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随着电网中光伏和风电等新能源、大容量储能设备的不断加入，以及发电机和负载之间的约束特性不断变化，电网系统的设备部署、评估、管理和运行面临新的挑战。能源管理系统的实时动态监测、分析、保护和控制变得越来越迫切和重要。根据新能源市场的相关要求，电力系统需要不间断地运行，需要在特定的时间间隔内对网络状态进行全系统监视，基于监测数据估计结果作出正确的决策。在采集测量信息和估计过程中，信息若有任何误差都会改变控制中心的决策，从而可能导致严重的后果。
可靠和鲁棒的观测是电力系统可靠运行的关键要求。为保证可靠和鲁棒的观测，重要手段就是获得足够的基本测量信息。基本测量信息足够与否主要取决于测量物理量的类型，测量装置部署的位置和测量装置的冗余分布，这些因素都是由测量设备的方案确定的。根据同步相量测量(PMU)的性能，PMU的战略配置可以获得足够关键测量的位置和分布，这将确保状态估计的可靠性和鲁棒性，同时提高估计操作的准确率和效率。虽然针对PMU配置的优化问题进行了很多研究，但在提升应对故障状况和拓扑转换的能力方面还需要进一步的深入研究。在应对故障状况方面，需要研究测量位置的可靠性和冗余分布，在拓扑转换方面需要研究可观测性的变换。因此，本论文从测量可靠性，检测设备位置的事故概率，冗余分布，拓扑转换四个方面对PMU配置的优化问题展开研究，主要工作和成果如下:
1)在测量可靠性方面，提出了新的PMU配置方法来获取最大可靠测量电压和电流数据集，从而提高了观测系统的可靠性。
使用PMU来观测电网，大多数节点的数据都是通过网络连接和对其他节点的观测获取的，所以可以使用PMU的可靠度和线路的可靠度来计算测量系统的可靠性。为降低测量故障概率，本文通过指定最可靠的测量生成树来找出最可靠的测量集。为此，本文提出了一个新的方法，它结合了普利姆算法(Prim Algorithm)和局部搜索算法(Local Search Algorithm)两种算法的优点。提出的方法分两个步骤进行。第一步，找出最可靠的生成树，建立重要的节点为主树，通过普利姆算法找到最可靠的生成树以确保连接所有的节点。第二步，应用局部搜索算法在已找到的生成树上优化PMU的位置。通过这个步骤消除了额外的电流测量，并指定了电压测量，最后获得最可靠的完整测量集。提出的方法在五个测试系统(IEEE14-节点系统,24-节点系统，30-节点系统和，57-节点系统)中进行了仿真和校验，结果表明，该方法不仅可增加节点的观测可靠度，使得大多数节点达到最高的观测可靠度，而且改善了观测安全指数，提高了系统的观测能力。
2)在PMU位置的事故概率方面，提出了新的PMU配置方法来选出最可靠的PMU位置分布，从而提高了测量系统的可用性。
在一个检测站布置一个PMU可以测量节点的电压与线路的电流。各节点电压测量的事故概率基本相同，但各线路电流测量的事故概率则不同，此外每个节点的线路数量可能也不一样，所以在任何节点布置PMU，其测量的概率是不同的。因此，可以说PMU的位置对测量系统的可靠性也有影响。如果选择最低故障概率的位置，就能提高观测系统的概率。本论文研究找到一集最少的PMU，在电网上展开时具有最低的总故障率。为了达到这个目标我们利用贪婪算法来解决优化PMU配置的问题。我们对贪婪算法进行了改进，在局部优化方案分成三种情况:唯一优化方案，多优化方案无纷争，和多优化方案有纷争。改进后的贪婪算法不仅能获得全局优化的方案而且也减少了搜索时间。提出的方法在五个测试系统（IEEE14-节点系统，30-节点系统，57-节点系统，118-节点系统，大规模电网-波兰2383-节点系统）进行了仿真和校验。仿真的结果表明，提出的方法仍然找到一集最少的PMU，具有最低的失效概率。除此之外，将本文提出的方法与其他方法也进行了比较，结果表明本方法在竞争的搜索时间达到最优化的方案。根据获得的PMU集合，观测系统的可用性得到显着提高。
3)在冗余布置方面，研究方法获得最好的冗余布置方案，从而提高了观测系统的鲁棒性。
测量冗余是很关键的因素，这个因素能确保可靠和鲁棒的状态估计。没有冗余测量，状态估计就不能发现和有效的剔除测量误差，这样就会对估计结果的准确率产生影响,并且如果在失去测量时没有冗余测量代替，那么估计的结果也有很大的影响，甚至状态估计不能展开。因此，可以说一个冗余指数的价值对状态估计的鲁棒性来算就达到一个相应比率。另一方面，测量冗余也可以认为是观测可靠性的分量，一个测量可靠度指定测量冗余的数量。使用观测可靠度能判定冗余指数与冗余分布，因此可以表达鲁棒的比率。我们认为从可靠角度来解决PMU配置的问题可以增强冗余效果。因为它可以确定所需的冗余数量及冗余分布，所以可以确保所需的鲁棒性。本研究提出了一种基于节点观测可靠度的新方法，以解决最优PMU配置问题。这项工作的目标是提高测量冗余布置的效果，并为状态估计可达到任何期望的鲁棒比率。提出的方法在五个测试系统（14-节点系统，24-节点系统，30-节点系统，57-节点系统，2383-节点系统）进行了仿真和检验。模拟结果表明，测量冗余都分布在低观测可靠度的位置，因此它增加了冗余布置的效果。此外，从冗余比率可以分别估计一个期望的观测可靠度，然后可以容易地指定PMU的数量和位置。基于节点的观测可靠度，提出的方法提高了冗余布置的效果，并达到任何期望的鲁棒状态估计比率。
4)在拓扑的转换方面，研究方法获得最好的PMU配置方案在任何拓扑的转换情况都确保电网的可观性，从而最大化观测系统的鲁棒性。
在运行过程中，通常电网在一个周期有许多优化的拓扑。很明显，拓扑切换可以对节点的电压，线路的电流和功率产生特别的影响。操作人员可以切换隔离开关/断路器以改善电压曲线或增加容量传输。另外，当电力系统发生事故时可能会导致过载，级联故障，电压违规或系统不稳定，这时候拓扑切换也可以解决问题，能把事故状态转回正常状态。拓扑切换可以当成一个很灵活的控制方法。由于多种原因（线路中断，确保电压稳定性，优化损耗，确保安全性等），开关/断路器切换或母线桥切换都会导致电网拓扑变得不可预测。那时候已设汁的测量系统希望还能确保测量系统的可观能力。本论文研究一个新的解法，在任何电网拓扑的转换情况下都能确保可观能力。根据拓扑的转换情况考虑每个节点的连接变化，从此找出节点观测的约束。提出的解法在IEEE14-节点系统进行了仿真和检验。仿真结果表明提出方法的效果和性能。已获得的PMU测量在任何拓扑的转换情况都能确保观测系统的可观能力。
在上面四个方面本论文研究提出了四个新方法解决成功PMU配置的优化问题达到研究目的。本文的创新点可以列举如下:
1)提出了新的PMU配置方法来获取最大可靠测量电压和电流数据集。该方法不仅可增加节点的观测可靠度，使得大多数节点达到最高的观测可靠度，而且改善了观测安全指数，提高了系统的观测能力。
2)提出了新的PMU配置方法来选出最可靠的PMU位置分布。该方法通过改进贪婪算法来解决优化PMU配置的问题，改进后的贪婪算法不但能获得全局优化的方案并且减少了搜索时间。
3)基于脆弱地区的优先标准，提出了新的PMU配置方法来选出最好的冗余布置方案，为了根据可靠度准则得到测量值的有效分布，该方法基于观测可靠度来解决OPP问题。模拟结果显示，该方法显著增强冗余效果，可提高观测系统的鲁棒性。
4)为了应对电网拓扑的变换，提出新的方法来选出最好的PMU配置方案。新的方法将考虑网络拓扑结构转化为考虑各总线配置，通过改进并应用了整数线性规划方法，保证网络拓扑结构不可预测变化的鲁棒可观测性，并且可实现观测鲁棒性的最大化。
本文贡献的理论价值和实际应用价值:对于实际应用方面，本论文提出的四个方法可以在实际电力系统应用以解决PMU配置的优化问题，可以用于设计新的测量系统或升级测量系统。在理论方面，本论文的成果可以用于发展与完善PMU配置的方法或者观测分析的方法。
可靠和鲁棒的观测是电力系统可靠运行的关键要求。为保证可靠和鲁棒的观测，重要手段就是获得足够的基本测量信息。基本测量信息足够与否主要取决于测量物理量的类型，测量装置部署的位置和测量装置的冗余分布，这些因素都是由测量设备的方案确定的。根据同步相量测量(PMU)的性能，PMU的战略配置可以获得足够关键测量的位置和分布，这将确保状态估计的可靠性和鲁棒性，同时提高估计操作的准确率和效率。虽然针对PMU配置的优化问题进行了很多研究，但在提升应对故障状况和拓扑转换的能力方面还需要进一步的深入研究。在应对故障状况方面，需要研究测量位置的可靠性和冗余分布，在拓扑转换方面需要研究可观测性的变换。因此，本论文从测量可靠性，检测设备位置的事故概率，冗余分布，拓扑转换四个方面对PMU配置的优化问题展开研究，主要工作和成果如下:
1)在测量可靠性方面，提出了新的PMU配置方法来获取最大可靠测量电压和电流数据集，从而提高了观测系统的可靠性。
使用PMU来观测电网，大多数节点的数据都是通过网络连接和对其他节点的观测获取的，所以可以使用PMU的可靠度和线路的可靠度来计算测量系统的可靠性。为降低测量故障概率，本文通过指定最可靠的测量生成树来找出最可靠的测量集。为此，本文提出了一个新的方法，它结合了普利姆算法(Prim Algorithm)和局部搜索算法(Local Search Algorithm)两种算法的优点。提出的方法分两个步骤进行。第一步，找出最可靠的生成树，建立重要的节点为主树，通过普利姆算法找到最可靠的生成树以确保连接所有的节点。第二步，应用局部搜索算法在已找到的生成树上优化PMU的位置。通过这个步骤消除了额外的电流测量，并指定了电压测量，最后获得最可靠的完整测量集。提出的方法在五个测试系统(IEEE14-节点系统,24-节点系统，30-节点系统和，57-节点系统)中进行了仿真和校验，结果表明，该方法不仅可增加节点的观测可靠度，使得大多数节点达到最高的观测可靠度，而且改善了观测安全指数，提高了系统的观测能力。
2)在PMU位置的事故概率方面，提出了新的PMU配置方法来选出最可靠的PMU位置分布，从而提高了测量系统的可用性。
在一个检测站布置一个PMU可以测量节点的电压与线路的电流。各节点电压测量的事故概率基本相同，但各线路电流测量的事故概率则不同，此外每个节点的线路数量可能也不一样，所以在任何节点布置PMU，其测量的概率是不同的。因此，可以说PMU的位置对测量系统的可靠性也有影响。如果选择最低故障概率的位置，就能提高观测系统的概率。本论文研究找到一集最少的PMU，在电网上展开时具有最低的总故障率。为了达到这个目标我们利用贪婪算法来解决优化PMU配置的问题。我们对贪婪算法进行了改进，在局部优化方案分成三种情况:唯一优化方案，多优化方案无纷争，和多优化方案有纷争。改进后的贪婪算法不仅能获得全局优化的方案而且也减少了搜索时间。提出的方法在五个测试系统（IEEE14-节点系统，30-节点系统，57-节点系统，118-节点系统，大规模电网-波兰2383-节点系统）进行了仿真和校验。仿真的结果表明，提出的方法仍然找到一集最少的PMU，具有最低的失效概率。除此之外，将本文提出的方法与其他方法也进行了比较，结果表明本方法在竞争的搜索时间达到最优化的方案。根据获得的PMU集合，观测系统的可用性得到显着提高。
3)在冗余布置方面，研究方法获得最好的冗余布置方案，从而提高了观测系统的鲁棒性。
测量冗余是很关键的因素，这个因素能确保可靠和鲁棒的状态估计。没有冗余测量，状态估计就不能发现和有效的剔除测量误差，这样就会对估计结果的准确率产生影响,并且如果在失去测量时没有冗余测量代替，那么估计的结果也有很大的影响，甚至状态估计不能展开。因此，可以说一个冗余指数的价值对状态估计的鲁棒性来算就达到一个相应比率。另一方面，测量冗余也可以认为是观测可靠性的分量，一个测量可靠度指定测量冗余的数量。使用观测可靠度能判定冗余指数与冗余分布，因此可以表达鲁棒的比率。我们认为从可靠角度来解决PMU配置的问题可以增强冗余效果。因为它可以确定所需的冗余数量及冗余分布，所以可以确保所需的鲁棒性。本研究提出了一种基于节点观测可靠度的新方法，以解决最优PMU配置问题。这项工作的目标是提高测量冗余布置的效果，并为状态估计可达到任何期望的鲁棒比率。提出的方法在五个测试系统（14-节点系统，24-节点系统，30-节点系统，57-节点系统，2383-节点系统）进行了仿真和检验。模拟结果表明，测量冗余都分布在低观测可靠度的位置，因此它增加了冗余布置的效果。此外，从冗余比率可以分别估计一个期望的观测可靠度，然后可以容易地指定PMU的数量和位置。基于节点的观测可靠度，提出的方法提高了冗余布置的效果，并达到任何期望的鲁棒状态估计比率。
4)在拓扑的转换方面，研究方法获得最好的PMU配置方案在任何拓扑的转换情况都确保电网的可观性，从而最大化观测系统的鲁棒性。
在运行过程中，通常电网在一个周期有许多优化的拓扑。很明显，拓扑切换可以对节点的电压，线路的电流和功率产生特别的影响。操作人员可以切换隔离开关/断路器以改善电压曲线或增加容量传输。另外，当电力系统发生事故时可能会导致过载，级联故障，电压违规或系统不稳定，这时候拓扑切换也可以解决问题，能把事故状态转回正常状态。拓扑切换可以当成一个很灵活的控制方法。由于多种原因（线路中断，确保电压稳定性，优化损耗，确保安全性等），开关/断路器切换或母线桥切换都会导致电网拓扑变得不可预测。那时候已设汁的测量系统希望还能确保测量系统的可观能力。本论文研究一个新的解法，在任何电网拓扑的转换情况下都能确保可观能力。根据拓扑的转换情况考虑每个节点的连接变化，从此找出节点观测的约束。提出的解法在IEEE14-节点系统进行了仿真和检验。仿真结果表明提出方法的效果和性能。已获得的PMU测量在任何拓扑的转换情况都能确保观测系统的可观能力。
在上面四个方面本论文研究提出了四个新方法解决成功PMU配置的优化问题达到研究目的。本文的创新点可以列举如下:
1)提出了新的PMU配置方法来获取最大可靠测量电压和电流数据集。该方法不仅可增加节点的观测可靠度，使得大多数节点达到最高的观测可靠度，而且改善了观测安全指数，提高了系统的观测能力。
2)提出了新的PMU配置方法来选出最可靠的PMU位置分布。该方法通过改进贪婪算法来解决优化PMU配置的问题，改进后的贪婪算法不但能获得全局优化的方案并且减少了搜索时间。
3)基于脆弱地区的优先标准，提出了新的PMU配置方法来选出最好的冗余布置方案，为了根据可靠度准则得到测量值的有效分布，该方法基于观测可靠度来解决OPP问题。模拟结果显示，该方法显著增强冗余效果，可提高观测系统的鲁棒性。
4)为了应对电网拓扑的变换，提出新的方法来选出最好的PMU配置方案。新的方法将考虑网络拓扑结构转化为考虑各总线配置，通过改进并应用了整数线性规划方法，保证网络拓扑结构不可预测变化的鲁棒可观测性，并且可实现观测鲁棒性的最大化。
本文贡献的理论价值和实际应用价值:对于实际应用方面，本论文提出的四个方法可以在实际电力系统应用以解决PMU配置的优化问题，可以用于设计新的测量系统或升级测量系统。在理论方面，本论文的成果可以用于发展与完善PMU配置的方法或者观测分析的方法。