含新能源電力系統狀態估計研究現狀和展望

國網江蘇省電力有限公司鹽城供電分公司 王佳寧

電能已成為現代社會和經濟發展不可或缺的一種重要能源，且隨著環保、綠色、低碳理念在社會各行各業的融入和運用，電能的需求量必然也會持續增長。傳統的火力發電方式會消耗大量的石化燃料，不但會受到資源的限制，同時也會對環境造成污染。面對這種狀況，風力發電、光伏發電等清潔新型發電方式逐漸被整個社會所關注。需注意的是，由于新能源發電的特性與常規火力發電特性存在差異，因此在新能源并網過程中會對大電網的運行穩定性造成一定的影響。

1 含新能源電力系統存在的問題分析

1.1 電壓波動和閃變問題

分布式電源在接入電網時容易出現電壓波動、閃變等問題的主要原因，是分布式電源的輸出功率經常發生波動，而這種波動會引起頻率的變化。一般情況下分布式電源和負荷間的距離較接近，主要是低壓。且主要影響電壓波動的兩個因素是分布式電源的有功、無功功率，同時分布式電源出力的直接體現是有功功率。由于分布式電源功率的波動，在其接入大電網后會導致電網電壓波動及閃變狀況的發生。

光伏發電的能源來自于太陽光，因此光伏發電的功率會被光照情況、溫度高低及陰影等因素所影響：首先，其輸出功率和光照強度呈正相關關系，隨著天氣變化而變化。如光照條件變化較強烈，就會引起光伏電池的輸出功率產生較明顯的波動；其次，如光伏電池的溫度較高就會降低工作質量和速率，溫度每上升一度、功率就會下降0.35%；最后，要重視陰影對光伏電池特性產生的影響性，甚至只是處于部件上的一個微小陰影也能降低輸出功率，如果一個單電池被遮蓋了，太陽電池組件的整體輸出功率就會直接減少75%左右。

1.2 諧波和間諧波問題

諧波和間諧波問題主要分為兩種，電力系統中產生此類問題是鐵磁設備過于飽和、電弧設備等以非線性為主要特點的設備所導致的，而分布式發電中出現此類問題主要是由變流器導致的：首先，變流器無論在理想還是非理想狀態下其實都會產生諧波問題，而諧波主要來自于直流側或系統測；其次，間諧波主要因為變流器直流側在工作時產生了非整數倍的基波頻率的波紋分量。

2 含新能源電力系統狀態估計主要類型

分布式電源一般指的是小于50MW的小型模塊式的電源，從其分布特點來看，多是集中在一些配電網和電力用戶的周邊。分布式電源最初出現的目的，是為了能夠滿足周圍地區用戶的用電需求，從而更好的為其提供電力服務。含分布式電源的電力系統狀態估計能夠通過各區域間交換少量的數據，如邊界節點量測信息、本地狀態估計結果，利用上級協調中心或各區域估計中心相互之間直接進行全網的估計協調，使以往電力系統狀態估計的難點得以順暢解決。依據電力系統狀態估計計算的結構實施劃分，可將當前新能源電力系統狀態估計劃分成分層式結構與分散式結構兩種類型。

2.1 分層式結構

各子區域估計器獨立進行本地狀態估計，將計算結果及相關數據與上級協調中心進行通信，協調中心進行全網協調后，將結果返回至各子區域估計器，根據相關模型得到最終狀態估計結果，或開始下一輪迭代。各子區域估計器分別與協調中心相互連接，共同構成如圖1所示的星型通信拓撲。

2.2 分散式結構

各子區域估計器執行本地狀態估計，并與相鄰子區域估計器進行信息通信，這樣就能夠實現對全網狀態量的協調修正。各相鄰子區域估計器相互連接，構成如圖2所示的網狀通信拓撲。

3 含新能源電力系統狀態估計研究現狀及未來展望

隨著科技不斷進步，接入電網中的各類電力設備也在不斷更新，光伏發電、電動汽車和電力電子設備等逐漸大量接入電網，這些具有沖擊性、非線性的電力負載被越來越廣泛地應用，現代電網系統正在發生根本性變化，判定電能質量的各項指標必須越來越精確，這樣才能在電力系統不斷更新的條件下保證電網供電可靠安全，電力系統的供電質量才能在科技進步的壓力下持續地改進提升。

在實際運用中，用來評估電能質量的指標有電壓、波形畸變率、頻率等參數。但近年來各種各樣的新型智能設備接入電網，在造成系統內非線性負載數量巨增的同時，還導致電網中諧波的數目和類型也在持續增加，演變出更加嚴重的諧波污染問題，電力系統的電能質量水平大面積地受到影響，諧波污染已成為一個亟待攻克的難題。正因如此，含新能源電力系統狀態估計將面臨全新的挑戰。國內外專家和學者對含新能源電力系統的狀態估計進行了非常多的研究，也取得了一些成果。

1989年Heydt指出HSE的數學模型是結合電壓量測方程和電流量測方程構成的，其中使用相量測量裝置對電力系統中的電流和電壓進行測量。在原始導納矩陣和網絡配置已給定、狀態變量已知的情況下，可計算出測量線路中全部非量測點處的線路諧波電流、支路諧波電流和注入諧波電流，并由此確定電力系統中的諧波潮流，進而通過計算確定電力系統狀態；1994年Fan等人提出了HSE算法的基本模型，并通過改進算法提高了諧波估計精度。但這種算法需對進行估計的電力系統中所有節點數據及狀態進行監測，增加了系統矩陣的維數和計算量，監測過程中需要的設備投資也巨大。

2006年Ma等人提出了一種基于卡爾曼濾波（kalman filter，KF）的含新能源電力系統諧波量測設備最優配置和動態估計方法。該方法是動態的，具有識別、分析和跟蹤每次諧波電流注入的能力，不需要冗余的諧波量測。同年Du等人利用關聯矩陣對連續諧波進行狀態估計，大大減少了未知狀態量的數目，估計結果的可信度也隨之增大；2010年Matair等人首次提出使用奇異值分解法對諧波狀態估計方程進行計算求解，這種算法依然可得到有效的最小二乘解。實驗結果表明這種算法降低了對測量的冗余度的要求，同時也降低了測量和計算過程的難度。

2014年吳篤貴等人提出了一種用于HSE的分層算法，極大程度地降低了求解過程的運算量。同年Yu等人在Matair的研究基礎上進行擴展，先運用零空間向量來判斷系統的可觀性，再采用優化量測配置實現全局可觀。2015年Yu等人又提出了一種基于KF的算法，用于諧波狀態估計。在噪聲協方差矩陣的狀態發生變化時，由于卡爾曼濾波器有比較好的自適應性，這種方法夠迅速捕捉到電力系統的狀態變化情況，但使用該方法時，不確定因素影響會導致估計精確度出現比較大的偏差。

2017年Liao等人把HSE問題進行轉化，使之變為數據最大稀疏性方面的問題。這種方法使諧波狀態估計難度降低，監測過程中的設備投資量大大減少，解決了電力系統中諧波量測量過少時、最小二乘法不能用于諧波狀態估計的問題。

2018年Gursoy等人利用喬累斯基（Cholesky）算法計算量小、速度快的優點，對系統可觀性進行判斷，諧波狀態估計算法的適用性大為提高。同年汪瑤等人考慮到估計方程中HRHT1是對稱正定矩陣，采用平方根法進行分解，大大節省了計算時間。2019年Arefi等人借助蒙特卡洛模擬提出了兩種改進算法，分別為改進的粒子群算法和改進的蜂群交配算法。由于該些算法存在諧波估計耗時較長的缺點，因此在現實的諧波治理問題中不具有實用性。同年Gursoy等人將獨立分量分析算法應用到諧波狀態估計中，但這種算法無法保證諧波狀態估計的精確度。

2021年趙友國等人提出了基于正交分解的算法，用于電力系統的諧波狀態估計。這種算法具有較強的魯棒性，但目前在大規模電力系統不太適用。同年王艷松等人提出了一個加權算法，得到各種量測裝置的配置方案對諧波狀態估計誤差和電力系統可觀性的影響，并總結歸納出影響規律[1]。接著又采用粒子群算法，綜合考慮各方面因素，得出諧波狀態估計的最優配置方案，避免了依賴歷史數據進行諧波狀態估計，提高了估計的精確度。

在實際電力系統中，量測值有時會出現離群的誤差。為提高算法的抗誤差能力，2021年柳翔林等人在考慮數據時延的基礎上提出了一種抗差總體最小二乘法。這種處理方式減少了狀態變量的數目，估計結果的可信度大大提高。但系統中存在的一些不確定參數往往會導致量測方程、狀態方程出現病態[2]。同年牛勝鎖等人又提出了一種基于廣義嶺估計算法的HSE算法，這種算法能改善量測矩陣的奇異性，求解系統病態模型能達到很高的精確度。

2022年王海濤等人對兩階段魯棒算法進行了優化，并將其應用到新能源電力系統狀態估計中，并根據目標函數最小值的尋優，通過枚舉法排序，進而確定諧波源所在節點編號[3]；2022年高正男等人提出將枚舉法與復值獨立分量分析法相結合，并融入變分貝葉斯算法對電力系統狀態進行估計，結果表明這種算法犧牲少量的估計結果，但并沒有影響整體結果，還提高了估計精度，算法整體的抗誤差能力明顯比傳統算法更佳[4]；2022年臧海祥等人構建了計及時變拓撲的電力系統深度遷移學習模型，借助小波濾波方法，用于諧波源特征提取，這種算法有一定的抗噪能力，能提高存在時變噪聲干擾時的狀態估計精度[5]。

分布式電源接入電網后在一定程度上會影響電網運行的穩定性，因此怎樣有效確保狀態估計的可靠性是今后研究的關鍵所在。目前我國電力市場正處于關鍵的改革階段，各個區域的電網調度中心基于區域供用電質量的考量，必然會使行業之間的競爭更加激烈，所以對區域內電力系統運行狀態相關數據的采集、分析、存儲和利用也正在變得越來越關鍵。

與此同時，伴隨著我國新能源產業的高速發展，分布式電源發電量占比不斷增長，這必然會導致狀態估計過程中數據采集樣本數量與難度的增加，在今后的研究中，研究人員必須要重視對電網運維數據采集、數據存儲、數據處理等方面的研究。另外，數據規模的增長必然給數據的傳輸、交互提出了新的挑戰，在將來，如何有效降低電力系統采集數據的傳輸和通信成本，也必然是行業研究的熱點。

4 結語

目前關于含新能源電力系統狀態估計方面的研究依舊處于起步階段，但隨著新能源發電產業的快速發展，相關研究數量和成果不斷涌現，為新能源發電產業的發展奠定了良好的基礎。與此同時，相關研究的開展還有助于促進分布式發電系統更加充分的融入自動控制技術、先進的材料和設備工藝等，充分展現現代化技術、設備的優勢，對于整個新能源行業的健康發展發揮著重要的作用。