案例10：電力系統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)

案例10：電力系統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)

一、案例正文

電力自動(dòng)化系統(tǒng)，包括調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)和配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)兩部分。

它除了具有數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制(SCADA)基本功能外，還必須具有能

對(duì)電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行計(jì)算、分析、管理和控制的高級(jí)應(yīng)用軟

件，一般稱為PAS。

PAS主要包括網(wǎng)絡(luò)建模、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?狀態(tài)估計(jì)，調(diào)度員潮流，

負(fù)荷預(yù)報(bào)，自動(dòng)發(fā)電控制與經(jīng)濟(jì)調(diào)度，安全控制和培訓(xùn)仿真系統(tǒng)等。

PAS是建立在一定的數(shù)據(jù)源基礎(chǔ)之上的，這些數(shù)據(jù)源包括：

(1)由SCADA采集來的量測(cè)數(shù)據(jù)，即系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及運(yùn)行

的歷史數(shù)據(jù)；

(2)由人工輸入的系統(tǒng)靜態(tài)數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、變壓器及線路

的參數(shù)等；

(3)計(jì)劃數(shù)據(jù)，主要是未來時(shí)刻的計(jì)劃行為數(shù)據(jù)，如預(yù)計(jì)負(fù)荷及檢

修安排等。

1.1電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?/p>

1.1.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞亩x及基本功能

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?TOP)又稱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)可能變化，網(wǎng)

絡(luò)拓?fù)浞治龅幕竟δ埽褪歉鶕?jù)斷路器的開合狀態(tài)(實(shí)時(shí)遙信信息)

和電網(wǎng)一次接線圖，及時(shí)修正系統(tǒng)中各種元件(線路、變壓器、母線段

等)的連接狀況，將電網(wǎng)一次接線圖轉(zhuǎn)化成一種“拓?fù)洹苯Y(jié)構(gòu)，即以

節(jié)點(diǎn)和支路來定義的結(jié)構(gòu)，為其他各種應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲋?，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建模。網(wǎng)絡(luò)建模是將電網(wǎng)的

物理特性用數(shù)學(xué)模型來描述，以便用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。其中，電網(wǎng)的

數(shù)學(xué)模型包括發(fā)電機(jī)組、變壓器、導(dǎo)線、電容器、負(fù)荷、斷路器等。

網(wǎng)絡(luò)建模用于建立和修改網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，為其他應(yīng)用如狀態(tài)估計(jì)、潮流

計(jì)算等定義電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)模型分為物理模型和計(jì)算模型。物理模型(也稱節(jié)點(diǎn)模型)

是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的原始描述計(jì)算模型(也稱母線模型)與網(wǎng)絡(luò)方程相聯(lián)系，隨

開關(guān)狀態(tài)變化，用于網(wǎng)絡(luò)分析計(jì)算。電力系統(tǒng)的分析計(jì)算是面向電氣

節(jié)點(diǎn)(bus)的，而一個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)有時(shí)包括多個(gè)物理節(jié)點(diǎn)(node)。當(dāng)電網(wǎng)

結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，如一臺(tái)斷路器發(fā)生狀態(tài)變位，則node與bus的對(duì)

應(yīng)關(guān)系也隨之變化c網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜蝿?wù)就是通過實(shí)時(shí)檢查電力系統(tǒng)中所

有元件的連接情況，將面向node的節(jié)點(diǎn)模型轉(zhuǎn)化成面向bus的母線

模型，形成node與bus的對(duì)照表，為其他高級(jí)軟件的應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓鶕?jù)斷路器狀態(tài)和電網(wǎng)元件關(guān)系，將網(wǎng)絡(luò)物理模型轉(zhuǎn)化

為計(jì)算用模型。運(yùn)用堆棧原理，搜索網(wǎng)絡(luò)圖的樹支，來判斷支路的連

通狀態(tài)，劃分電網(wǎng)中的各“拓?fù)鋶u”。當(dāng)電網(wǎng)解列時(shí)，拓?fù)浞治鋈钥?/p>

給出各子系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

此外，用拓?fù)浣Y(jié)果可標(biāo)出電網(wǎng)元件的帶電部分和停電部分，并跟

蹤著色，用直觀方式表示網(wǎng)絡(luò)元件的運(yùn)行狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)接線的連通性。

EMS中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲆部捎糜谘芯磕Ｊ健?/p>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鍪瞧渌呒?jí)應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)，應(yīng)有可靠、方便、快

速特點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑绦蚩烧賳締?dòng)或由廠站開關(guān)變位事件驅(qū)動(dòng)。先檢查開

關(guān)變位標(biāo)志，對(duì)變位門站的所有斷路器、隔離開關(guān)進(jìn)行掃描，以進(jìn)行

電氣節(jié)點(diǎn)分析。完成所有廠站的電氣節(jié)點(diǎn)分析后，再對(duì)所有線路進(jìn)行

掃描，確定系統(tǒng)的連通狀態(tài)。最終建立一個(gè)可供狀態(tài)估計(jì)及其他在程

序應(yīng)用的完整的網(wǎng)絡(luò)模型。TOP的數(shù)據(jù)來源于數(shù)據(jù)庫，分析結(jié)果也存

在共享數(shù)據(jù)庫中。

1.1.2節(jié)點(diǎn)編號(hào)優(yōu)化和節(jié)點(diǎn)Y陣建立

電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型包括節(jié)點(diǎn)電壓方程和回路電流方程等，其中以節(jié)

點(diǎn)導(dǎo)納矩陣（Y陣）表示的節(jié)點(diǎn)電壓方程在電力潮流計(jì)算中廣泛使用。

為計(jì)算上的方便和節(jié)約程序內(nèi)存占用量，需個(gè)建立了陣因子表。為盡

量減少Y陣因子表的“注入元素”，需對(duì)節(jié)點(diǎn)編號(hào)進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)節(jié)點(diǎn)

編號(hào)優(yōu)化后建立的Y陣非常稀疏（即大量元素為0）,其因子表也同

樣稀疏。Y陣數(shù)據(jù)從存放到使用，都應(yīng)用了節(jié)約程序內(nèi)存的稀疏矩陣

技術(shù)。

節(jié)點(diǎn)編號(hào)優(yōu)化軟件采用靜態(tài)優(yōu)化法。因?yàn)橛脛?dòng)態(tài)優(yōu)化法相應(yīng)的編

程比靜態(tài)優(yōu)化法復(fù)雜許多，而能夠進(jìn)一步減少的注入元素?cái)?shù)量卻有限。

1.2電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)

電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)是電力系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用軟件的一個(gè)模塊（程序）。

許多安全和經(jīng)濟(jì)方面的功能都要用可靠數(shù)據(jù)集作為輸入數(shù)據(jù)集，而可

靠數(shù)據(jù)集就是狀態(tài)估計(jì)程序的輸出結(jié)果。所以，狀態(tài)估計(jì)是一切高級(jí)

應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)，真正的能量管理系統(tǒng)必須有狀態(tài)估計(jì)功能。

1.2.1必要性

SCADA系統(tǒng)收集了全網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)匯成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫一SCADA

數(shù)據(jù)庫。SCADA數(shù)據(jù)庫存在下列明顯缺點(diǎn)。

(1)數(shù)據(jù)不齊全

為了使收集的數(shù)據(jù)齊全，需在電力系統(tǒng)的所有廠站都設(shè)置RTU,

并采集系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)和支路的運(yùn)行參數(shù)。這將使RTU、遠(yuǎn)動(dòng)通道和變

送器的數(shù)量大大增加，而這些設(shè)備價(jià)格相當(dāng)昂貴。實(shí)際情況是僅有部

分重要廠站設(shè)置了RTU,而有時(shí)RTU或信道還會(huì)故障。這樣就總有

一些節(jié)點(diǎn)或支路的運(yùn)行參數(shù)不能被量測(cè)到，造成數(shù)據(jù)收集不全。

(2)數(shù)據(jù)不精確

數(shù)據(jù)采集和傳送的每個(gè)環(huán)節(jié)(如TA、TV、A/D轉(zhuǎn)換等)都會(huì)產(chǎn)

生誤差。這些誤差有時(shí)使相關(guān)的數(shù)據(jù)變得相互矛盾，且其差值之大甚

至使人不便取舍。

(3)受干擾時(shí)會(huì)出現(xiàn)不良數(shù)據(jù)

干擾總是存在的。盡管已經(jīng)采取了濾波和抗干擾編碼等措施，減

少了出現(xiàn)錯(cuò)誤的次數(shù)，但個(gè)別錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的出現(xiàn)仍不能避免。這種錯(cuò)誤

數(shù)據(jù)不是誤差，而是完全不合道理的數(shù)據(jù)。

(4)數(shù)據(jù)不和諧是指數(shù)據(jù)相互之間不符合建立數(shù)學(xué)模型所依據(jù)的

基木物理學(xué)定律。原因有二：一是前述各項(xiàng)誤差所致，二是各項(xiàng)數(shù)據(jù)

可能不是同一時(shí)刻采樣得到。數(shù)據(jù)的不和諧影響了各種高級(jí)應(yīng)用軟件

的計(jì)算分析。

由于SACDA系統(tǒng)收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有以上缺點(diǎn)，因而必須找到一

種方法，能夠把不齊全的數(shù)據(jù)“填平補(bǔ)齊”，不精確的數(shù)據(jù)“去粗取

精”，挑出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)“去偽存真”，使整個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)“嚴(yán)密和諧”，質(zhì)

量和可靠性得到提高。這種方法就是狀態(tài)估計(jì)。

122功能

“狀態(tài)估計(jì)”是一種計(jì)算機(jī)程序，有時(shí)也按硬件的說法稱其為“狀

態(tài)估計(jì)器”。狀態(tài)估計(jì)能實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)方程和最佳估計(jì)準(zhǔn)則(一般為最小二乘準(zhǔn)則)，利用實(shí)

時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)果，對(duì)生數(shù)據(jù)(即SCADA實(shí)時(shí)采集的斷面數(shù)據(jù))進(jìn)行

計(jì)算,得到最接近系統(tǒng)真實(shí)狀態(tài)的最佳估計(jì)值,給出電網(wǎng)和諧、完整、

準(zhǔn)確的運(yùn)行潮流斷面數(shù)據(jù)。

(2)進(jìn)行不良數(shù)據(jù)(或叫壞數(shù)據(jù))的檢測(cè)、辨識(shí)、改正或刪除，提高

數(shù)據(jù)的可靠性。

(3)推算出齊全精確的電力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，例如根據(jù)相鄰變電站

的遙測(cè)，推算出某未裝RTU變電站的各種運(yùn)行參數(shù)；或者根據(jù)現(xiàn)有

類型的遙測(cè)量，推算出另外類型的難于量測(cè)的運(yùn)行參數(shù)，例如根據(jù)有

功功率測(cè)值推算各節(jié)點(diǎn)電壓的相位角。

(4)根據(jù)遙測(cè)量估計(jì)電網(wǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)，糾正偶爾的開關(guān)狀態(tài)遙信錯(cuò)

誤，保證數(shù)據(jù)庫中電網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的正確性。狀態(tài)估計(jì)的這種功能被稱

為網(wǎng)絡(luò)接線辨識(shí)或開關(guān)狀態(tài)辨識(shí)。

(5)對(duì)某些可疑或未知的設(shè)備參數(shù)，也可以估計(jì)出它們的值。例如

有載調(diào)壓變壓器分接頭位置信號(hào)沒有傳送到調(diào)度中心時(shí)?，就可以把它

估計(jì)出來。根據(jù)掌握的運(yùn)行數(shù)據(jù)，也可以估計(jì)某些未知網(wǎng)絡(luò)(“黑箱”)

的參數(shù)。狀態(tài)估計(jì)的這種用法，稱為參數(shù)估計(jì)。

(6)可應(yīng)用狀態(tài)估計(jì)算法，以現(xiàn)有數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來的趨勢(shì)和可能出

現(xiàn)的狀態(tài)，如電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)和水庫來水預(yù)測(cè)等。

(7)可以通過狀態(tài)估計(jì)，確定合理的測(cè)點(diǎn)數(shù)量和合理的測(cè)點(diǎn)分布。

將新增的量測(cè)設(shè)置在關(guān)鍵點(diǎn)，全面優(yōu)化量測(cè)配置，既達(dá)到較好量測(cè)指

標(biāo)，乂使付出的成本最小。

綜上所述，電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)程序輸入的是低精度、不完整、不

和諧、偶爾還有壞數(shù)據(jù)的“生數(shù)據(jù)”；輸出的則是精度高、完整、和

諧、可靠的數(shù)據(jù)，由這樣的數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫，稱為“可靠數(shù)據(jù)庫”。

電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的許多高級(jí)應(yīng)用軟件，都以可靠數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)為

基礎(chǔ)。因此，狀態(tài)估計(jì)有時(shí)被譽(yù)為應(yīng)用軟件的“心臟”，可見這一功

能的重要程度。

1.2.3基本原理

(1)測(cè)量的冗余度

狀態(tài)估計(jì)算法必須建立在實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)有較大冗余度的基礎(chǔ)之

上。對(duì)那些不隨時(shí)間而變化的量，為消除測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差，常用的方

法就是多次重復(fù)測(cè)量。測(cè)量的次數(shù)越多，它們的平均值就越接近真值。

但在電力系統(tǒng)中不能采用上述方法，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行參數(shù)屬于

時(shí)變參數(shù)。消除或減少時(shí)變參數(shù)測(cè)量誤差，必須利用一次采樣得到的

一組有多余的測(cè)量值。多余的測(cè)量值越多，狀態(tài)估計(jì)得越準(zhǔn)，但是會(huì)

造成在測(cè)點(diǎn)及通道上的投資越多。一般要求是：

測(cè)量系統(tǒng)的冗余度二系統(tǒng)獨(dú)立測(cè)量數(shù)/系統(tǒng)狀態(tài)變量數(shù)=1.5?3。

系統(tǒng)狀態(tài)變量，是指表征電力系統(tǒng)特征所需的最小數(shù)目變量，狀

態(tài)變量一般取各節(jié)點(diǎn)電壓幅值及其相位角。若有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，則有2N

個(gè)狀態(tài)變量。由于可以設(shè)某一節(jié)點(diǎn)電壓相角為零(電壓參考點(diǎn))，所以

對(duì)一個(gè)電力系統(tǒng)，其未知的狀態(tài)變量數(shù)為2N-K圖1為電力系統(tǒng)狀

(2)狀態(tài)估計(jì)的步驟

①假定數(shù)學(xué)模型

假設(shè)數(shù)學(xué)模型指在沒有結(jié)構(gòu)誤差、參數(shù)誤差和不良數(shù)據(jù)的假定條

件下，在相互和諧的數(shù)據(jù)間，建立符合物理學(xué)定律的數(shù)學(xué)模型。狀態(tài)

估計(jì)可選用的數(shù)學(xué)方法有加權(quán)最小二乘法、快速分解法、正交化法和

混合法等。目前電力系統(tǒng)用的較多的是加權(quán)最小二乘法。對(duì)電力系統(tǒng)

的測(cè)量值可選取母線注入功率、支路功率和母線電壓數(shù)值。量測(cè)不足

之處可使用預(yù)報(bào)和計(jì)劃型的“偽測(cè)量”，同時(shí)將其權(quán)重設(shè)置得較小，

以降低其對(duì)估計(jì)結(jié)果的影響。另外，無源母線上的零注入量測(cè)和零阻

抗支路上的零電壓量測(cè)，也可以作為量測(cè)量，這樣的量測(cè)可靠，可取

較大的權(quán)重。

②狀態(tài)估計(jì)計(jì)算

根據(jù)所選定的數(shù)學(xué)方法，計(jì)算出使“殘差”最小的全部狀態(tài)變量

估計(jì)值，這就是狀態(tài)估計(jì)計(jì)算的內(nèi)容。所謂殘差，就是各實(shí)際量測(cè)值

與其相應(yīng)的估計(jì)值之差。

③檢測(cè)

檢查有無不良測(cè)值混入或結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤，如無，此次估計(jì)即告完成,

如有，轉(zhuǎn)入下一步。

④識(shí)別

識(shí)別，又稱辨識(shí)，是確定具體的不良數(shù)據(jù)或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤信息的

過程。在除去或修E已識(shí)別出來的不良測(cè)值和結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤后，需要重新

進(jìn)行第二次狀態(tài)估計(jì)計(jì)算，這樣反復(fù)迭代估計(jì)，直至沒有不良數(shù)據(jù)或

結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤為止。

圖2是狀態(tài)估計(jì)的四個(gè)步驟及相互關(guān)系。由圖中可見量測(cè)值在輸

入前還要經(jīng)過前置濾波和極限值檢查。因?yàn)橐恍┖艽蟮臏y(cè)量誤差，只

要采用一些簡(jiǎn)單的方法和很少的加工就可輕易地排除。例如，對(duì)輸入

的節(jié)點(diǎn)功率可進(jìn)行極限值檢驗(yàn)和功率平衡檢驗(yàn)，這樣就可提高狀態(tài)估

計(jì)的速度和精度。

圖2狀態(tài)估計(jì)的步驟

(3)不良數(shù)據(jù)的檢測(cè)方法

沒有不良數(shù)據(jù)的檢測(cè)與識(shí)別，狀態(tài)估計(jì)將無法投入在線實(shí)際應(yīng)用。

當(dāng)有不良數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)，必然會(huì)使目標(biāo)函數(shù)J大大偏離正常范圍，這種

現(xiàn)象可以用來發(fā)現(xiàn)不良數(shù)據(jù)。為此可把狀態(tài)估計(jì)值代入目標(biāo)函數(shù)中，

求出目標(biāo)函數(shù)的值，如果大于某一“門檻值”，即可認(rèn)為存在不良數(shù)

據(jù)當(dāng)然，確定各地電網(wǎng)J的“門檻值”，不是一件容易的事。

(4)不良數(shù)據(jù)的識(shí)別方法

發(fā)現(xiàn)有不良數(shù)據(jù)就要找到不良數(shù)據(jù)。對(duì)于單個(gè)不良數(shù)據(jù)的情況，

一個(gè)最簡(jiǎn)單的方法就是逐個(gè)試探。例如把第一個(gè)測(cè)量值去掉，重新估

計(jì)，若正好這個(gè)測(cè)量值是不良數(shù)據(jù)?，去掉后再檢查J值時(shí)就會(huì)變?yōu)楹?/p>

格；如是正常數(shù)據(jù)，去掉后值肯定還是不合格，這時(shí)就把第一個(gè)測(cè)量

值補(bǔ)回，再去掉第二個(gè)測(cè)量值。如此逐個(gè)搜索，定會(huì)找到不良數(shù)據(jù)。

至于存在多個(gè)相關(guān)不良數(shù)據(jù)的辨識(shí)，就要復(fù)雜多了，目前還沒有特別

有效的辨識(shí)辦法。

124狀態(tài)估計(jì)的程序框圖

圖3電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)程序框圖

(1)沒有出現(xiàn)不良數(shù)據(jù)時(shí)的情況

首先由調(diào)度項(xiàng)目時(shí)間程序1(狀態(tài)估計(jì)一般每5min執(zhí)行一次)

向控制器3發(fā)出執(zhí)行狀態(tài)估計(jì)的指令，控制器在接到指令后即將狀態(tài)

估計(jì)程序投入運(yùn)行。先由框4根據(jù)遙信信號(hào)判斷系統(tǒng)接線有無改變。

如無改變，則信號(hào)進(jìn)入框5。在框5中，要將新的一組遙測(cè)值與前一

組遙測(cè)值進(jìn)行比較，若差值未超過預(yù)先設(shè)定的檻值，則視為系統(tǒng)狀態(tài)

無變化而沒有新數(shù)據(jù)如果經(jīng)比較后發(fā)現(xiàn)已超過門檻值，說明系統(tǒng)運(yùn)行

參數(shù)已發(fā)生變化，就轉(zhuǎn)入框7以計(jì)算最小二乘法的目標(biāo)函數(shù)J,計(jì)算

結(jié)果進(jìn)入框8檢驗(yàn)了是否合格。若合格，則在框6顯示運(yùn)行狀態(tài)。

如果系統(tǒng)接線發(fā)生改變，則由框4轉(zhuǎn)人框10,即按照新的系統(tǒng)

接線圖修改原有的狀態(tài)方程組。然后按修改后的方案進(jìn)入框11,進(jìn)行

系統(tǒng)當(dāng)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的估計(jì)計(jì)算，估計(jì)得結(jié)果在框5中比較，由于開關(guān)

變位故此組數(shù)據(jù)顯然會(huì)與前一組數(shù)據(jù)不同，所以也是先進(jìn)入框7,然后

到框8而后到框6。

(2)出現(xiàn)不良數(shù)據(jù)時(shí)的情況

①個(gè)別遙測(cè)設(shè)備失靈

遙測(cè)設(shè)備失靈造成的不良數(shù)據(jù)是個(gè)別的，且誤差率很大，而此時(shí)

其他的遙測(cè)量都較好，這樣計(jì)算的結(jié)果會(huì)使總的目標(biāo)函數(shù)增大，并經(jīng)

框8中檢驗(yàn)不合格后進(jìn)入框9?？?的功能是檢錯(cuò)與識(shí)別，當(dāng)不良數(shù)

據(jù)個(gè)數(shù)較少時(shí)，可以把不良數(shù)據(jù)找到并剔除(由于有冗余度，剔除個(gè)

別不良數(shù)據(jù)后仍然可以估計(jì))。然后進(jìn)入框1(),把不良數(shù)據(jù)相應(yīng)的方

程式也剔除后，進(jìn)入框11,根據(jù)剩下的量測(cè)量進(jìn)行一次估計(jì)，得出全

部的狀態(tài)估計(jì)值(也包括剛才被剔除的量測(cè)量)，經(jīng)框5、框7、框8

后到框6顯示出來

②個(gè)別遙信設(shè)備失靈

個(gè)別遙信設(shè)備失靈導(dǎo)致遙信信號(hào)出錯(cuò)。例如某條線路開關(guān)已經(jīng)跳

閘但傳到調(diào)度中心的遙信信號(hào)仍然為合閘狀態(tài)，這時(shí)就有一大批測(cè)量

數(shù)據(jù)被誤認(rèn)為是“不良數(shù)據(jù):此時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)仍然由框4輸入框5,

經(jīng)框7、框8到框9,剔除任何遙測(cè)數(shù)據(jù)后進(jìn)行估計(jì)，J肯定仍不合

格，這時(shí)可令框10自動(dòng)試探“斷開”某條線路來修改結(jié)構(gòu)，然后再

進(jìn)行估計(jì)，若不行再試探第二條“線路”斷開，再估計(jì)。直到經(jīng)框8

檢驗(yàn)合格后，最后一次試探“斷開”的線路，就是遙信失靈之所在。找

出遙信信號(hào)失靈的原因并進(jìn)行改正，這樣即可將正確的開關(guān)狀態(tài)顯示

出來。

電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)估計(jì)框圖有很多種,上面僅舉一個(gè)例子來說明

狀態(tài)估計(jì)的步驟及其相互關(guān)系。一個(gè)良好的狀態(tài)估計(jì)程序應(yīng)該具有下

列特點(diǎn)：

(1)快速，可靠，收斂性好。程序執(zhí)行時(shí)間短且占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存較

少。

(2)正確和有效在給定測(cè)量誤差的統(tǒng)計(jì)特性條件下，計(jì)算結(jié)果正

確有效。

(3)方便靈活?？煞奖愕剡m應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，靈活處理任何類型

測(cè)量數(shù)據(jù)的組合。當(dāng)增加或刪除某些測(cè)量點(diǎn)時(shí)，不需要修改程序。量

測(cè)的項(xiàng)目一般為變電站母線電壓U、出線的有功功率P和無功功率

Qo

125狀態(tài)估計(jì)的矩陣算法

實(shí)際電力系統(tǒng)中通常有成百上千個(gè)節(jié)點(diǎn)，必須借助計(jì)算機(jī)來進(jìn)行

矩陣計(jì)算。

(1)狀態(tài)估計(jì)數(shù)學(xué)模型

狀態(tài)估計(jì)的數(shù)學(xué)模型是基于反映網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、線路參數(shù)、狀態(tài)變量

和實(shí)時(shí)量測(cè)之間相互關(guān)系的量測(cè)方程。

量測(cè)量包括線路功率、線路電流、節(jié)點(diǎn)功率、節(jié)點(diǎn)電流和節(jié)點(diǎn)電

壓等。狀態(tài)量包括節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相角。狀態(tài)估計(jì)的量測(cè)方程為

z=h(x)+v(1)

式中Z一—量測(cè)量列向量，維數(shù)為m;

x——狀態(tài)向量，若母線數(shù)為則x的維數(shù)為2億即每個(gè)節(jié)

點(diǎn)有電壓幅值和相角;

h(x)——基于基爾霍夫定律建立的量測(cè)函數(shù)方程，其數(shù)目與量測(cè)

向量一致，m維；

v——量測(cè)誤差，m維。

與潮流計(jì)算不同，狀態(tài)估計(jì)中對(duì)應(yīng)于狀態(tài)量的量測(cè)量通常有冗余

度，狀態(tài)估計(jì)正是利用量測(cè)量的冗余來辨識(shí)不良數(shù)據(jù)的。

(2)狀態(tài)估計(jì)算法

求解狀態(tài)向量工時(shí)，大多使用極大似然估計(jì)，即求解的狀態(tài)向量

x使量測(cè)值z(mì)被觀測(cè)到的可能性最大。一般使用加權(quán)最小二乘法準(zhǔn)則

來求解，并假設(shè)量測(cè)量服從正態(tài)分布。量測(cè)向量z給定以后，狀態(tài)估

計(jì)向量x是使量測(cè)量加權(quán)殘差平方和達(dá)到最小的"的值，即

式中Ri一一mx〃維對(duì)角陣，其對(duì)角元素為量測(cè)的加權(quán)因子(可采用

量測(cè)方差的倒數(shù))。

版X)是x的非線性向量，不能直接計(jì)算x,可采用迭代算法求解。

對(duì)Mx)進(jìn)行線性化假設(shè)后，得到狀態(tài)估計(jì)的迭代修正公式為

Ax=[HT(x)R^H(x)R-H(x)[z-h(x)](3)

Ax<Zd，(4)

式中I——迭代序號(hào)；

△J"'——第/次迭代的狀態(tài)修正向量；

H一一量測(cè)方程的雅可比矩陣。

按照式⑶進(jìn)行迭代修正，直到目標(biāo)函數(shù)J(”>)接近于最小值為止,

可采用相應(yīng)的收斂判據(jù)來判斷收斂與否。

狀態(tài)估計(jì)算法需要求解迭代式(4)的增量V。Ax可由式(3)得到。

式(3)可以簡(jiǎn)寫為

G(x)Ax=HT(x)R'/^z(5)

其中,^z=z-h(x),G(x)=H7(x)RT"(x)稱為信息矩陣。

狀態(tài)估計(jì)不同算法表現(xiàn)在求解式(5)的不同。比較常用的是最小

二乘法，是對(duì)信息矩陣進(jìn)行因子分解，然后采用前代回代方

法求解式(5)。

(3洪他一些問題的處理

①變壓器分接頭的處理

變壓器分接頭位置發(fā)生錯(cuò)誤會(huì)影響電力系統(tǒng)分析計(jì)算，所以需對(duì)

重要變壓器的分接頭位置進(jìn)行估計(jì)。通常將其擴(kuò)展到狀態(tài)變量中進(jìn)行

估計(jì)。也可將分接頭估計(jì)與狀態(tài)估計(jì)分開進(jìn)行，利用變壓器局部量測(cè)

的冗余度估計(jì)分接頭位置。

②網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溴e(cuò)誤的檢測(cè)和辨識(shí)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溴e(cuò)誤主要由遙信量錯(cuò)誤造成，分為支路拓?fù)溴e(cuò)誤和廠站

母線錯(cuò)誤兩種。處理這類錯(cuò)誤的方法有基于殘差分析方法，增廣狀態(tài)

估計(jì)法，人工智能和基于正則信息量法等。

③線路參數(shù)錯(cuò)誤的處理

線路參數(shù)錯(cuò)誤處理：一種方法是將可疑線路參數(shù)作為狀態(tài)變量進(jìn)

行增廣狀態(tài)估計(jì)，另一種方法是用殘差靈敏度矩陣確定可疑支路，將

支路潮流作為狀態(tài)變量，檢測(cè)辨識(shí)和估計(jì)可疑參數(shù)。

1.3電力系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)

1.3.1概述

能量管理系統(tǒng)(EMS)需要過去、現(xiàn)在(實(shí)時(shí))和未來三類數(shù)據(jù)，負(fù)

荷預(yù)測(cè)是未來數(shù)據(jù)的主要來源。電網(wǎng)未來一個(gè)時(shí)段負(fù)荷變化的趨勢(shì)和

特點(diǎn)，是電網(wǎng)調(diào)度部門必須掌握的基本信息。電力負(fù)荷預(yù)測(cè)是做好電

力系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制、運(yùn)行計(jì)劃和發(fā)展規(guī)劃的前提。要掌握電力生產(chǎn)的主

動(dòng)，必先做好負(fù)荷預(yù)測(cè)。作為EMS的重要組成部分，負(fù)荷預(yù)測(cè)越來

越受到重視。過去負(fù)荷預(yù)測(cè)靠人工手算，現(xiàn)在則依據(jù)一個(gè)計(jì)算機(jī)程序

模塊進(jìn)行。

提高負(fù)荷預(yù)測(cè)精度，既能提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，也能提高

系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。提高SCADA精度的主要途徑是硬件，而提高負(fù)

荷預(yù)測(cè)精度的主要途徑卻是軟件。一套理想的完善的負(fù)荷預(yù)測(cè)軟件,

應(yīng)包含各種周期的預(yù)測(cè)功能，并有多種算法供用戶選擇，只要用戶提

供足夠詳細(xì)的歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，軟件應(yīng)能自動(dòng)選擇模型和最佳算法。

根據(jù)運(yùn)用的目的和預(yù)測(cè)時(shí)間的不同，負(fù)荷預(yù)測(cè)可分為以下幾種:

(1)長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)。用于規(guī)劃電源和電網(wǎng)發(fā)展建設(shè)，需要數(shù)年至數(shù)

十年的負(fù)荷預(yù)測(cè)值例如預(yù)測(cè)今后20年逐年最大負(fù)荷值，使用對(duì)象是

電力系統(tǒng)規(guī)劃工程師。

(2)中期負(fù)荷預(yù)測(cè)。確定下一年度水庫調(diào)度、機(jī)組檢修、電量交換

和燃料計(jì)劃等，需要1月?1年的負(fù)荷預(yù)測(cè)值，使用對(duì)象是編制中長(zhǎng)

期運(yùn)行方式計(jì)劃的工程師。

(3)短期負(fù)荷預(yù)測(cè)，包括周負(fù)荷預(yù)測(cè)和日負(fù)荷預(yù)測(cè)。安排一周調(diào)度

計(jì)劃、設(shè)備檢修、水庫調(diào)度等，需要1周的負(fù)荷預(yù)測(cè)值；安排日調(diào)度

計(jì)劃，需要預(yù)測(cè)未來24h負(fù)荷變化曲線。主要用于開停機(jī)安排，如水

火電協(xié)調(diào)、火電分配、機(jī)組經(jīng)濟(jì)組合，負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配和聯(lián)絡(luò)線交換功

率計(jì)劃等，使用對(duì)象是編制調(diào)度計(jì)劃的工程師。

(4)超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)。用于電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制，需要未來5-10s

的負(fù)荷預(yù)測(cè)值，用于電力系統(tǒng)安全監(jiān)視，需要未來1?5min負(fù)荷預(yù)

測(cè)值，用于預(yù)防性安全控制或緊急狀態(tài)處理以及實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度，需要

未來lOmin?lh的負(fù)荷預(yù)測(cè)值。其使用對(duì)象是系統(tǒng)調(diào)度員

電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)又分為系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)和母線負(fù)荷預(yù)狀態(tài)估計(jì)

測(cè)兩類。EMS涉及的許多網(wǎng)絡(luò)分析軟件，如潮流計(jì)算等，需要用到系

統(tǒng)中每一母線的負(fù)荷值，而且同時(shí)需要有功負(fù)母線負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)負(fù)荷

預(yù)測(cè)負(fù)荷和無功負(fù)荷，所以母線負(fù)荷預(yù)測(cè)很有必要。圖4所示為系統(tǒng)

/母線負(fù)荷預(yù)測(cè)與其他應(yīng)用軟件的關(guān)系框圖。

圖4系統(tǒng)/母線負(fù)荷預(yù)測(cè)與其他應(yīng)用軟件的關(guān)系框圖

發(fā)電計(jì)劃由超短期一短期一中期一長(zhǎng)期組成的在線預(yù)測(cè)系統(tǒng)，其

源頭是實(shí)時(shí)運(yùn)行的超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)，以秒或分為周期從SCADA取得

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。短期預(yù)測(cè)又將平滑好的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)提供給長(zhǎng)周期預(yù)測(cè)做原始

數(shù)據(jù)，并從長(zhǎng)周期那里取得預(yù)測(cè)值做負(fù)荷升降拐點(diǎn)的參考，

母線負(fù)荷預(yù)測(cè)由系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)取得某一時(shí)刻系統(tǒng)負(fù)荷值，并將其

分配到每一母線之上。在系統(tǒng)負(fù)荷到每一母線負(fù)荷之間往往需再設(shè)

1?2層負(fù)荷區(qū)，對(duì)某一時(shí)刻來說具有一套多層的分配系數(shù)，對(duì)不同的

時(shí)刻配有不同的分配系數(shù)，這樣才能適應(yīng)上下層之間負(fù)荷曲線的不一

致性，母線負(fù)荷分配系數(shù)由狀態(tài)估計(jì)在線維護(hù)。

L3.2提高負(fù)荷預(yù)測(cè)精度的關(guān)鍵

精度是負(fù)荷預(yù)測(cè)的最重要指標(biāo)。提高負(fù)荷預(yù)測(cè)精度的關(guān)鍵，首先

是對(duì)具體電力系統(tǒng)負(fù)荷變化規(guī)律的掌握，其次是選擇合適的模型與算

法。一般來說，負(fù)荷預(yù)測(cè)軟件的使用，要針對(duì)各個(gè)電網(wǎng)負(fù)荷變化特性

不同，有一個(gè)研究與改進(jìn)的過程。要針對(duì)具體電網(wǎng)，總結(jié)出最符合實(shí)

際的負(fù)荷變化規(guī)律，研究負(fù)荷變化模型和選擇算法，形成一套處理歷

史數(shù)據(jù)的程序。

電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)可以看作由三種不同變化趨勢(shì)的負(fù)荷分量組成：

(1)長(zhǎng)期趨勢(shì)分量，是負(fù)荷在較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)某種發(fā)展總趨勢(shì)

分量，即從長(zhǎng)期來看，負(fù)荷數(shù)據(jù)連續(xù)增加(減少)或者平穩(wěn)的趨勢(shì)分量。

(2)周期性趨勢(shì)分量，以天、周或年為周期而發(fā)生的周期性變動(dòng)分

量。

(3)隨機(jī)性分量，反映用戶負(fù)荷的一些偶然性變化，如受氣象條件

的變化而引起的變動(dòng)。這種負(fù)荷分量變化快，沒有確定的規(guī)律。

影響負(fù)荷變化的因素：

負(fù)荷變化模型中，影響負(fù)荷變化的主要有四種因素，即系統(tǒng)負(fù)荷

構(gòu)成情況、負(fù)荷隨時(shí)間變化規(guī)律、氣象變化的影響及負(fù)荷隨機(jī)波動(dòng)狀

況。

(1)系統(tǒng)負(fù)荷構(gòu)成。系統(tǒng)負(fù)荷可分為城市民用負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷、工

'也負(fù)荷、農(nóng)'也負(fù)荷及其他負(fù)荷等類型。不同類型負(fù)荷有不同的變化規(guī)

律，如隨著家用電器的普及，居民負(fù)荷逐年提高、季節(jié)波動(dòng)增大，尤

其空調(diào)在南方普及，使系統(tǒng)峰荷受氣溫影響越來越大；商業(yè)負(fù)荷主要

影響晚尖峰負(fù)荷，且隨季節(jié)變化，工業(yè)負(fù)荷受氣象影響較小，農(nóng)業(yè)負(fù)

荷季節(jié)變化強(qiáng)，且與降水情況關(guān)系密切。一個(gè)地區(qū)往往含有幾種類型

且比例不同的負(fù)荷。

(2)負(fù)荷隨時(shí)間的變化規(guī)律。各類用電負(fù)荷隨時(shí)間的變化規(guī)律各

不相同，由它們構(gòu)成系統(tǒng)負(fù)荷也具有不同的變化規(guī)律。分析二段時(shí)間

的負(fù)荷歷史記錄，可以看出兩種變化規(guī)律第一種是負(fù)荷逐漸增長(zhǎng)的大

趨勢(shì)，第二種是按日、周、月、年為周期的負(fù)荷變化規(guī)律。

(3)氣象對(duì)負(fù)荷的影響。氣象對(duì)負(fù)荷有明顯的影響，冷熱、晴陰、

降水和大風(fēng)都會(huì)引起負(fù)荷的變化，但每個(gè)電網(wǎng)負(fù)荷對(duì)各種氣象因素的

敏感程度是不相同的，這是負(fù)荷預(yù)測(cè)研究的重要內(nèi)容，例如，東北地

區(qū)初冬的一次寒流會(huì)使負(fù)荷由南至北逐次漕加，南方夏季的臺(tái)風(fēng)路解

除各地的悶熱天氣，也使負(fù)荷逐次下降。

(4)負(fù)荷的隨機(jī)波動(dòng)。這是指某些未知的不確定因素引起的負(fù)變

化，隨機(jī)波動(dòng)負(fù)荷大小對(duì)每一電網(wǎng)是不相同的。對(duì)超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)來

說，巨大的軋鋼負(fù)荷屬于隨機(jī)擾動(dòng)。

合理劃分負(fù)荷預(yù)測(cè)模型的區(qū)域：

對(duì)于大型電力系統(tǒng)，負(fù)荷預(yù)測(cè)模型的區(qū)域劃分是非常重要的。例

如，華中電網(wǎng)開始作為一個(gè)總體負(fù)荷預(yù)測(cè)區(qū)進(jìn)行日負(fù)荷預(yù)測(cè)，精度較

低，后來分成四個(gè)負(fù)荷預(yù)測(cè)區(qū)（湖北、河南湖南、江西），分別采用不

同的模型預(yù)測(cè)，再合成華中電網(wǎng)總負(fù)荷，使預(yù)測(cè)精度大為提高。除按

地區(qū)劃分之外，也可以按負(fù)荷類型來劃分，這往往在母線負(fù)荷預(yù)測(cè)的

分層模型中采用，因?yàn)橥活愋拓?fù)荷的周期變化形狀非常一致。

選擇合適的負(fù)荷預(yù)測(cè)算法：

負(fù)荷預(yù)測(cè)模型確定了之后，進(jìn)一步應(yīng)確定采取何種負(fù)荷預(yù)測(cè)算法。

幾十年來，人們把各種可能的算法均在負(fù)荷預(yù)測(cè)上試驗(yàn)過了，如線性

外推法、線性回歸法、時(shí)間序列法、卡爾曼濾波法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、

灰色系統(tǒng)法和專家系統(tǒng)法等。各種算法均有一定的適用場(chǎng)合，也可以

說，沒有一個(gè)“放之四海而皆準(zhǔn)”的算法。實(shí)際上，可以利用某一電

網(wǎng)的歷史數(shù)據(jù)，采取試驗(yàn)比較法選擇對(duì)該電網(wǎng)最有效的算法。而在精

度相近的條件下，則應(yīng)選擇比較簡(jiǎn)單的算法。表1所示為各種類型的

電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)一覽。表中列出了各系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)的周期用途、模

型和一般算法。

表1各種類型的電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)一覽

預(yù)測(cè)類型預(yù)測(cè)周期用途模型算法

①，②，③，

超短期數(shù)分至數(shù)小時(shí)AGC,安全監(jiān)視線性

④

機(jī)組、水電、交換線性X周

短期日.月①,②，④

計(jì)劃期

水庫、檢修、燃料線性X周

中期年、月①,②，④

計(jì)劃期

線性X周

長(zhǎng)期多年發(fā)電、電網(wǎng)規(guī)劃①,②，⑤

期

注：①線性外推法;②時(shí)間序列法;③卡爾曼濾波法；，④人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法；⑤灰色理論

法。

1.3.3負(fù)荷預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)方法

(1)線性回歸法

線性回歸法根據(jù)歷史數(shù)據(jù)及一些影響負(fù)荷變化的因素來預(yù)測(cè)將

來的負(fù)荷值，主要采用多元線性回歸模型建立負(fù)荷與影響因素之間的

關(guān)系，預(yù)測(cè)值可寫為

Y(t)=々ZbiKi(t)(6)

/=0

式中丫⑺一一/時(shí)刻的預(yù)測(cè)負(fù)荷值；

屈⑺一一第i個(gè)影響負(fù)荷變化的因素在/時(shí)刻的取值；

。，6——回歸系數(shù)。

由于影響電力系統(tǒng)負(fù)荷的因素很多，因此實(shí)際負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)根據(jù)

客觀條件適當(dāng)選擇合適的因