狀態估計的運算準確性分析

李珂琳

(汕頭供電局調度中心，廣東 汕頭 515041)

0 引言

狀態估計是電力調度自動化系統電力高級應用軟件PAS(Power Application Software)的模塊之一，也是最重要的高級應用軟件，它是電力系統其他高級應用軟件的基礎。在進行實時系統分析時，電力系統調度員潮流、靜態安全分析、電壓無功優化、調度員培訓仿真、短路電流計算等軟件均以狀態估計的結果作為初始的數據斷面。它通過對電力系統的數據采集與監視控制SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系統實時數據進行處理，清除其中不良數據，修正原始量測數據精度，補充未安裝測量處的測量數據，對整個電網的運行及調度有著重要的意義。在實際電力系統中，遠動遙測信息不全、部分開關刀閘沒遙信、設備參數不正確等因素導致狀態估計計算準確度不高，如何消除這些因素，是提高狀態估計計算準確度的關鍵。

1 狀態估計的基本原理

狀態估計的已知量取自SCADA系統實時數據和網絡模型。其中，網絡模型和遙信共同決定導納矩陣，而對遙測則分別建立各自的測量方程，賦予不同的權重，迭加形成狀態估計的目標函數。通常采用最小二乘法或正交變換法對目標函數進行分解，求出一組全網各結點的電壓向量，使參加計算的遙測量的加權方差最小。

2 狀態估計的數據處理流程

狀態估計的數據處理流程如圖1所示，從圖1可以看出狀態估計的數據處理過程。

(1)讀取SCADA系統的實時數據。

圖1 狀態估計數據處理流程圖

(2)對取到的SCADA數據進行粗檢測、遙信辨識及可觀測性分析，其中包括:

1)清除越限數據。

2)檢查并修正測量數據的極性。

3)處理遙信狀態與遙測數據的矛盾點。

4)生成變壓器中性點及無負荷、無發電機的母線零注入測量。

5)分析系統不可觀測區域，將其中的元件設置成離線狀態，自動在不可觀測設備上生成虛擬等值負荷，以保證狀態估計輸出結果的網絡平衡。

因此，狀態估計主要具有以下功能及特點:

(1)獲取SCADA實時系統測量信息。

(2)對獲取的信息進行預處理，清除越限數據及邏輯壞數據。

(3)自動確定狀態估計范圍，清除不可觀測區域之元件。

(4)生成可觀測區域測量序列，采用快速分解最小二乘法進行狀態估計計算。

(5)采用零殘差辨識，置殘差異常點測量權重為零。

狀態估計軟件在調度自動化系統中的主要任務是確定電網實時接線和運行方式，按開關狀態建立網絡模型，估計出各母線上的電壓和相角以及設備的功率，檢測辨識不良數據，補充不足測量點，加強電網的可觀測性，為其他應用軟件提供相容的初始數據，是網絡分析應用軟件的實時數據源。狀態估計使用實時電力系統中測量的冗余信息來構造一個經過過濾的面向母線網絡模型。

3 影響狀態估計運算準確性的因素

3.1 網絡建模

目前，汕頭供電局調度中心采用的是南瑞OPEN2000 PAS系統。根據汕頭供電局調度中心電氣設備的調度范圍，對網內所有的220 kV變電站和110kV變電站建立了模型，對潮陽、澄海原代管地區的所有110kV變電站中的10kV以上設備也建立了模型，對10 kV母線以下部分建立了等值負荷。在500kV汕頭變電站中，500kV部分與外網相連，由于沒有外網模型，狀態估計計算始終在內網進行，所以，將其等值成1臺220kV的發電機與220kV母線相連。電網中，與樟林變電站相連的饒平變電站屬于潮州市，也是外網，將其也等值成1臺發電機。該方法簡單實用，實際計算出來的結果也不錯。從長遠來看，還是應該利用外網等值技術，完善網絡模型。對于近幾年來進行綜合自動化改造的廠站而言，先是對建模進行特殊處理，采用虛擬線路的方法將廠站的新老部分進行連接后建模。后來，聯合南瑞廠家技術人員在前置機中對進行綜合自動化改造廠站的遙信、遙測信息進行了處理，大大方便了廠站新老部分的建模。此外，還要求調度員在對廠站設備操作后，核對相應的SCADA開關刀閘位置，將不正確的遙信通過人工方式設置正確的位置，盡量減少遙信采集錯誤對狀態估計的影響。下面列舉因開關刀閘不對位造成狀態估計出錯的實例。狀態估計可疑數據見表1。

表1 狀態估計可疑數據MW

從這個例子可以看出，遙信錯誤對狀態估計的影響是多么巨大。

對照查看SCADA實時數據與狀態估計的熱電廠接線圖，發現在SCADA接線圖中熱電廠的1211，1212，1221，1222，1231，1232 及 1041，1042 刀閘均處在分的狀態，#4發電機的測量值為25.5 MW，I段母線的測量值為108.9 kV，依據發電機和母線電壓2個值可以判斷1041刀閘應在合的位置。狀態估計中接線圖上的1211，1221，1231，1041刀閘則處在合的狀態。由于遠動系統對以上幾個刀閘沒有采集，經與熱電廠有關人員聯系核對刀閘實際狀態后，確認狀態估計計算出的刀閘狀態是正確的。將各刀閘人工置位后，熱海線、熱東線及發電機的可疑數據消除。SCADA實時態中正常的熱電廠接線圖如圖2所示。

3.2 測量的采集與處理

隨著越來越多的廠站進入綜合自動化改造的行列，廠站監控系統或綜合自動化裝置代替了傳統的遠程終端設備RTU(Remote Terminal Unit)，極大地擴充了采集容量，過去受RTU容量影響而不能完全采集的刀閘信息實現了全遙信采集，極大地增加了測量數據的冗余度，使測量采集的精度、廣度和可靠性發生了質的飛躍。遙測量的采集也由傳統的直流變送器過渡到交流采樣，減少了測量中間環節，提高了測量準確性，這些都對提高狀態估計計算的準確性有著積極的意義。汕頭電網主要通過直接采集和部分區域轉發2種方式實現遙測量的采集，此外，還在部分沒有采集遙測量的廠站采用其他方法進行定義，如終端廠站的出線功率用變壓器的高端功率值代替，線路功率值用對端廠站的功率值代替，對于有些變電站變壓器10 kV側分裂電抗的2個出線開關有測量而變壓器10 kV側沒有測量的情況，分別進行了特別處理:在公式定義表中增加1個公式，定義10 kV側的P，Q，I分別是這2個出線開關的P，Q，I的和，然后在變壓器的10 kV側人為增加1個相應的遙測點號。盡量消除在測量值方面對狀態估計的影響。狀態估計對遙信值、遙測值的預處理結果分類告警表，也為能量管理系統EMS(Energy Management System)維護人員對不合理的測量值進行檢查、定位和屏蔽提供了依據，能及時發現處理測量壞數據并做好測點改造工作，糾正錯誤的開關、刀閘狀態，提高遙信、遙測的準確度。另一方面，要注重測量權值的控制，將零注入的權值設得最高，測量精度較高的變壓器、重要線路、發電機及與外網聯系的聯絡線功率權重值也設得較高，一般線路的有功測量值比較準確，其權值設在中間。對于無功和電壓測量的精度而言，總體來說，無功比有功的低，所以，把它們的權值定得比較低。這在目前的運行中被證明是行之有效的提高狀態估計計算準確度的方法之一。

圖2 SCADA實時態中正常的熱電廠接線圖

3.3 系統設備參數

參數是影響狀態估計準確度的另外一個重要原因，長期以來，由于種種原因，參數往往得不到及時維護，狀態估計可疑數據表中的無功和電壓項，往往是由于變壓器參數(額定電壓、分接頭類型)錯誤和分接頭位置不對位引起的，也可能是電壓或無功測量不準確引起，有些情況下是電容、電抗器容量值不對造成的。多回線、環線上的潮流分布和線路的阻抗密切相關，如果線路參數不正確，將導致多回線上的計算結果與實際相差很大。在參數不完全可靠的情況下，維護人員有時也會自行變更參數，以提高狀態估計計算的準確度，例如可通過調整主變壓器低壓側額定電壓使線路無功功率得到改善。

3.4 人為因素的影響

狀態估計計算結果不準確，也有人為的因素。EMS中的網絡建模要求所有電氣設備要有完好的連接關系，而SCADA系統在這方面的要求則沒那么嚴格，這導致非EMS維護人員在畫接線圖及定義上忽略了網絡建模這方面的要求，使網絡連接關系出現這樣或那樣的錯誤。如不屬于本廠站的設備畫在本廠站的接線圖中，或者設備重名，非接地刀閘定義成接地刀閘。當變壓器潮流估計值為零時，除了上述原因外，還有可能是將2卷變壓器定義成3卷變壓器，從而缺少1個節點，或3卷變壓器定義成2卷變壓器，從而多了1個節點，不能形成正確的網絡拓撲結構。有的廠站接線圖中的圖元連過數據庫后又被刪掉，這種圖元只有切換到“所有應用”下才能被發現，有時恰恰是這些被刪除連接關系的圖元影響了連接關系。

4 提高狀態估計計算準確性的方法

(1)對一些刀閘信息不齊全的老廠站進行綜合自動化改造，擴大測量冗余度，實現全遙信采集。

(2)增加發電機機端電壓測量。由于目前沒有采集發電機出口的電壓測量值，在這種情況下，狀態估計只能通過高壓母線電壓和變壓器抽頭測量推算發電機出口電壓，如果高壓母線電壓計算結果不理想或變壓器抽頭測量不準確，那么發電機出口電壓的狀態估計結果也不可能準確，可能會出現計算電壓比額定電壓低很多的情況。當狀態估計將這樣的結果交給其他EMS模塊使用時，可能會影響其正常運行，例如，調度員潮流系統以過低的發電機電壓為PV節點電壓進行計算時，很可能導致計算不收斂。

(3)變壓器抽頭。增加形成支路的升壓變壓器和聯絡變壓器的抽頭測量對提高狀態估計計算準確度會有很大的幫助。在變壓器抽頭測量無冗余的情況下，如果沒有抽頭測量或抽頭測量不準，變壓器低壓側的功率測量方程將會出現偏差，導致功率估算值的錯誤。

(4)消除人為因素。EMS和SCADA系統維護人員要統一認識，嚴格按網絡建模要求進行處理，徹底消除人為因素對狀態估計準確度的影響。

5 結論

狀態估計的應用不是降低了對基礎自動化的要求，只有當基礎遙測、遙信布點全和差錯少時，狀態估計才能真正發揮其作用。汕頭供電局調度中心通過使用本文介紹的方法，使系統狀態估計的準確度有了很大的提高，為汕頭供電局調度中心高級應用軟件的實用化及其他高級應用軟件的使用打下了良好的基礎。

［1］于爾鏗.電力系統狀態估計［M］.北京:水利電力出版社，1985.

［2］張海波，張伯明，孫宏斌，等.基于潮流定解條件的電力系統狀態估計可觀測性分析［J］.中國電機工程學報，2003，23(3):54 －58.

［3］黃滔，盧建剛，張輝.廣東省調提高狀態估計計算精度的措施［J］.電網技術，2004(16):78－81.

［4］李淵.現代電力系統病態潮流算法的研究［J］.華電技術，2009，31(5):24 －27.

［5］顧洪超，黃仙.基于Repast的演化博弈理論仿真研究與應用［J］.華電技術，2010，32(12):14 －17.

［6］王國青.大電網可靠性評估中方差控制技術淺析［J］.華電技術，2010，32(5):28 －30.

［7］董國威，楊平.經典控制器在區域互聯電網自動發電控制系統中的應用［J］.華電技術，2011，33(9):13 －15.

［8］黃華，葉萌.含間歇式分布電源配電網的可靠性評估［J］.華電技術，2011，33(9):4 －6.