基于相量测量的电网拓扑结构变化辨识

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1、1基于相量测量的电网拓扑结构变化辨识摘要相量测量单元（PMU）是一个日益重要的方法，主要功能是监测电网状态和快速 检测因负荷下降引起的电网拓扑变化。 相量电压由各点电流的幅值测量而来。如果一串或一个负载被切除，整个 电网的功率流向就会变化，根据已知的物理定律和相应的相量测量的功率分布 变化。本文提出一种方法来，从相量测量电网电流拓扑和考虑将 PMU 在配电系 统中的节点实现以单线路故障提高灵敏度为设计目标。在相量测量的功率计算 的情况下，所有的输电线路投入和备用方案，其中每一条线路单独切除。这些 概率是在等可能的情况下，通过蒙特卡罗模拟与随机负荷分布的联合分布的相 量测量的函数。我们使用日志样

2、密度估计相量的边际分布和折合成一个多元高 斯来获取重要的相关性。根据不同的灵敏性，中断线切除，PMU 放置在网格。 一个高效的搜索算法被证明为 PMU 的位置放置单线路中保证良好的灵敏度。 1.引言电网运营商必须了解电网拓扑结构和需求，为了发电和调度的合理运行以 及电网的稳定和安全。输电网运营商有着悠久的历史，使用状态估计法监测和 规划电网，但在配电网实时测量时是极少用到的，必须推断。状态估计法是电 网的一个重要研究课题 20，28，22，21，27，1，23，4 。估计电网状态通 常分为两个相互关联的阶段。一个阶段是状态估计，在模拟量估计电压所有的 位置和功率流向的所有线路。另一阶段是拓扑处

3、理和拓扑错误检测，断路器状 态信息是用来跟踪当前的拓扑结构电网和计算拓扑结构检测和校正。这两个阶 段的迭代和组合的过程称为广义状态估计。未来智能电网将更加自动化，越来 越多的将状态和拓扑估计技术用在配电网中。参考 9 提供了一个很好的概述， 在智能电网发展中出现的状态估计是一个挑战。1.11.1 综述综述相量测量单元（PMU）是传感器放置在电网节点实时采集电波形的同步测 量。同步实时测量是一种对比传统的缓慢采样注入测量的时间精度更好，从而 解决了测量节点之间的相位差。PMU 是革命性的方法用于监测和调控电网。 这两种拓扑错误检测16的区域（例如，击落线检测）应用在配电网中。 首先，我们要简化和

4、扩展模型库的分类方法和数据分析工作。其次，我们使用 新的技术作为一个简单程序的一部分，确定好 PMU 的位置。 许多拓扑检测器使用比较简单的统计方法，开始时假设它的拓扑结构和在 修改它的基础上检查状态估计残差（例如， 28，4 ）。最近的工作，使用一 个预定义的拓扑结构的检测 23，16 。贝叶斯方法估计的概率分布模型库中给2定的观测数据。本文还使用了一个模型库，并延伸它的想法 16 ，在其中搜索 的拓扑结构收益与稀疏的测量不足来确定完整的模拟状态网格。我们也证明了 该方法的技术部分是正确的，确定好 PMU 的位置。 功率流向方程（讨论）是非常重要的，它可以用来估计部分电力系统状态。 这些非线

5、性方程，可以解决计算要求，特别是对于大型网络，但实时的解决方 案一般不可用。此外，测量是分布在配电网中的全状态估计，这是常规的传输 网格。这里提出的方法满足这些，一个预计算步骤可以建立一个统计近似，用 于实时测量可以减少很多比全模拟状态估计需要检测未知断线的输电线路或其 他拓扑错误运行求解。 1 节的其余部分是对拓扑错误检测和 PMU 优化配置问题提出工作的概述。 第 2 节讨论的是在其背景下，用于电气参数的功率流向方程，随机产生的负载。 3 部分介绍了基于蒙特卡罗的拓扑故障检测（即系被击落）使用日志样 Copula 模型代表在一个已知的网格拓扑下，相量数据的联合分布。4 节运用故障检测 37

6、 总线配电网。5 节提供选择一组总线为单线路故障灵敏度好 PMU 仪器一个 有效的方法。6 节利用 PMU 的 37 总线网络。第 7 节讨论的工作，是扩大这些 方法的实用性的想法。1.2拓扑错误检测概述拓扑错误，在电力系统的运行中是想不到的变化。网络互连的拓扑处理系 统，接收断路器状态数据，跟踪，母线（节点）连接到一个拓扑处理系统。例 如断线的输电线路通常用在控制中心断路器状态检测数据。然而，有时断路器 的状态是错误的并随拓扑结构的变化而变化，只检测模拟测量。此外，更自动 化的智能配电网将需要识别突变的拓扑，来实现系统更快速地处理突变。在电力系统中识别拓扑错误的传统方法 5 比较残差估计的模

7、拟状态（如 电压和流量的残差），来预测网络中许多可能的故障。另一种广泛应用的方法 6 检测拓扑错误，使用归一化的拉格朗日乘子从一个约束的非线性最小二乘法 的状态估计问题。拉格朗日的方法已经扩展到一个更有效的方法，使用贝叶斯 假设检验，并避免了 18 个大量替代拓扑结构的状态估计。拓扑错误检测的最新进展是基于 PMU，跨多个总线的位置，比较阶段提供 GPS 时间，来确保足够精确电压测量的有效性。跟踪算法，如无迹卡尔曼滤波， 被应用到 PMU 数据流 26 动态估计电力系统状态和快速检测异常如短线的输 电线路引起的突然变化。一二级状态估计已提出 29 ，PMU 数据处理变电站 估计网格的局部状态和

8、消除局部拓扑错误。电网控制中心相结合的变电站估计 到一个更高的水平估计，还能检测到剩余的拓扑结构错误。 1.3配置对策PMUS 是很昂贵的但是安装的也越来越多。在 PMU 配置中 17 假定已知 的拓扑结构，采用高效的算法来实现在 PMU 的互信息准则，测量最佳位置。3这一技术，依次降低模拟系统状态估计的不确定性来解决类似的问题，但随着 更好的检测拓扑变化的方法出现如目的系被击落。整数规划的方法已被采用 3 将 传统的注入功率传感器和 PMU 的位置，低成本检测拓扑错误战略是最佳组合。对于一个现代化的输配电网的可靠运行，它变得更加重要，检测和定位故 障一秒钟内的一小部分。新技术 15 结合同步

9、电压测量用在广泛的地方和使用 行波确定故障位置的理论框架。工作 14 的地方用最少数量的传感器，成为所 有可能的故障行波技术。许多算法存在于未来的智能电网，将很大的放大测量 能力。事实上，一个新的方法 10 使用当前拓扑结构的网格和可用性的测量， 在几个选择之间选择最佳的算法。2. 功率流方程和相量测量 图 1 显示了一个配电网网络图。标记段为连接到输电线，负载和发电机的 总线。发电机是显示为双箭头的母线（例如，2 在母线 28 在较低右边的图）。 变压器分地区，工作在不同的电压和通过曲线对说明。负载表示与箭头指示实 际和无功功率消耗，电容符号代表并联电容器组，在大负载母线供电的无功功 率，以

10、帮助稳定电压（例如，在左下角节点 44）。这些元素中的每一个都有相 关的电气参数，如发电机的功率输出和传输线的电阻。给定的电参数可以通过 网络上的每一行影响功率流。用复数电压和功率来描述交流（交流）电网的功率流。图 2 说明了与功率 流相关的最重要的参数。在母线上注入（即，净消耗或发电），是由电（实） 和齐（虚，反应）。同样，功率从母线 J 流动表示 Pij（房）和 qij（反应）。 复值电压在母线上是极坐标形式的电压幅值和角度| VI | 流过电网是通过电源 线、电导、两导纳参数的影响表示 GI，J 和电纳，表示 Bi，j（来自线路的电阻 和电抗性质）；都是假定已知。显然，电网有多种元素和许

11、多其他的电气特性， 但这种简单的描述是能够检测到线路断线。电力工程师对交流功率流方程进行 了大量的应用 。4图 1图 1：一个 37 总线的配电系统 24 和 25 研究网络图。母线 31、40、44（圈）被选定为 PMU 在 24 。PMU 放置在母线上通过 J 提供用 于检测故障（6 节）。图 2图 2：确定一个电网线路上的功率流的基本参数。这涉及到在每个总线（i= 1，B）的电压幅值和相位在所有母线上。5（1） )cos()sin()-sin()cos(, 1i, 1ijijijijijBjiijjijijijBjiBGVVQBGVVP在这些和个人代表电流流入母线 i，J。因此，正的电流

12、流入 PI PI，J 为母 线 i 和无功注入是反应电流的总和，J 为总线即各个节点可以是发电机（净功 率出去），负载（净功率进来），或 neutral1。 这里有一些额外的约束方程。首先，在无损模式下功率总和将超过所有的母线 都是零，PN i=1 Pi = 0 和 PN i=1 Qi = 0.。换句话说，系统中所产生的所有 功率是由系统使用的。更一般地，线损将这些条件限制为非零的值。其次，电 压的角度只对一个旋转的问题，因为他们在方程里有差异。因此，解决方案是 不变的，增加一个常数。每个总线提供了四个功率和电压参数Pi,Qi, |Vi|,i和剩下的两个参数 是通过求解非线性动力方程解出（1）

13、。非线性方程组很难计算。我们假设网格 算子设计 特别的，节点可以加载和生成，如图 1。然而，这些方程总在一个节点的负载中生成。 表 1表 1：功率流方程（1）与不同的输入变量建立了不同的输入变量，这取决于 每个总线的元素。发电机在一个已知的电压幅值和电压运行是以角度为参考， i= 0。一个发电机与一个已知的电压，产生一个已知量的实际功率。对于 没有发电机的母线，作为输入的实际无功功率。在每一种情况下，其他 2 个 数量计算。所有的 PMU 提供角测量，而只有 PMU 在发电机母线的电压幅值不 提供有用的测量。发电机在任何给定的时间消耗和产生与实际状态之间回升。发电机工作在一 个特定的电压大小和

14、电压角是要为整个电网的基准相位。6表 1 列出的参数是给定的输入，这是计算三种不同类型的总线。与电机总线 指定发电机的电压幅值| VI |并设置参考电压的角度 i= 0。与其他总线指 定发电机的电压幅值| VI |和实际输出功率 PI 作为输入 2。没有发电机的母 线可以有一个负载或电容器组，这些将确定非零的值。如果一个总线没有任 何元素，它的输入量是Pi = Qi = 0。在每一种情况下，未指定的数量计算 通过求解交流功率流方程（1）。 功率注入（Pi, Qi）一般都是：（2） QQQQPPPcapigeniloadiigeniloadii注：如果发电机没有电压控制，它是由 P 和 Q 指定

15、 图 1 有三个部件的输入，而 41 是没有的。负载条件通常是不知道的，所以我 们需要它们是一个先验的独立高斯数量的 20%个标准偏差（如在 23 ）： （3） 22)2 . 0( ,)2 . 0( ,vvQPiiloadiiiloadiNN在i 和 i 为 额定载荷。相比之下，Pigen 和 Qcap i指定确定的量。最 后，每个发电机的无功输出Qgen i 是：QQQQcapiloadigeni- i相量测量单元（PMU）设备与 GPS 时钟可以测量电压和电流与复值精确的时间。 表 1 的第三列显示的电压测量，PMU 如果安装。PMU 可以测量电流与数量等； 讨论电压测量来说明它们的拓扑估

16、计效用。PMU 提供电压相角测量，人工智 能，在任何总线电压幅值测量，MI。对于给定的参数 i 和 VI 的两种电压测 量的正确和独立：（4） 2 , 0i2 ii)001. 0( ,01. 0 ,VVVMAiiiiNNV0，i 在母线上也因此标称电压、电压角度与标准偏差等于 0.01和电压幅值 的测量与 0.1%标称测量的标准偏差。这些都偏小，因为有测量误差，见 7 。尽管 PMU 可以，在理论上，被放置在电网上的每一个总线，这是目前不实用 的配电网由于 PMU 是昂贵的和通信线路的不足在一些巴士的位置。进而全面 部署是一个目标，就是在未来的许多年。从电源管理单元网格中放置数辆测7量可以被收集在一个中央相量数据集中器，它们在时间上同步，总线间的相 对相位将推断潮流在网格提供有价值的信息。 3.3. CopulaCopula 模型拓扑结构的识别模型拓扑结构的识别 用 y 的 PMU