ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ТЕОРИИ ОЦЕНИВАНИЯ
СОСТОЯНИЯ НА РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ 12
1.1 Общее описание распределительных сетей и их информационно-измерительной системы 12
1.1.1 Оперативно-информационные комплексы распределительных сетей ... 14
1.1.2 Существующие в распределительных сетях режимные измерения 17
1.2 Перспективы использования теории оценивания состояния в
распределительных сетях 23
1.3 Обоснование необходимости применения трехфазных моделей для анализа
режимов работы распределительных сетей 25
1.4 Развитие теории оценивания состояния 30
1.5 Выводы по главе 1 34
ГЛАВА 2. ПОДХОДЫ К ОЦЕНИВАНИЮ СОСТОЯНИЯ
РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ 36
2.1 Оценивание состояния в фазных координатах 36
2.1.1 Классическая постановка задачи оценивания состояния методом
взвешенных наименьших квадратов 37
2.1.2 Оценивание состояния на базе токов ветвей 40
2.1.3 Оценивание состояния на основе напряжений узлов 42
2.1.4 Альтернативные постановки задачи оценивания состояния 44
2.1.5 Сравнение оценивания состояния на базе токов ветвей с оцениванием
состояния на основе узловых напряжений 46
2.2 О необходимости учета взаимоиндукций сетевых элементов в трехфазных
моделях РС среднего класса напряжения 48
2.3 Нелинейные функции для задачи оценивания состояния в фазных
координатах на базе узловых напряжений 55
2.4 Перспективы применения для трехфазных моделей альтернативных методов
оценивания состояния 60
2.4.1 Оценивание состояния при учете ограничений типа равенств в виде
множителей Лагранжа 61
2.4.2 Оценивание состояния с использованием расширенной матрицы 63
2.4.3 Оценивание состояния с использованием блочного метода 65
2.5 Перспективы применения для трехфазных моделей робастных методов
оценивания состояния 68
2.6 Результаты оценивания состояния трехфазных моделей 71
2.7 Выводы по главе 2 76
ГЛАВА 3. АДАПТАЦИЯ МЕТОДОВ ПОИСКА ОШИБОК В ИЗМЕРЕНИЯХ И ТОПОЛОГИИ ПРИ ОЦЕНИВАНИИ СОСТОЯНИЯ В ФАЗНЫХ КООРДИНАТАХ 78
3.1 Способы поиска плохих данных в наборе измерений 78
3.2 М-оценка и апостериорный поиск плохих данных с использованием теста
нормализованных невязок измерений 80
3.3 Поиск топологических ошибок в трехфазных моделях энергосистем 88
3.4 Выводы по главе 3 104
ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СКОРОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ ОЦЕНИВАНИЯ
СОСТОЯНИЯ 105
4.1 Обзор тенденций развития вычислительной техники и анализ необходимости
модернизации алгоритмов оценивания состояния 105
4.2 Предъявляемые требования к функционалу работы с матричными данными
для повышения скорости решения задачи оценивания состояния 110
4.3 Эффективные методы решения системы линейных уравнений в задаче
оценивания состояния 116
4.4 Выводы по главе 4 124
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 126
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 128
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ 129
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 130
Приложение
Купить

Актуальность темы. Основная тенденция модернизации
распределительных сетей (РС) напряжением до 35 кВ связана с повышением степени управляемости режимами их работы за счет технического и информационного перевооружения в рамках концепции «интеллектуальных сетей» (Smart Grid). Тенденции развития РС связаны с появлением в них установок распределенной генерации, современной коммутационной аппаратуры и устройств гибкой компенсации реактивной мощности. В настоящее время в РС активно внедряются и развиваются технологии умных домов и офисов, системы накопления электроэнергии, в том числе, привлечение электромобилей к выравниванию графиков потребления, а также другие решения, направленные на оптимизацию энергопотребления. Изначально спроектированные только для передачи электрической энергии до потребителей РС уходят от радиальной структуры. Зарождаются предпосылки их перехода на локально-кольцевые схемы, так как потоки мощности РС становятся двунаправленными. При этом возрастает потребность в более точном контроле сетевых ограничений ввиду возросшего режимного и топологического многообразия, а также несоблюдения условий работы, на которые они изначально проектировались. Все это приближает РС к сетям более высоких классов напряжения, открывает новые возможности по контролю их режимов работы, следовательно, требует создания систем управления, адекватных сложности объекта. Численные объемы элементов РС на порядок больше по сравнению с магистральными сетями и это делает нерентабельным их контроль только лишь на основе оперативно-диспетчерского управления. Управление РС требует большей степени автоматизации при контроле режимов их работы. Функционирование таких систем управления не представляется возможным без on-line расчета режима работы электрической сети на основе измерений текущих электрических параметров, то есть решения задачи оценивания состояния (ОС).
За последнее время как в отечественных, так и в зарубежных РС были запущены процессы реновации измерительной инфраструктуры, благодаря чему она существенно расширилась и обновилась. Устанавливаемое оборудование позволяет получать фазные измерения основных параметров электрического режима и передавать эту информацию в диспетчерские центры и пункты управления. Режимы работы РС имеют существенно большую степень несимметрии, по сравнению с магистральными сетями, о чем свидетельствуют результаты отечественных и зарубежных исследований. Обзор публикаций показал, что для анализа электрических режимов РС требуется применение трехфазных моделей электроэнергетических систем (ЭЭС). Переход от однолинейных моделей к трехфазным порождает проблемы применения классических алгоритмов ОС, связанные с появлением новых типов измерений, снижением скорости выполнения расчетов, а также решением таких стандартных подзадач ОС, как анализ наблюдаемости и поиск плохих данных. При ОС РС необходимо в полной мере воспользоваться информацией, получаемой как со старых аналоговых, так и с новых цифровых измерительных устройств. Аналоговые измерительные устройства ориентированы на линейные измерения, они интенсивно заменяются на современные цифровые измерители, которые позволяют получать трехфазные измерения токов, напряжений и мощностей. Трехфазные модели ЭЭС открывают большие возможности учета таких разнородных измерений, что существенно повышает избыточность измерений, так как их снятие будет осуществляться с разных источников. Перед РС в ближайших перспективах стоит много новых задач. Для перехода к ним некоторые существующие проблемы РС требуют первоочередного решения и являются критическими. Например, проблема определения актуального состояния фаз сетевых элементов ЭЭС. Она может быть решена на базе уже апробированных алгоритмов теории ОС с использованием трехфазной модели, что и выполнено в рамках настоящей работы. Отбраковка плохих фазных измерений также является актуальной задачей для ОС РС.
До недавнего времени исследования в области ОС РС в основном проводились зарубежными учеными. Определение электрического режима по данным телеметрии не являлось актуальной задачей для отечественных РС, что было связано со спецификой их работы, недостаточным информационно-измерительным оснащением. Перспективы развития российских РС
свидетельствуют о зарождающейся важности ОС их электрических режимов работы. Выполненные к настоящему моменту исследования в области ОС РС в наибольшей степени были ориентированы на выбор постановки задачи, которая позволяла бы наилучшим образом учитывать все особенности таких сетей и в то же время имела наибольшую простоту. Первоначально упор предлагаемых постановок делался на радиальную структуру РС. Впоследствии такой подход стал выглядеть менее приемлемым, так как укрепились перспективы работы РС в сложнозамкнутом режиме. Последние исследования в данной области были направлены на применение к РС классической формулировки задачи ОС на базе метода взвешенных наименьших квадратов (МВНК) с использованием трехфазных моделей ЭЭС при разных формах записи вектора состояния. При этом рассматривался учет только самых распространенных измерений, доступных в таких сетях. Кроме того, обычно упускалось применение теории ОС для решения других задач РС, связанных с исключением плохих данных из набора измерений, а также поиском ошибок в состоянии сетевых элементов расчетной модели. Настоящая работа является продолжением исследований в области ОС РС. В ней рассматривается применение к трехфазным моделям ЭЭС альтернативных методов ОС на базе МВНК. На основании полученных данных о существующих в отечественных РС измерительных комплексах представлены способы включения в задачу ОС новых измерений, повышающих избыточность исходной информации. В работе рассмотрены особенности применения теста нормализованных невязок измерений для трехфазных моделей, предложена модификация метода поиска топологических ошибок К. Клементса и П. Дэйвиса, позволяющая выполнять идентификацию и определение ошибок в фазах сетевых элементов трехфазной расчетной модели ЭЭС.
Степень разработанности темы исследования. Среди отечественных ученых огромный вклад в развитие теории ОС и решение данной задачи на практике внесли А.З. Гамм, И.И. Голуб, И.Н. Колосок, М.В. Хохлов, В.Л. Прихно, П.И. Бартоломей, Б.И. Аюев, В.Г. Неуймин, Д.М. Максименко. Их исследования в большей мере посвящены применению методов ОС в магистральных сетях, где и зарождалась проблема определения текущего режима работы ЭЭС. Большая работа по развитию и систематизации знаний в области ОС была проделана зарубежными учеными: Ф. Швеппе, А. Абуром, А. Гомезом, К. Клементсом, П. Дэйвисом и многими другими. Непосредственно исследования в области ОС РС берут свое начало в 90-х годах прошлого века. В большей степени они сразу были ориентированы на использование трехфазных моделей ЭЭС, они выполнялись М. Бараном, В. Келли, И.И. Голуб и другими учеными.
Цель работы. Целью настоящего исследования является адаптация методов ОС для трехфазных моделей РС среднего класса напряжения, в том числе, методов идентификации недостоверных измерений и поиска топологических ошибок. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Выбор наилучшего вектора состояния и других параметров математической модели ЭЭС, на основании которых может быть получено эффективное решение задачи статического ОС в фазных координатах.
2. Адаптация современных методов ОС, разработанных для однолинейной модели, к трехфазной постановке задачи ОС.
3. Обеспечение возможности учета наиболее распространенных типов измерений РС в качестве исходной информации задачи трехфазного ОС.
4. Программная реализация задачи статического ОС в фазных координатах на основании МВНК и робастных М-оценок, анализ их вычислительных характеристик при разных способах формирования и решения системы линеаризованных уравнений (СЛУ).
5. Модификация методов идентификации ошибок измерений и поиска топологических ошибок для трехфазной модели ЭЭС.
6. Повышение скорости работы рассматриваемых алгоритмов ОС при использовании современной вычислительной техники и параллельных вычислений.
Объектами исследования являются распределительные сети и системы, работающие на классах напряжения 6-35 кВ, их центры управления, а также информационно-измерительная инфраструктура.
Научная новизна:
• Обоснован выбор основных параметров расчетной трехфазной модели ОС РС с использованием наиболее распространенных измерений;
• Получены оценки вычислительных характеристик современных методов ОС применительно к трехфазным моделям ЭЭС;
• Произведен анализ методов поиска недостоверных измерений, в том числе, проверена работоспособность робастной М-оценки на трехфазных моделях ЭЭС с использованием трехфазных измерений;
• Модифицирован алгоритм поиска топологических ошибок, основанный на анализе полученных в результате ОС невязок измерений с целью выявления некорректного состояния фаз сетевых элементов трехфазных моделей ЭЭС;
• Предложены требования к хранению матричных данных для задачи ОС, выполнение которых позволяет в разы увеличить скорость расчета на современных компьютерах за счет применения параллельных вычислений.
Теоретическая и практическая значимость. Предложены подходы, позволяющие повысить эффективность алгоритмов ОС. Выполнена программная реализация данных подходов при разработке алгоритмов ОС РС на базе трехфазной модели ЭЭС. Продемонстрирована высокая скорость работы разработанных алгоритмов ОС. Для трехфазных моделей ЭЭС адаптированы методы поиска ошибок в топологии сети и поиска плохих данных.
Методология и методы исследования. При проведении исследования использовалась теория математической статистики, теоретические основы электротехники, методы оптимизации и нелинейного программирования, а также различные методы решения СЛУ. Применялась среда Visual Studio, языки C++ и C# при программной реализации алгоритмов ОС для проведения расчетов на тестовых схемах IEEE. Для верификации получаемых результатов расчетов создавались аналогичные модели тестовых сетей в интерактивной среде для моделирования MatLab Simulink.

Купить