Актуальность исследования. Источником данных, на основании которых производятся финансовые взаиморасчеты на рынках электрической энергии (ЭЭ), являются счетчики ЭЭ, установленные вблизи границ разграничения балансовой принадлежности участников энергообмена. Счетчики, вместе с измерительными трансформаторами тока и напряжения, образуют измерительную часть автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ). Ошибки и искажения измерительной информации о потоках ЭЭ приводят к финансовым потерям участников рынка ЭЭ, поэтому задача повышения точности и достоверности этой информации является актуальной.
Искажение измерений ЭЭ может происходить как на информационном, так и на измерительном уровне системы учета. Ошибки передачи, происходящие на верхнем (информационном) уровне, могут выявляться программно-техническими методами. Обой, либо появление повышенной погрешности на измерительном уровне, технически сложно отследить. Современная тенденция развития АСКУЭ направлена на применение интеллектуальных цифровых устройств, а также на увеличение количества измерительных комплексов электроэнергии (ИКЭЭ), входящих в состав системы. На верхних уровнях АСКУЭ собирается измерительная информация о потоках ЭЭ на минутных и часовых интервалах времени для больших фрагментов электрической сети. При этом появляется возможность осуществлять оценку достоверности измерений ЭЭ на основе контроля балансовых соотношений для потоков ЭЭ. Оперативное выявление недостоверных измерений ЭЭ является достаточно сложной задачей, решение которой позволяет минимизировать финансовые риски для участников энергообмена.
Оценка достоверности позволяет выявить измерения, погрешности которых превышают предельно допустимые значения, определяемые классами точности компонентов ИКЭЭ. Измерительным комплексам в большей степени присущи отрицательные систематические погрешности, то есть недоучет ЭЭ. При измерении отпускаемой потребителям ЭЭ недоучет приводит к возникновению для энергоснабжающих предприятий коммерческих потерь ЭЭ, которые связаны как со сверхнормативными погрешностями измерений, так и с намеренными хищениями ЭЭ, что определяет актуальность темы работы в первую очередь для электросетевых предприятий. Процесс достоверизации измерений ЭЭ складывается из нескольких этапов. Первый этап - выявление факта наличия недостоверных данных (детекция плохих данных), второй этап - поиск сбойного измерения (идентификация плохих данных) и последним этапом является коррекция плохих измерений.
Наиболее легитимным методом оценки достоверности измерений, является метрологический контроль системы учета ЭЭ, который проводится покомпонентно один раз в несколько лет на основе утвержденных методик и процедур. В случае искажения метрологических характеристик в межповерочном интервале, показания ИКЭЭ будут содержать ошибки вплоть до проведения следующей поверки. Чаще, чем раз в несколько лет, оценка достоверности может проводиться путем составления и анализа фактических и допустимых небалансов ЭЭ на основе типовой инструкции по учету ЭЭ. Одним из основных недостатков балансового метода является невозможность определить конкретный измерительный комплекс, который вносит небаланс, поскольку в формировании балансового выражения могут входить показания большого числа ИКЭЭ.
В настоящей работе исследованы математические методы оценки достоверности информации, получаемой от систем учета ЭЭ с использованием подходов теории оценивания состояния (ОС), когда условия балансов ЭЭ записываются в виде системы уравнений для всей схемы сети, и любое измерение может присутствовать сразу в нескольких уравнениях системы. Проведенные исследования показали, что методы достоверизации измерительной информации, применяемые для телеизмерений, разработанные в рамках теории ОС, могут успешно применяться для достоверизации измерений ЭЭ, полученных от АСКУЭ. Представленные в настоящей работе методы оценки погрешностей ИКЭЭ позволяют выявлять комплексы, обладающие систематической погрешностью, выходящей за рамки предельно допустимой. Необходимым условием для проведения расчетов является наличие достаточной информационной избыточности измерительной системы и наличие представительной статистической выборки измерений. По результатам расчетов формируется перечень ИКЭЭ, требующих внимания оперативного персонала, проведения внеочередной метрологической поверки и/или полной замены.
Существенной проблемой является невозможность достоверизации «малых» измерений, численные значения которых значительно меньше остальных. В случае если такое измерение содержит грубую ошибку, ее величина, чаще всего, не превышает предельно допустимых погрешностей остальных измерений.
В настоящей работе проведен анализ измерений реактивной ЭЭ на примере данных фрагмента ЕЭС России. Показано, что погрешности измерения реактивной ЭЭ значительно выше погрешностей измерения активной ЭЭ.
Степень разработанности проблемы: в исследованиях, проводимых на кафедре «Автоматизированные электрические системы» Уральского федерального университета (бывш. УГТУ-УПИ), сформулирована задача энергораспределения (ЭР), позволяющая осуществлять расчет потоков ЭЭ, а также технических потерь на всех элементах схемы сети. Модель ЭР позволяет осуществлять расчет энергетического режима на основе измерений ЭЭ. Уравнениями состояния для задачи ЭР являются уравнения балансов ЭЭ в узлах и ветвях сети, а также уравнения для расчета технических потерь ЭЭ во всех элементах схемы замещения. Решая задачу ЭР можно получить расчетные оценки потоков ЭЭ по всем элементам схемы, технические потери ЭЭ, а также оценить достоверность каждого измерения путем его сравнения с расчетным аналогом. Для проведения процедуры достоверизации необходимо иметь избыточный состав измерений. Как было показано ранее, решение задачи ЭР целесообразно осуществлять на основе методических подходов теории ОС. В электроэнергетике ОС широко применяется для расчета установившегося режима энергосистемы в координатах мощностей на основе телеизмерений и телесигнализации. В рамках решения классической задачи ОС разработаны, имеющие высокую степень научной проработки, методы анализа наблюдаемости, выявления сбойных измерений, подавления влияния плохих измерений на результаты оценивания. В настоящей работе данные методы адаптированы к измерениям ЭЭ.
Цели и задачи исследования: предложить методики и подходы, позволяющие расширить функциональность систем учета ЭЭ. Показать значимость для современной электроэнергетики проблемы оценки достоверности данных учета ЭЭ; выполнить анализ существующих подходов достоверизации данных систем учета ЭЭ; провести сравнительный анализ традиционной задачи ОС и задачи ЭР; адаптировать методы теории ОС для достоверизации данных систем учета ЭЭ; выявить проблемы в предложенных подходах достоверизации данных; предложить методику оценки систематической погрешности ИКЭЭ; оценить возможность достоверизации информации по реактивной ЭЭ.
Научная новизна результатов исследования
1. Показано что использование методических подходов теории оценивания состояния позволяет эффективно решать задачу достоверизации измерений ЭЭ. Предлагаемые методы достоверизации могут решить полный цикл подзадач оценки достоверности: детекция, идентификация и коррекция плохих измерений.
2. Адаптированы методы оценки достоверности измерений, разработанные в рамках теории оценивания состояния на основе решения задачи энергораспределения, по отношению к измерениям ЭЭ. Наибольшей эффективностью обладает метод, основанный на анализе системы контрольных уравнений, и метод анализа взвешенных и нормализованных остатков оценивания. Необходимым условием применения математических методов оценки достоверности является информационная избыточность систем учета.
3. Выявлена проблема невозможности идентификации грубых ошибок в измерениях, значения которых существенно меньше остальных измерений. Показано, что погрешность измерительного комплекса ЭЭ должна зависеть от значения измеряемого потока ЭЭ, чем больше измеряемый поток ЭЭ, тем выше должны быть классы точности всех компонентов измерительного комплекса.
4. Разработана методика мониторинга и оценки статистических характеристик погрешностей измерительных комплексов ЭЭ. Методика основана на оценке систематической составляющей погрешности, рассчитываемой с помощью групп проверочных выражений. Применение подхода на верхнем уровне АСКУЭ позволит существенно расширить функционал системы в части оценки достоверности измерений ЭЭ и снизить время выявления недостоверных измерений.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в направленности на совершенствование систем учёта ЭЭ, в возможности в темпе процесса отслеживать достоверность измерений ЭЭ. Реализация данных положений позволит производить диагностику работы АСКУЭ на малых интервалах времени, а также повысить достоверность измерений ЭЭ, используемых для проведения финансовых расчётов между участниками энергообмена. Предложенные методы позволят значительно уменьшить время выявления мест недостоверного учета, снижая тем самым финансовые риски энергокомпаний. Алгоритм выявления систематической погрешности ИКЭЭ позволит определять комплексы, требующие внеочередной метрологической поверки.
Методология и методы исследования. Диссертация подготовлена с использованием теоретических, экспериментальных и специальных методов научного познания. В работе широко использованы методы сравнения и аналогии, обобщения, исследования, моделирования, эксперимента. При разработке методики оценки статистических характеристик и вычисления расчетного аналога измерения использовались методы математического анализа, а также законы теории статистики, фильтрации и основы метрологии. Методом исследования при выполнении экспериментальной части диссертации являлось математическое моделирование и пассивный эксперимент.
Положения, выносимые на защиту
1. Повышение достоверности информации систем учета ЭЭ, основанное на анализе нормализованных остатков оценивания, а также на обработке системы контрольных уравнений. Данные подходы позволяют оперативно выявлять измерения, содержащие грубые ошибки. Методики были разработаны в рамках традиционной задачи ОС и адаптированы в данной работе к измерениям ЭЭ и задаче ЭР.
2. Оценка статистических характеристик погрешностей ИКЭЭ. Реализуется возможность в течение межповерочных интервалов отслеживать систематические погрешности комплексов учета. Основой методики являются формирование групп проверочных выражений.
3. Вычисление расчетного аналога измерения, обладающего более низкой предельно допустимой погрешностью по сравнению с самим измерением.
Степень достоверности результатов исследования. Методы выявления недостоверных измерений опробованы на выборке измерений АСКУЭ фрагмента Кировской энергосистемы. Методы детекции плохих данных на основе системы контрольных уравнений показали хорошие результаты. Даны рекомендации по делению схемы на фрагменты разного класса напряжения, для проведения процедуры достоверизации измерений ЭЭ. Апробирован метод идентификации систематических погрешностей с построением графиков динамического распределения погрешностей и гистограмм. Анализ погрешности измерений реактивной энергии также проведен на фрагменте Кировской энергосистемы.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на НПК «Энергосбережение - теория и практика», VI международной школе-семинаре молодых ученых 2008 г., «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» XII конференции 2008 г., «Энергосистема: управление, конкуренция, образование» III международная НПК 2008 г., 6-ом НТ семинаре-выставке "Нормирование и снижение потерь электрической энергии в электрических сетях" 2008 г., НПК «Разработки молодых специалистов в области электроэнергетики» 2008 г., «Source of the Document IECON Proceedings (Industrial Electronics Conference)» 2009 г.; «The First International Conference on Sustainable Power Generation and Supply» 2009 г., Всероссийской НТК «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» 2010 г., Евроазиатской выставке и конференции «Энергетика настоящего и будующего» 2010 г., НТК «Энергобезопасность и энергоэффективность» 2011 г., «International Conference on Future Electrical Power and Energy Systems Lecture Notes in Information» 2012 г., 3-ей НПК «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» 2012 г., «EnergyCON, IEEE International Energy Conference», 2014 г., «3rd International Conference on Energy and Environmental Protection» 2014г, НПК «Электроэнергетика глазами молодежи», г.Томск, 2014 г.
Публикации. В ходе работы над диссертацией было опубликовано 16 работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией («Известия Высших учебных заведений: «Проблемы энергетики», «Электрические станции», «Электричество», «Вестник Самарского государственного технического университета»); 3 в изданиях, индексируемых в базе Scopus.
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Весь материал работы изложен на 157 страницах, включает 31 рисунок и 18 таблиц. Список использованной литературы состоит из 135 наименований.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
