基于配電網狀態估計及可靠性分析

胡興 黃敏

摘 要：電力系統狀態估計是當電網模型給定，并且知道電網設備的停運實況，根據數據采集系統采集到的實時量測數據，剔除測量數據中含有的不良數據后估計出母線的電壓幅值和相角的最優值，并計算出線路或變壓器上流過的有功功率和無功功率，從而對整個系統的準穩態運行情況形成完整準確的掌握。隨著電力系統的負荷成為人們日益增長的生活一部分，人們對電力依賴性越來越強，所以配電網狀態評估及穩定可靠性研究越為越必要性。

關鍵詞：配電網；狀態估計；可靠性

中圖分類號：TM732 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）24-0047-02

Abstract： The state estimation of power system is based on the real-time measurement data collected by data acquisition system when the grid model is given and the outage of power network equipment is known. After eliminating the bad data contained in the measured data， the voltage amplitude and phase angle of the bus are estimated， and the active power and reactive power flowing through the line or transformer are calculated. In order to form a complete and accurate grasp of the quasi-steady-state operation of the whole system. As the load of power system becomes more and more obvious， people are more and more dependent on power， so it is more and more necessary to study the state evaluation and stability reliability of distribution network.

Keywords： distribution network； state estimation； reliability

引言

目前互聯大電網的元件種類繁多、網架結構復雜，運行方式及運行環境多變，負荷動態變化，使得可靠性評估及靈敏度計算復雜。針對電網的網架復雜及運行方式多變導致靈敏度分析中計算量大，計算時間長。在過去幾十年中，對于電力系統可靠性的研究，主要側重于發電和輸變電組成的大電力系統，配電系統的可靠性研究遠沒得到應有的重視，有統計資料顯示，大約有80%的停電事故由配電系統故障所造成，因此配電系統可靠性的研究對保障用戶電力供應具有極其重要的意義。

1 FEMA法原理

目前改進的配電網可靠性評估方法還有最小路法和網絡等值法等。相關學者運用的是基于最小路的算法將非最小路上的元件故障影響折算到最小路節點上，對最小路上的元件計算負荷點的可靠性指標，該方法在網絡中含有復雜分支饋線時評估效果不理想，而且對非最小路上的元件故障影響的折算也會影響計算精度。另一方面有基于最小割集法將需要計算的故障狀態縮小到最小割集內，大大減小了計算量，但由于配電系統日益復雜，使得最小割集的求取變的非常困難。

2 狀態估計的必要性

為了使電網能夠安全穩定運行，電網調度運行人員需要時刻監控整個系統的運行情況。對此問題可在所有關心的量測量所在位置上裝設量測系統和遠動系統來直接測量這些量，并且將相關數據傳送到調度控制中心。然而這樣做有以下缺點：（1）由于經濟條件的制約，在所有關心的量上裝設測量系統和傳輸系統并不現實。（2）電力系統中有些量（如節點電壓角度等）很難直接用儀器測量到，雖然隨著GPS技術的發展可以對電力系統中的相角實現直接測量，但這種技術還沒有投入大規模使用。（3）由于測量儀表總是存在誤差，數據傳送渠道也會產生誤差，這終端得到的量側數據必然存在誤差，因此需要提高這些數據的精度，并除去其中含有的不良數據。

上圖所示的電力系統中，A、B分別是兩個變電站的母線，C、D位于同一個發電廠。在發電廠側裝設有測量裝置，可將線路CA、CB及變壓器CD流過的功率（P和Q）測到，則母線C的電壓也可以測得。

如果僅依靠硬件，則在變電站A、B都需要安裝測量裝置，測量線路AC，BC，AB，BA上流過的功率以及節點A、B的電壓幅值與角度，但這樣做很不經濟。實際上，要想計算出網絡中所有的狀態量只要利用發電廠測得的信息就能實現。當系統中量測數量增加時還可以進一步提高計算得出的系統狀態量的精度。

因此，除了依靠硬件手段直接測量系統狀態的值之外，還可以在硬件測量到的數據基礎上，利用數學法得到系統狀態變量的最優值，從而知道網絡中的潮流分布。通過這方法將已有的硬件設備的潛力得到充分發揮，對已有量測的不足實現了補充，抵御了不良數據對估值造成的影響，從而有助于提高實時數據可靠性及數據質量。狀態估計正是這樣一種數學方法，正是憑借評測數據的冗余度提高了數據的準確度，對于隨意干擾所引起的錯誤數據可以自動刪除，盡可能準確的估計出系統狀態的準備值。如果是單一的量測測采取重復量測提高量測數據精度，在電網數據處理中，則是通過某一時刻采集得到一組冗余數據來提高估值精度。

3 配網靈敏度初步理論

電力系統的可靠性評估對電力系統規劃，備用容量優化，運行方式調整，區域能量交換等都具有重要的指導意義和參考價值。而通過靈敏度分析，能識別電網的薄弱環節，為電網的安全運行提供保障，還能對有效指導經濟投資，為決策提供參考。

在對電力系統進行長期電源規劃時，經常使用到發電系統可靠性充裕度的評估，它同時也是系統運行和規劃需要考慮的重要方面。進行可靠性充裕度評估的主要目的是對電網可靠性水平進行量化評估給規劃提供參考。量化評估后，如何辨識系統的薄弱環節，如何辨識系統的重要度較高的元件，如何評估采取的提高可靠性水平的措施，就必須對系統進行靈敏度分析。

靈敏度分析的目的就是找系統的薄弱環節，找到“關鍵”元件，評估各種可能提高可靠性水平的措施。

4 基于狀態空間的靈敏度計算模型

電力系統可靠性的靈敏度分析實質是求取各可靠性指標對系統設備參數的偏微分，因此靈敏度指標反映了設備參數的微小變化所引起的系統可靠性的改變程度及改變趨勢。而可靠性指標計算通常與測試函數和概率函數相關。

式中S表示系統狀態；X表示系統狀態空間；F（S）表示可靠性指標測試函數，計算不同指標時，代表含義不同，但是都是以系統狀態為自變量；P（S）表示系統狀態S的狀態概率；E（F）表示隨機函數F（S）的概率期望值。以下是可靠性評估中的基本指標，其他指標可通過以下指標推算出來。LOLP（Loss of Load Probability） 失負荷概率指標：系統中出現停電切負荷的概率。

根據上述可靠性指標對元件的可用度ɑ、不可用度？滋、故障率λ以及修復率？滋求偏導即可得到不同可靠性指標對不同設備參數的靈敏度。該靈敏度反映元件可靠性參數的微小變化對系統失效概率的影響程度及趨勢。

為了更容易的分析發輸電混合系統，可靠性分析中引入了狀態空間的思想。將設備的運行、停運、檢修等用狀態表示，綜合電力系統中所有設備的狀態的排列組合構成了狀態空間，在狀態空間中包含了電力系統可能出現的所有狀態，對所有的狀態分析出現的概率以及造成的后果，得到系統最后的可靠性指標。假設選取的系統空間狀態X分為兩部分狀態Xm、Xn組成，Xm中元件k處于正常狀態，Xn中元件k是處于故障狀態。根據可靠性基礎理論，可知：

從以上公式可以看出可靠性指標對元件k的有效度ɑ的靈敏度大小與其對無效度？滋互為相反數。

5 結束語

本文介紹了狀態估計的輸入量、輸出量，靜態狀態估計和動態狀態估計的概念，狀態估計首先要涉及的網絡可觀測性問題的分析，狀態估計的測量數據的誤差以及不良數據；接著重點對配網系統的穩定性討論，其中可靠性指標對有效度及靈敏的影響。

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