基于扩展(EKF)和无迹卡尔曼滤波(UKF)的电力系统动态状态估计(Matlab代码实现)

简介: 基于扩展(EKF)和无迹卡尔曼滤波(UKF)的电力系统动态状态估计(Matlab代码实现)

💥1 概述

文献来源:

摘要:准确估计电力系统动态对于提高电力系统的可靠性、韧性、安全性和稳定性非常重要。随着逆变器型分布式能源的不断集成,对电力系统动态的了解比以往任何时候都更为必要和关键,以实现电力系统的正确控制和运行。尽管最近测量设备和传输技术的进展极大地减小了测量和传输误差,但这些测量仍然不完全摆脱测量噪声的影响。因此,需要对嘈杂的测量进行滤波,以获得准确的电力系统运行动态。本文使用扩展卡尔曼滤波器(EKF)和无迹卡尔曼滤波器(UKF)来估计电力系统的动态状态。我们对西部电力协调委员会(WECC)的3机9节点系统和新英格兰的10机39母线系统进行了案例研究。结果表明,UKF和EKF能够准确地估计电力系统的动态。本文还提供了对测试案例的EKF和UKF的比较性能。其他基于卡尔曼滤波技术和机器学习的估计器的信息将很快在本报告中更新。


关键词:扩展卡尔曼滤波(EKF)、电力系统动态状态估计、无迹卡尔曼滤波(UKF)。


原文摘要:


Abstract—Accurate estimation of power system dynamics is very important for the enhancement of power system relia-bility, resilience, security, and stability of power system. With the increasing integration of inverter-based distributed energy resources, the knowledge of power system dynamics has become more necessary and critical than ever before for proper control and operation of the power system. Although recent advancement of measurement devices and the transmission technologies have reduced the measurement and transmission error significantly, these measurements are still not completely free from the mea- surement noises. Therefore, the noisy measurements need to be filtered to obtain the accurate power system operating dynamics. In this work, the power system dynamic states are estimated using extended Kalman filter (EKF) and unscented Kalman filter (UKF). We have performed case studies on Western Electricity Coordinating Council (WECC)’s 3-machine 9-bus system and New England 10-machine 39-bus. The results show that the UKF and EKF can accurately estimate the power system dynamics. The comparative performance of EKF and UKF for the tested case is also provided. Other Kalman filtering techniques along

with the machine learning based estimator will be updated in this report soon. All the sources code including Newton Raphson power flow, admittance matrix calculation, EKF calculation, and

UKF calculation are publicly available in Github on Power System Dynamic State Estimation.

Index Terms—Extended Kalman filter (EKF), power system dynamic state estimation, and unscented Kalman filter (UKF).


📚2 运行结果

2.1 UKF

2.2 EKF

部分代码:

% Covariance Matrix
sig=1e-2; 
P=sig^2*eye(ns);  % Error covariance matrix 
Q=sig^2*eye(ns); % system noise covariance matrix 
R=sig^2*eye(nm); % measurment noise covariance matrix 
X_hat=X_0;
X_est=[]; 
X_mes=[]; % Initial statel 
% constant values 
RMSE=[];
%Extended Kalman Filter (EKF) ALgorithm 
for k=0:deltt:t_max
    % Ybus and reconstruction matrix accodring to the requirement
    if k<t_SW
        ps=1;
    elseif (t_SW<k)&&(k<=t_FC)
        ps=2;  
    else 
        ps=3; 
    end  
    Ybusm = YBUS(:,:,ps);
    RVm=RV(:, :, ps);
    [~, X] = ode45(@(t,x) dynamic_system(t,x,M,D,Ybusm,E_abs,PM,n),[k k+deltt],X_0);
    X_0=transpose(X(end, :));
    X_mes=[X_mes X_0];
    %determine the measurements 
    E1=E_abs.*exp(1j*X_0(1:n)); 
    I1=Ybusm*E1; 
    PG=real(E1.*conj(I1)); 
    QG=imag(E1.*conj(I1)); 
    Vmag=abs(RVm*E1); 
    Vangle=angle(RVm*E1); 
    z=[PG; QG; Vmag; Vangle]; 
    % determine Phi=df/fx 
    Phi=RK4partial(E_abs, X_hat, Ybusm, M, deltt, D, n);
    %prediction 
%     [~, X1]= ode45(@(t,x) dynamic_system(t,x,M,D,Ybusm,E_abs,PM,n),[k k+deltt],X_hat);
%     X_hat=transpose(X1(end, :));
    X_hat=RK4(n, deltt, E_abs, ns, X_hat, PM, M, D, Ybusm); 
    P=Phi*P*transpose(Phi)+Q;
    % correction 
    [H, zhat]=RK4H(E_abs, X_hat, Ybusm, s,n, RVm) ; 
    % Measurement update of state estimate and estimation error covariance 
    K=P*transpose(H)*(H*P*transpose(H)+R);
    X_hat=X_hat+K*(z-zhat); 
    P=(eye(ns)-K*H)*P; 
    X_est=[X_est, X_hat];  
    RMSE=[RMSE, sqrt(trace(P))];
end 
save('39_RMSE_EKF.mat', 'RMSE')
%% Plots
t= (0:deltt:t_max);
for i=1:1:n
figure(i)
subplot(2,1,1)
plot(t,X_mes(i, :), 'linewidth', 1.5)
hold on 
plot(t, X_est(i, :), 'linestyle', '--', 'color', 'r', 'linewidth', 2);
grid on
ylabel(sprintf('Angle_{%d}', i), 'fontsize', 12)
xlabel('time(s)', 'fontsize', 15); 
title('Actual Vs Estimated \delta', 'fontsize', 12)
legend(sprintf('Angle_{%d, Actual} ',i), sprintf('Angle_{%d, EKF}', i)); 
subplot(2,1,2)
plot(t,X_mes(i+n, :), 'linewidth', 1.5)
hold on 
plot(t, X_est(i+n, :), 'linestyle', '--', 'color', 'r', 'linewidth', 2);
grid on
ylabel(sprintf('Speed_{%d}', i), 'fontsize', 12)
xlabel('time(s)', 'fontsize', 15); 
title('Actual Vs Estimated \omega', 'fontsize', 12)
legend(sprintf('Speed_{%d, Actual} ',i), sprintf('Speed_{%d, EKF}', i));
% subplot(2,2,3)
% plot(t,X_mes(i+1, :), 'linewidth', 1.5)
% hold on 
% plot(t, X_est(i+1, :), 'linestyle', '--', 'color', 'r', 'linewidth', 2);
% grid on
% ylabel(sprintf('Angle_{%d}', i+1), 'fontsize', 12)
% xlabel('time(s)', 'fontsize', 15); 
% title('Measured Vs Eistimated \delta', 'fontsize', 12)

🎉3 参考文献

部分理论来源于网络,如有侵权请联系删除。

🌈4 Matlab代码实现


相关文章
|
2月前
|
安全 调度
电力系统的负荷损失和潮流计算matlab仿真,对比最高度数,最高介数以及最高关键度等节点攻击
本课题研究节点攻击对电力系统稳定性的影响,通过模拟最高度数、最高介数和最高关键度攻击,对比不同攻击方式下的停电规模。采用MATLAB 2022a 进行系统仿真,核心程序实现线路断开、潮流计算及优化。研究表明,节点攻击会导致负荷损失和系统瘫痪,对电力系统的安全构成严重威胁。通过分析负荷损失率和潮流计算,提出减少负荷损失的方法,以提升电力系统的稳定性和安全性。
|
3月前
|
资源调度 算法
基于迭代扩展卡尔曼滤波算法的倒立摆控制系统matlab仿真
本课题研究基于迭代扩展卡尔曼滤波算法的倒立摆控制系统,并对比UKF、EKF、迭代UKF和迭代EKF的控制效果。倒立摆作为典型的非线性系统,适用于评估不同滤波方法的性能。UKF采用无迹变换逼近非线性函数,避免了EKF中的截断误差;EKF则通过泰勒级数展开近似非线性函数;迭代EKF和迭代UKF通过多次迭代提高状态估计精度。系统使用MATLAB 2022a进行仿真和分析,结果显示UKF和迭代UKF在非线性强的系统中表现更佳,但计算复杂度较高;EKF和迭代EKF则更适合维数较高或计算受限的场景。
|
4月前
|
算法
基于卡尔曼滤波的系统参数辨识matlab仿真
此程序采用卡尔曼滤波技术实现系统参数在线辨识,通过MATLAB 2022a仿真展现参数收敛过程、辨识误差,并比较不同信噪比下系统性能。卡尔曼滤波递归地结合历史估计与当前观测,优化状态估计。参数辨识中,系统参数被视为状态变量,通过迭代预测和更新步骤实现在线估计,有效处理了线性系统中的噪声影响。
115 12
|
4月前
|
算法 测试技术 SoC
基于直流潮流的IEEE30电力系统停电分布及自组织临界性分析matlab仿真
本研究提出一种基于直流潮流的算法来分析电力系统的停电分布及自组织临界性。算法迭代更新参数并模拟线路随机断开,运用粒子群优化计算关键值,并评估线路接近容量极限的概率。通过改变参数β和μ,分析不同线路可靠性和容量增加方式下的停电分布,并探索系统趋向临界状态的过程及停电概率分布。该方法基于IEEE30测试系统,利用MATLAB2022a实现,简化处理有功功率流动,适用于评估电力系统稳定性及预防大规模停电事故。
|
6月前
|
算法 安全 数据库
基于结点电压法的配电网状态估计算法matlab仿真
**摘要** 该程序实现了基于结点电压法的配电网状态估计算法,旨在提升数据的准确性和可靠性。在MATLAB2022a中运行,显示了状态估计过程中的电压和相位估计值,以及误差随迭代变化的图表。算法通过迭代计算雅可比矩阵,结合基尔霍夫定律解决线性方程组,估算网络节点电压。状态估计过程中应用了高斯-牛顿或莱文贝格-马夸尔特法,处理量测数据并考虑约束条件,以提高估计精度。程序结果以图形形式展示电压幅值和角度估计的比较,以及估计误差的演变,体现了算法在处理配电网状态估计问题的有效性。
|
6月前
|
机器学习/深度学习 自然语言处理 算法
m基于深度学习的OFDM+QPSK链路信道估计和均衡算法误码率matlab仿真,对比LS,MMSE及LMMSE传统算法
**摘要:** 升级版MATLAB仿真对比了深度学习与LS、MMSE、LMMSE的OFDM信道估计算法,新增自动样本生成、复杂度分析及抗频偏性能评估。深度学习在无线通信中,尤其在OFDM的信道估计问题上展现潜力,解决了传统方法的局限。程序涉及信道估计器设计,深度学习模型通过学习导频信息估计信道响应,适应频域变化。核心代码展示了信号处理流程,包括编码、调制、信道模拟、降噪、信道估计和解调。
121 8
|
5月前
|
调度
基于蒙特卡洛的电力系统可靠性分析matlab仿真,对比EDNS和LOLP
电力系统可靠性评估研究,聚焦于LOLP(电力不足概率)和EDNS(期望缺供电量)的模拟分析。使用MATLAB2022a进行基于蒙特卡洛的仿真,模拟单线及多线故障,分析连锁效应。程序中通过随机断开线路,计算潮流,判断越限并用PSO优化。结果显示,LOLP和EDNS增加时,故障概率降低,但小概率大影响事件概率上升。以IEEE24-RTS系统为案例,考虑元件失效的马尔科夫过程,不考虑3个及以上元件失效情况,因为可能导致系统大规模崩溃。仿真步骤包括随机线路断开、故障分析和稳定性评估,涉及信息节点概率计算、潮流计算及优化决策。
|
6月前
|
算法
m基于GA遗传优化的高斯白噪声信道SNR估计算法matlab仿真
**MATLAB2022a模拟展示了遗传算法在AWGN信道中估计SNR的效能。该算法利用生物进化原理全局寻优,解决通信系统中复杂环境下的SNR估计问题。核心代码执行多代选择、重组和突变操作,逐步优化SNR估计。结果以图形形式对比了真实SNR与估计值,并显示了均方根误差(RMSE),体现了算法的准确性。**
71 0
|
4月前
|
安全
【2023高教社杯】D题 圈养湖羊的空间利用率 问题分析、数学模型及MATLAB代码
本文介绍了2023年高教社杯数学建模竞赛D题的圈养湖羊空间利用率问题,包括问题分析、数学模型建立和MATLAB代码实现,旨在优化养殖场的生产计划和空间利用效率。
224 6
【2023高教社杯】D题 圈养湖羊的空间利用率 问题分析、数学模型及MATLAB代码
|
4月前
|
存储 算法 搜索推荐
【2022年华为杯数学建模】B题 方形件组批优化问题 方案及MATLAB代码实现
本文提供了2022年华为杯数学建模竞赛B题的详细方案和MATLAB代码实现,包括方形件组批优化问题和排样优化问题,以及相关数学模型的建立和求解方法。
141 3
【2022年华为杯数学建模】B题 方形件组批优化问题 方案及MATLAB代码实现