状态估计3

XiHuaUniversity主要内容一、PMU及动态监测系统的技术背景二、同步相量测量基本原理三、同步相量测量装置的功能及作用四、基于PMU的电力系统状态估计五、不良数据的辨识XiHuaUniversity第一节PMU及动态监测系统的技术背景XiHuaUniversityWAMS与PMUWAMS(WideAreaMeasurementSystem)广域测量系统连续监视电网运行性能，异常的频率，低频振荡，扰动期间和扰动后的动态特性。给调度人员提供高质量的信息和分析工具，探测电网将要发生的紧急情况并降低电网事故。PMU(PhasorMeasurementUnit)同步相量测量系统用于电力系统同步相量测量和输出以及动态过程的记录。PMU和GPS、高速通信网络、子站和主站分析系统共同构成WAMS，实现了区域以及跨区域大电网的动态过程监测和分析。XiHuaUniversityWAMS与PMUWAMS系统由调度端的主站和厂站端的子站PMU装置构成，是电网动态安全检测预警系统的重要组成部分。电力系统相量测量技术就是在高精度的时钟同步下，电网各厂站端的PMU实时地测量电压和电流的相量，并实时地传送到调度端的WAMS主站，经计算分析后提供电网的相量信息，解决现有系统不能直接测量相角的缺陷；监测电网的实时动态特性，填补运行人员不能监测系统动态过程的空白。目前的电力系统通常都建立了用于测量和监视系统稳态运行的EMS系统和测量电磁暂态过程的故障录波系统。EMS系统侧重于监测系统稳态运行，测量周期通常是秒级，而且不带时标，不同地点之间缺乏准确的共同时间标记XiHuaUniversity动态监测技术出现的背景传统的电力系统监测手段:记录电磁暂态过程的各种故障录波仪监测系统稳态运行情况的SCADA系统但都存在不足:传统的故障录波器只能记录故障前后几秒的暂态波形由于数据量大，难以全天候保存不同地点之间缺乏准确的共同时间标记，记录数据只是局部有效，难以用于对全系统动态行为的分析XiHuaUniversity广域同步相量测量技术的发展历史1988年前后，美国VirginiaUniversity的A.GPhadke为代表学者提出同步相量测量算法，并开发了最早的同步相量测量装置。XiHuaUniversityV.T与美国Microdyne合作开发了第一台工业用PMU,MODEL1690。XiHuaUniversity美国邦纳维尔电力局(BPA)采用MODEL1690，组建了最早的WAMSKennethMartinXiHuaUniversity广域同步相量测量技术在中国的发展（2000年以前）1993GPS进入中国电力系统19941995清华大学华北电力大学河海大学199619971998相量测量算法ADX3000引入中国ADX3000南方电网ADX3000华东电网黑龙江试验系统19992000WAMS应用理论研究WAMSXiHuaUniversity引进台湾欧华的ADX3000XiHuaUniversity黑龙江东部电网PMU系统XiHuaUniversity2001200220032004国外WAMS研究国内WAMS研究美国8.14事故2005200620072008中国10.29振荡7.1事故中国11.07振荡XiHuaUniversity第二节同步相量测量基本原理XiHuaUniversity相量概念正弦信号采用向量表示：X=Ｘejφ＝Xcosφ+jXsinφ相量由两部分组成，即幅值X（有效值）和相位φ，用直角坐标则表示为实部和虚部。所以相量测量就必须同时测量幅值和相位。幅值可以用交流电压电流表测量；而相位的大小取决于时间参考点，同一个信号在不同的时间参考点下，其相角值是不同的。所以，在进行系统相量测量时，必须有一个统一的时间参考点。2sinxtXtXiHuaUniversity电力系统同步相量利用GPS的秒脉冲作为统一的时间参考点，测得输电线两端的电压相量为两地相角差δ实际上是指在同一时刻两个节点正序电压的相角差，它是系统运行的重要状态变量之一。利用这个角度，可以得知两端电力潮流的方向与大小；相角差的大小也反映了静稳裕度的大小，它的周期变化就表明系统发生了功率振荡。对相角的实时监测能使调度员及时采取措施，以维持系统的稳定运行。犹如系统的“状态示波器”，为调度员对系统状态的准确判断提供及时而有力的依据。XiHuaUniversity第三节同步相量测量装置的功能及作用XiHuaUniversity基本系统功能卫星GPSXiHuaUniversity1、装置同时向主站传送实时监测数据。2、装置接受多个主站的召唤命令，传送部分或全部测量通道的实时监测数据。一、实时监测功能二、实时记录功能1、装置能实时记录全部测量通道的相量数据。2、装置实时记录数据的保存时间应不少于14天。3、当电力系统发生频率越限、频率变化率越限、相电压越限、正序电压越限、相电流越限、正序电流越限、线路低频振荡、相角差越限等事件时，装置应能建立事件标识，以方便用户获取事件发生时段的实时记录数据。4、当装置监测到继电保护或安全自动装置跳闸输出信号或接到手动记录命令时应建立事件标识，以方便用户获取对应时段的实时记录数据。XiHuaUniversity1）进行快速的故障分析在PMU系统实施以前，对广域范围内的故障事故分析，由于不同地区的时标问题，进行故障分析时，迅速地寻找故障点分析事故原因比较困难，需要投入较大的人力物力。通过PMU实时记录的带有精确时标的波形数据对事故的分析提供有力的保障。同时通过其实时信息，可实现在线判断电网中发生的各种故障以及复杂故障的起源和发展过程，辅助调度员处理故障；给出引起大量报警的根本原因，实现智能告警。主要应用XiHuaUniversity2）捕捉电网的低频振荡电网的低频振荡的捕捉是PMU装置的一个重要功能。通过传统的SCADA系统分析低频振荡，由于其数据通讯的刷新速度为秒级，不能够很可靠的判断出系统的振荡情况。基于PMU高速实时通讯（每秒可高达100HZ数据）可较快地获取系统运行信息。3）实时测量发电机功角信息发电机功角是发电机转子内电势与定子端电压或电网参考点母线电压正序相量之间的夹角，是表征电力系统安全稳定运行的重要状态变量之一，是电网扰动、振荡和失稳轨迹的重要记录数据。XiHuaUniversity4）分析发电机组的动态特性及安全峪度分析通过PMU装置高速采集的发电机组励磁电压、励磁电流、气门开度信号、AGC控制信号、PSS控制信号等，可分析出发电机组的动态调频特性，进行发电机的安全峪度分析，为分析发电机的动态过程提供依据。监测发电机进相、欠励、过励等运行工况，异常时报警。绘制发电机运行极限图，根据实时测量数据确定发电机的运行点，实时计算发电机运行裕度，在异常运行时告警。XiHuaUniversity同步相量测量(1)测量线路三相电压、三相电流、开关量，计算获得：a.A相电压同步相量Ua/Фua;b.B相电压同步相量Ub/Фub；c.C相电压同步相量Uc/Фuc；d.正序电压同步相量U1/Фu1；e.A相电流同步相量Ia/Фia；f.B相电流同步相量Ib/Фib；g.C相电流同步相量Ic/Фic；h.正序电流同步相量I1/Фi1；i.开关量XiHuaUniversity(2)测量发电机机端三相电压、三相电流、开关量、转轴键相信号、励磁信号、气门开度信号、AGC、AVC、PSS等信号。a.机端A相电压同步相量Ua/Фua;b.机端B相电压同步相量Ub/Фub；c.机端C相电压同步相量Uc/Фuc；d.机端正序电压同步相量U1/Фu1；e.机端A相电流同步相量Ia/Фia；f.机端B相电流同步相量Ib/Фib；g.机端C相电流同步相量Ic/Фic；h.机端正序电流同步相量I1/Фi1；i.内电势同步相量ε/Ф(ε);j.发电机功角δ；k.开关量XiHuaUniversity(3)同步测量励磁电流／励磁电压，用于分析机组的励磁特性(4)同步AGC控制信号，用于分析AGC控制响应特性(5)获取高精度的时间信号XiHuaUniversity时钟模块交流电流／电压以太网输出主CPU＋DSP板上时钟外部GPS内部GPS电缆1PPS光纤1PPS开关量信号显示／键盘PMU测量硬件发电机转轴信号4-20mA信号XiHuaUniversityPMU的硬件结构框图GPS接收模块同步信号发生器微处理器通讯模块A/D转换器电压、电流互感器低通滤波器交流输入频率跟踪器存储器单元XiHuaUniversityPMU测量软件模拟量采集开关量采集4-20mA采集发电机内电势采集GPS信号处理相量计算及转换扰动录波通信模块控制输出XiHuaUniversity基于PMU的电力系统状态估计第四节将PMU装置测量得到的相角量测量与常规的有功和无功潮流以及节点注入量测量一起用于状态估计，可以改善状态估计的性能。传统的状态估计是根据各个厂(站)的遥测量以及当前运行电网的拓扑结构,利用非线性迭代的方法来求得电力系统的状态量(主要是母线电压相量)。然而,其缺点是:计算时间长,实时性差;在某些电网结构下迭代不易收敛甚至产生较大误差。基于相量测量的状态估计是一个线性估计,它的计算速度快,能做到实时运行。XiHuaUniversityXiHuaUniversity等值电路：支路电流向量：设有N个母线节点和B条支路的等值电力网,在L母线节点上装有相角测量装置。测得PMU电压相量测量为z。,电流相量测量为,则线性测量方程为:上式中；分别为PMU节点和非PMU节点的电压相量，I表示LXL阶单位阵;为有节点相连支路对应的串联和并联导纳构成的块矩阵;为电压相量量测和电流相量量测对应的量测误差。根据电力网络理论可以推导出由最小二乘可知线性状态估计这种线性估计模型不用迭代，运行周期短，收敛性好。线性估计模型的应用前提是系统基于PMU可观，这在短期内很难实现XiHuaUniversity非线性状态估计模型是在保留SCADA量测的基础上增加PMU量测,在利用PMU量测来改善状态估计性能的同时,也充分利用了SCADA量测以确保状态估计的可靠性。由于测量方程非线性,状态估计方程仍需迭代求解。(l)直接将PMU的节点电压相量量测作为状态真值这种方式的突出特点是计算速度非常快。不需要修改原有状态估计程序,只需确定哪些节点有PMU测量值、哪些没有便可以计算;缺点是数据精度偏低(2)增加PMU节点电压相量量测方程将PMU节点电压相量量测方程加入传统状态估计算法中,并利用PMU测量精度高的特点给测录数据以较大的权重,能够有效提高状态估计结果的精度非线性状态估计XiHuaUniversity(3)利用PMU节点电压相量构造相应修正方程式将PMU电压相量量测进行适当变换,变换为其他量测（如功率量测)再代人传统状态估计方法中一起迭代求解（4）利用PMU的电压量测和电流量测计算相关支路的等值功率量测及量测误差,如下式所示，然后代入传统状态估计算法进行计算XiHuaUniversity混合非线性状态估计m维量测量z与n维状态量x之间的量测方程为：目标函数：状态估计的迭代修正公式：其中，HTR-1H称为n×n维信息（增益）矩阵，其逆阵对角元通常可以用来衡量状态估计的精度。ΔUΔθUQθQUPθPΔQΔPΔUΔUmXiHuaUniversity把SCADA量测转化为PMU相量伪量测补足线性可观性实现线性状态估计在混合状态估计领域，一直有两大类方法把PMU量测转化为SCADA伪量测或PMU节点电压伪量测，增加SCADA量测冗余度实现非线性状态估计保留保留PMU，线性量测，有限IucmIcIUvvUUYYIZZIm0SCADA，非线性量测，丰富vxhz)(混合非线性状态估计XiHuaUniversity直接利用PMU的节点电压相量量测，与经过必要坐标转换的PMU支路电流相量量测，以及原SCADA