一種基于狀態(tài)估計(jì)的三相不平衡度概率評(píng)估方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于狀態(tài)估計(jì)的三相不平衡度概率評(píng)估方法，包括以下步驟：A: 計(jì)算實(shí)際電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)三相導(dǎo)納矩陣；B:計(jì)算電力系統(tǒng)中某節(jié)點(diǎn)i的p相注入有功功率表達(dá)式和無功功率表達(dá)式；C: 采用狀態(tài)估計(jì)法對(duì)測(cè)量量與系統(tǒng)真實(shí)物理量之間的誤差進(jìn)行計(jì)算；D: 得到負(fù)荷功率和n個(gè)分布式電源輸出功率的抽樣過程表達(dá)式；E: 求取狀態(tài)量估計(jì)值；F: 求取電壓不平衡度；G:進(jìn)行三相不平衡度概率的評(píng)估。本發(fā)明能夠客觀合理的分析分布式電源接入后的配電系統(tǒng)電壓三相不平衡概率分布以及變化特點(diǎn)，對(duì)于在常規(guī)配電系統(tǒng)中合理利用可再生能源發(fā)電具有積極意義。
【專利說明】一種基于狀態(tài)估計(jì)的三相不平衡度概率評(píng)估方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及屬于電力系統(tǒng)配電網(wǎng)分布式發(fā)電電能質(zhì)量領(lǐng)域，尤其涉及一種基于狀 態(tài)估計(jì)的三相不平衡度概率評(píng)估方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，近幾十年人類對(duì)能源特別是電能的消費(fèi) 達(dá)到空前的水平，傳統(tǒng)的大規(guī)模集中供電模式逐漸不能滿足人們的需求。分布式發(fā)電作為 一種基于可再生能源的發(fā)電技術(shù)，清潔無污染，并可充分高效的利用分散型資源，有著廣闊 的應(yīng)用前景。2011年，我國并網(wǎng)新能源發(fā)電量933. 55億千瓦時(shí)，約占總發(fā)電量的2%，截至 2011年底，我國并網(wǎng)新能源發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到5159萬千瓦，占總裝機(jī)容量的4. 89 %。
[0003] 隨著可再生能源分布式電源的快速發(fā)展并越來越多的接入電力系統(tǒng)，配電系統(tǒng)的 三相不平衡問題就更加突出，這不僅由于分布式電源多以單相接入，更由于采用可再生能 源的分布式電源，其輸出功率隨環(huán)境因素的變化而隨機(jī)波動(dòng)，使得每一時(shí)刻的三相負(fù)荷很 難保持平衡狀態(tài)，導(dǎo)致了公共連接點(diǎn)的電壓三相不平衡，使得配電系統(tǒng)的三相不平衡分析 計(jì)算問題也變的更為復(fù)雜。為了更加經(jīng)濟(jì)、安全、高效的利用分布式發(fā)電，電網(wǎng)操作人員了 解電壓不平衡程度就十分重要。因此，如何采用更為科學(xué)且有效的方法準(zhǔn)確評(píng)估三相電壓 不平衡度（Voltage Unbalance Factor, VUF)這一電能質(zhì)量指標(biāo)，是電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)及 運(yùn)行控制的重要問題。
[0004] 在可查詢的范圍內(nèi)，關(guān)于電壓不平衡度的評(píng)估方法，采用概率方法進(jìn)行分析研究 的并不多見。對(duì)電壓不平衡度計(jì)算的概率方法包括：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是否對(duì)稱分別為正態(tài)分 布與瑞利分布，并且采用改進(jìn)的貝塞爾方程加以分析；而上述方法中所采用的改進(jìn)的貝塞 爾方程，求解過于復(fù)雜不方便計(jì)算，并且該方法在分析過程當(dāng)中假設(shè)相角一直保持互差120 度，這與實(shí)際分析問題也有一定出入。而在關(guān)于VUF評(píng)估的另一些文獻(xiàn)中，多采用了蒙特 卡羅進(jìn)行仿真，采用蒙特卡羅仿真進(jìn)行分析，需要進(jìn)行大量反復(fù)的抽樣，加以三相潮流的計(jì) 算，使得整個(gè)計(jì)算過程非常繁瑣復(fù)雜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于狀態(tài)估計(jì)的三相不平衡度概率評(píng)估方法，基于配電 系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)法以及應(yīng)用偽測(cè)量量技術(shù)的電壓三相不平衡的概率評(píng)估方法，能夠客觀合理 的分析分布式電源接入后的配電系統(tǒng)電壓三相不平衡概率分布以及變化特點(diǎn)，對(duì)于在常規(guī) 配電系統(tǒng)中合理利用可再生能源發(fā)電具有積極意義。
[0006] 本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0007] -種基于狀態(tài)估計(jì)的三相不平衡度概率評(píng)估方法，包括以下步驟：
[0008] A :利用實(shí)際電力系統(tǒng)中已知的線路、節(jié)點(diǎn)及元件參數(shù)，得到實(shí)際電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)三相導(dǎo)納矩陣Y=[I^H]，F(xiàn)jr:表示節(jié)點(diǎn)i的P相與節(jié)點(diǎn)k的m相的導(dǎo)納值，i關(guān)k ;Y 為復(fù)數(shù)矩陣且Y = G+jB，其中，G為[GC1，即為Y矩陣中元素fZ"的實(shí)部組成的矩陣，B為 即為Y矩陣中元素的虛部組成的矩陣，j為復(fù)數(shù)單位算子；通過電力系統(tǒng)中的 功率測(cè)量及遠(yuǎn)動(dòng)傳輸裝置獲得負(fù)荷功率的原始數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的測(cè)量量，分別表示為有功功 率向量P和無功功率向量Q ;
[0009] B :根據(jù)步驟A中獲得的線路、節(jié)點(diǎn)和元件參數(shù)所形成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)三相導(dǎo)納矩陣Y， 以及通過電力系統(tǒng)中的功率測(cè)量及遠(yuǎn)動(dòng)傳輸裝置獲得負(fù)荷功率的原始數(shù)據(jù)，得到電力系統(tǒng) 中某節(jié)點(diǎn)i，節(jié)點(diǎn)i的P相注入有功功率表達(dá)式If和無功功率表達(dá)式分別為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于狀態(tài)估計(jì)的三相不平衡度概率評(píng)估方法，其特征在于，包括以下步驟： A:利用實(shí)際電力系統(tǒng)中已知的線路、節(jié)點(diǎn)及元件參數(shù)，得到實(shí)際電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 三相導(dǎo)納矩陣Υ=[ * ；FiT表示節(jié)點(diǎn)i的P相與節(jié)點(diǎn)k的m相的導(dǎo)納值，i關(guān)k;Y為復(fù)數(shù) 矩陣且Y=G+jB，其中，G為[G；T]，即為Y矩陣中元素Fr*的實(shí)部組成的矩陣，8為[忍=]， 即為Y矩陣中元素的虛部組成的矩陣，j為復(fù)數(shù)單位算子；通過電力系統(tǒng)中的功率測(cè)量 及遠(yuǎn)動(dòng)傳輸裝置獲得負(fù)荷功率的原始數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的測(cè)量量，分別表示為有功功率向量P和無功功率向量Q; B:根據(jù)步驟A中獲得的線路、節(jié)點(diǎn)和元件參數(shù)所形成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)三相導(dǎo)納矩陣Y，以及 通過電力系統(tǒng)中的功率測(cè)量及遠(yuǎn)動(dòng)傳輸裝置獲得負(fù)荷功率的原始數(shù)據(jù)，得到電力系統(tǒng)中某 節(jié)點(diǎn)i，節(jié)點(diǎn)i的P相注入有功功率表達(dá)式if和無功功率表達(dá)式分別為：
其中，為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的第P相電壓；if為第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的第m相電壓；為節(jié)點(diǎn) i的P相與節(jié)點(diǎn)k的m相的相對(duì)角度；Gfi為三相導(dǎo)納的實(shí)部；Jf1為三相導(dǎo)納的虛部，p,me{a,b,c}； C:采用狀態(tài)估計(jì)法對(duì)測(cè)量量與系統(tǒng)真實(shí)物理量之間的誤差進(jìn)行計(jì)算，狀態(tài)估計(jì)法的一 般原理表達(dá)式為： e=z_h(X) 其中，e為測(cè)量量與系統(tǒng)真實(shí)物理量之間的誤差向量；z為測(cè)量量向量；X為狀態(tài)變量向 量；h為非線性函數(shù)；誤差向量e滿足均值為0,協(xié)方差矩陣為R的正態(tài)分布； 結(jié)合步驟A與步驟B中獲得的電力系統(tǒng)參數(shù)，電力系統(tǒng)功率方程表達(dá)式的狀態(tài)估計(jì)法 可以表示為： e=P~h(V,Θ)；e=Q-h(V,θ)； D:采用基于概率方式選取偽測(cè)量量的方法，應(yīng)用概率方式隨機(jī)抽取偽測(cè)量量，分別得 到負(fù)荷功率Sl的抽樣過程表達(dá)式和η個(gè)分布式電源輸出功率S2抽樣過程表達(dá)式；其中， (1)負(fù)荷功率的概率抽樣方法過程如下： 步驟1-1 :由于負(fù)荷功率SI(SI= [P，Q])的概率一般滿足于均值為向量為μ，協(xié)方差 矩陣為Ω的正態(tài)分布，因此實(shí)際過程中按以下方法抽?。?br> 其中，X為一組位于[0, 1]區(qū)間內(nèi)的均勻分布隨機(jī)變量向量； 步驟1-2 :對(duì)協(xié)方差矩陣為Ω進(jìn)行下三角分解可以表示為： Ω=L·Lt ; 其中，L為下三角矩陣；LT為矩陣L的轉(zhuǎn)置矩陣； 步驟1-3 :由此，結(jié)合步驟1-1和步驟1-2可以得到負(fù)荷功率Sl的抽樣過程表達(dá)式為： 51 =L·Υ+μ； (2)分布式電源功率的概率抽樣方法過程如下： 使用聯(lián)合概率密度對(duì)分布式電源功率進(jìn)行抽樣的具體過程如下： 步驟2-1 :假設(shè)有η個(gè)隨機(jī)變量Χ(代表η個(gè)分布式電源輸出功率S2)滿足一定類型的 聯(lián)合概率分布，并且已知隨機(jī)變量的均值向量μ，及協(xié)方差矩陣Ω;在滿足這些條件下，暫 時(shí)忽略相關(guān)系數(shù)，對(duì)η個(gè)隨機(jī)變量按照各自的均值μ及標(biāo)準(zhǔn)差〇利用已知類型的概率分 布函數(shù)分別進(jìn)行一定數(shù)量的抽樣，通過下式對(duì)這些隨機(jī)變量進(jìn)行規(guī)格化處理：
其中，E(Xi)表示第i個(gè)隨機(jī)變量Xi形成的抽樣數(shù)據(jù)的均值；〇 (Xi)表示第i個(gè)隨機(jī)變 量Xi形成的抽樣數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差； 步驟2-2 :對(duì)協(xié)方差矩陣為Ω進(jìn)行下三角分解可以表示為： Ω=L·Lt ; 其中，L為下三角矩陣；LT為矩陣L的轉(zhuǎn)置矩陣； 步驟2-3 :由此，結(jié)合步驟2-1和步驟2-2可得到隨機(jī)變量X(即η個(gè)分布式電源輸出 功率S2)的抽樣表達(dá)式為： 52 =X=ILyi1+μI,i= 1，…，η; E:根據(jù)狀態(tài)估計(jì)法的原理及一般表達(dá)式，結(jié)合最小二乘法，求取狀態(tài)量估計(jì)值；狀態(tài) 量估計(jì)值的具體推導(dǎo)過程如下： El:以所有誤差向量元素的平方和最小為準(zhǔn)構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)J: J=y^.i 當(dāng)目標(biāo)函數(shù)J最小時(shí)，總的誤差也就最小，說明狀態(tài)估計(jì)值也就最優(yōu)；為了表示不同測(cè) 量量的精度的不同，對(duì)于每個(gè)誤差都要賦予不同的權(quán)重，權(quán)重的取值均以誤差量的協(xié)方差 的倒數(shù)為權(quán)重系數(shù)，因此加權(quán)最小二乘目標(biāo)函數(shù)為：
II * 把上式寫成矩陣形式，就可以得到I J(x) = [z-h(X)]tIT1 [z-h(X)]; 其中，IT1為對(duì)角元素矩陣，艮I
QJ 狀態(tài)量估計(jì)值i在目標(biāo)函數(shù)J取最小值的條件為其偏導(dǎo)數(shù)I= 〇時(shí)候取得；由于h(X) OX 為線性函數(shù)，對(duì)J(X)求導(dǎo)，具體表示為：
上式:與成矩陣形式:的表達(dá)式:為： HtIT1H; 其中，H為函數(shù)Iii (X)對(duì)Xi的偏導(dǎo)矩陣； 為了得到最優(yōu)結(jié)果，需要在上式的基礎(chǔ)上進(jìn)行迭代求解，并且結(jié)合步驟E中所有公式， 得到狀態(tài)量的迭代計(jì)算結(jié)果形式為： xk+1 =xk+(HtIT1H)-1HtR-1 [z-h(xk)]; 其中，xk+1表示第k+1次計(jì)算得到的狀態(tài)量向量，xk表示第k次計(jì)算得到的狀態(tài)量向量； 狀態(tài)量向量在電力系統(tǒng)中即表示電壓幅值有效值V與幅角Θ;規(guī)定迭代增量的絕對(duì)值小于 0.OOOl;所有節(jié)點(diǎn)的V有效值設(shè)為1，角度Θ為〇度； F:根據(jù)至步驟E中所求得狀態(tài)量向量，分別獲得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)三相電壓有效值，求取電壓 不平衡度VUF; 實(shí)際電力系統(tǒng)計(jì)算中，在不考慮零序分量的前提下，VUF與abc三相電壓有效值的近似 關(guān)系為：
Va為a相電壓有效值；Vb為b相電壓有效值；V。為c相電壓有效值； G:根據(jù)獲取的大量狀態(tài)量數(shù)據(jù)，即節(jié)點(diǎn)電壓有效值；利用MATLAB軟件概率統(tǒng)計(jì)功能獲 得系統(tǒng)中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)三相電壓有效值的均值及標(biāo)準(zhǔn)差，并利用曲線擬合功能獲得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)三 相電壓有效值以及VUF的概率密度曲線；最終通過求得的VUF的概率密度曲線，即可實(shí)現(xiàn)基 于狀態(tài)估計(jì)的三相不平衡度概率的評(píng)估，客觀合理的分析分布式電源接入后的配電系統(tǒng)電 壓三相不平衡概率分布以及變化特點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】G06Q50/06GK104240140SQ201410245871
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月4日
【發(fā)明者】李瓊林, 代雙寅, 張振安, 劉書銘, 張博, 唐鈺政, 李庚銀, 周明, 張喆, 索之聞 申請(qǐng)人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院, 華北電力大學(xué)