Τεχνικές εκτίμησης και επιλογής συγχρονισμένων μετρήσεων φασιθετών σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

Τις τελευταίες δεκαετίες, η βιομηχανία ενέργειας ισχύος υπόκειται σε πολλαπλές αλλαγές εξαιτίας της απελευθέρωσης της αγοράς. Στις μέρες μας, οι ανταγωνιζόμενες μεταξύ τους αγορές ενέργειας παρέχουν επαρκή παραγωγή ισχύος, τεχνολογικές καινοτομίες, και πιο φθηνά τιμολόγια. Σ’ αυτό το περιβάλλον, η ασφαλής λειτουργία των ηλεκτρικών συστημάτων απαιτεί στενή παρακολούθηση των συνθηκών λειτουργίας τους. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω των κέντρων ελέγχου, που συγκεντρώνουν τα δεδομένα που λαμβάνονται από διάφορους υποσταθμούς για να παράσχουν μία εκτίμηση των φασιθετών τάσης, των λήψεων των μετασχηματιστών, των καταστάσεων των διακοπτών, και άλλων μετρούμενων και μη μετρούμενων ηλεκτρικών μεγεθών και παραμέτρων του ηλεκτρικού συστήματος. Παραδοσιακά, τα διαθέσιμα δεδομένα είναι μετρήσεις οι οποίες παρέχονται από το σύστημα SCADA, και περιλαμβάνουν ενεργές και άεργες ροές και εγχύσεις ισχύος, όπως επίσης μέτρα τάσεων και καταστάσεις διακοπτικών στοιχείων. Με την έλευση του παγκοσμίου συστήματος προσδιορισμού θέσης (GPS), το σύνολο των μετρήσεων διευρύνθηκε ώστε να συμπεριλάβει τις διαθέσιμες συγχρονισμένες μετρήσεις φασιθετών, οι οποίες παρέχονται από τις μονάδες μέτρησης φασιθετών (PMUs). Αυτές είναι μετρητικές συσκευές που παρέχουν την απαραίτητη πληροφορία για την ελαχιστοποίηση και τον έλεγχο των απωλειών ισχύος και την αποφυγή προβλημάτων όπως οι μεγάλου μεγέθους διακοπές παροχής ισχύος. Αυτή η διατριβή επικεντρώνεται στα οφέλη από τη χρήση συγχρονισμένων μετρήσεων φασιθετών και μονάδων PMU με σκοπό την βελτίωση της εποπτείας και του ελέγχου του ηλεκτρικού συστήματος. Τα οφέλη διερευνώνται σε σχέση με την ανάλυση της παρατηρησιμότητας του μετρητικού συστήματος, τη βέλτιστη τοποθέτηση μονάδων PMU και την εκτίμηση κατάσταση του ηλεκτρικού συστήματος. Αρχικά, η διατριβή παρουσιάζει απλούς και αποτελεσματικούς αλγορίθμους που αφορούν την ανάλυση παρατηρησιμότητας, τον έλεγχο και την αποκατάσταση, για συστήματα που περιλαμβάνουν τόσο συμβατικές όσο και μετρήσεις φασιθετών. Καινοτόμες μέθοδοι βέλτιστης τοποθέτησης μονάδων PMU βασισμένες σε ευρετικούς και μαθηματικούς αλγορίθμους που διασφαλίζουν μέγιστη περίσσεια μετρήσεων και λαμβάνουν υπ’ όψιν την ύπαρξη ή μη συμβατικών μετρήσεων, επίσης προτείνονται. Τέλος, παρουσιάζονται διατυπώσεις του προβλήματος εκτίμησης κατάστασης βασισμένες στα ελάχιστα σταθμισμένα τετράγωνα, που περιλαμβάνουν τόσο κλασικές όσο και μετρήσεις φασιθετών τάσεως και ρεύματος. Οι προτεινόμενες διατυπώσεις επεξεργάζονται ταυτόχρονα ή μη τους διαφόρους τύπους μετρήσεων και αποφεύγουν οποιοδήποτε αριθμητικό πρόβλημα μπορεί να προκύψει από την χρησιμοποίηση πολικών ή καρτεσιανών συντεταγμένων των φασιθετών ρεύματος. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η στρατηγική τοποθέτηση μερικών μονάδων PMU στο σύστημα μπορεί να αυξήσει σημαντικά την περίσσεια των μετρήσεων, και με τη σειρά της να βελτιώσει την ικανότητα ανίχνευσης και εντοπισμού των εσφαλμένων δεδομένων.

The last decades, electric power industry is undergoing multiple changes due to the process of deregulation. Nowadays, the competitive electricity markets provide efficient power generation, technological innovations, and eventually lower retail prices. In this environment, secure operation of power systems requires close monitoring of the system operating conditions. This is accomplished through control centres, gathering the data received from numerous substations to provide an estimate of the bus voltage phasors, the tap positions, the circuit breaker status, and other metered and unmetered electrical quantities and parameters of the power system. Traditionally, the available data are redundant measurements commonly provided by SCADA, including active and reactive power flows and injections and bus voltage magnitudes and statuses of switching devices. With the advent of global positioning system (GPS), the measurement set is enlarged to include the available synchronized phasor measurements provided by the phasor measurement units (PMUs). These are measurement devices providing the precise knowledge necessary to minimize and control power outages and avoid problems such as cascading blackouts. This dissertation is focused on the possible benefits of using synchronized phasor measurements and PMUs in order to improve the power system monitoring and control. The benefits are investigated with respect to the measurement system observability analysis, the optimal PMU placement, and the power system state estimation. Initially, this dissertation presents simple and effective algorithms concerning the observability analysis, checking and restoration, for systems including phasor measurement units as well as conventional measurements. Novel methods of optimal PMU placement based on heuristic and mathematical algorithms ensuring maximum measurement redundancy and considering or not conventional measurements, are also proposed. Finally, weighted least square formulations of the state estimation problem, including traditional as well as voltage and current phasor measurements are presented. The proposed formulations process simultaneously or not the different measurement types and avoid any numerical problems encountered by using the polar or rectangular coordinates of current phasors. The results show that the strategic placement of a few PMUs in the system can significantly increase measurement redundancy, which in turn can improve the capability of bad data detection and identification.