專利名稱:一種賽德爾式遞推貝葉斯方法及其在狀態(tài)估計(jì)中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種賽德爾式遞推貝葉斯方法及其在電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)中的應(yīng)用,屬于電力系統(tǒng)分析與控制領(lǐng)域。
背景技術(shù):
隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,對能量管理系統(tǒng)(Energy Management System,EMS)分析決策的可靠性和精度要求越來越高,EMS的進(jìn)一步實(shí)用化成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)(State Estimation, SE)是EMS的基礎(chǔ)和核心,為EMS系統(tǒng)中的高級應(yīng)用軟件提供實(shí)時數(shù)據(jù)源。影響狀態(tài)估計(jì)合格率的因素包括不良數(shù)據(jù)、拓?fù)溴e誤和參數(shù)誤差。目前,學(xué)術(shù)界和工程界對不良數(shù)據(jù)辨識的研究和應(yīng)用相對較多,而對拓?fù)溴e誤辨識和參數(shù)估計(jì)的研究和應(yīng)用則較少。而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性以及參數(shù)(特別是變壓器分接頭位置)的準(zhǔn)確性是保證 狀態(tài)估計(jì)可靠性和精度的重要因素。因此,如何保證拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性以及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(特別是變壓器分接頭位置)的準(zhǔn)確性成為了狀態(tài)估計(jì)、穩(wěn)定分析、安全校核等EMS應(yīng)用軟件可靠運(yùn)行的前提。已有的拓?fù)溴e誤辨識方法主要包括殘差法、增廣狀態(tài)估計(jì)法、規(guī)則法、最小信息損失法、新息圖法、轉(zhuǎn)移潮流法等。殘差法將狀態(tài)估計(jì)得到的超過門檻值的標(biāo)準(zhǔn)化殘差歸因于相關(guān)拓?fù)溴e誤,但是不良數(shù)據(jù)亦會導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)化殘差越界,當(dāng)拓?fù)溴e誤和不良數(shù)據(jù)共存時,殘差法的辨識能力有限。增廣狀態(tài)估計(jì)法將可疑支路的潮流、支路兩端的電壓幅值差和相角差作為增廣狀態(tài)變量,與其他計(jì)算節(jié)點(diǎn)的電壓幅值和相角同時進(jìn)行估計(jì),但該法需要的局部量測冗余度高,且易產(chǎn)生數(shù)值不穩(wěn)定問題。規(guī)則法通過建立一套邏輯規(guī)則來辨識拓?fù)溴e誤,可以處理一些簡單的拓?fù)溴e誤,但當(dāng)電網(wǎng)的接線方式比較復(fù)雜時,適應(yīng)于各種運(yùn)行方式的規(guī)則的制定比較麻煩。最小信息損失法將拓?fù)溴e誤辨識問題轉(zhuǎn)化為一個混合整數(shù)規(guī)劃問題,從信息論的角度為拓?fù)溴e誤辨識提供了新的思路,但是該法的建模比較復(fù)雜,應(yīng)用的難度較大。新息圖法可以快速辨識拓?fù)溴e誤和不良數(shù)據(jù)同時發(fā)生的情況,但對于支路拓?fù)溴e誤和多個不良數(shù)據(jù)同時發(fā)生時的辨識也存在困難。轉(zhuǎn)移潮流法雖然可以有效辨識出支路拓?fù)溴e誤和多個不良數(shù)據(jù)同時發(fā)生的情況,但是該法的前提條件是上一個時間斷面狀態(tài)估計(jì)的結(jié)果是完全正確的,假設(shè)過于苛刻。為了提高狀態(tài)估計(jì)的精度和合格率,研究實(shí)用化的拓?fù)溴e誤辨識方法成為當(dāng)務(wù)之急。參數(shù)的精確性也是保證狀態(tài)估計(jì)可靠性和精度的重要因素。在所有參數(shù)中,由于變壓器變比在無功潮流的計(jì)算中以平方項(xiàng)出現(xiàn),其誤差對狀態(tài)估計(jì)結(jié)果的影響最為顯著,因此,準(zhǔn)確估計(jì)變壓器分接頭位置是實(shí)現(xiàn)可靠狀態(tài)估計(jì)的重要前提。迄今為止,對變壓器分接頭位置的估計(jì)方法主要包括增廣狀態(tài)估計(jì)法、殘差法、抽頭位置跟蹤估計(jì)法和攝動法等。增廣狀態(tài)估計(jì)法將變壓器變比作為增廣狀態(tài)變量,與節(jié)點(diǎn)電壓幅值及相角共同進(jìn)行估計(jì)。該方法簡單易行,但要求量測冗余度較高,且易出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定問題。殘差法利用殘差與變比誤差間的靈敏度關(guān)系來估計(jì)分接頭的正確位置,但容易受到殘差污染和殘差淹沒的影響。抽頭跟蹤估計(jì)法將分接頭位置隨時間的變化看作一個馬爾科夫鏈,利用馬爾科夫鏈的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率進(jìn)行分接頭位置估計(jì),該法對量測噪聲有一定的魯棒性,但抽頭位置估計(jì)的精度依賴于狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率,而當(dāng)前還沒有可靠的方法確定合理的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率,試驗(yàn)表明該法在多數(shù)情況下僅能以不大的概率得到分接頭位置的估計(jì),其結(jié)果的可信度尚不能令人滿意。攝動法的原理是對可疑變壓器在所有分接頭位置下都進(jìn)行一次狀態(tài)估計(jì),最小殘差所對應(yīng)的分接頭位置即被認(rèn)為是正確的分接頭位置。由于量測噪聲的存在以及受殘差污染和殘差淹沒的影響,當(dāng)分接頭位置誤差較小時,攝動法可能得到錯誤的估計(jì)。近年來有學(xué)者研究了利用PMU數(shù)據(jù)進(jìn)行分接頭位置的估計(jì)方法,但需要變壓器支路兩端都要有PMU量測。為此,在當(dāng)前PMU量測布點(diǎn)較 少的情況下,研究基于RTU數(shù)據(jù)的估計(jì)方法,以準(zhǔn)確、快速地獲得正確的變壓器分接頭位置,具有重要的實(shí)際意義。綜合起來考慮,拓?fù)溴e誤辨識是在可能的電網(wǎng)拓?fù)淠J街姓业轿ㄒ徽_的拓?fù)淠J剑欢儔浩鞣纸宇^位置估計(jì)是從多個確定的分接頭位置中選擇一個正確的位置。從統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的角度來看,拓?fù)溴e誤辨識和變壓器分接頭位置估計(jì)都屬于模式識別的范疇。所謂模式識別是根據(jù)研究對象的特征或?qū)傩裕ㄟ^構(gòu)造一定的系統(tǒng),運(yùn)用一定的分析方法來判定樣本的類別,系統(tǒng)應(yīng)使樣本分類識別的結(jié)果盡可能地符合事實(shí)。目前,模式識別理論和技術(shù)已成功運(yùn)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物、科研等多個領(lǐng)域,并且這一領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)大。模式識別中的一個很重要的環(huán)節(jié)是特征提取和特征選擇,其作用在于提取和選擇隱含在樣本數(shù)據(jù)中固定的、本質(zhì)的及重要的特征或?qū)傩?,從而產(chǎn)生可以代表某一特定對象的模式,在此基礎(chǔ)上即可構(gòu)造學(xué)習(xí)系統(tǒng),并完成分類識別。針對不同的對象和不同的目的,可選擇不同的模式識別方法。在這些方法中,貝葉斯估計(jì)(分類器)綜合了先驗(yàn)信息和樣本信息,可以很好對樣本進(jìn)行識別,因而是一種優(yōu)秀的模式識別方法,得到了日益廣泛的應(yīng)用。當(dāng)運(yùn)用貝葉斯估計(jì)來進(jìn)行拓?fù)溴e誤辨識和變壓器分接頭位置估計(jì)時,選取合適的特征或?qū)傩灾陵P(guān)重要。由于一種電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)區(qū)別于另一種電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的典型特征是在不同的模式下得到狀態(tài)估計(jì)殘差不同,所以可以將不同電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的狀態(tài)估計(jì)殘差作為運(yùn)用貝葉斯估計(jì)進(jìn)行拓?fù)溴e誤辨識的特征量;同樣,一個變壓器分接頭位置區(qū)別與另一個分接頭位置的典型特征是在不同的分接頭位置下得到的狀態(tài)估計(jì)殘差不同,因此可以將不同分接頭位置下的狀態(tài)估計(jì)殘差作為運(yùn)用貝葉斯估計(jì)進(jìn)行變壓器分接頭位置估計(jì)的特征量。在貝葉斯估計(jì)中,由殘差所形成的似然函數(shù)成為電網(wǎng)拓?fù)溴e誤辨識和變壓器分接頭位置估計(jì)時的首選特征量。為了增加可觀性,在用貝葉斯估計(jì)進(jìn)行電網(wǎng)拓?fù)溴e誤辨識或者變壓器分接頭位置估計(jì)時,可以引進(jìn)偽量測和虛擬量測,它們和真實(shí)量測一起構(gòu)成量測矢量。由量測矢量和不同的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或變壓器分接頭位置運(yùn)行多個狀態(tài)估計(jì),即可得到不同電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或不同變壓器分接頭位置下的殘差,進(jìn)而可以得到對應(yīng)的似然函數(shù)數(shù)值。由于量測數(shù)據(jù)中不可避免地含有噪聲,因此電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者正確變壓器分接頭位置對應(yīng)的似然函數(shù)數(shù)值并不總能如實(shí)成反映電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和正確的分接頭位置,單次貝葉斯估計(jì)的結(jié)果并不總是可靠的。為了消除量測噪聲對估計(jì)結(jié)果的影響,可以采用遞推貝葉斯估計(jì)。在遞推貝葉斯估計(jì)的每一步中,均需根據(jù)量測矢量在不同的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或變壓器分接頭位置下運(yùn)行多個狀態(tài)估計(jì)得到不同電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或變壓器分接頭位置下的殘差,進(jìn)而獲得似然函數(shù)數(shù)值;在不同的遞推步驟中,真實(shí)量測量不變,而偽量測和虛擬量測都不同。遞推中,將上一次遞推得到的不同電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或不同變壓器分接頭位置的后驗(yàn)概率作為本次遞推的先驗(yàn)概率,即可實(shí)現(xiàn)后驗(yàn)概率的遞推計(jì)算。根據(jù)貝葉斯假設(shè),初始分布不影響最終的后驗(yàn)概率值,故在首次遞推時可將所有電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或變壓器分接頭位置的后驗(yàn)概率設(shè)置為均勻分布,經(jīng)過遞推計(jì)算,正確電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或變壓器分接頭位置所對應(yīng)的后驗(yàn)概率會逐步趨近于1,而其他的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或變壓器分接頭位置的后驗(yàn)概率則會逐步趨近于O。由此,SP可得到正確的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或變壓器分接頭位置?;谝陨纤枷?,國外學(xué)者提出了基于遞推貝葉斯估計(jì)的電網(wǎng)拓?fù)溴e誤辨識方法,國內(nèi)學(xué)者則提出了 基于遞推貝葉斯估計(jì)的變壓器分接頭位置估計(jì)方法,可以估計(jì)出正確的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或正確的變壓器分接頭位置。但是在這些方法中,在當(dāng)前次的遞推中都是把上一次遞推得到不同的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或變壓器分接頭位置的后驗(yàn)概率作為先驗(yàn)概率,而在當(dāng)前次遞推中已經(jīng)得到的后驗(yàn)概率在本次遞推中并沒有被使用,它們直到下一次遞推中才被用到,理論分析和試驗(yàn)都表明,采用這種方式的遞推貝葉斯估計(jì)計(jì)算,其效率和魯棒性都不能令人滿意。采用更為合理的遞推貝葉斯估計(jì)方法,以快速、精確、魯棒地估計(jì)出正確的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或變壓器分接頭的正確位置,對于提高狀態(tài)估計(jì)的精度和合格率,從而促進(jìn)整個EMS系統(tǒng)的實(shí)用化具有重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種計(jì)算效率高,并對噪聲具有很強(qiáng)的魯棒性的賽德爾式遞推貝葉斯方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案為提供一種賽德爾式遞推貝葉斯方法,其中,該賽德爾式遞推貝葉斯估計(jì)方法按以下步驟進(jìn)行步驟(I)初始化令所有待識別的模式的初始概率都相等,即令PU11 ε (0)) =PU2I ε (0)) =L =ρ(ηΝ| ε (0)) = 1/Ν,其中Ili為第i個模式,ε (°)為初始特征量,P ( η i I ε (°))為η i的初始概率,N為模式的總數(shù)目;設(shè)置遞推計(jì)數(shù)器k = I ;步驟⑵遞推計(jì)算以獲得正確的模式步驟(2.1)判斷所有模式對應(yīng)的后驗(yàn)概率的最大值是否小于門檻值,即判斷max {p ( n J ε (k_1)} < threshold是否成立(threshold為門濫值),是則轉(zhuǎn)步驟(2.2);否則轉(zhuǎn)步驟⑶;步驟(2. 2)提取得到所有模式所對應(yīng)的特征量;步驟(2. 3)利用以下公式計(jì)算所有模式的后驗(yàn)概率;
權(quán)利要求
1.一種賽德爾式遞推貝葉斯方法,其特征在于該賽德爾式遞推貝葉斯方法按以下步驟進(jìn)行 步驟(I)初始化 令所有待識別的模式的初始概率都相等,即令ε (0)) =ρ(η2 ε (0)) =L =ρ(ηΝ| ε (0)) = 1/N,其中Ili為第i個模式,ε (°)為初始特征量,P ( η i I ε (°))為η i的初始概率,N為模式的總數(shù)目;設(shè)置遞推計(jì)數(shù)器k = I ; 步驟(2)遞推計(jì)算以獲得正確的模式 步驟(2. I)判斷所有模式對應(yīng)的后驗(yàn)概率的最大值是否小于門檻值,即判斷max {p ( n J ε (卜1)} < threshold是否成立,是則轉(zhuǎn)步驟(2.2);否則轉(zhuǎn)步驟(3); 步驟(2. 2)提取得到所有模式所對應(yīng)的特征量; 步驟(2. 3)利用以下公式計(jì)算所有模式的后驗(yàn)概率;b(T) I Γ( )Λ =_バべり丨",)Ρ(ヮ,I' Σ P(ぐ I rIj I s(k)) + X p(ef I ηι )ρ{η1 \ ε1*-'、) 其中,^>={e ,e ,K,<}為所有N個模式所對應(yīng)的特征量,即殘差矢量;々(7,1C為第k次遞推時模式Hi的后驗(yàn)概率,PUi I ε (卜1))為先驗(yàn)概率;P(#k)為第k次遞推中模式Jli對應(yīng)殘差的條件概率,即似然函數(shù)數(shù)值; 步驟(2. 4)利用以下公式對所有模式的后驗(yàn)概率進(jìn)行歸一化計(jì)算; P(n, I f(t)) = PiJli I ε^)/Σ% Pinj I,)) 其中,Ρ( HiI ε (k))為第k次遞推時模式Ili的歸ー化后驗(yàn)概率值; 步驟(2. 5)令k = k+Ι,轉(zhuǎn)步驟(2. I); 步驟(3)后驗(yàn)概率最大的模式即為正確的模式,算法結(jié)束。
2.一種如權(quán)利要求I所述的賽德爾式遞推貝葉斯方法在狀態(tài)估計(jì)中的應(yīng)用,其特征在干當(dāng)用賽德爾式遞推貝葉斯方法進(jìn)行電網(wǎng)拓?fù)溴e誤辨識或變壓器分接頭位置估計(jì)時,其具體的計(jì)算步驟如下 步驟(I)初始化 形成所有可能的電網(wǎng)拓?fù)淠J交蛩锌赡艿淖儔浩鞣纸宇^位置;令所有待識別的電網(wǎng)拓?fù)淠J交蜃儔浩魉蟹纸宇^位置的初始概率都相等,即令/T =< =L =PT,其中,為第i個電網(wǎng)拓?fù)淠J交蜃儔浩鞣纸宇^位置的初始概率,N為電網(wǎng)拓?fù)淠J交蜃儔浩鞣纸宇^位置的總數(shù)目;設(shè)置遞推計(jì)數(shù)器k = I ; 步驟(2)遞推計(jì)算以獲得正確的電網(wǎng)拓?fù)淠J交蜃儔浩鞣纸宇^位置步驟(2. I)判斷所有電網(wǎng)拓?fù)淠J交蜃儔浩鞣纸宇^位置所對應(yīng)的后驗(yàn)概率的最大值是否小于門檻值,即判斷m叫廣}<—W是否成立,是則轉(zhuǎn)步驟(2.2);否則轉(zhuǎn)步驟(3);步驟(2. 2)輸入真實(shí)量測、虛擬量測以及偽量測,這些量測量形成量測方程為 z = h (X) + τ 其中,ζ e Rm為量測矢量,包括節(jié)點(diǎn)注入有功量測、節(jié)點(diǎn)注入無功量測、支路有功量測、支路無功量測以及節(jié)點(diǎn)電壓量測;這些量測量一般取真實(shí)量測量,若真實(shí)量測量缺失的話,則用偽量測來代替,偽量測采用在上一次狀態(tài)估計(jì)的結(jié)果疊加10%正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)來模式;同時在量測矢量中應(yīng)加入O注入虛擬量測;x e Rn為包括節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相角在內(nèi)的狀態(tài)變量;h(x)為狀態(tài)矢量到量測矢量的非線性映射;τ N(0,R)為量測誤差;R = diag{_T2x,T22,h,■^)為量測誤差方差矩陣; 根據(jù)以上量測方程,通過以下修正方程進(jìn)行迭代,直到狀態(tài)估計(jì)收斂,可獲得狀態(tài)矢量估計(jì)值i xk+1 = xk+G (xk) Ht (xk) IT1 (z-h (xk)) 其中,丑=5A/ac為雅可比矩陣,G(Xk) = ( Ht(Xk)IT1H(Xk)r1 ; 根據(jù)下式,分別獨(dú)立計(jì)算所有電網(wǎng)拓?fù)淠J交蜃儔浩鞣纸宇^位置下的殘差矢量e廣(z’ = l,2,L ,7V)以及誤差方差矩陣CfJi = 1,2,L,N)e,00 = z- h(x) 根據(jù)下式,分別獨(dú)立計(jì)算所有電網(wǎng)拓?fù)淠J交蜃儔浩鞣纸宇^位置下的誤差方差矩陣Cf,i(i = 1,2, L,N) Cマト diag(ベ,a2p,,a2q, ’ く’a2J CfJi = 1,2,L,N)中的ゼ從[HtR-1H]-1對角元素的對應(yīng)項(xiàng)取得,CfJi = 1,2,L,N)中的<,<,く,<各項(xiàng)可從矩陣H[HTtr1Hr1H1對角元素的對應(yīng)項(xiàng)取得; 當(dāng)進(jìn)行電網(wǎng)拓?fù)溴e誤辨識時,以上所進(jìn)行的狀態(tài)估計(jì)是全網(wǎng)狀態(tài)估計(jì);而在進(jìn)行變壓器分接頭位置估計(jì)時,以上進(jìn)行的狀態(tài)估計(jì)是在變壓器支路及其附近支路的局部狀態(tài)估計(jì); 步驟(2. 3)利用以下公式計(jì)算所有電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或分接頭位置所對應(yīng)的后驗(yàn)概率; ….exp(-(く))Pi ' i>p(-(ぐ)rcf<jefV2) 2>P(-(efy 其中,#{i=l,2,L,N}為第k次遞推時模式i所對應(yīng)的特征量,即殘差矢量為第k次遞推時模式i的后驗(yàn)概率,,…為先驗(yàn)概率;eXp(-(erYCf,ier>/2)為第k次遞推中模式i對應(yīng)殘差的條件概率,即似然函數(shù)數(shù)值; 步驟(2. 4)利用以下公式對所有模式的后驗(yàn)概率進(jìn)行歸一化計(jì)算; Pr=P^IKrrV 其中,/^第k次遞推時模式i的歸ー化后驗(yàn)概率值; 步驟(2. 5)令k = k+1,轉(zhuǎn)步驟(2. I); 步驟(3)后驗(yàn)概率最大的模式即為正確的電網(wǎng)拓?fù)淠J交蜃儔浩鞣纸宇^位置,算法結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種賽德爾式遞推貝葉斯方法及其在狀態(tài)估計(jì)中的應(yīng)用,本發(fā)明是通過提取不同模式的特征量,實(shí)現(xiàn)不同模式后驗(yàn)概率的遞推估計(jì)計(jì)算,在遞推計(jì)算中,賽德爾式遞推貝葉斯方法利用在本次遞推中剛剛得到的后驗(yàn)概率來代替先驗(yàn)概率以實(shí)現(xiàn)后驗(yàn)概率的計(jì)算。本方法可以快速、精確地進(jìn)行模式識別,對噪聲具有很強(qiáng)的魯棒性。基于賽德爾式遞推貝葉斯方法的電網(wǎng)拓?fù)溴e誤辨識方法或變壓器分接頭位置估計(jì)方法可以快速、精確地獲得正確的電網(wǎng)運(yùn)行模式或正確的變壓器分接頭位置,從而可以大幅度提高狀態(tài)估計(jì)的合格率,進(jìn)一步促進(jìn)整個能量管理系統(tǒng)的實(shí)用化。
文檔編號H02J3/00GK102738794SQ20121025352
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者付艷蘭, 何光宇, 劉鋒, 梅生偉, 陳艷波, 黃良毅 申請人:海南電網(wǎng)公司, 清華大學(xué)