Введение 4
Глава 1. Использование топологических свойств энергосистемы для обеспечения ускоренной оценки текущего режима по данным СВИ и SCADA 12
1.1 Современные тенденции в развитии информационного
обеспечения задач оценки текущего режима по данным телеизмерений и оценивания состояния ЭЭС 12
1.2 Обоснование роли и места оптических трансформаторов тока
и напряжения в СВИ для ОС 15
1.3 Подходы и методы выбора мест размещения СВИ 17
1.4 Топологические OCIIOBBI ускоренных расчётов с использованием
исходной информации от СВИ 19
1.5 Разделение напряжений узлов па независимые и зависимые переменные для ускоренного расчёта режима по данным PMU . . 21
1.6 Алгоритмы размещения PMU, обеспечивающего ускоренное решение системы уравнений установившегося режима ЭЭС ... 28
1.6.1 Первый алгоритм па основе векторных измерений
напряжений узлов 29
1.6.2 Второй алгоритм с использованием токовых измерений
PMU 35
1.7 Выводы 37
Глава 2. Учёт нелинейности систем уравнений для оценки текущего режима ЭЭС на основе векторных измерений 40
2.1 Разработка алгоритма прямого расчёта режима ЭЭС па основе
СВИ 40
2.2 Разработка алгоритма прямого расчёта режима ЭЭС па основе
векторных измерений напряжений 46
2.3 Новая итерационная процедура решения системы нелинейных
уравнений установившегося режима ЭЭС 52
Стр.
2.4 Экспериментальная оценка скорости и точности расчёта по
разработанным алгоритмам 57
2.5 Выводы 60
Глава 3. Двухуровневое оценивание состояния на базе измерений PMU и SCADA 63
3.1 Задача ОС как задача метода наименьших квадратов 63
3.2 Единая процедура ОС для данных СВИ и SCADA (М1) 67
3.3 Двухуровневое оценивание состояния (М2) 69
3.3.1 Декомпозиция задачи ОС 70
3.3.2 Линейное ОС па базе СВИ 73
3.4 Новый алгоритм выбора мест размещения СВИ для
двухуровневого ОС 76
3.5 Экспериментальная проверка увеличения точности и скорости
ОС при использовании каркаса СВИ 81
3.6 Выводы 85
Глава 4. Выбор весовых коэффициентов и матрицы ковариации в ОС при интеграции СВИ и измерений
ВСАОА 87
4.1 Метод максимального правдоподобия в задаче ОС 88
4.2 Выбор весовых коэффициентов для метода взвешенных
наименьших квадратов в задаче ОС 92
4.3 Преобразование координат для выполнения линейного ОС .... 95
4.4 Демонстрация действия алгоритма 99
4.5 Вычислительный эксперимент 102
4.6 Выводы 103
Заключение 105
Список литературы
Актуальность темы исследования и степень её разработанности. Управление электроэнергетической системой основывается па использовании информации, получаемой от телемеханики и средств измерений, к которым относятся телесигнализация и телеизмерения (ТИ). От точности, достоверности, надёжности и скорости получения ТИ напрямую зависит эффективность управления.
Наличие погрешностей ТИ является важнейшей причиной выполнения процедуры оценивания состояния (ОС) ЭЭС, заключающейся в расчёте устано-вившегося режима (УР) ЭЭС по данным ТИ для текущей расчётной схемы, а также позволяющей достоверизировать неточную информацию.
Настоящая работа, как и большинство исследований статического ОС не касается проблем идентификации схемы замещения, а также не затрагивает проблемы наличия нерегулярных колебаний параметров режима ЭЭС.
К концу XX века в большинстве энергосистем мира закончился перевод всех уровней диспетчерского управления па новую платформу SCAD А (Supervisory Control And Data Acquisition), которая позволяет получать с мет-кой времени (хотя и не точно синхронизированной) измеренные действующие значения токов I и напряжений V, а также активные Р и реактивные Q составляющие потоков мощностей, протекающих в элементах ЭЭС.
Современные достижения в передаче информации посредством спутниковой связи GPS (США), ГЛОНАСС (Россия) привели к новому качественному скачку в совершенствовании системы ТИ в ЭЭС, позволив синхронизировать метку времени данных с точностью до одной микросекунды. Это дало возможность как более точно получать измерения традиционных параметров установившего режима (модулей напряжения V и тока I, активной Р и реактивной Q мощности) с меткой времени, так и измерять новые параметры, среди которых выделяются фазные углы напряжения 5 и тока ф. Ориентация па синхронизированные векторные измерения (СВИ) в системах диспетчерского управления и противоаварийпой автоматики обусловлена рядом факторов, важнейшим из которых является существенное повышение точности измерений, так как измерений является значимым источником погрешности в ТИ.
Отмеченное привело к созданию распределённой системы WAMS (Wide Area Measurement System) [1—4] па основе устройств PMU (Phasor Measurement Unit) [5; 6], подключаемых к измерительным трансформаторам тока и напряжения и формирующих метку времени. В отечественной практике эта технология нашла применение в программно-аппаратном комплексе «Система Мониторинга Переходных Режимов» (СМПР)[7—12].
Возрастание объёмов измерений в мировой практике обуславливает рост требований к качеству информационного обеспечения. Это приводит к необ-ходимости расширения спектра применяемых и разработки новых быстрых алгоритмов обработки информации: проверки наблюдаемости, определения качества исходных данных, получения оценок параметров режима с учётом синхронизированных измерений.
На данный момент СВИ не являются повсеместными и, соответственно, приходится рассматривать вопросы плавного перехода к совместному использованию СВИ и SCADA и учитывать технико-экономический аспект развития систем измерений.
В связи с тем, что в существующих энергосистемах СВИ чаще всего подключаются к электромагнитным измерительным трансформаторам тока и напряжения, эффект от их применения значительно снижен. Однако известно, что подключение их к новым оптическим трансформаторам тока и напряжения (ОТТ и ОТН) способно обеспечить более полное использование возможностей, заложенных в устройствах СВИ [13].
Внедрение новых технологий систем измерений не может быть реализовано моментально и в полном объёме вследствие высоких затрат временных, финансовых и трудовых ресурсов для обеспечения работоспособности вновь вводимых систем [14]. Более того, пет гарантии, что целесообразным является именно повсеместное внедрение ОТТ, ОТН и СВИ [15—17]. Из этого вытекает необходимость обоснованного выбора мест размещения новых устройств изме-рения, в которые входят не только PMU, по и PDC (Phasor Data Concentrator), а также ОТТ и ОТН.
Среди большого количества исследований, связанных с расстановкой СВИ в ЭЭС следует отметить работу ИСЭМ (г. Иркутск), в которой утверждалось, что при появлении наиболее точных измерений, процедуру ОС можно заменить расчётом УР. Изысканий, подтверждающих, или опровергающих возможность такого подхода для СВИ базе ОТТ и ОТН не проводилось и, соответственно, способы размещения СВИ, учитывающие этот подход не были определены.
В работе показывается высокая эффективность использования ОТТ и ОТН не только в SCADA, по и в системе WAMS па основе СВИ для ОС, а также, обосновывается необходимость расстановки СВИ с учётом обеспечения топологической связности элементов СВИ (измерителей узловых напряжений и измерителей токов линий) в едином «каркасе» [18; 19]. Такая связность приводит к робастности, высокой скорости выполнения ОС, а также, что наиболее важно, к снижению погрешности ОС в целом. Из анализа следует, что при произвольном размещении СВИ в ЭЭС без объединения измерителей в указанный топологический каркас результирующая погрешность ОС может оказаться неприемлемой как для задач диспетчерского, так и автоматического управления [18; 20; 21].
В то же время, следует отметить, что в некоторых американских энергоси-темах пошли по пути обеспечения полной наблюдаемости при помощи PMU, присоединённых к обычным электромагнитным измерительным трансформа-торам. Благодаря этому оказалось возможным в основу достоверизации ТИ положить линейное оценивание состояния LSE (Linear State Estimation), не требующее итерационного процесса вычислений, что способствовало повышению надёжности и скорости получения решения задачи ОС [22; 23]. Однако это не означает, что энергосистемы России должны следовать американскому пути.
Также появились исследования, связанные с процедурой двухуровневого ОС, предполагающей выделение отдельного ОС па базе только СВИ, которое оказывается сводимым к LSE. Тем не менее существует нерешённая проблема, связанная с выбором весовых коэффициентов для учёта измерений величии электрических углов тока и напряжения как в рамках двухуровневого ОС в общем, так и в рамках LSE в частности.
Целью данной работы является разработка методов и подходов для оп-тимизации состава устройств высокоточных синхронизированных векторных (PMU) и традиционных (SCADA) систем измерений, обеспечивающих увеличение точности и скорости оценивания состояния ЭЭС и учитывающих технико-экономический характер задачи развития информационных систем.
1. Выполнен анализ современных тенденций в развитии информационного обеспечения задач ОС. Выявлена тенденция перехода от классических электромагнитных измерительных трансформаторов к ОТТ и ОТН. Показано, что оптические трансформаторы открывают новые возможности в совершенствовании информационного обеспечения и ре-шения задач ОС.
2. Выполнено исследование целесообразности осуществления измерений параметров режима и получения их достоверных значений при помощи совместного использования СВИ и SCADA без выполнения ОС, основываясь только па оценивании текущего установившегося режима ЭЭС. Показана высокая скорость получения расчётных параметров при условии специальной расстановки измерительных устройств PMU по разработанным алгоритмам, основывающимся па топологическом анализе электрической сети и в скрытом виде минимизирующих соответствующие затраты. При этом результирующее число PMU, оказывается сопоставимым, а в некоторых случаях меньшим, чем в со-ответствующих методах, изложенных в зарубежной литературе.
3. Выявлено, что, несмотря па преимущества предлагаемого метода получения параметров установившегося режима, у пего существуют границы применимости. Было показало, что данный метод не может быть применён в современных энергосистемах, ввиду относительно высокой погрешности современных измерительных приборов и выяв-ленной высокой чувствительности погрешности параметров режима к погрешности измеренных данных. Однако, сделай вывод о возможном применении разработанных алгоритмов определения параметров установившегося режима в будущем, если сохраниться тенденция к уменьшению погрешности измерения как модуля, так и фазы напряжения. Сделай вывод об основном источнике высокой погрешности рассчитываемых параметров установившегося режима, а именно, о сильном влиянии наличия коротких линий между узлами с изолиро-ванными СВИ па получающуюся точность метода расчёта в целом.
4. Из выявленного факта недостаточной точности метода определения па-раметров потокораспределепия сделай важный вывод о целесообразно-сти выбора мест размещения СВИ таким образом, чтобы обеспечивался «каркас» из топологически связных элементов, в которых установлен СВИ. Соответствующее двухуровневое ОС основывается па выполнении отдельного линейного ОС па базе СВИ и отдельного ОС па базе традиционных систем измерений SCADA. Предложен способ выбора мест размещения СВИ для двухуровневого ОС, учитывающий выяв-ленные особенности ОС для СВИ.
5. Для решения проблемы выбора мест размещения СВИ разработай метод преобразования систем нелинейных комплексных уравнений установившегося режима, позволяющий решать полученную систему прямым методом без использования итераций. Показаны альтернативные способы применения указанного метода, в частности, это относится к возможности модернизации методов расчёта установившегося режима, с целью повышения скорости решения в особо крупных эпергообъедипепиях, а также для определения их статической устойчивости.
6. Предложен способ выбора весовых коэффициентов и матрицы ковариации для учёта измерений электрического угла в рамках процедуры ОС с целью увеличения точности линейной ОС. Показано увеличение точности ОС при применении указанного метода выбора весовых коэффициентов для энергосистем различной размерности. Сделай вывод об эффективности предлагаемого метода выбора весовых коэффициентов. Предложенный в данной работе метод оценивания состояния, назван-ный MWLSE, предназначен для сетей, наблюдаемых при помощи PMU в системе информационного обеспечения WAMS. Он является таким же робастным и вычислительно быстрым, как и метод линейного оценивания состояния LSE, используемый в зарубежных энергосистемах, по оказался намного более точным во всех рассмотренных случаях.
7. При выборе мест размещения и количества СВИ для двухуровневого ОС в условиях ограниченных экономических возможностей целесооб-разно проводить анализ возможных вариантов и оптимизацию плана развития информационно-измерительных систем, которые могут быть автоматизированы с использованием комплекса разработанных методов и алгоритмов. Этот комплекс можно рассматривать как новый инструмент анализа и совершенствования системы информационного обеспечения ЭЭС.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
