基于狀態估計的配電網實時態勢感知與評估探析

王旭東 劉二鵬 李輝

【摘 要】隨著分布式電源的廣泛接入和智能配電網技術的發展，配電網的運行狀態頻繁變化，迫切需要實時感知 其運行態勢。本文首先采用狀態估計方法對量測數據進行處理；然后從經濟性、可靠性和安全性3個方面建立 了配電網實時運行態勢評估指標體系；最后結合層次分析法對配電網的運行狀態進行評估。結果表明，所提出 的方法可以減少量測誤差和量測壞數據對配電網實時運行態勢評估結果的影響，并給出配電網運行態勢的整體 評價結果，量化配電網的實時運行狀態，為配電網的運行控制提供重要的技術和數據支持；通過典型算例驗證了 所提方法的可行性和有效性。

【關鍵詞】態勢感知；狀態估計；指標體系；評估分析

引文

智能配電網態勢感知是配電系統可靠、經濟和 安全運行的重要基礎，而實現配電網運行狀態的實 時監控、分析與評估是智能配電網的重要技術環 節，能夠為智能配電網的發展提供重要技術支撐[1]。為實現配電網實時運行狀態的感知，需要實時量測 作為數據支持，而現有的數據采集與監視控制系統 SCADA上 傳的數據存在精度低、含有壞數據、無法保證數據 完整性等諸多問題[2]。同時，相較于長時間尺度的配電網評估，配電網實時的態勢感知與運行狀態評 估更加容易受到量測誤差和壞數據的影響，很可能 因為數據質量問題造成評估誤差較大，進而給出錯 誤的控制信號。狀態估計能夠利用實時量測的冗 余性，應用估計算法來檢測與剔除壞數據，提高數 據精度，保持數據的一致性，實現配電網不良量測 數據的辨識，并通過負荷估計及其他相容性分析方 法進行一定的數據修復和補充[3]。因此狀態估計是 實現配電網實時運行態勢感知與評估的基礎

1配電網狀態估計分析方法

對于配電網的評價主要從經濟性、可靠性和安 全性等方面入手[4]，但是目前配電網的運行指標評 價體系往往是針對較長時間尺度下的電網運行情 況建立的。文獻[5-6]針對城市配電網的規劃問題，結合配電網的特點，建立了綜合評價指標體系.對于配電網的評估方法都是基于 比較長時間尺度的電網運行數據提出的，不能應用 于配電網實時運行狀態的分析評估。本文的評估 體系主要針對于配電網實時運行狀態的分析與評 估，通過狀態估計對實時量測數據進行處理，減少 量測誤差和量測壞數據對評估結果的影響；分別從 經濟性、安全性和可靠性3個方面提出配電網運行 狀態的評估指標，實現了配電網運行態勢的綜合感 知；借助于層次分析法，將配電網的實時運行狀態 量化表示，為配電網的運行控制與管理提供有效的 數據和技術支持。

1.1基于加權最小二乘法的狀態估計分析

對于狀態估計問題，首先建立量測量與狀態變 量的關系，即 z=h（）x +v（1）式中：z為量測量；x為狀態變量；h（x）為量測函數；v 為量測誤差。為處理配電網中可能存在的零注入約束，提高 狀態估計的精度，在狀態估計中考慮零注入功率的 等式約束

1.2壞數據辨識方法

配電網中由于計量、通信等原因導致的量測不 準確，可能導致量測壞數據的產生，而狀態估計的 一項主要功能就在于剔除網絡中存在的量測壞數 據，使網絡收斂于可靠的運行狀態。然而，配電網 中的運行狀態真值未知，狀態估計結果僅能提供量 測估計值與量測值之間的量測殘差，而壞數據的辨 識則是為了剔除量測誤差較大的量測，因此需首先 明確各量測殘差與量測誤差之間的關系。

2.配電網實時態勢指標計算

本文主要從經濟性和可靠性3個方面 對配電網的實時運行狀態進行評價

2.1 經濟性指標

1）線損率 線損率是反映運行經濟性的重要指標，配電網 中某條線路的線損率為 rΔPi = ΔPi Pi ×100%

2.2可靠性指標

在可靠性方面，主要考慮配電線路在當前運行 工況下的轉供能力。對線路轉供情況的研究，可以 先分析出配電網中可轉供線路和不轉供線路，再對 可轉供線路進行分析，找出可轉供線路中的完全可 轉供線路和部分可轉供線路。分析可轉供和不轉供線路的步驟如下：步驟1 對配電網拓撲結構進行處理，將節點 和支路進行編號，并形成配電網的鄰接矩陣；步驟2 根據鄰接矩陣，求出連接圖中所有節 點的度；步驟3 對連接圖進行化簡，刪除圖中所有度 小于等于1的頂點以及與該頂點相關的邊，把與這 些邊相關的頂點的度減1；步驟4 如果還有度小于等于1的頂點重復步 驟2；步驟5 最后如果還存在未被刪除的頂點，則 表示有環，環上所包含的邊即為可轉供線路；否則 沒有環。如果存在可轉供線路，接下來通過負荷電流來 判斷線路為完全可轉供還是部分可轉供線路。

2.3 安全性指標

1）電壓合格率 電壓偏差計算公式為 rΔVi = | |VR，i -Vi VR，i ×100%（17）式中：VR，i為設備i的額定電壓；Vi為設備i的實際運 行電壓。如果電壓偏差超出了允許范圍則認為電壓不 合格，電壓合格率rVQ計算公式為 rVQ= NVQ NDT ×100%（18）式中，NVQ為電壓合格的配變個數。

3配電網運行狀態評價

本文主要針對中壓配電系統的運行狀態進行評價，在計算得到反映配電系統實時運行狀態的指 標后，需要確定各項指標的權重。本文選用層次分 析法[12]AHP（analytichierarchyprocess）計算各項指 標的權重。采用層次分析法確定權重指標，首先要根據各 項指標的重要情況，建立各項指標間的兩兩比較矩 陣[13]，在得到兩兩比較矩陣后求取矩陣的最大特征 值和最大特征值對應的特征向量，根據最大特征值 進行一致性校驗，如果該比較矩陣滿足一致性校驗 要求，則將最大特征值對應的特征向量歸一化處 理，處理后得到各個指標最終的權重向量。計算一致性比例參數CR為 CR= CI RI（27）

如果CR<0.1時，認為比較矩陣的一致性是可 以接受的，否則要對判斷矩陣進行修正，對于該經 濟性指標的比較矩陣，其一致性比例為0，滿足一致 性要求。因此直接將其最大特征值對應的特征向 量歸一化處理，得到線損率、配變輕載率和線路輕 載率的權重分別為0.1429、0.4286、0.4286。采用 同樣的方法可以用于計算安全性和可靠性各項指 標的權重，以及經濟性、安全性和可靠性在運行狀 態評估中所占的權重。在計算得到各項指標所占的權重后，需要對各 項指標進行打分。將指標分為效益型和成本型兩 類，對于效益型的指標，取值越大得分越高，對于成 本型指標，取值越小得分越高。首先根據系統的歷史運行數據，得到指標的取值范圍r∈[rmin，rmax]，然后 將整個取值范圍r采用聚類方法形成若干個待確定 的數據聚類，從而形成相應聚類的上界與下界，即 子取值區間邊界。分析在各個子取值區間的指標 取值個數，根據數據個數確定該取值區間的評分范 圍。在各個子取值區間用線性函數進行擬合。

4算例分析

本文采用IEEE33節點算例進行分析[14]，量測數據中除包含量測誤差外，還包含一定的 壞數據，本文所提出的狀態估計方法可有效辨識出 量測壞數據。此時該算例運行時間為0.37s，所采 用的測試算例運行環境具體如下：硬件條件為IntelXeonCPUE5-2650，主頻為2.60GHz，內存為16GB，操作系統為Windows10。相比于實時態勢感知分 析的時間維度在秒級以上，狀態估計方法及其壞數據辨識。

由于線路電流和節點電壓的量測不全，無法直 接運用量測數據進行運行態勢指標的計算，對于這 種情況，除了采用狀態估計的方法外還可以采用潮 流計算的方式，用潮流計算的結果指標計算，進而 實現配電網運行態勢的分析與評估。在得到線路電流和節點電壓的結果后，通過進 一步計算可以得到各項指標，計算各項指標所占的 權重。在確定指標權重時，要根據各項指標的相對 重要程度，確定兩兩比較矩陣。

結束語

本文提出了一種基于狀態估計的配電網實時 態勢感知與評估方法，在評估中考慮了量測誤差和 壞數據對配電網運行態勢實時評估的影響，通過狀 態估計對數據進行補全和處理，有效降低了量測數 據質量問題造成的評估偏差。同時本文從配電網 實時運行態勢的感知與評估出發，從經濟性、安全 性和可靠性3個方面建立了表征配電網實時運行 情況的指標體系，綜合考慮各個方面的重要性，給 出配電網運行態勢的整體評價結果，能夠量化表示 配電網的實時運行狀態，為配電網的運行控制提供 重要的技術和數據支持。

參考文獻：

[1] 王守相，梁棟，葛磊蛟.智能配電網態勢感知和態勢利導關鍵技術 [J].電力系統自動化，2016，40（12）：2-8.

[2] 李從善，劉天琪，李興源，等.用于電力系統狀態估計的WAMS/ SCADA混合量測數據融合方法 [J].高電壓技術，2013，39（11）：2686-2691.

[3] 楊驥.配電網狀態估計 [D].南京：東南大學電氣工程學院，2005.

（作者單位：國網銀川供電公司）