主動配電網狀態估計技術

主動配電網狀態估計技術是指根據配電系統量測信息並補充母線負荷預測、非遙感遙測數據等偽量測數據，採用合適的算法來估計出高精度的、完整的、可靠的配電系統狀態。

在配電網狀態估計中，可以選取不同物理量作為系統待求的狀態變數，包括節點電壓、支路電流和支路功率。

基本介紹

• 中文名：主動配電網狀態估計技術
• 外文名：State Estimation Technique of Active Distribution Network
• 學科：電能質量分析與控制
• 用途：估算主動配電網狀態
• 未來發展：三相區間狀態估計等
• 現狀：研究集中在新型偽量測的合理建模

背景

積極發展可再生能源發電併網技術、電動汽車(EV)入網技術等是國內調整能源結構、應對氣候變化、轉變經濟發展方式和實現可持續發展的戰略選擇。另一方面，電力需求的持續增長以及電力市場的開放正驅動電網朝著可持續方向發展，其特徵表現為風力發電、光伏發電等分散式電源(DG)，EV、儲能系統(ESS)等可控負荷以及大量智慧型終端裝置的規模化接入與套用，電力系統尤其是配電網的運行與控制方式日趨複雜。

未來高滲透率DG及主動負荷的接入導致配電網將產生雙向功率流，負荷和電源將具有雙重不確定性，客戶將具有消費者和生產者的雙重身份，傳統配電網的運行與控制模式已無法適應新的發展需求。在這種背景下，主動配電網的概念應運而生，其旨在針對配電網接入的大規模DG、主動負荷以及大量智慧型終端裝置，輔助以靈活有效的協調控制技術和管理手段，使得配電網具備一定的主動調節、最佳化內部負荷的能力。與此同時，配電網狀態估計技術有望能夠進一步快速、準確地感知系統的實時運行狀態，為DG出力和主動負荷分配技術、主動配電網有功/無功協調最佳化技術以及主動配電網自愈技術等提供可靠數據。

配電網狀態估計技術近30年的發展使其理論研究取得了顯著成果，但在實際工程套用方面尚且還處於起步階段。近幾年隨著配電網自動化水平和量測水平的不斷提高，加之各種新理論和新技術的不斷湧現，都為中低壓配電網狀態估計程式的線上套用提供了有利條件。然而，在主動配電網背景下，特別是隨著高級量測體系的不斷普及，電力調度部門採集到的數據日趨呈指數型增長，且海量數據處理的過程又易受用戶隨機需求回響、客戶多樣化需求、應急減災等因素的影響，傳統配電網狀態估計技術不管是在計算速度與效率方面，還是在估計結果的精度要求方面均難以滿足主動配電網的發展需求。因此，進一步加快構建適合主動配電網最佳化運行與控制的新型狀態估計體系，意義重大。

傳統配電網與主動配電網

在傳統配電網結構中，電力流一般由上端變電站單一流向各個負荷節點，這種單向輻射狀供電結構普遍比較薄弱，而且線路損耗較高，運行可靠性較低，在初期的規劃設計階段以及長期的運行管理過程中均未考慮高滲透率新能源的高效利用。但隨著光伏、風電等DG接入量的不斷增加以及EV、新型ESS等可控負荷的持續增多將會進一步造成配電網的局部電壓越限、短路電流增大、供電可靠性降低、電能質量惡化等問題，現有的配電網架構顯然已經很難滿足用戶在低碳經濟背景下對優質電能質量以及高效供電可靠性的需求。為了更好地解決這些問題，傳統配電網已從被動運行模式逐步轉變為主動運行模式。CelliG等人於2008年在國際大電網會議上首次提出的主動配電網的概念，可以有效地解決傳統配電網存在的各種問題。圖所示為傳統配電網與主動配電網的結構示意圖。

主動配電網狀態估計研究現狀

主動配電網狀態估計研究現狀當前，基於傳統配電網狀態估計紮實的研究基礎，國內外對主動配電網狀態估計技術已開展相應研究工作，重點主要集中在主動配電網中新型偽量測的合理建模、狀態估計算法的高效改進以及量測裝置的最佳化、魯棒配置等方面。

新型偽量測物理量的合理建模與分析

在缺少足夠的實時量測裝置情況下要想獲得全網的可觀測，就必須對主動配電網中眾多類型的DG和負荷向系統注入的功率進行合理建模，並以新型偽量測量的形式添加到狀態估計模型中。

目前國內外在這方面開展的研究主要集中在不同類型DG併網機理的詳細分析與建模以及主動配電網節點注入功率不確定性的建模與分析等方面，其研究成果都能夠取得較為滿意的結果。

傳統配電網狀態估計算法的高效改進措施

基於WLS算法的傳統配電網狀態估計誤差採用信息矩陣求逆的方法，物理意義不明確，且難以分析各類型量測的作用，不易於對未來主動配電網的規劃和運行提供有效的指導。另外，隨著配電網網路拓撲結構的日趨複雜，大量同步相量測量單元(PMU)、微型PMU 及智慧型電錶(SM)等裝置的規模化接入與套用，使得主動配電網狀態估計需要處理海量的數據流信息，基於WLS算法的傳統配電網狀態估計在求解速度、數值穩定性方面都難以滿足要求。

因此，對傳統配電網狀態估計算法進行高效的改進，意義重大。當前在這方面的研究主要集中於狀態估計誤差表示方法的有效改進措施、大規模主動配電網狀態估計算法的高速求解策略以及主動配電網三相線性狀態估計算法的研究等。

主動配電網量測系統的最佳化與魯棒配置

配電網的量測系統主要是為狀態估計或者態勢感知技術完成多元數據的採集與上傳，其作用不言而喻。然而，主動配電網規模龐大，量測裝置數量有限，試圖通過在網路中儘可能大面積地安裝量測裝置從而確保全網狀態估計精度的手段，不但不具備主動配電網運行的經濟性能和現實意義，反而極有可能會使得網路中某些物理量被重複多次地進行量測，造成資源的極大浪費。

因此，如何利用現實網路中有限的量測裝置來實現量測裝置的最佳化配置和規劃，兼顧主動配電網的實際運行情況，並加以考慮狀態估計的精度、網路的可觀性、運行與控制的經濟性和魯棒性等多重影響因素，意義重大。目前針對該問題開展的研究已取得一系列重大進展，主要包括考慮偽量測不確定性的主動配電網狀態估計及其量測裝置的最佳化配置以及考慮外部因素易造成狀態估計精度下降情況下的主動配電網量測裝置魯棒配置等方面。此外，綜合考慮網路中傳統量測設備與PMU 和微型PMU等新型量測的混合配置方法也已經引起國內外學者的關注。

未來主動配電網狀態估計的關注重點

主動配電網狀態估計技術已經開展了一系列有針對性的研究工作，但未來大規模EV 和ESS的隨機充/放電、高滲透率DG的間歇性發電併網以及智慧型量測裝置的量測誤差等會使得主動配電網狀態估計結果需要考慮更多的不確定因素。基於上述考慮，未來主動配電網狀態估計技術進一步發展還應重點關注以下幾個方面。

計及不確定性的主動配電網三相區間狀態估計

國內外已開始針對含DG注入功率不確定性的主動配電網狀態估計進行有效的分析與研究，但其研究成果中不乏還存在眾多細節值得今後進一步研究與拓展：

①受限於輸電網中狀態估計的思維，大多數主動配電網狀態估計模型均是基於單相對稱型網路結構而建立，與實際網路結構情況不太相符；

②基於機率統計分布和模糊理論的主動配電網狀態估計必須預先獲取各DG 注入功率的先驗PDF或隸屬度函式，易導致求解的時間複雜性變大，且在實際工程中，要想提前獲知DG 出力的PDF 或隸屬度函式，難度較大；

③大多數文獻僅僅是考慮了傳統的光伏發電、風力發電等DG出力的不確定性，尚且還沒有文獻考慮到主動配電網中一類重要的負荷———EV 和ESS充/放電的不確定性建模與分析。

利用區間算術對工程中不確定變數進行建模分析是當前一個研究熱點，已有研究表明，相比於機率潮流以及模糊潮流而言，用區間方法來描述配電網潮流計算模型中的不確定性問題，無須獲得參數的具體機率分布，只需關注各不確定變數的上下界信息即可，故其工程套用價值更大。關於區間狀態估計，在輸電網中已有零星的研究。

因此，可以借鑑此類思想，將某一時間斷面上網路中常規負荷的功率需求、不同類型的DG 出力以及EV 充/放電等物理量的不確定性統一用區間數表示，如此可以摒棄傳統的基於WLS狀態估計模型框架中模糊的量測誤差表述方法，將系統量測不確定性用區間數的形式予以定量描述，建立精細化的主動配電網三相區間狀態估計統一模型和算法。

此外，為了改善最終區間狀態量估計結果的合理性(即區間結果的保守性問題)，一方面可以採取更高精度的偽量測區間建模方法，對光伏、風電等發電系統的出力情況以及EV、儲能等新型負荷的功率需求進行精準的預測，從數據輸入方面提高區間狀態估計模型及其最終估計結果的合理性；

含不確定注入的區間狀態估計模型可為調度人員提供更加直觀的某一時間斷面上系統狀態量的上下界信息，以便能夠為主動配電網有功/無功最佳化、網路重構等高級套用軟體提供系統狀態“界”的約束。

大規模狀態估計模型的分散式並行求解策略

一方面，由於主動配電網自身網路規模較大、三相不對稱等特徵，未來高滲透率DG 以及EV 的接入更是進一步增大了系統中狀態變數的維度，另一方面，大量的饋線終端單元及其他感測設備將產生海量的數據信息流，這將直接導致傳統的集中式狀態估計方法在計算速度方面面臨嚴峻挑戰。因此，研究基於網路稀疏特性的主動配電網最優分區算法，將整個配電網解耦為若干高內聚低耦合的區域，在此基礎上研究主動配電網狀態估計的分散式並行計算技術，對考慮網路注入功率不確定性的主動配電網三相狀態估計模型進行加速求解，進一步提高主動配電網狀態估計的線上實時性，意義重大。

這部分研究內容可以大致分為以下幾個步驟。

（1）基於複雜網路稀疏特性的主動配電網最優分區研究：雖然主動配電網自身的網路規模較大、三相不對稱，但是其網路具備稀疏特性，因此可以藉助輸電網中基於圖論的方法對其進行最優分區，將主動配電網的節點、配電線路、分散式電源等抽象到圖論中的節點、邊界、權等，建立主動配電網最優分區模型，從而將主動配電網分成若干高內聚低耦合的分區。

（2）對各個子區域進行本地狀態估計計算(包括疊代計算)，並對有交叉節點或共同邊界的不同子區域之間進行信息和數據的互動。

（3）當不同子區域之間互動信息滿足疊代收斂要求後，輸出各個子區域的狀態估計計算結果，從而實現全網的狀態估計。

基於圖論分析及分散式並行計算的大規模主動配電網三相分散式狀態估計算法大體技術路線如圖所示。

基於大數據分析的主動配電網狀態估計

主動配電網建設的不斷推進將會促使越來越多的智慧型感測設備安裝投入使用，一方面可使系統調度中心能夠對更大範圍的網路進行高清晰和高密度的觀測，另外也將使主動配電網狀態估計程式獲取到史無前例的超大量數據，並且包含海量的多源不良數據，如何充分利用這些數據對全網的運行狀態進行有效、精準的分析，將會是一個全新的挑戰。

下一步工作可以藉助於先進的大數據分析手段和方法(如基於雲計算技術、多維數據分析與融合技術、基於並行化計算模型與記憶體並行化計算框架技術等)搭建電力大數據分析處理與存儲平台，對採集到的各種海量信息進行深入的數據挖掘，包括對實時數據採集與監控系統數據、動態PMU和微型PMU 數據、計畫數據、用戶側智慧型感測設備監控數據、網架參數、網路拓撲信息等結構化數據及EV 車主出行計畫(用戶行為分析)、外部環境數據(如風速、太陽輻射值等)等非結構化數據的統一抓取、過濾和整合，在實現多源不良數據的辨識與處理基礎上，最大化提取出主動配電網狀態估計程式所需的有效信息，從而進一步提升主動配電網整體的狀態感知能力。基於大數據分析的主動配電網狀態

估計研究方案大致分以下幾個步驟。

（1）採用數據聚類和分類等手段對網路中多類型感測設備上傳的原始量測數據進行篩選和預處理，以減少數據的存儲，結合網路參數生成狀態估計程式所需的初始特徵量矩陣。

（2）採用大數據分析中的數據融合手段在多維時空上將多個不同電氣特徵量構建的單時段、單電氣特徵量的狀態估計特徵矩陣融合成一個多時間序列、多電氣特徵量的狀態估計特徵矩陣，這一環節也是當前大數據思想能否具體套用於工程實踐的技術瓶頸。

（3）採用多時間尺度分析方法對高維時空狀態估計特徵矩陣進行處理，將高維數據在低維空間中進行數據的有效處理，在此基礎上進行多源不良數據的檢測以及主動配電網運行狀態的線上估計。

結論

主動配電網是支撐需求側回響管理、承載大規模可再生能源電力分配的重要平台，是推動未來大電網建設、解決能源危機的關鍵環節。與此同時，傳統配電網狀態估計技術有望進一步升級換代，為主動配電網其他高級套用軟體奠定理論基礎。

近幾年關於主動配電網狀態估計已開展了較豐富的研究工作，今後可在前期基礎上繼續開展主動配電網三相區間狀態估計、主動配電網分散式狀態估計、基於大數據分析的主動配電網狀態估計等方面研究，以期加快實現主動配電網狀態估計技術的線上套用。