ДОСТОВЕРИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МЕТОДАМИ ТЕОРИИ ОЦЕНИВАНИЯ СОСТОЯНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ОБЗОР МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ ИНФОРМАЦИИ
ОТ СИСТЕМ УЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 17
1.1 Основные составляющие погрешности измерения электроэнергии 17
1.2 Метрологический контроль и надзор над средствами измерения
электроэнергии 27
1.3 Инженерные методы оценки достоверности данных автоматизированных
систем учета электроэнергии 31
1.4 Дублирование измерительных комплексов учета 33
1.5 Балансовый метод оценки достоверности измерений
электроэнергии 34
1.6 Использование методов оценивания состояния для достоверизации данных
учета электроэнергии 38
Выводы по главе 1 41
2. ОЦЕНКА ДОСТОВЕРНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
НА ОСНОВЕ ЗАДАЧИ ЭНЕРГОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ 43
2.1 Общие принципы достоверизации измерений в теории оценивания состояния 43
2.2 Описание задачи энергораспределения как задачи оценивания состояния
2.3 Анализ наблюдаемости энергораспределения 49
2.4 Сравнение традиционной для энергетики задачи оценивания состояния и
задачи энергораспределения 56
Выводы по главе 2 59
3. АПРИОРНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ДОСТОВЕРНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 60
3.1 Оценка достоверности измерений методом контрольных уравнений 60
3.2 Топологический метод формирования системы контрольных уравнений в
рамках задачи энергораспределения 63
3.3 Алгебраический метод формирования системы контрольных
уравнений 70
3.4 Алгоритм выявления недостоверных измерений электроэнергии на основе
системы контрольных уравнений 74
3.5 Уточнение расчетных оценок по сравнению с измерениями 79
3.6 Использование групп проверочных выражений как способ оценки достоверности наиболее ответственных измерений электроэнергии 81
3.7 Оценка достоверности «малых» измерений электроэнергии 84
3.8 Выявление систематических и случайных погрешностей измерения электроэнергии 91
3.9 Оценка достоверности измерений схемы, содержащей ненаблюдаемые участки 98
Выводы по главе 3 103
4 АПОСТЕРИОРНЫЕ И РОБАСТНЫЕ МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ПЛОХИХ ДАННЫХ 105
4.1 Использование остатков оценивания в задаче достоверизации измерений
электроэнергии 105
4.2 Анализ взвешенных и нормализованных остатков оценивания для
измерений электроэнергии 108
4.3 Робастные методы оценки достоверности измерений систем учета электроэнергии 118
Выводы по главе 4 119
5 ПРОВЕРКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ДОСТОВЕРНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ФРАГМЕНТЕ ЕЭС РОССИИ 121
5.1 Исходные данные и формирование расчетной схемы для оценки достоверности измерений фрагмента Кировской энергосистемы 121
5.2 Формирование системы контрольных уравнений и групп проверочных выражений 124
5.3 Вычисление расчетной оценки измерения, выявление систематических погрешностей комплексов учета 128
5.4 Достоверность измерений реактивной энергии 133
Выводы по главе 5 137
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 139
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 141
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 142
1. ОБЗОР МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ ИНФОРМАЦИИ
ОТ СИСТЕМ УЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 17
1.1 Основные составляющие погрешности измерения электроэнергии 17
1.2 Метрологический контроль и надзор над средствами измерения
электроэнергии 27
1.3 Инженерные методы оценки достоверности данных автоматизированных
систем учета электроэнергии 31
1.4 Дублирование измерительных комплексов учета 33
1.5 Балансовый метод оценки достоверности измерений
электроэнергии 34
1.6 Использование методов оценивания состояния для достоверизации данных
учета электроэнергии 38
Выводы по главе 1 41
2. ОЦЕНКА ДОСТОВЕРНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
НА ОСНОВЕ ЗАДАЧИ ЭНЕРГОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ 43
2.1 Общие принципы достоверизации измерений в теории оценивания состояния 43
2.2 Описание задачи энергораспределения как задачи оценивания состояния
2.3 Анализ наблюдаемости энергораспределения 49
2.4 Сравнение традиционной для энергетики задачи оценивания состояния и
задачи энергораспределения 56
Выводы по главе 2 59
3. АПРИОРНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ДОСТОВЕРНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 60
3.1 Оценка достоверности измерений методом контрольных уравнений 60
3.2 Топологический метод формирования системы контрольных уравнений в
рамках задачи энергораспределения 63
3.3 Алгебраический метод формирования системы контрольных
уравнений 70
3.4 Алгоритм выявления недостоверных измерений электроэнергии на основе
системы контрольных уравнений 74
3.5 Уточнение расчетных оценок по сравнению с измерениями 79
3.6 Использование групп проверочных выражений как способ оценки достоверности наиболее ответственных измерений электроэнергии 81
3.7 Оценка достоверности «малых» измерений электроэнергии 84
3.8 Выявление систематических и случайных погрешностей измерения электроэнергии 91
3.9 Оценка достоверности измерений схемы, содержащей ненаблюдаемые участки 98
Выводы по главе 3 103
4 АПОСТЕРИОРНЫЕ И РОБАСТНЫЕ МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ПЛОХИХ ДАННЫХ 105
4.1 Использование остатков оценивания в задаче достоверизации измерений
электроэнергии 105
4.2 Анализ взвешенных и нормализованных остатков оценивания для
измерений электроэнергии 108
4.3 Робастные методы оценки достоверности измерений систем учета электроэнергии 118
Выводы по главе 4 119
5 ПРОВЕРКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ДОСТОВЕРНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ФРАГМЕНТЕ ЕЭС РОССИИ 121
5.1 Исходные данные и формирование расчетной схемы для оценки достоверности измерений фрагмента Кировской энергосистемы 121
5.2 Формирование системы контрольных уравнений и групп проверочных выражений 124
5.3 Вычисление расчетной оценки измерения, выявление систематических погрешностей комплексов учета 128
5.4 Достоверность измерений реактивной энергии 133
Выводы по главе 5 137
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 139
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 141
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 142
В настоящее время вопрос экономической эффективности находится на первом плане практически для любой отрасли, и энергетика не является исключением. Задачей электросетевых компаний является оказание услуг по передаче электрической энергии (ЭЭ) от места ее производства до потребителей. Услуги по передаче ЭЭ формируют доходы электросетевых компаний. Измерения, поступающие от систем учета ЭЭ, служат базой для осуществления финансовых взаиморасчетов между участниками оптовых и розничных рынков ЭЭ. Источником измерений являются измерительные комплексы электроэнергии (ИКЭЭ), установленные на границах балансовой принадлежности между участниками энергообмена. В связи с дифференциацией тарифов (цен) на ЭЭ на часовых интервалах времени высокими темпами ведется внедрение и совершенствование автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ). Системы АСКУЭ призваны предоставить надежные и своевременные показания об учете ЭЭ, на основании которых могут быть произведены финансовые расчеты между субъектами рынка.
Измерения ЭЭ помимо нормальных погрешностей могут содержать грубые выбросы, происходящие в результате значительного превышения предельно допустимых погрешностей средств измерений, сбоев в процессе преобразования измеренных величин, помех в каналах связи. Контроль точности и достоверности измерительной информации о потоках ЭЭ является важной составляющей информационно-измерительной системы. Он позволяет минимизировать финансовые риски участников энергетического обмена в случае появления сбойных коммерческих измерений.
В настоящий момент не все энергообъекты имеют системы АСКУЭ, иногда учет производится с использованием традиционной системы учета ЭЭ. Отчетным периодом в подобных системах является месячный интервал, а сбор показаний производится с участием персонала энергоснабжающей организации, либо потребителей. Такой способ сбора и обработки коммерческих измерений предполагает участие персонала, следовательно, появляется дополнительная возможность для ошибок и искажений коммерческих данных.
Микропроцессорные счетчики позволяют получить минутные измерения ЭЭ. Накопленные на счетчике профили потребления могут быть считаны оперативным персоналом с помощью микропроцессорных средств, что позволяет получить, например, привязку ко времени измерений. Следующим этапом модернизации традиционной системы учета и построения АСКУЭ является организация каналов связи и сбор измерительной информации о потоках ЭЭ в центр ее обработки и хранения. Сертифицирование систем учета предъявляет высокие требования к метрологическим характеристикам (МХ) приборов учета и к каналам передачи данных, а также к надежности системы в целом.
С каждым годом все большее число потребителей выходит на оптовый рынок ЭЭ. Наличие у потребителя сертифицированной автоматизированной информационно-измерительной системы коммерческого учета электроэнергии (АИИС КУЭ) позволяет организации получить доступ к оптовому рынку ЭЭ. Требования к системам такого типа являются наиболее строгими и регламентируются нормативными документами [1-8].
Основным способом обеспечения легитимности измерительной информации на сегодняшний день является метрологический надзор и контроль средств учета ЭЭ, который проводится один раз в несколько лет на основании утвержденных методик и процедур. Поверка осуществляется органами Госстандарта России и метрологическими службами электроэнергетической отрасли. ИКЭЭ подвергается поверке покомпонентно, то есть поверяются измерительные трансформаторы тока (ТТ) и измерительные трансформаторы напряжения (ТН), счетчики ЭЭ, устройства сбора и передачи данных. В случае искажения МХ любого компонента измерительного комплекса в течение межповерочного интервала, показания комплекса учета будут содержать ошибки вплоть до проведения очередной метрологической поверки.
Чаще, чем раз в несколько лет, оценка достоверности измерений ЭЭ может проводиться путем контроля фактических и допустимых небалансов. Балансовый метод является наиболее распространенным методом анализа достоверности измерений ЭЭ.В 1995 году была выпущена Типовая инструкция по учету ЭЭ, регламентирующая процедуру таких расчетов [9].
Баланс ЭЭ характеризуется следующими показателями: объемом ЭЭ, поступающим и отпускаемым с исследуемого объекта, а также отчетными потерям, которые рассчитываются как разность между принятой и отпущенной ЭЭ. Балансовый метод является упрощенным методом верификации измерительной информации, поскольку никакие электрические показатели, кроме измерений ЭЭ, в расчетах не участвуют. Включенные/отключенные элементы сети, параметры схемы замещения в балансовом методе роли не играют.
Современная тенденция развития автоматизированных систем учета ЭЭ направлена на все большее их техническое усовершенствование. Системы учета и приборы, входящие в их состав, становятся более сложными и дорогостоящими, однако величина фактических потерь ЭЭ остается на высоком уровне, значительно превышающем технические и нормативные значения потерь [10]. На сетевых предприятиях ежемесячно составляется баланс ЭЭ, на основании которого вычисляются фактические потери ЭЭ, которые сравниваются с нормативными значениями. В случае, когда значение коммерческих потерь значительно, сетевое предприятие несет убытки. Причинами появления коммерческих потерь может быть недоучет полезного отпуска ЭЭ потребителям, недостатки энергосбытовой деятельности, а также хищения ЭЭ [10-21]. К недоучету отпущенной потребителям ЭЭ часто приводит ненормативная загрузка измерительных трансформаторов.
Погрешность ИКЭЭ зависит от режима работы и загрузки присоединения, причем в большинстве случаев, при работе в неноминальных режимах происходит недоучет ЭЭ. Отрицательные систематические погрешности измерительных комплексов могут быть причиной коммерческих потерь ЭЭ [13¬15]. Еще одной проблемой является предумышленное искажение коммерческой информации, особенно в случае, когда средства учета ЭЭ состоят на балансе покупателей ЭЭ, которые заинтересованы в занижении измерений, определяющих плату за пользование ЭЭ. В последние 20 лет наблюдается рост коммерческих потерь [21], что приводит к финансовым потерям участников энергообмена, в особенности электросетевых компаний. Коммерческая составляющая потерь ЭЭ удваивает финансовые потери компаний, ответственных за транспорт ЭЭ, поскольку на них ложится финансовая ответственность за потери. Первый раз электросетевая компания недополучает из-за коммерческих потерь денежные средства за транспорт ЭЭ, а второй раз она оплачивает эти коммерческие потери в рамках процедуры покупки фактических потерь ЭЭ. Для электросетевых компаний коммерческие потери на уровне 0,4 кВ являются самыми дорогими, так как тарифы на транспорт ЭЭ по данному классу напряжения самые высокие. Из опыта энергетических обследований электросетевых предприятий хорошо известно, что на уровне низких напряжений самый высокий процент коммерческих потерь ЭЭ. Высокий уровень коммерческих потерь приводит к удорожанию тарифа на транспорт ЭЭ, что приводит к всеобщему повышению конечной стоимости ЭЭ для потребителей, особенно на низких номинальных напряжениях.
Снижение коммерческой составляющей потерь возможно при локализации их источников, выявления причин и их устранении. Оценка достоверности измерений ЭЭ позволит выявить участки схемы сети, служащие источником значительных коммерческих потерь.
Для эффективного выполнения задач обеспечения финансовых взаиморасчетов необходимо обладать точной и достоверной информацией об объемах ЭЭ. Поскольку информация об измерениях в системах учета поступает через определенные периоды, существует возможность использовать математические модели и методы для оценки правильной работы системы учета и оценки достоверности коммерческих измерений в реальном масштабе времени.
Актуальность темы работы определяется:
• высокими требованиями к достоверности информации, поступающей от систем учета электроэнергии, как к источнику обеспечения финансовых взаиморасчетов;
• высоким уровнем коммерческой составляющей потерь электроэнергии, верифицированные измерения позволят локализовать конкретные элементы, либо фрагменты схемы, служащие источником коммерческих потерь;
• важностью минимизации финансовых рисков компаний, работающих во всех видах энергетического бизнеса, от недостоверных измерений электроэнергии. Генерирующие компании несут финансовые потери в случае недоучета отпускаемой электроэнергии. Двойной ущерб ложится на сетевые компании в случае недоучета отпускаемой ЭЭ потребителям. Отрицательные систематические погрешности работают в пользу потребителей, поскольку занижают количество отпущенной им электроэнергии. Повышение достоверности измерений электроэнергии - в первую очередь задача генерирующих и электросетевых компаний.)
• перспективностью применения методов теории оценивания состояния, нашедших широкое применение при достоверизации телеизмерений в системах диспетчеризации, к измерениям электроэнергии. (Методы теории оценивания состояния позволяют производить оценку достоверности данных, производить анализ наблюдаемости, а также оценивать составляющие погрешности измерительных приборов. Решение подобных задач по отношению к системам учета электроэнергии является востребованным в настоящее время.)
Степень разработанности темы исследования:
В исследованиях, проводимых на кафедре «Автоматизированные электрические системы» Уральского федерального университета (бывший УГТУ- УПИ), сформулирована задача энергораспределения (ЭР), позволяющая осуществлять расчет потоков ЭЭ, а также технических потерь на всех элементах схемы. Модель ЭР позволяет осуществлять расчет энергетического режима в схеме сети на основе измерений ЭЭ. Уравнениями состояния для задачи ЭР являются уравнения балансов энергии в узлах и ветвях сети, а также уравнения для расчета технических потерь ЭЭ во всех элементах схемы замещения сети. 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 оценивания состояния (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.
Цели и задачи работы - предложить методики и подходы, позволяющие расширить функциональность систем учета электроэнергии. Показать значимость для современной электроэнергетики проблемы оценки достоверности данных учета электроэнергии с точки зрения минимизации финансовых рисков. Оценить эффективность существующих подходов достоверизации данных систем учета электроэнергии в части выполнения подзадач достоверизации, определенных в рамках теории оценивания состояния. Провести сравнительный анализ традиционной задачи оценивания состояния и задачи энергораспределения; адаптировать методы теории оценивания состояния для достоверизации данных систем учета электроэнергии; выявить проблемы в предложенных подходах достоверизации данных; предложить методику оценки систематической погрешности измерительных комплексов электроэнергии; оценить возможность достоверизации измерений реактивной энергии.
Научная новизна
1. Показано что использование методических подходов теории оценивания состояния позволяет эффективно решать задачу достоверизации измерений электрической энергии. 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 электроэнергии. 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 электроэнергии, 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 электрической энергии. 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 электрической энергии.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в разработке методов, позволяющих в темпе процесса отслеживать достоверность получаемых показаний от измерительных комплексов электроэнергии, что дает возможность существенно расширить функционал систем учёта электроэнергии. Реализация данных положений позволит производить диагностику работы АСКУЭ на малых интервалах времени, а также повысить достоверность измерений электроэнергии, 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 измерительных комплексов 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 статистикии основы метрологии. Методом исследования при выполнении экспериментальной части диссертации являлось математическое моделирование и пассивный эксперимент.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методы повышения достоверности информации систем учета электроэнергии, основанные на анализе нормализованных остатков оценивания, а также на обработке системы контрольных уравнений. Данные методы позволяют оперативно выявлять измерения, содержащие грубые ошибки. Подходы были разработаны в рамках традиционной задачи оценивания состояния и адаптированы в данной работе к измерениям электроэнергии и задаче энергораспределения.
2. Методика оценки статистических характеристик погрешностей комплексов учета электроэнергии, позволяющая в течение межповерочных интервалов отслеживать систематические погрешности комплексов учета. Основой методики являются формирование групп проверочных выражений.
3. Подход к вычислению расчетного аналога измерения, обладающий более низкой предельно допустимой погрешностью по сравнению с самим измерением.
Степень достоверности результатов работы. Методы выявления недостоверных измерений опробованы на выборке измерений АСКУЭ фрагмента Кировской энергосистемы. Методы детекции измерений с ошибками, превышающими предельно допустимые величины, на основе системы контрольных уравнений показали хорошие результаты. Даны рекомендации по делению схемы на фрагменты разного класса напряжения для проведения процедуры оценки достоверности измерений электроэнергии. Апробирован метод идентификации систематических погрешностей с построением графиков динамического распределения погрешностей и гистограмм. Анализ системы учета реактивной энергии также проведен на фрагменте Кировской энергосистемы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
• научно-практической конференции «Энергосбережение - теория и практика», четвертая международная школа-семинар молодых ученых 2008 г.;
• научно-практической конференции «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» восьмая конференция 2008 г.;
• научно-практической конференции «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.;
• научно-практической конференции «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 будущего» 2010г.;
• научно-технической конференции «Энергобезопасность и
энергоэффективность» 2011г.;
• «International Conference on Future Electrical Power and Energy Systems Lecture Notes in Information» 2012 г.;
• 3-я НПК «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» 2012г.;
• «EnergyCON, IEEE International Energy Conference», 2014 г.;
• «3rd International Conference on Energy and Environmental Protection» 2014г.;
• НПК «Электроэнергетика глазами молодежи» г. Томск, 2014г.
Публикации.
В ходе работы над диссертацией было опубликовано 16 работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссии («Известия Высших учебных заведений. Проблемы энергетики», «Электрические станции», «Электричество», «Вестник Самарского государственного технического университета»); 3 в изданиях, индексируемых в базе Scopus.
Структура работы
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержит 31 рисунок и 18 таблиц.
Во введении содержится характеристика диссертационной работы, доказывается ее актуальность, перечислены цели работы, уделено внимание научной новизне, практической ценности и апробации.
В первой главе описываются общие вопросы систем учета электроэнергии, приводятся их цели и задачи. Рассматривается вопрос расчета предельно допустимых погрешностей измерительных комплексов учета электроэнергии, а также состав средств измерений, входящих в состав комплекса. Далее проводится обзор методов оценки достоверности измерений электроэнергии, обсуждаются возможности, достоинства и недостатки рассматриваемых подходов.
Вторая глава посвящена традиционной для электроэнергетики задаче оценивания состояния и задаче энергораспределения. Задача энергораспределения позволяет осуществить расчет потоков и потерь на всех элементах рассматриваемого фрагмента сети на основании измерений электроэнергии и информации о схеме замещения. Производится сопоставление двух данных задач по основным критериям.
В третьей главе рассматриваются априорные методы достоверизации измерений электроэнергии, основанные на системе контрольных уравнений. Представлены методы формирования системы контрольных уравнений, возможности формирования групп проверочных выражений на ее основе, а также рассматриваются вопросы разномасштабности измерений и выявления статистических характеристик погрешностей комплексов учета электроэнергии.
Четвертая глава связана с методами оценки достоверности измерений электроэнергии, применяемыми во время и после решения задачи энергораспределения. Первая группа методов анализирует остатки оценивания, то есть разницу между измерением и его расчетным аналогом, вторая группа методов основана на модификации целевой функции для снижения влияния грубых ошибок на результат расчета. Представлен ряд практических расчетов, демонстрирующих эффективность методов.
В пятой главе приводятся расчеты, произведенные на основе измерений системы учета фрагмента Кировской энергосистемы. Оценивается возможность выявления измерений с грубыми ошибками, оценки систематических составляющих погрешностей отдельных комплексов учета. Рассматривается вопрос учета реактивной энергии.
Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электрические системы» Уральского Энергетического Института Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н.Ельцина, г. Екатеринбург.
Измерения ЭЭ помимо нормальных погрешностей могут содержать грубые выбросы, происходящие в результате значительного превышения предельно допустимых погрешностей средств измерений, сбоев в процессе преобразования измеренных величин, помех в каналах связи. Контроль точности и достоверности измерительной информации о потоках ЭЭ является важной составляющей информационно-измерительной системы. Он позволяет минимизировать финансовые риски участников энергетического обмена в случае появления сбойных коммерческих измерений.
В настоящий момент не все энергообъекты имеют системы АСКУЭ, иногда учет производится с использованием традиционной системы учета ЭЭ. Отчетным периодом в подобных системах является месячный интервал, а сбор показаний производится с участием персонала энергоснабжающей организации, либо потребителей. Такой способ сбора и обработки коммерческих измерений предполагает участие персонала, следовательно, появляется дополнительная возможность для ошибок и искажений коммерческих данных.
Микропроцессорные счетчики позволяют получить минутные измерения ЭЭ. Накопленные на счетчике профили потребления могут быть считаны оперативным персоналом с помощью микропроцессорных средств, что позволяет получить, например, привязку ко времени измерений. Следующим этапом модернизации традиционной системы учета и построения АСКУЭ является организация каналов связи и сбор измерительной информации о потоках ЭЭ в центр ее обработки и хранения. Сертифицирование систем учета предъявляет высокие требования к метрологическим характеристикам (МХ) приборов учета и к каналам передачи данных, а также к надежности системы в целом.
С каждым годом все большее число потребителей выходит на оптовый рынок ЭЭ. Наличие у потребителя сертифицированной автоматизированной информационно-измерительной системы коммерческого учета электроэнергии (АИИС КУЭ) позволяет организации получить доступ к оптовому рынку ЭЭ. Требования к системам такого типа являются наиболее строгими и регламентируются нормативными документами [1-8].
Основным способом обеспечения легитимности измерительной информации на сегодняшний день является метрологический надзор и контроль средств учета ЭЭ, который проводится один раз в несколько лет на основании утвержденных методик и процедур. Поверка осуществляется органами Госстандарта России и метрологическими службами электроэнергетической отрасли. ИКЭЭ подвергается поверке покомпонентно, то есть поверяются измерительные трансформаторы тока (ТТ) и измерительные трансформаторы напряжения (ТН), счетчики ЭЭ, устройства сбора и передачи данных. В случае искажения МХ любого компонента измерительного комплекса в течение межповерочного интервала, показания комплекса учета будут содержать ошибки вплоть до проведения очередной метрологической поверки.
Чаще, чем раз в несколько лет, оценка достоверности измерений ЭЭ может проводиться путем контроля фактических и допустимых небалансов. Балансовый метод является наиболее распространенным методом анализа достоверности измерений ЭЭ.В 1995 году была выпущена Типовая инструкция по учету ЭЭ, регламентирующая процедуру таких расчетов [9].
Баланс ЭЭ характеризуется следующими показателями: объемом ЭЭ, поступающим и отпускаемым с исследуемого объекта, а также отчетными потерям, которые рассчитываются как разность между принятой и отпущенной ЭЭ. Балансовый метод является упрощенным методом верификации измерительной информации, поскольку никакие электрические показатели, кроме измерений ЭЭ, в расчетах не участвуют. Включенные/отключенные элементы сети, параметры схемы замещения в балансовом методе роли не играют.
Современная тенденция развития автоматизированных систем учета ЭЭ направлена на все большее их техническое усовершенствование. Системы учета и приборы, входящие в их состав, становятся более сложными и дорогостоящими, однако величина фактических потерь ЭЭ остается на высоком уровне, значительно превышающем технические и нормативные значения потерь [10]. На сетевых предприятиях ежемесячно составляется баланс ЭЭ, на основании которого вычисляются фактические потери ЭЭ, которые сравниваются с нормативными значениями. В случае, когда значение коммерческих потерь значительно, сетевое предприятие несет убытки. Причинами появления коммерческих потерь может быть недоучет полезного отпуска ЭЭ потребителям, недостатки энергосбытовой деятельности, а также хищения ЭЭ [10-21]. К недоучету отпущенной потребителям ЭЭ часто приводит ненормативная загрузка измерительных трансформаторов.
Погрешность ИКЭЭ зависит от режима работы и загрузки присоединения, причем в большинстве случаев, при работе в неноминальных режимах происходит недоучет ЭЭ. Отрицательные систематические погрешности измерительных комплексов могут быть причиной коммерческих потерь ЭЭ [13¬15]. Еще одной проблемой является предумышленное искажение коммерческой информации, особенно в случае, когда средства учета ЭЭ состоят на балансе покупателей ЭЭ, которые заинтересованы в занижении измерений, определяющих плату за пользование ЭЭ. В последние 20 лет наблюдается рост коммерческих потерь [21], что приводит к финансовым потерям участников энергообмена, в особенности электросетевых компаний. Коммерческая составляющая потерь ЭЭ удваивает финансовые потери компаний, ответственных за транспорт ЭЭ, поскольку на них ложится финансовая ответственность за потери. Первый раз электросетевая компания недополучает из-за коммерческих потерь денежные средства за транспорт ЭЭ, а второй раз она оплачивает эти коммерческие потери в рамках процедуры покупки фактических потерь ЭЭ. Для электросетевых компаний коммерческие потери на уровне 0,4 кВ являются самыми дорогими, так как тарифы на транспорт ЭЭ по данному классу напряжения самые высокие. Из опыта энергетических обследований электросетевых предприятий хорошо известно, что на уровне низких напряжений самый высокий процент коммерческих потерь ЭЭ. Высокий уровень коммерческих потерь приводит к удорожанию тарифа на транспорт ЭЭ, что приводит к всеобщему повышению конечной стоимости ЭЭ для потребителей, особенно на низких номинальных напряжениях.
Снижение коммерческой составляющей потерь возможно при локализации их источников, выявления причин и их устранении. Оценка достоверности измерений ЭЭ позволит выявить участки схемы сети, служащие источником значительных коммерческих потерь.
Для эффективного выполнения задач обеспечения финансовых взаиморасчетов необходимо обладать точной и достоверной информацией об объемах ЭЭ. Поскольку информация об измерениях в системах учета поступает через определенные периоды, существует возможность использовать математические модели и методы для оценки правильной работы системы учета и оценки достоверности коммерческих измерений в реальном масштабе времени.
Актуальность темы работы определяется:
• высокими требованиями к достоверности информации, поступающей от систем учета электроэнергии, как к источнику обеспечения финансовых взаиморасчетов;
• высоким уровнем коммерческой составляющей потерь электроэнергии, верифицированные измерения позволят локализовать конкретные элементы, либо фрагменты схемы, служащие источником коммерческих потерь;
• важностью минимизации финансовых рисков компаний, работающих во всех видах энергетического бизнеса, от недостоверных измерений электроэнергии. Генерирующие компании несут финансовые потери в случае недоучета отпускаемой электроэнергии. Двойной ущерб ложится на сетевые компании в случае недоучета отпускаемой ЭЭ потребителям. Отрицательные систематические погрешности работают в пользу потребителей, поскольку занижают количество отпущенной им электроэнергии. Повышение достоверности измерений электроэнергии - в первую очередь задача генерирующих и электросетевых компаний.)
• перспективностью применения методов теории оценивания состояния, нашедших широкое применение при достоверизации телеизмерений в системах диспетчеризации, к измерениям электроэнергии. (Методы теории оценивания состояния позволяют производить оценку достоверности данных, производить анализ наблюдаемости, а также оценивать составляющие погрешности измерительных приборов. Решение подобных задач по отношению к системам учета электроэнергии является востребованным в настоящее время.)
Степень разработанности темы исследования:
В исследованиях, проводимых на кафедре «Автоматизированные электрические системы» Уральского федерального университета (бывший УГТУ- УПИ), сформулирована задача энергораспределения (ЭР), позволяющая осуществлять расчет потоков ЭЭ, а также технических потерь на всех элементах схемы. Модель ЭР позволяет осуществлять расчет энергетического режима в схеме сети на основе измерений ЭЭ. Уравнениями состояния для задачи ЭР являются уравнения балансов энергии в узлах и ветвях сети, а также уравнения для расчета технических потерь ЭЭ во всех элементах схемы замещения сети. 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 оценивания состояния (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.
Цели и задачи работы - предложить методики и подходы, позволяющие расширить функциональность систем учета электроэнергии. Показать значимость для современной электроэнергетики проблемы оценки достоверности данных учета электроэнергии с точки зрения минимизации финансовых рисков. Оценить эффективность существующих подходов достоверизации данных систем учета электроэнергии в части выполнения подзадач достоверизации, определенных в рамках теории оценивания состояния. Провести сравнительный анализ традиционной задачи оценивания состояния и задачи энергораспределения; адаптировать методы теории оценивания состояния для достоверизации данных систем учета электроэнергии; выявить проблемы в предложенных подходах достоверизации данных; предложить методику оценки систематической погрешности измерительных комплексов электроэнергии; оценить возможность достоверизации измерений реактивной энергии.
Научная новизна
1. Показано что использование методических подходов теории оценивания состояния позволяет эффективно решать задачу достоверизации измерений электрической энергии. 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 электроэнергии. 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 электроэнергии, 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 электрической энергии. 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 электрической энергии.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в разработке методов, позволяющих в темпе процесса отслеживать достоверность получаемых показаний от измерительных комплексов электроэнергии, что дает возможность существенно расширить функционал систем учёта электроэнергии. Реализация данных положений позволит производить диагностику работы АСКУЭ на малых интервалах времени, а также повысить достоверность измерений электроэнергии, 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 измерительных комплексов 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 статистикии основы метрологии. Методом исследования при выполнении экспериментальной части диссертации являлось математическое моделирование и пассивный эксперимент.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методы повышения достоверности информации систем учета электроэнергии, основанные на анализе нормализованных остатков оценивания, а также на обработке системы контрольных уравнений. Данные методы позволяют оперативно выявлять измерения, содержащие грубые ошибки. Подходы были разработаны в рамках традиционной задачи оценивания состояния и адаптированы в данной работе к измерениям электроэнергии и задаче энергораспределения.
2. Методика оценки статистических характеристик погрешностей комплексов учета электроэнергии, позволяющая в течение межповерочных интервалов отслеживать систематические погрешности комплексов учета. Основой методики являются формирование групп проверочных выражений.
3. Подход к вычислению расчетного аналога измерения, обладающий более низкой предельно допустимой погрешностью по сравнению с самим измерением.
Степень достоверности результатов работы. Методы выявления недостоверных измерений опробованы на выборке измерений АСКУЭ фрагмента Кировской энергосистемы. Методы детекции измерений с ошибками, превышающими предельно допустимые величины, на основе системы контрольных уравнений показали хорошие результаты. Даны рекомендации по делению схемы на фрагменты разного класса напряжения для проведения процедуры оценки достоверности измерений электроэнергии. Апробирован метод идентификации систематических погрешностей с построением графиков динамического распределения погрешностей и гистограмм. Анализ системы учета реактивной энергии также проведен на фрагменте Кировской энергосистемы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
• научно-практической конференции «Энергосбережение - теория и практика», четвертая международная школа-семинар молодых ученых 2008 г.;
• научно-практической конференции «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» восьмая конференция 2008 г.;
• научно-практической конференции «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.;
• научно-практической конференции «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 будущего» 2010г.;
• научно-технической конференции «Энергобезопасность и
энергоэффективность» 2011г.;
• «International Conference on Future Electrical Power and Energy Systems Lecture Notes in Information» 2012 г.;
• 3-я НПК «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» 2012г.;
• «EnergyCON, IEEE International Energy Conference», 2014 г.;
• «3rd International Conference on Energy and Environmental Protection» 2014г.;
• НПК «Электроэнергетика глазами молодежи» г. Томск, 2014г.
Публикации.
В ходе работы над диссертацией было опубликовано 16 работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссии («Известия Высших учебных заведений. Проблемы энергетики», «Электрические станции», «Электричество», «Вестник Самарского государственного технического университета»); 3 в изданиях, индексируемых в базе Scopus.
Структура работы
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержит 31 рисунок и 18 таблиц.
Во введении содержится характеристика диссертационной работы, доказывается ее актуальность, перечислены цели работы, уделено внимание научной новизне, практической ценности и апробации.
В первой главе описываются общие вопросы систем учета электроэнергии, приводятся их цели и задачи. Рассматривается вопрос расчета предельно допустимых погрешностей измерительных комплексов учета электроэнергии, а также состав средств измерений, входящих в состав комплекса. Далее проводится обзор методов оценки достоверности измерений электроэнергии, обсуждаются возможности, достоинства и недостатки рассматриваемых подходов.
Вторая глава посвящена традиционной для электроэнергетики задаче оценивания состояния и задаче энергораспределения. Задача энергораспределения позволяет осуществить расчет потоков и потерь на всех элементах рассматриваемого фрагмента сети на основании измерений электроэнергии и информации о схеме замещения. Производится сопоставление двух данных задач по основным критериям.
В третьей главе рассматриваются априорные методы достоверизации измерений электроэнергии, основанные на системе контрольных уравнений. Представлены методы формирования системы контрольных уравнений, возможности формирования групп проверочных выражений на ее основе, а также рассматриваются вопросы разномасштабности измерений и выявления статистических характеристик погрешностей комплексов учета электроэнергии.
Четвертая глава связана с методами оценки достоверности измерений электроэнергии, применяемыми во время и после решения задачи энергораспределения. Первая группа методов анализирует остатки оценивания, то есть разницу между измерением и его расчетным аналогом, вторая группа методов основана на модификации целевой функции для снижения влияния грубых ошибок на результат расчета. Представлен ряд практических расчетов, демонстрирующих эффективность методов.
В пятой главе приводятся расчеты, произведенные на основе измерений системы учета фрагмента Кировской энергосистемы. Оценивается возможность выявления измерений с грубыми ошибками, оценки систематических составляющих погрешностей отдельных комплексов учета. Рассматривается вопрос учета реактивной энергии.
Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электрические системы» Уральского Энергетического Института Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н.Ельцина, г. Екатеринбург.
1. Показана важность математических методов для достоверизации измерений электроэнергии, полученных от систем учета в части снижения финансовых рисков участников энергообмена, в первую очередь электросетевых компаний.
2. Выявлено, что нормативный метод контроля допустимых небалансов не позволяет выполнить целый ряд задач: выявление конкретного измерения, содержащего грубую ошибку, расчет неизмеряемых потоков электроэнергии, вычисление расчетных оценок измерений.
3. Показано, что методы оценки достоверности телеизмерений, разработанные в рамках теории оценивания состояния, могут использоваться для достоверизации данных учета электроэнергии при обработке измерений электроэнергии в рамках задачи энергораспределения. Необходимо развитие данных методов применительно к измерениям электроэнергии.
4. Произведена адаптация методов, основанных на системе контрольных уравнений и методе анализа остатков оценивания, для контроля достоверности измерительной информации систем учета электроэнергии. Важнейшим условием для применения методов является информационная избыточность систем учета.
5. Показано, что по сравнению с анализом, проводимым до процедуры определения расчетных аналогов измерений, методы достоверизации, основанные на анализе остатков оценивания, требуют больших расчетов, но обладают большими возможностями по выявлению сбойных измерений.
6. Показано, что выявление грубых ошибок в малых по величине измерениях связано со значительными затруднениями. Повышения эффективности оценки достоверности можно добиться путем деления схемы на части одного класса напряжения, снижая тем самым разномасштабность измерений.
7. Разработан метод оценки характеристик погрешностей измерительных комплексов электроэнергии на основе групп проверочных выражений, что позволяет оценивать систематическую и случайную погрешности, проводить самодиагностику системы учета электроэнергии в течение межповерочных интервалов времени.
8. Измерения реактивной энергии являются перспективными в части определения надбавок и скидок к тарифам на транспорт электроэнергии и снижения погрешности расчета потерь электроэнергии. Анализ (не)балансов реактивной электроэнергии фрагмента Кировской энергосистемы показал более высокую погрешность измерений реактивной электроэнергии по сравнению с активной.
2. Выявлено, что нормативный метод контроля допустимых небалансов не позволяет выполнить целый ряд задач: выявление конкретного измерения, содержащего грубую ошибку, расчет неизмеряемых потоков электроэнергии, вычисление расчетных оценок измерений.
3. Показано, что методы оценки достоверности телеизмерений, разработанные в рамках теории оценивания состояния, могут использоваться для достоверизации данных учета электроэнергии при обработке измерений электроэнергии в рамках задачи энергораспределения. Необходимо развитие данных методов применительно к измерениям электроэнергии.
4. Произведена адаптация методов, основанных на системе контрольных уравнений и методе анализа остатков оценивания, для контроля достоверности измерительной информации систем учета электроэнергии. Важнейшим условием для применения методов является информационная избыточность систем учета.
5. Показано, что по сравнению с анализом, проводимым до процедуры определения расчетных аналогов измерений, методы достоверизации, основанные на анализе остатков оценивания, требуют больших расчетов, но обладают большими возможностями по выявлению сбойных измерений.
6. Показано, что выявление грубых ошибок в малых по величине измерениях связано со значительными затруднениями. Повышения эффективности оценки достоверности можно добиться путем деления схемы на части одного класса напряжения, снижая тем самым разномасштабность измерений.
7. Разработан метод оценки характеристик погрешностей измерительных комплексов электроэнергии на основе групп проверочных выражений, что позволяет оценивать систематическую и случайную погрешности, проводить самодиагностику системы учета электроэнергии в течение межповерочных интервалов времени.
8. Измерения реактивной энергии являются перспективными в части определения надбавок и скидок к тарифам на транспорт электроэнергии и снижения погрешности расчета потерь электроэнергии. Анализ (не)балансов реактивной электроэнергии фрагмента Кировской энергосистемы показал более высокую погрешность измерений реактивной электроэнергии по сравнению с активной.
Подобные работы
- ДОСТОВЕРИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МЕТОДАМИ ТЕОРИИ ОЦЕНИВАНИЯ СОСТОЯНИЯ
Авторефераты (РГБ), электроэнергетика. Язык работы: Русский. Цена: 250 р. Год сдачи: 2015 - АДАПТАЦИЯ МЕТОДОВ ОЦЕНИВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ДЛЯ
ТРЕХФАЗНЫХ МОДЕЛЕЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Диссертация , электроэнергетика. Язык работы: Русский. Цена: 5750 р. Год сдачи: 2019 - РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ЭНЕРГО-СТОИМОСТНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
Авторефераты (РГБ), электротехника. Язык работы: Русский. Цена: 250 р. Год сдачи: 2019 - ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАГРУЗОК
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ЗАВОДА
Дипломные работы, ВКР, Электроснабжение и элктротехника. Язык работы: Русский. Цена: 4470 р. Год сдачи: 2018



