基于同步相量测量的电力系统网络拓扑分析方法.pdf
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1、投稿网址:2023 年 第23 卷 第29 期2023,23(29):12567-10科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T引用格式:黄兴德,方陈,魏新迟,等.基于同步相量测量的电力系统网络拓扑分析方法J.科学技术与工程,2023,23(29):12567-12576.Huang Xingde,Fang Chen,Wei Xinchi,et al.Power system network topology analysis based on synchrophasor measurement
2、sJ.ScienceTechnology and Engineering,2023,23(29):12567-12576.基于同步相量测量的电力系统网络拓扑分析方法黄兴德1,2,方陈1,2,魏新迟1,2,刘舒1,2,陆超3,林俊杰4(1.国网上海市电力公司电力科学研究院,上海 200437;2.华东电力试验研究院有限公司,上海 200437;3.清华大学电机工程与应用电子技术系,北京 100086;4.福州大学电气工程与自动化学院,福州 350108)摘 要 现代电力系统对网络拓扑分析的实时性和准确性要求越来越高,相量测量装置广泛地应用于电力系统中。分析了厂站母线之间的关联关系,基于同步相量测
3、量装置获取的实时进出线电压、电流相量数据和基本电路定理,创新性地提出了一种判断厂站内等效节点数以及判断进出线运行状态的方法,由此可以获得全网的拓扑结构。结果表明,所提算法有效地采用了同步相量测量的模拟量信息,能在开关发生变化时快速获取新的网络拓扑。通过不同类型的仿真场景验证了所提方法的准确性和适用性,并且进一步采用实测数据验证说明了所提方法能在实际电网中起到重要作用。关键词 网络拓扑分析;能量管理系统;同步相量测量;节点约束中图法分类号 TM727;文献标志码 A收稿日期:2022-11-09;修订日期:2023-06-30基金项目:国家电网有限公司科技项目(52094021N00G)第一作者
4、:黄兴德(1975),男,汉族,上海人,硕士,高级工程师。研究方向:低碳技术、能源互联网、科技情报。E-mail:。通信作者:林俊杰(1992),男,汉族,福建安溪人,博士,副教授。研究方向:电力系统状态估计和动态潮流、同步相量测量技术。E-mail:linjunjie 。Power System Network Topology Analysis Based on SynchrophasorMeasurementsHUANG Xing-de1,2,FANG Chen1,2,WEI Xin-chi1,2,LIU Shu1,2,LU Chao3,LIN Jun-jie4(1.State Grid
5、 Shanghai Municipal Electric Power Company,Electric Power Research Institute,Shanghai 200437,China;2.East China Electric Power Experimental Research Institute,Shanghai 200437,China;3.Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100086,China;4.College of Electrical Engineering and
6、 Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)Abstract Modern power systems have increasingly high requirements for real-time and accurate network topology analysis,andphasor measurement devices are widely used in power systems.The correlation between plant and station busbars was analyzed.Ameth
7、od for evaluating the number of equivalent nodes and evaluating the running status of lines was proposed,thereby the topologystructure of the entire network was obtained.The results show that the proposed algorithm can effectively use analog information fromsynchronized phasor measurements to quickl
8、y obtain new network topology when the switch changes.The accuracy and applicability ofthe proposed method are verified by different types of simulation scenarios,and the validation using the actual field data shows that theproposed method can play an important role in the actual power grid.Keywords
9、 network topology analysis;energy management system;phasor measurement unit;node constraint 在现代电力系统中,电力系统的网络拓扑分析是电网调度自动化和能量管理系统等高级应用的基础,为潮流计算、故障分析和安全鉴定等众多方面提供电网数据。随着可再生能源的渗透比例不断提升,电网的随机性和波动性越来越强,网络拓扑分析需要具备准确、跟踪和快速的特点。准确的网络拓扑有利于后续系统决策分析,增大供电效益1。近些年来,随着测量设备的高速发展和获取电气量的途径越来越多样化,同步相量测量装置(phasor measurem
10、ent unit,PMU)的引入将有助于解决传统的基于遥信开关量信息的网络拓扑的弊端,传统方式在获取到厂站内的电气量时已经有了数秒的延后,严重影响到网络拓扑的时效性。而使用 PMU 测量到的数据,可以更快速地对厂站进行跟踪拓扑,保证了实时性的同时也提高了准确性。更好利用 PMU 测量数据,加快厂站的投稿网址:12568科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(29)拓扑分析速度,对电力系统实时调度运行有重要的意义。网络拓扑分析一般由两部分组成:第一步是厂站拓扑分析,即根据厂站内断路器和刀闸的状态,将通过零阻抗支路相连的一次设备
11、汇集成计算用节点;第二步是系统网络分析,即将通过阻抗支路相连的计算用节点划分为电气岛2。搜索法3和矩阵法4是基于遥信的拓扑分析的主要方法。经过几十年的研究,基于遥信的拓扑分析取得了很大进展,但仍存在以下几个问题:一是拓扑分析采用的数据源比较单一,只利用遥信的开关量信息;二是遥信的刷新周期为秒级,实时性不够;三是遥信不带时标,同步性较差,可靠性也不够,遥信的开关量一旦出错,可能造成拓扑错误。拓扑错误一般包括如下两种:厂站拓扑错误,即等效节点数目出错或进出线和节点的归属关系出错;支路拓扑错误,即实际停运的支路反映为运行或相反。现有的拓扑错误辨识方法主要包括残差法5、规则法6、新息图法7、最小信息损
12、失(minimum information loss,MIL)法8、人工神经网络(artificial neural network,ANN)法9和潮流转移法10等。残差法辨识拓扑错误易受不良测量数据的影响;规则法制定大规模电网的规则是一个难题,且规则需要随接线方式的变化而更新;新息图法要求上一个断面的信息都正确,条件太强;MIL 法建模较复杂,求解效率不高;ANN 法对复杂电力网络的适应性不高;潮流转移法对辨识厂站拓扑错误无能为力。除此之外,还有通过节点电气数据相关性来进行拓扑修正,但是需要智能电表数据配合11。总体上基于 SCADA 的拓扑错误辨识在实用化方面还需要做很多工作。目前国内电力
13、系统中绝大部分 500 kV 厂站和重要的 220 kV 厂站都已经部署按照了 PMU 装置。PMU 相比 RTU 能够获取同步性更好、刷新频率更快的数据。PMU 不仅可以提供开关量信息,还可以提供开关上的模拟量(电流、功率)以及进出线上的电流/电压量测信息,并且数据刷新周期可达 10 ms,为网络拓扑分析提供了新的数据源。基于 PMU 的网络拓扑分析研究还刚起步,文献12-14将 PMU 量测的电压/电流相量和开关量应用于厂站拓扑分析,但前提是需要正确确定所有进出线与母线间的归属关系,否则后续算法的可靠性将不能保证,同时没有考虑 PMU 模拟量测中存在不良数据的情况。文献15-16 利用PM
14、U 数据进行线路运行状态分析,对发生功率突变的线路,通过构造的母线负荷改变量指标,判断是线路状态变化还是负荷变化,从而达到辨识线路运行状态的目的。文献17-20将厂站 PMU 测量的开关量和模拟量相结合用于拓扑错误辨识,通过将拓扑错误归类为显性和隐性,构建不同的辨识准则,利用开关量和模拟量的冲突来达到辨识拓扑错误的目的。文献21-22利用不同拓扑网络潮流分布的区别,对电压相位变化前后的差异构建函数,得到具有最小差异度的拓扑来实现拓扑识别。总的来看,目前各种分析计算使用的网络拓扑依然是根据遥信数据得到的,现有的基于 PMU 的拓扑分析方法也要使用开关量,需要知道各厂站内部详细的电气连接关系。实现
15、不依靠开关量而只依赖 PMU 模拟量数据的网络拓扑分析还需要做大量的工作。现针对电力系统拓扑分析的问题和需求,通过研究拓扑分析的实质,提出将厂站等效成黑盒子,不用关心厂站内部细节,只需判断等效黑盒子内是等效成 1 个节点或 2 个节点,并决定进出线同节点的归属关系以及确定进出线运行状态的拓扑分析新思路。同时基于同步相量测量的特点,结合网络物理约束定律,给出一套判断厂站等效节点数以及进出线运行状态的方法,在此基础上快速获取电力网络的拓扑结构。1 基于 PMU 的拓扑分析方法1.1 基于模拟量的拓扑分析思路电力系统中各厂站间的线路是固定的,区别在于其状态是“运行”还是“停运”,同时正常运行情况下各
16、厂站 500 kV 电压等级最多只有 2 个母线接入网络(若有旁路母线,则一般在检修或者事故情况下才启用,即使启用旁路母线,其要么和一母或二母连通,要么一母或二母退出运行),若 2 母线连通则厂站等效为 1 个节点,若 2 母线不连通则厂站等效为 2 个节点。若将各厂站用黑盒子来表示,则各黑盒子间的连线是确定的,网络拓扑分析所要做的是将各黑盒子等效成 1 个或者 2 个节点,并决定盒子间的连线同节点的归属关系以及连线的状态。可用图 1 来表示上述拓扑分析思路。有 1 个母线的厂站,其等效的节点数为 1,连线和节点的归属关系也是固定的,只需给出连线的状态信息即可,例如厂站 2,只需给出 L1和
17、L4的运行状态即可;而对于有 2 个母线或者有旁路母线的厂站,则不仅要给出等效节点的数目以及连线和节点投稿网址:2023,23(29)黄兴德,等:基于同步相量测量的电力系统网络拓扑分析方法12569方框表示厂站,方框内的序号 1 6 表示厂站号;用红蓝两色圆点表示节点;用方框之间的连线 L1 L11表示线路,连线为实线表示线路为“运行”状态,虚线表示线路为“停运”状态,连线与哪个节点相连则该连线归属于该节点;同一个厂站中红色圆点表示一个节点,蓝色圆点表示另一个节点;为了图示方便,将同一节点分裂成几个圆点表示图 1 基于 PMU 的网络拓扑分析策略Fig.1 Network topology a
18、nalysis strategy based on PMU的归属关系,还要给出连线的状态信息,例如厂站5,需要给出等效为 2 个节点,且 L4和 L9归属于一个节点,L6、L7、L10和 L11归属于另一个节点,同时还得给出这 6 条进出线的运行状态。各厂站将各自的结果信息上传给调度中心,由调度中心快速得到网络拓扑分析结果。因此,网络拓扑分析的关键是根据各种信息将各厂站等效为 1 个或 2 个节点,并决定厂站的进出线同这些节点的归属关系以及进出线的状态(“运行”或“停运”)。1.2 拓扑分析方法根据基尔霍夫电流定律(Kirchhoffs currentlaw,KCL),当一个厂站全部进出线的电
19、流量测中无不良数据时,有以下规则成立。规则 1全部进出线电流之和应为 0 A。实际中考虑到量测误差和厂站用电,其绝对值应小于某个接近 0 的阈值 1。规则 2若厂站等效为 2 个节点(不妨用节点 A 和节点 B 来表示),则归属于节点 A 的进出线的电流之和应为 0 A,实际中考虑到量测误差,其绝对值应小于某个接近 0 的阈值 2;余下的进出线归属于节点 B,且其电流之和也应为 0 A,实际中考虑到量测误差,其绝对值应小于某个接近0 的阈值 3。规则 3 归属于节点 A 的全部进出线的电压应相等,实际中考虑到量测误差,其幅值极差应小于某个接近 0 的阈值 4,相角极差应小于某个接近 0的阈值
20、5;归属于节点 B 的全部进出线的电压也应相等,实际中考虑到量测误差,其幅值极差应小于某个接近 0 的阈值 6,相角极差应小于某个接近 0的阈值 5。以上规则可以用来判断厂站的等效节点数是 1个还是 2 个,以及进出线同节点的归属关系。而对于进出线运行状态的判断,可以基于以下规则:规则 4 若进出线上的电流幅值大于某个无流阈值 8,则线路状态为“运行”,否则为“停运”。上述规则可以用以下的数学语言来描述:将某个厂站全部进出线电流表示为 IL=IL1,IL2,ILn,电压表示为 UL=UL1,UL2,ULn,其中,n表示进出线总数目,a,b,c,1,分别表示A 相、B 相、C 相和正序。则根据上
21、述规则,当进出线电流量测中不存在不良数据时,应满足关系式为IL 1(1)此时若存在 IL的两个互斥的非空子集 I1L和I2L,满足 I1L I2L=IL,且有I1L 2rangeU1L 4rangeU1L 5(2)I2L 3rangeU2L 6rangeU2L 7(3)则该厂站可以等效为 2 个节点,且属于集合I1L的进出线归属于节点 A,属于集合 I2L的进出线归属于节点 B。其中,U1L和U1L表示归属于节点 A 的进出线的电压幅值和相角;U2L和U2L表示归属于节点 B 的进出线的电压幅值和相角;range()表示极差,即最大值和最小值之差。阈值 1 7可以根据 PMU 量测误差来确定,
22、假设各个测量都是独立正态分布,则根据独立分布的叠加性,可以确定阈值的选取原则如下。1=k1imnmaxIn(4)2=k2imn1maxI1n1(5)3=k3imn2maxI2n2(6)4=k4umn1maxU1n1(7)5=k5uan5(8)6=k6umn2maxU2n2(9)7=k7uan7(10)式中:k1 k7为可靠系数,一般取大于 1 的值;n、n1投稿网址:12570科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(29)和 n2分别为集合 IL、I1L和 I2L中进出线的数目;im、um和 ua分别为 PMU 电流幅值、电
23、压幅值和电压相角的量测误差,可根据各厂站 PMU 量测的精度来选取。阈值 8表示无电流阈值,即当电流大于该阈值时,即认为该线路状态为“运行”,一般取为线路额定电流的某个小的百分比,例如 2%,即8=2%IN(11)式(11)中:IN为线路的额定电流。有些情况下的厂站,受电压传感器安装部署位置影响,PMU 装置只测量母线电压相量而没有测量进出线电压相量,此时在规则 3 用母线电压替代进出线电压进行分析即可。上述基于 PMU 的拓扑分析方法可以用图 2 所示的流程图来表示。算法的主要计算量是搜索某个和接近 0 的矢量中是否存在两个元素和接近 0 的子集。由于厂站的进出线数目最多在 20 条左右,因
24、此算法的计算量是极小的。图 2 基于 PMU 的网络拓扑分析流程图Fig.2 Flow chart of network topology analysis based on PMU上述拓扑分析方法不需要知道各厂站具体的接线图,也不需要知道厂站内各开关的状态,因此可以不受采集的开关量正确与否的影响,可以避免基于遥信的拓扑分析中由于采集的开关量信息出错造成的拓扑错误,为快速准确获取电力系统的网络拓扑结构提供了新的思路和方法。2 仿真测试2.1 仿真测试运用 PSCAD 仿真软件搭建了如图 3 所示的由5 个 500 kV 厂站构成的简单电力系统网络模型用于开展仿真测试。这个网络模型包含了 3 个
25、带母线断路器的双母线接线、一个单母分段接线和一个一台半断路器接线的电气主接线形式。其中两台发电机位于不同厂站,设置其注入功率为 1 000 MVA,且内阻抗不为 0,所有母线的电压等级都为 500 kV,系统中的负载是恒功率负载:SL=1 000+j500。为了能够接近 PMU 实际测量的效果,算例中均采集三相电压电流中的 A 相,通过 PSCAD 中的 FFT模块进行变换后,得到电压电流的幅值与相角,并且添加独立高斯分布的测量误差,进而形成模拟PMU 所测量的电压电流相量,用于所提算法的拓扑分析。在考虑到一台半断路器接线是 500 kV 中常见且复杂的接线形式,因此从图 3 中调取 Bus3
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