國網(wǎng)江蘇省電力有限公司鹽城供電分公司 王佳寧

電能已成為現(xiàn)代社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的一種重要能源，且隨著環(huán)保、綠色、低碳理念在社會各行各業(yè)的融入和運用，電能的需求量必然也會持續(xù)增長。傳統(tǒng)的火力發(fā)電方式會消耗大量的石化燃料，不但會受到資源的限制，同時也會對環(huán)境造成污染。面對這種狀況，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等清潔新型發(fā)電方式逐漸被整個社會所關(guān)注。需注意的是，由于新能源發(fā)電的特性與常規(guī)火力發(fā)電特性存在差異，因此在新能源并網(wǎng)過程中會對大電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性造成一定的影響。

1 含新能源電力系統(tǒng)存在的問題分析

1.1 電壓波動和閃變問題

分布式電源在接入電網(wǎng)時容易出現(xiàn)電壓波動、閃變等問題的主要原因，是分布式電源的輸出功率經(jīng)常發(fā)生波動，而這種波動會引起頻率的變化。一般情況下分布式電源和負(fù)荷間的距離較接近，主要是低壓。且主要影響電壓波動的兩個因素是分布式電源的有功、無功功率，同時分布式電源出力的直接體現(xiàn)是有功功率。由于分布式電源功率的波動，在其接入大電網(wǎng)后會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動及閃變狀況的發(fā)生。

光伏發(fā)電的能源來自于太陽光，因此光伏發(fā)電的功率會被光照情況、溫度高低及陰影等因素所影響：首先，其輸出功率和光照強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，隨著天氣變化而變化。如光照條件變化較強(qiáng)烈，就會引起光伏電池的輸出功率產(chǎn)生較明顯的波動；其次，如光伏電池的溫度較高就會降低工作質(zhì)量和速率，溫度每上升一度、功率就會下降0.35%；最后，要重視陰影對光伏電池特性產(chǎn)生的影響性，甚至只是處于部件上的一個微小陰影也能降低輸出功率，如果一個單電池被遮蓋了，太陽電池組件的整體輸出功率就會直接減少75%左右。

1.2 諧波和間諧波問題

諧波和間諧波問題主要分為兩種，電力系統(tǒng)中產(chǎn)生此類問題是鐵磁設(shè)備過于飽和、電弧設(shè)備等以非線性為主要特點的設(shè)備所導(dǎo)致的，而分布式發(fā)電中出現(xiàn)此類問題主要是由變流器導(dǎo)致的：首先，變流器無論在理想還是非理想狀態(tài)下其實都會產(chǎn)生諧波問題，而諧波主要來自于直流側(cè)或系統(tǒng)測；其次，間諧波主要因為變流器直流側(cè)在工作時產(chǎn)生了非整數(shù)倍的基波頻率的波紋分量。

2 含新能源電力系統(tǒng)狀態(tài)估計主要類型

分布式電源一般指的是小于50MW的小型模塊式的電源，從其分布特點來看，多是集中在一些配電網(wǎng)和電力用戶的周邊。分布式電源最初出現(xiàn)的目的，是為了能夠滿足周圍地區(qū)用戶的用電需求，從而更好的為其提供電力服務(wù)。含分布式電源的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計能夠通過各區(qū)域間交換少量的數(shù)據(jù)，如邊界節(jié)點量測信息、本地狀態(tài)估計結(jié)果，利用上級協(xié)調(diào)中心或各區(qū)域估計中心相互之間直接進(jìn)行全網(wǎng)的估計協(xié)調(diào)，使以往電力系統(tǒng)狀態(tài)估計的難點得以順暢解決。依據(jù)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計計算的結(jié)構(gòu)實施劃分，可將當(dāng)前新能源電力系統(tǒng)狀態(tài)估計劃分成分層式結(jié)構(gòu)與分散式結(jié)構(gòu)兩種類型。

2.1 分層式結(jié)構(gòu)

各子區(qū)域估計器獨立進(jìn)行本地狀態(tài)估計，將計算結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)與上級協(xié)調(diào)中心進(jìn)行通信，協(xié)調(diào)中心進(jìn)行全網(wǎng)協(xié)調(diào)后，將結(jié)果返回至各子區(qū)域估計器，根據(jù)相關(guān)模型得到最終狀態(tài)估計結(jié)果，或開始下一輪迭代。各子區(qū)域估計器分別與協(xié)調(diào)中心相互連接，共同構(gòu)成如圖1所示的星型通信拓?fù)洹?/p>

2.2 分散式結(jié)構(gòu)

各子區(qū)域估計器執(zhí)行本地狀態(tài)估計，并與相鄰子區(qū)域估計器進(jìn)行信息通信，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)對全網(wǎng)狀態(tài)量的協(xié)調(diào)修正。各相鄰子區(qū)域估計器相互連接，構(gòu)成如圖2所示的網(wǎng)狀通信拓?fù)洹?/p>

3 含新能源電力系統(tǒng)狀態(tài)估計研究現(xiàn)狀及未來展望

隨著科技不斷進(jìn)步，接入電網(wǎng)中的各類電力設(shè)備也在不斷更新，光伏發(fā)電、電動汽車和電力電子設(shè)備等逐漸大量接入電網(wǎng)，這些具有沖擊性、非線性的電力負(fù)載被越來越廣泛地應(yīng)用，現(xiàn)代電網(wǎng)系統(tǒng)正在發(fā)生根本性變化，判定電能質(zhì)量的各項指標(biāo)必須越來越精確，這樣才能在電力系統(tǒng)不斷更新的條件下保證電網(wǎng)供電可靠安全，電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量才能在科技進(jìn)步的壓力下持續(xù)地改進(jìn)提升。

在實際運用中，用來評估電能質(zhì)量的指標(biāo)有電壓、波形畸變率、頻率等參數(shù)。但近年來各種各樣的新型智能設(shè)備接入電網(wǎng)，在造成系統(tǒng)內(nèi)非線性負(fù)載數(shù)量巨增的同時，還導(dǎo)致電網(wǎng)中諧波的數(shù)目和類型也在持續(xù)增加，演變出更加嚴(yán)重的諧波污染問題，電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量水平大面積地受到影響，諧波污染已成為一個亟待攻克的難題。正因如此，含新能源電力系統(tǒng)狀態(tài)估計將面臨全新的挑戰(zhàn)。國內(nèi)外專家和學(xué)者對含新能源電力系統(tǒng)的狀態(tài)估計進(jìn)行了非常多的研究，也取得了一些成果。

1989年Heydt指出HSE的數(shù)學(xué)模型是結(jié)合電壓量測方程和電流量測方程構(gòu)成的，其中使用相量測量裝置對電力系統(tǒng)中的電流和電壓進(jìn)行測量。在原始導(dǎo)納矩陣和網(wǎng)絡(luò)配置已給定、狀態(tài)變量已知的情況下，可計算出測量線路中全部非量測點處的線路諧波電流、支路諧波電流和注入諧波電流，并由此確定電力系統(tǒng)中的諧波潮流，進(jìn)而通過計算確定電力系統(tǒng)狀態(tài)；1994年Fan等人提出了HSE算法的基本模型，并通過改進(jìn)算法提高了諧波估計精度。但這種算法需對進(jìn)行估計的電力系統(tǒng)中所有節(jié)點數(shù)據(jù)及狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，增加了系統(tǒng)矩陣的維數(shù)和計算量，監(jiān)測過程中需要的設(shè)備投資也巨大。

2006年Ma等人提出了一種基于卡爾曼濾波（kalman filter，KF）的含新能源電力系統(tǒng)諧波量測設(shè)備最優(yōu)配置和動態(tài)估計方法。該方法是動態(tài)的，具有識別、分析和跟蹤每次諧波電流注入的能力，不需要冗余的諧波量測。同年Du等人利用關(guān)聯(lián)矩陣對連續(xù)諧波進(jìn)行狀態(tài)估計，大大減少了未知狀態(tài)量的數(shù)目，估計結(jié)果的可信度也隨之增大；2010年Matair等人首次提出使用奇異值分解法對諧波狀態(tài)估計方程進(jìn)行計算求解，這種算法依然可得到有效的最小二乘解。實驗結(jié)果表明這種算法降低了對測量的冗余度的要求，同時也降低了測量和計算過程的難度。

2014年吳篤貴等人提出了一種用于HSE的分層算法，極大程度地降低了求解過程的運算量。同年Yu等人在Matair的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，先運用零空間向量來判斷系統(tǒng)的可觀性，再采用優(yōu)化量測配置實現(xiàn)全局可觀。2015年Yu等人又提出了一種基于KF的算法，用于諧波狀態(tài)估計。在噪聲協(xié)方差矩陣的狀態(tài)發(fā)生變化時，由于卡爾曼濾波器有比較好的自適應(yīng)性，這種方法夠迅速捕捉到電力系統(tǒng)的狀態(tài)變化情況，但使用該方法時，不確定因素影響會導(dǎo)致估計精確度出現(xiàn)比較大的偏差。

2017年Liao等人把HSE問題進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使之變?yōu)閿?shù)據(jù)最大稀疏性方面的問題。這種方法使諧波狀態(tài)估計難度降低，監(jiān)測過程中的設(shè)備投資量大大減少，解決了電力系統(tǒng)中諧波量測量過少時、最小二乘法不能用于諧波狀態(tài)估計的問題。

2018年Gursoy等人利用喬累斯基（Cholesky）算法計算量小、速度快的優(yōu)點，對系統(tǒng)可觀性進(jìn)行判斷，諧波狀態(tài)估計算法的適用性大為提高。同年汪瑤等人考慮到估計方程中HRHT1是對稱正定矩陣，采用平方根法進(jìn)行分解，大大節(jié)省了計算時間。2019年Arefi等人借助蒙特卡洛模擬提出了兩種改進(jìn)算法，分別為改進(jìn)的粒子群算法和改進(jìn)的蜂群交配算法。由于該些算法存在諧波估計耗時較長的缺點，因此在現(xiàn)實的諧波治理問題中不具有實用性。同年Gursoy等人將獨立分量分析算法應(yīng)用到諧波狀態(tài)估計中，但這種算法無法保證諧波狀態(tài)估計的精確度。

2021年趙友國等人提出了基于正交分解的算法，用于電力系統(tǒng)的諧波狀態(tài)估計。這種算法具有較強(qiáng)的魯棒性，但目前在大規(guī)模電力系統(tǒng)不太適用。同年王艷松等人提出了一個加權(quán)算法，得到各種量測裝置的配置方案對諧波狀態(tài)估計誤差和電力系統(tǒng)可觀性的影響，并總結(jié)歸納出影響規(guī)律[1]。接著又采用粒子群算法，綜合考慮各方面因素，得出諧波狀態(tài)估計的最優(yōu)配置方案，避免了依賴歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波狀態(tài)估計，提高了估計的精確度。

在實際電力系統(tǒng)中，量測值有時會出現(xiàn)離群的誤差。為提高算法的抗誤差能力，2021年柳翔林等人在考慮數(shù)據(jù)時延的基礎(chǔ)上提出了一種抗差總體最小二乘法。這種處理方式減少了狀態(tài)變量的數(shù)目，估計結(jié)果的可信度大大提高。但系統(tǒng)中存在的一些不確定參數(shù)往往會導(dǎo)致量測方程、狀態(tài)方程出現(xiàn)病態(tài)[2]。同年牛勝鎖等人又提出了一種基于廣義嶺估計算法的HSE算法，這種算法能改善量測矩陣的奇異性，求解系統(tǒng)病態(tài)模型能達(dá)到很高的精確度。

2022年王海濤等人對兩階段魯棒算法進(jìn)行了優(yōu)化，并將其應(yīng)用到新能源電力系統(tǒng)狀態(tài)估計中，并根據(jù)目標(biāo)函數(shù)最小值的尋優(yōu)，通過枚舉法排序，進(jìn)而確定諧波源所在節(jié)點編號[3]；2022年高正男等人提出將枚舉法與復(fù)值獨立分量分析法相結(jié)合，并融入變分貝葉斯算法對電力系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計，結(jié)果表明這種算法犧牲少量的估計結(jié)果，但并沒有影響整體結(jié)果，還提高了估計精度，算法整體的抗誤差能力明顯比傳統(tǒng)算法更佳[4]；2022年臧海祥等人構(gòu)建了計及時變拓?fù)涞碾娏ο到y(tǒng)深度遷移學(xué)習(xí)模型，借助小波濾波方法，用于諧波源特征提取，這種算法有一定的抗噪能力，能提高存在時變噪聲干擾時的狀態(tài)估計精度[5]。

分布式電源接入電網(wǎng)后在一定程度上會影響電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，因此怎樣有效確保狀態(tài)估計的可靠性是今后研究的關(guān)鍵所在。目前我國電力市場正處于關(guān)鍵的改革階段，各個區(qū)域的電網(wǎng)調(diào)度中心基于區(qū)域供用電質(zhì)量的考量，必然會使行業(yè)之間的競爭更加激烈，所以對區(qū)域內(nèi)電力系統(tǒng)運行狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、分析、存儲和利用也正在變得越來越關(guān)鍵。

與此同時，伴隨著我國新能源產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，分布式電源發(fā)電量占比不斷增長，這必然會導(dǎo)致狀態(tài)估計過程中數(shù)據(jù)采集樣本數(shù)量與難度的增加，在今后的研究中，研究人員必須要重視對電網(wǎng)運維數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理等方面的研究。另外，數(shù)據(jù)規(guī)模的增長必然給數(shù)據(jù)的傳輸、交互提出了新的挑戰(zhàn)，在將來，如何有效降低電力系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的傳輸和通信成本，也必然是行業(yè)研究的熱點。

4 結(jié)語

目前關(guān)于含新能源電力系統(tǒng)狀態(tài)估計方面的研究依舊處于起步階段，但隨著新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，相關(guān)研究數(shù)量和成果不斷涌現(xiàn)，為新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。與此同時，相關(guān)研究的開展還有助于促進(jìn)分布式發(fā)電系統(tǒng)更加充分的融入自動控制技術(shù)、先進(jìn)的材料和設(shè)備工藝等，充分展現(xiàn)現(xiàn)代化技術(shù)、設(shè)備的優(yōu)勢，對于整個新能源行業(yè)的健康發(fā)展發(fā)揮著重要的作用。