何系统动态模型但却跟踪系统状态的有效状态估计算法提出了跟踪状态估计器。Nishiya等人在考虑负荷变化的情况下在该系统模型中引入倾斜因子，该方法把实际上随系统运行状态变化倾斜因子看成固定不变的。为了克服这一缺点，Silva等人用常参数指数平滑法建立系统模型，以提高估计精度Mallieu等人提出了一种更为实际的动态状态估计模型，该模型基于节点负荷预报，预报环节是在注入节点上进行，而不是传统的状态量处理模型。随后，Silva等人提出了一种基于在线处理系统状态的动态模型。这个模型具有快速的动态反应能力良好的状态顶测能力。对于大系统，为了提高状态估计的计算速度，有些专家和学者提出了分区协调算法，

12、即两级状态估计法，但此法目前尚处于研究阶段。3 状态估计新方法3.1 配电网状态估计配电网状态估计大都基于量测或状态量变换技术，或者把功率量测转化为电流量测，或者以支路电流、支路功率、负荷电流为状态向量，通过变换使量测函数线性定常，雅可比矩阵常数化，状态向量实部和虚部解藕，三相解藕，提高计算速度。配电网状态估计的结果用于配电自动化的很多方面。由于配电网状态估计减小了数据误差，修止了数据错误，提高了数据精度，因此还可用于检查负荷数据，并对负荷模型和负荷数据加以校止，提高配电系统的安全与经济运行水平15。现代配电网状态估计的发展，出现了很多状态估计算法，如采用三相模型和牛顿法的最小二乘估计，基于量

13、测变换的状态估计算法，基于配电匹配潮流技术的配电状态估计等。3.2 新息图状态估计新息图状态估计是利用新息图的方法，把新息和网络图结合起来进行计算和推理，以处理坏数据、拓扑变化和负荷突变等异常情况，进而计算系统的运行状态。新息图状态估计既利用预报状态来检测不同时刻每个量测自身在时间方面的纵向变化，又运用传统静态估计方法中所利用的不同量测之间的符合电路定律的空间的横向联系。通过纵横两方面的结合，使得新息图识别功能大大提高，同时给出了状态预估的结果，为电网调度和安全监控提供快速可靠的实时数据16-17。 新息图法识别拓扑结构变化能力强，计算速度快，所需冗余度小。但它在建立新息网络图时，采用的是直流

14、潮流模型，因而也就不可能考虑线路的充电电容支路，因而新息图模型并不是一个很精确的模型。3.3 谐波状态估计谐波状态估计技术是在GPS技术和PMU技术基础发展起来的一项新型技术。谐波状态估计研究主要集中在谐波状态估计建模、谐波状态估计的求解算法、谐波状态估计的可观性和误差、PMU量测优化配置等方面18。由于谐波测量设备数量的限制,电力系统中的谐波测量数据是有限的,电力谐波状态估计技术就是根据有限的谐波测量数据来估计整个电网谐波分布,达到对整个系统进行谐波监测和谐波管理的目的。早期的谐波状态估计技术受到传统电力系统状态估计的影响,将谐波有功功率和无功功率作为测量量,但谐波无功功率的定义存在争议且其

15、测量装置没有统一的标准,因而采用无功功率的方法没有说服力。随着GPS和同步相量量测技术的发展,目前的谐波状态估计都避开了将功率作为测量量,而是对母线谐波电压、支路谐波电流和注入谐波电流进行同步相量测量,使得估计方程成为线性方程,极大地简化了求解方程的计算量19。4 含新电源的电力系统状态估计4.1 新能源接入电网的特点及应用新能源以分布式连入电网，与大电力系统联网运行，在用电负荷低谷时可向储能设备进行充电，在用电负荷高峰时段储能设备可为用户提供电力。这使得电网结构和运行方式变得日益复杂。为了保证状态估计可靠性，分布式状态估计无疑是一个很有应用价值的方法。由于新能源的嵌入以及其上网时间的随机性，

16、在原有的状态估计程序中嵌入类似于风电场的程序非常复杂，而分布式状态估计的引入将为现有的状态估计程序带来很大的方便，只需将新能源电力作为一个孤岛来处理，通过协调变量的计算就可以估计出整个系统的状态，这就为电力系统程序提供了可靠的数据集合。该状态估计方法在内蒙古西部的电网（风力发电）已经有了应用。4.2 分布式状态估计的并行协调算法原理大规模电力系统的状态估计可以分解为若干个小规模电网的状态估计，依靠修正各个子网络的节点注入功率，来处理各子网络之间的耦合影响，来达到最终降低网络阶数、提高状态估计计算速度的目的。Kron于上世纪50年代初曾提出网络分块算法理论以满足状态估计的实时性，文献20介绍了K

17、ron提出的分块算法理论。网络分块的方法主要有:一种是支路切割法，另一种方法是节点撕裂法。以上两种网络切割的方法，完成了把大规模网络的分析计算问题变为为小规模网络加上协调变量的分析计算问题，因此，很大程度上降低了网络求解的阶数。文献21提出了基于对角块加边模型(bordered block diagonal form-BBDF)，该算法是应用分割理论来形成空间并行算法。5 展望目前，关于新能源的电力资源接入电网方面大多数都属于分布式接入。考虑今后每个电力用户包括家庭电力用户都是一个可独立运行的电力系统，它与大电力系统联网运行，使得电网结构和运行方式变得日益复杂。在进行含新能源的电力系统状态估计

18、时，可以将新能源电力作为一个孤岛来处理，通过协调变量的计算就可以估计出整个系统的状态。这也就是说，对于小电力系统的状态估计算法的研究和改善将无疑也会促进新能源电力系统状态估计的发展。由此，可以在如下几个方面全面提高状态估计的应用价值：（1）继续研究计算速度快、数值稳定性好、计算精度高、冗余数据少、对不良数据免疫性能强的多功能结合的动态状态估计算法，进而缩短面向大系统的状态估计执行周期；（2）再者力求模型简洁、计算量少、应用于实际系统的新型抗差状态估计算法。参考文献1李碧君，薛禹胜，韩祯祥，等.电力系统状态估计问题的研究现状和展望J.电力系统自动化，1998, 22(11):53-602刘浩，侯

19、博渊.保留非线性的快速RQ分解状态估计法J.电力系统 自动化，1995,19 (1): 26-30.3张俊龙，陈阳舟等.基于SHGM估计方法的电力系统状态估计J.电力系统自动化2003,27(1):34-36.4倪小平，张步涵.一种带有等式约束的状态估计新算法J.电力系统自动化，2001, 25 (21) : 42-44.5余贻鑫，王耀瑜等.一种优越的电力系统状态估计方法J .电力系统自动化，1993,17(5): 7-11.6王骞.向对象的电力系统状态估计的理论与软件的研究与开发(硕士学位论文) D北京:华北电力大学，2001.7于尔铿.电力系统状态估计M.北京:水利电力出版社，1985.8兰华，李积捷.电力系统状态估计算法的研究现状和展望J.继电器，2007,35（10）:78-82.9宋佳音.电力系统状态估计的研究（硕士学位论文）D哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.10林茂琼, 陈增强, 袁著祉. 递推阻尼最小二乘法J. 高校应用数学