基于线路温度动态变化实现电网状态估计的方法及装置

技术领域

本发明属于电网状态估计技术领域，具体涉及一种基于线路温度动态变化 实现电网状态估计的方法及装置。

背景技术

随着用电负荷高速攀升，电网运行越来越接近稳定极限。为了准确进行电网实 时调度，防止出现局部故障造成电网大面积崩溃，进行电网精确状态估计至关重要。 目前，影响电网状态估计精度的主要因素有量测装置的精度和电网模型的准确性两 类。因此，从上述两类影响因素入手，降低量测装置和网络模型误差，才能提高电 网状态估计精度。

目前电网调度系统和在线应用中对输电线路的建模仍然较为简单，往往将线路阻抗和导纳参数设为定值，忽略了线路潮流和环境因素对线路参数的影响。相关研 究表明，受线路运行条件和环境因素影响，线路参数可能偏离其额定值达30％以上。 因此，对输电线路进行准确建模，将成为提高电网状态估计精度的关键。

在一定的温度区间内，输电线路电阻与温度大致呈线性相关关系。因此，利用 线路热平衡方程，通过实时测量线路电气量和气象数据，在线计算线路温度，修正 线路参数，就能够提高电网状态估计的准确度。现有方法无需安装测温装置，大幅 节省投资，经济性能显著提高，但是以下缺点：

由于需要获取气温、风速、风向等气象数据，数据量显著增加；而且为了避免 电气量测代数方程和线路热平衡微分方程交替计算带来的“交接误差”，现有方法 假设线路温度处于恒定状态，故而将线路热平衡微分方程简化为代数方程，从而省 略了电气量测代数方程和线路热平衡微分方程的联立求解过程。然而，由于气象条 件随时变化，突发事件、异常天气更加剧了其变化幅度，导致线路温度无时无刻不 在变化之中，因此上述线路温度处于恒定状态的假设在实际中显然不成立；而且， 如果需要在短时间尺度内计算线路温度，则忽略上述线路温度的动态变化过程将会 导致线路温度剧烈波动，显然不符合电网实际运行情况。

此为现有技术的不足，因此，针对现有技术中的上述缺陷，提供一种基于线路 温度动态变化实现电网状态估计的方法及装置，是非常有必要的。

发明内容

针对现有技术的上述假设线路温度处于恒定状态对电网状态进行估计，不 符合电网实际运行情况的缺陷，本发明提供一种基于线路温度动态变化实现电 网状态估计的方法及装置，以解决上述技术问题。

第一方面，本发明提供一种基于线路温度动态变化实现电网状态估计的方 法，包括如下步骤：

S1.获取电网节点间拓扑关系、节点间各输电线路的电气参数和线路材料参 数；

S2.采集电网全网的实时电气量测量数据以及各输电线路所在位置处的气 象量测量数据；

S3.以电网节点电压幅值和相角为状态量参数，建立电气量测量方程，并通 过加权最小二乘法，以及依据采集的电网全网的实时电气量测量数据，建立目 标函数计算状态量参数的估计值；

S4.根据状态量参数的估计值计算各线路实时电流，再根据各线路的实时电 流以及气象量测量数据计算单位长度输电线上的各类型热量；依据热量平衡建 立输电线上各类型热量的热平衡微分方程，再将热平衡微分方程进行差分化， 并利用迭代计算，得到各输电线路的温度估计值；

S5.根据各输电线路的温度估计值修正各输电线路的电气参数，返回步骤S2。

进一步地，步骤S1中节点间输电线路的电气参数包括电阻R、电抗X、电 纳B、线路长度l以及线路额定电压等级U

进一步地，步骤S2中电气量测量数据包括节点电压幅值、节点注入功率以 及与节点相连的全部输电线路的潮流数据；

所述节点注入功率包括节点有功注入功率和节点无功注入功率；

与节点相连的全部输电线路的潮流数据包括有功潮流和无功潮流；

输电线路所在位置处的气象量测量数据包括实时环境温度T

进一步地，步骤S3具体步骤如下：

S31.以电网节点电压幅值和相角为状态量参数，建立节点电压幅值、节点 注入功率以及与节点相连的全部输电线路的潮流数据的量测方程；

S32.根据建立的量测方程及最小二乘法建立目标函数；

S33.根据目标函数建立状态量的迭代公式，根据状态估计是否收敛设置迭 代次数，获得迭代后的状态量参数的值。

进一步地，步骤S4具体步骤如下：

S41.根据状态量参数的估计值以及线路电流公式计算各线路实时电流；

S42.根据各线路的实时电流以及气象量测量数据计算单位长度输电线上的 太阳辐射吸热量、对流换热量和辐射散热量；

S43.依据热量平衡建立输电线上各类型热量的热平衡微分方程，再将各线 路热平衡微分方程转化为各线路热平衡差分方程；

S44.为各线路温度赋初始值，通过迭代算法计算线路温度中间值，再计算 线路温度估计值；

S45.根据线路温度中间值及线路温度估计值判断线路温度差值是否大于收 敛阈值；

若是，进入步骤S5；

若否，返回步骤S44。

进一步地，步骤S5具体步骤如下：

S51.通过各输电线路的温度估计值修正对应输电线路的电阻及导纳；

S52.将修正后的各输电线路的电阻和导纳同步到全电网的电阻及导纳参数 矩阵；

S53.判断设定模拟时长是否达到；

若是，结束；

若否，返回步骤S2。

第二方面，本发明提供一种基于线路温度动态变化实现电网状态估计的装 置，包括：

输电线路参数获取模块，用于获取电网节点间拓扑关系、节点间各输电线 路的电气参数和线路材料参数；

输电线路实时数据采集模块，用于采集电网全网的实时电气量测量数据以 及各输电线路所在位置处的气象量测量数据；

状态量参数估计值计算模块，用于以电网节点电压幅值和相角为状态量参 数，建立电气量测量方程，并通过加权最小二乘法，以及依据采集的电网全网 的实时电气量测量数据，建立目标函数计算状态量参数的估计值；

温度估计值计算模块，用于根据状态量参数的估计值计算各线路实时电流， 再根据各线路的实时电流以及气象量测量数据计算单位长度输电线上的各类型 热量；依据热量平衡建立输电线上各类型热量的热平衡微分方程，再将热平衡 微分方程进行差分化，并利用迭代计算，得到各输电线路的温度估计值；

电气参数修正模块，用于根据各输电线路的温度估计值修正各输电线路的 电气参数。

进一步地，状态量参数估计值计算模块包括：

量测方程建立单元，用于以电网节点电压幅值和相角为状态量参数，建立 节点电压幅值、节点注入功率以及与节点相连的全部输电线路的潮流数据的量 测方程；

目标函数建立单元，用于根据建立的量测方程及最小二乘法建立目标函数；

状态量参数计算单元，用于根据目标函数建立状态量的迭代公式，根据状 态估计是否收敛设置迭代次数，获得迭代后的状态量参数的值。

进一步地，温度估计值计算模块包括：

实时电流计算单元，用于根据状态量参数的估计值以及线路电流公式计算 各线路实时电流；

热量计算单元，用于根据各线路的实时电流以及气象量测量数据计算单位 长度输电线上的太阳辐射吸热量、对流换热量和辐射散热量；

微分方程差分化单元，用于依据热量平衡建立输电线上各类型热量的热平 衡微分方程，再将各线路热平衡微分方程转化为各线路热平衡差分方程；

线路温度估计值计算单元，用于为各线路温度赋初始值，通过迭代算法计 算线路温度中间值，再计算线路温度估计值；

温度收敛判断单元，用于根据线路温度中间值及线路温度估计值判断线路 温度差值是否大于收敛阈值。

进一步地，电气参数修正模块包括：

参数修正单元，用于通过各输电线路的温度估计值修正对应输电线路的电 阻及导纳；

参数同步单元，用于将修正后的各输电线路的电阻和导纳同步到全电网的 电阻及导纳参数矩阵；

模拟时长判断单元，用于判断设定模拟时长是否达到。

本发明的有益效果在于，

本发明提供的基于线路温度动态变化实现电网状态估计的方法及装置，利 用计算到的线路温度修正线路电阻和导纳矩阵，能够建立精确的线路模型，进 而计算得到精确的节点电压、线路电流等电气数据，为电网实时调度、最优潮 流等后续研究提供丰富的数据源；本发明输电线路温度动态估计与电网状态估 计相互独立，仅通过接口变量(即线路电流和线路温度)相互联系，输电线路 温度估计可以进行模块化封装，编程易实现，对现有状态估计的改动幅度小； 本发明不会额外增加设备投资，利用SCADA系统获得的电气量测量和气象量 测量，通过数学算法便能够实时计算线路温度，作为评判线路热载荷能力的依据；本发明的计算效率高，目前SCADA系统电气量数据的刷新速率为分钟级， 县级及以上气象部门也能够获取分钟级的气象数据，包括气温、风速、风向、 光照等要素，在获取上述数据后，本发明能够在1min内便迅速收敛，计算得到 节点电压和线路温度等状态量，运算效率极高。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步， 其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领 域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获 得其他的附图。

图1是本发明的方法流程示意图一；

图2是本发明的方法流程示意图二；

图3是本发明的系统示意图；

图4是本发明的实施例3中电网节点间拓扑关系示意图；

图5是本发明实施例3中的采集的电网各条输电线路的电气参数示意图；

图6是本发明实施例3中的线路长度示意图；

图7是本发明实施例3中线路初始温度示意图；

图8是本发明实施例3中状态量参数估计三次迭代值；

图9是本发明实施例3中地区分钟级气象数据；

图10是本发明实施例3中日负荷数据；

图11是本发明实施例3中1号节点的电压幅度估计值；

图12是本发明实施例3中3号节点的电压幅度估计值；

图13是本发明实施例3中5号节点的电压幅度估计值；

图14是本发明实施例3中24小时内线路1-39的温度估计值；

图15是本发明实施例3中24小时内线路7-8的温度估计值；

图16是本发明实施例3中24小时内线路16-24的温度估计值；

图中，1-输电线路参数获取模块；2-输电线路实时数据采集模块；3-状态 量参数估计值计算模块；3.1-量测方程建立单元；3.2-目标函数建立单元；3.3- 状态量参数计算单元；4-温度估计值计算模块；4.1-实时电流计算单元；4.2- 热量计算单元；4.3-微分方程差分化单元；4.4-线路温度估计值计算单元；4.5- 温度收敛判断单元；5-电气参数修正模块；5.1-参数修正单元；5.2-参数同步 单元；5.3-模拟时长判断单元。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本 发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基 于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明提供一种基于线路温度动态变化实现电网状态估计的 方法，包括如下步骤：

S1.获取电网节点间拓扑关系、节点间各输电线路的电气参数和线路材料参 数；

S2.采集电网全网的实时电气量测量数据以及各输电线路所在位置处的气 象量测量数据；

S3.以电网节点电压幅值和相角为状态量参数，建立电气量测量方程，并通 过加权最小二乘法，以及依据采集的电网全网的实时电气量测量数据，建立目 标函数计算状态量参数的估计值；

S4.根据状态量参数的估计值计算各线路实时电流，再根据各线路的实时电 流以及气象量测量数据计算单位长度输电线上的各类型热量；依据热量平衡建 立输电线上各类型热量的热平衡微分方程，再将热平衡微分方程进行差分化， 并利用迭代计算，得到各输电线路的温度估计值；

S5.根据各输电线路的温度估计值修正各输电线路的电气参数，返回步骤 S2。

实施例2：

如图2所示，本发明提供一种基于线路温度动态变化实现电网状态估计的 方法，包括如下步骤：

S1.获取电网节点间拓扑关系、节点间各输电线路的电气参数和线路材料参 数；节点间输电线路的电气参数包括电阻R、电抗X、电纳B、线路长度l以及 线路额定电压等级U

S2.采集电网全网的实时电气量测量数据以及各输电线路所在位置处的气 象量测量数据；电气量测量数据包括节点电压幅值、节点注入功率以及与节点 相连的全部输电线路的潮流数据；

所述节点注入功率包括节点有功注入功率和节点无功注入功率；

与节点相连的全部输电线路的潮流数据包括有功潮流和无功潮流；

输电线路所在位置处的气象量测量数据包括实时环境温度T

S3.以电网节点电压幅值和相角为状态量参数，建立电气量测量方程，并通 过加权最小二乘法，以及依据采集的电网全网的实时电气量测量数据，建立目 标函数计算状态量参数的估计值；具体步骤如下：

S31.以电网节点电压幅值和相角为状态量参数，建立节点电压幅值、节 点注入功率以及与节点相连的全部输电线路的潮流数据的量测方程；

S32.根据建立的量测方程及最小二乘法建立目标函数；

S33.根据目标函数建立状态量的迭代公式，根据状态估计是否收敛设置 迭代次数，获得迭代后的状态量参数的值；

S4.根据状态量参数的估计值计算各线路实时电流，再根据各线路的实时电 流以及气象量测量数据计算单位长度输电线上的各类型热量；依据热量平衡建 立输电线上各类型热量的热平衡微分方程，再将热平衡微分方程进行差分化， 并利用迭代计算，得到各输电线路的温度估计值；具体步骤如下：

S41.根据状态量参数的估计值以及线路电流公式计算各线路实时电流；

S42.根据各线路的实时电流以及气象量测量数据计算单位长度输电线上 的太阳辐射吸热量、对流换热量和辐射散热量；

S43.依据热量平衡建立输电线上各类型热量的热平衡微分方程，再将各 线路热平衡微分方程转化为各线路热平衡差分方程；

S44.为各线路温度赋初始值，通过迭代算法计算线路温度中间值，再计 算线路温度估计值；

S45.根据线路温度中间值及线路温度估计值判断线路温度差值是否大于 收敛阈值；

若是，进入步骤S5；

若否，返回步骤S44；

S5.根据各输电线路的温度估计值修正各输电线路的电气参数；具体步骤如 下：

S51.通过各输电线路的温度估计值修正对应输电线路的电阻及导纳；

S52.将修正后的各输电线路的电阻和导纳同步到全电网的电阻及导纳参 数矩阵；

S53.判断设定模拟时长是否达到；

若是，结束；

若否，返回步骤S2。

实施例3：

如图4所示，获取电网间的拓扑关系，采用IEEE39节点算例，在本算例中 1、3、5、7、9、10、13、15、17、19、21、23、25、27、29、30、31、32、33、 34、35、37、39号节点安装SCADA量测设备；

获取电网各条输电线路的电气参数，包括线路电阻、电抗、电纳参数(标 幺化后)、线路长度、线路初始温度情况，如图5、图6以及图7所示；

假定该系统额定容量Sb＝100MVA，所有节点的电压等级设定为Ub＝345kV， 全部线路型号均为LGJ-300/40，热容为mCp＝852.72J/(m·℃)，线路参数均 为在额定温度20℃下的数据，导体吸热系数α为0.0039，导线辐射换热系数 Ar为2.13*10-9，导线对流换热系数Ac为1.9634，线路参考温度Td＝20℃， 迭代步长为1min；

采集电网全网的实时电气量测量数据以及各输电线路所在位置处的气象量 测量数据；

电气量测量数据，包括节点电压幅值、节点注入功率、以及与该节点相连 的全部线路的潮流数据；

z＝[z

其中，z1、z2、z39分别是指1号节点、2号节点、···、39号节点的全 部电气量测量数据；

以1号节点和10号节点为例，列明某时刻需采集的电气量测量数据如下：

[V

[V

其中，V

气象量测量数据，包括实时环境温度T

某时刻实时环境温度T

利用上述的电气量测量数据计算各类电气量测方程，并以电网节点电压幅 值和相角为状态量，利用加权最小二乘法，建立目标函数计算状态量的估计值；

状态量为全部节点的电压幅值和相角，即：

x＝[x

x

建立量测量z关于状态量x的量测方程：

z＝h(x)+v

以1号节点为例，建立量测量z

建立目标函数使得加权残差平方和最小：

J(x)＝[z-h(x)]

令上述目标函数的偏导数为0，得到状态量的迭代公式如下：

利用上述加权最小二乘法进行计算，经过三次迭代，状态估计便能收敛；每次 迭代后获得状态量x

状态估计经过上述3次迭代，其||Δx

利用上述获得的状态量估计值，根据线路电流公式计算线路实时电流；

计算线路1-2、1-39电流如下：

线路1-2的支路导纳

线路1-39的支路导纳

计算线路1-2、1-39电流标幺值：

将电流标幺值转换为电流实际值：

利用计算的线路电流和气象量测量数据，计算各条输电线路单位长度输电 线上的太阳辐射吸热量、对流换热量和辐射散热量；

针对线路1-2而言，线路初始温度T＝17.17℃；

太阳辐射吸热量q

太阳辐射散热量：

q

对流换热量q

针对线路1-39而言，线路初始温度T＝17.67℃；

太阳辐射吸热量q

太阳辐射散热量：

q

对流换热量q

将线路热平衡微分方程转化为线路热平衡差分方程；利用龙格库塔法计算 t+Δt时刻的线路温度中间值，收敛后获得输电线路温度的估计值；

计算线路1-2的单位长度实际电阻为：

R(T)＝R*[1+α(T-T

计算线路1-2在t+Δt时刻的线路温度中间值为：

计算线路1-2在t+Δt时刻的线路温度估计值为：

对比图5所示的线路1-2初始温度可知，经过1min迭代后，线路温度升高为 17.188℃，温升达到0.018℃；

计算线路1-39在t+Δt时刻的线路温度中间值为：

计算线路1-39在t+Δt时刻的线路温度估计值为：

对比图5所示的线路1-39的初始温度可知，经过1min迭代后，线路温度升高 为17.6844℃，温升达到0.014℃；

利用计算出的输电线路温度估计值更新线路电阻参数和电网导纳矩阵；然 后利用实时电气量测量数据以及图9所示的气象量测量数据，重复状态量估计 到温度估计以及修正电阻参数和电网导纳矩阵步骤，直至程序运行24小时为 止，共计1440个节点电压估计值和线路温度估计值，估计结果如图11和图12 所示；

图11、图12以及图13以1、3和5号节点为例，给出了电压幅值的估计 值；图14、图15以及图16给出了该算例在24小时内线路1-39，线路7-8以 及线路14-24的温度估计值，可以看出，随着一日内气象条件和负荷的变化， 绝大多数线路的温度变化显著，超过10℃。

实施例4：

如图3所示，本发明提供一种基于线路温度动态变化实现电网状态估计的 装置，包括：

输电线路参数获取模块1，用于获取电网节点间拓扑关系、节点间各输电 线路的电气参数和线路材料参数；

输电线路实时数据采集模块2，用于采集电网全网的实时电气量测量数据 以及各输电线路所在位置处的气象量测量数据；

状态量参数估计值计算模块3，用于以电网节点电压幅值和相角为状态量 参数，建立电气量测量方程，并通过加权最小二乘法，以及依据采集的电网全 网的实时电气量测量数据，建立目标函数计算状态量参数的估计值；状态量参 数估计值计算模块3包括：

量测方程建立单元3.1，用于以电网节点电压幅值和相角为状态量参数， 建立节点电压幅值、节点注入功率以及与节点相连的全部输电线路的潮流数 据的量测方程；

目标函数建立单元3.2，用于根据建立的量测方程及最小二乘法建立目 标函数；

状态量参数计算单元3.3，用于根据目标函数建立状态量的迭代公式， 根据状态估计是否收敛设置迭代次数，获得迭代后的状态量参数的值；

温度估计值计算模块4，用于根据状态量参数的估计值计算各线路实时电 流，再根据各线路的实时电流以及气象量测量数据计算单位长度输电线上的各 类型热量；依据热量平衡建立输电线上各类型热量的热平衡微分方程，再将热 平衡微分方程进行差分化，并利用迭代计算，得到各输电线路的温度估计值； 温度估计值计算模块4包括：

实时电流计算单元4.1，用于根据状态量参数的估计值以及线路电流公 式计算各线路实时电流；

热量计算单元4.2，用于根据各线路的实时电流以及气象量测量数据计 算单位长度输电线上的太阳辐射吸热量、对流换热量和辐射散热量；

微分方程差分化单元4.3，用于依据热量平衡建立输电线上各类型热量 的热平衡微分方程，再将各线路热平衡微分方程转化为各线路热平衡差分方 程；

线路温度估计值计算单元4.4，用于为各线路温度赋初始值，通过迭代 算法计算线路温度中间值，再计算线路温度估计值；

温度收敛判断单元4.5，用于根据线路温度中间值及线路温度估计值判 断线路温度差值是否大于收敛阈值；

电气参数修正模块5，用于根据各输电线路的温度估计值修正各输电线路 的电气参数；电气参数修正模块5包括：

参数修正单元5.1，用于通过各输电线路的温度估计值修正对应输电线 路的电阻及导纳；

参数同步单元5.2，用于将修正后的各输电线路的电阻和导纳同步到全 电网的电阻及导纳参数矩阵；

模拟时长判断单元5.3，用于判断设定模拟时长是否达到。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但 本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术 人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都 应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此， 本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。