Разработка алгоритмов размещения синхронизированных векторных измерений для повышения эффективности оценивания состояния ЭЭС : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.14.02

Актуальность темы исследования и степень её разработанности. Управление электроэнергетической системой основывается на использовании информации, получаемой от телемеханики и средств измерений, к которым относятся телесигнализация и телеизмерения (ТИ). От точности, достоверно­ сти, 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 ХХ века в большинстве энергосистем мира закончился пере­ вод всех уровней диспетчерского управления на новую платформу SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), которая позволяет получать с мет­ кой времени (хотя и не точно синхронизированной) измеренные действующие значения токов и напряжений , а также активные и реактивные состав­ ляющие потоков мощностей, протекающих в элементах ЭЭС.
Современные достижения в передаче информации посредством спутнико­ вой 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 воз­ можность как более точно получать измерения традиционных параметров установившего режима (модулей напряжения и тока , активной и ре­ активной мощности) с меткой времени, так и измерять новые параметры, среди которых выделяются фазные углы напряжения δ и тока φ. Ориентация на синхронизированные векторные измерения (СВИ) в системах диспетчерско­ го управления и противоаварийной автоматики обусловлена рядом факторов, важнейшим из которых является существенное повышение точности измерений, так как несинхронность измерений является значимым источником погрешно­ сти в ТИ.
5
Отмеченное привело к созданию распределённой системы WAMS (Wide Area Measurement System)[1—4] на основе устройств PMU (Phasor Measurement Unit)[5; 6], подключаемых к измерительным трансформаторам тока и напряже­ ния и формирующих метку времени. В отечественной практике эта технология нашла применение в программно-аппаратном комплексе «Система Мониторин­ га 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 использо­ ванию 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 реализо­ вано моментально и в полном объёме вследствие высоких затрат временных, финансовых и трудовых ресурсов для обеспечения работоспособности вновь вводимых систем [14]. Более того, нет 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, но 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

6
такого подхода для СВИ на 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, но и в системе WAMS на 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 при­ водит 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 указан­ ный топологический каркас результирующая погрешность ОС может оказаться неприемлемой как для задач диспетчерского, так и автоматического управле­ ния [18; 20; 21].
В то же время, следует отметить, что в некоторых американских энергоси­ стемах 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 тре­ бующее 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 на базе только СВИ, которое оказывается сводимым к LSE. Тем не менее существует нерешённая проблема, связанная с выбором весовых коэффициентов для учёта измерений величин 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 уве­ личение точности и скорости оценивания состояния ЭЭС и учитывающих технико-экономический характер задачи развития информационных систем.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

7
1. Выявить целесообразность и возможность расчёта режима по данным смешанной системы измерений СВИ и SCADA на основе ОТТ и ОТН, решая неизбыточную систему уравнений.
2. Разработать алгоритмы выбора мест размещения устройств СВИ, ко­ торые позволяют модифицировать ОС для увеличения его точности и скорости, учитывая технико-экономический характер задачи развития информационных систем.
3. Исследовать предлагаемые алгоритмы расстановки и модифициро­ ванные способы достоверизации СВИ на возможность увеличения скорости выполнения алгоритмов ОС и точности получаемых парамет­ ров установившегося режима.
4. Исследовать границы применимости разработанных алгоритмов раз­ мещения СВИ и модификаций ОС; указать ситуации, в которых их действие неэффективно и найти способы решения возникающих про­ блем.
5. Усовершенствовать современные подходы к ОС с позиции выбора весо­ вых коэффициентов и формирования матрицы ковариации для учёта особенностей устройств СВИ, дающих информацию о значениях не только модулей, но и электрических углов напряжений и токов.
Научная новизна:
1. Показана возможность безытерационного расчёта параметров режима
по данным телеизмерений PMU и SCADA при условии особого выбора мест размещения СВИ и SCADA. Выявлена высокая скорость предла­ гаемой процедуры.
2. Предложен способ преобразования нелинейной системы уравнений установившегося режима, который позволяет решить её относительно специальных векторов известных и неизвестных параметров прямым методом без использования итераций для модели переменного тока, что может быть использовано во многих задачах электроэнергетики.
3. На основе разработанного способа преобразования системы уравнений установившегося режима сформулированы алгоритмы выбора мест раз­ мещения СВИ.
4. Исследовано влияние погрешности исходных данных на погрешность параметров состояния ЭЭС, получаемых в результате безытерационно­ го расчёта. Обоснована область применимости предлагаемого способа.

8
5. Разработаны алгоритмы выбора мест размещения устройств СВИ для двухуровневого оценивания состояния, совмещающего данные, получа­ емые от PMU и SCADA, которые позволяют сформировать «каркас» СВИ с целью увеличения точности ОС.
6. Обоснованы возможности предлагаемых алгоритмов для увеличения как точности оценивания состояния, так и скорости выполнения рас­ чётной процедуры.
7. Предложен метод выбора весовых коэффициентов оценивания состоя­ ния на базе метода взвешенных наименьших квадратов, позволяющий учесть в методе линейного оценивания состояния погрешности измере­ ний комплексных величин токов и напряжений, измеряемых в форме модуля и угла.
8. Исследована точность и робастность метода выбора весовых коэффи­ циентов и показана граница его применимости.
Теоретическая и практическая значимость заключается в направ­ ленности на совершенствование методов оценки состояния ЭЭС, а также в развитии методов расстановки устройств измерений в условиях появления но­ вых технологий в области средств измерения и управления в электроэнергетике.
Mетодология и методы исследования. В исследовании применя­ лись модели энергосистем и средств измерений, разработанные в теории оценивания состояния в ЭЭС. Вычислительные эксперименты выполнялись с использованием метода Монте-Карло для сформированной области варьируе­ мых независимых переменных. Анализ погрешностей средств измерений был выполнен с использованием методов и подходов статистики и метрологии. Для преобразований систем уравнений применялся математический аппарат линейной алгебры. Разработка алгоритмов выбора мест размещения основана на применении теории графов и топологического анализа электрических це­ пей. Предложенные методики апробировались как на традиционных тестовых моделях энергосистем, используемых в мировой практике, так и на моделях реальных энергосистем.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанный способ преобразования нелинейной системы уравнений
установившегося режима для модели переменного тока может быть ис­ пользован для выполнения расчёта параметров состояния ЭЭС прямым

9
(безытерационным) методом за счёт специального выбора вектора из­
вестных и неизвестных переменных.
2. Предложенный подход к выбору мест установки СВИ даёт возмож­
ность выполнить размещение СВИ, близкое к оптимальному по числу устройств, а также, позволяет выполнять расчёт режимных парамет­ ров энергетической системы за счёт совмещения измерений СВИ и классических измерений SCADA. Однако был выявлен важный недо­ статок предлагаемого метода, заключающийся в неудовлетворительной точности при использовании современных систем измерений в связи с высокой чувствительностью расчётных параметров режима к погреш­ ностям измеряемых параметров.
3. При выборе мест размещения СВИ следует учитывать сопротивления элементов схемы замещения, на которых размещаются измерения. Это объясняется тем, что при малых значениях сопротивлений коротких ли­ ний значение погрешности оценки мощности на этом участке недопусти­ мо сильно возрастает пропорционально погрешностям измерительных приборов. Такие участки, называемые в работе критическими, влияют на результирующую расстановку СВИ.
4. Формирование топологически связного каркаса СВИ позволяет нивели­ ровать проблему возрастания погрешности ОС при наличии коротких линий между подстанциями с установленными PMU.
5. Предложен и апробирован метод выбора мест размещения СВИ, обеспе­ чивающий формирование системы измерений, наиболее эффективным образом увеличивающий точность измерительной системы СВИ от каж­ дого вновь добавляемого измерительного устройства для выполнения двухуровневого оценивания состояния по измерениям СВИ и SCADA.
6. Предложен метод выбора весовых коэффициентов для учёта измере­ ний угла в задаче линейного оценивания состояния ЭЭС на базе СВИ. Предложен подход к формированию целевой функции и системы огра­ ничений в задаче линейного оценивания состояния ЭЭС на базе СВИ, позволяющий повысить точность результата оценивания состояния.
7. Совокупность разработанных методов и алгоритмов является новым инструментом анализа и совершенствования системы информационно­ го обеспечения ЭЭС.

10
Достоверность полученных результатов обеспечивается за счёт ис­ пользования классических расчётных процедур и алгоритмов расчёта устано­ вившегося режима электрической сети, методов математической статистики, положенных в основу предлагаемого метода. Адекватность используемой ма­ тематической модели подтверждается соответствием с реальными принципами функционирования ЭЭС и систем измерений, а также согласованностью с ре­ зультатами, полученными другими программными комплексами. Результаты не противоречат исследованиям, выполненными другими авторами и применя­ емыми на практике.
Апробация работы. Положения диссертационной работы докладыва­ лись и обсуждались на 13 международных и российских научно-технических конференциях, а именно:
– First International Conference ENERGY QUEST, 2014, Екатеринбург;
– V международная НТК Электроэнергетика глазами молодёжи, 2014,
Томск;
– IV международная НПК в рамках выставки «Энергосбережение», 2015,
Екатеринбург;
– V международная научно-техническая конференция «Современные
направления развития систем релейной защиты и автоматики энерго­
систем» РНК CIGRE, 2015, Сочи;
– VII Международная научная конференция молодых учёных. Электро­
техника. Электротехнология. Энергетика.»Электротехника. Электро­
технология. Энергетика, 2015, Новосибирск;
– VI международная НТК Электроэнергетика глазами молодёжи, 2015,
Иваново;
– V международная НПК в рамках специализированного форума
«ExpoBuildRussia», 2016, Екатеринбург;
– The 2nd International Conference on Industrial Engineering, Applications
and Manufacturing (ICIEAM), 2016, Челябинск;
– VII международная НТК Электроэнергетика глазами молодёжи, 2016,
Казань;
– VI международная научно-техническая конференция «Современные
направления развития систем релейной защиты и автоматики энерго­ систем» РНК CIGRE, 2017, Санкт-Петербург;

11
– VI международная НПК в рамках специализированного форума «ExpoBuildRussia», 2017, Екатеринбург;
– The 14th International Conference on Engineering of Modern Electric Systems, 2017, Орадя, Румыния;
– Международная молодёжная НТК IEEE «Релейная защита и автома­ тика», 2018, Москва.
Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства на­ уки и высшего образования Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направ­ лениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы», номер соглашения 075-15-2019-1214 (внутренний номер соглашения 14.578.21.0226, уникальный идентификатор проекта: RFMEFI57817X0226).
Личный вклад. Автор продолжил исследования, выполненные на ка­ федре «АЭС» УрФУ в конце XX века применительно к линейным моделям сети ЭЭС постоянного тока, о преобразовании уравнений узловых напряжений к системе, содержащей треугольную подматрицу, обеспечивающую ускоренный расчёт установившегося режима и оценивания состояния ЭЭС, распространив их результаты на нелинейную модель переменного тока. Автор принимал ак­ тивное участие в разработке подхода, предполагающего размещение СВИ с образованием топологически связанного каркаса в рамках двухуровневого ОС, а также алгоритмов выбора мест размещения СВИ, безытерационных проце­ дур определения параметров режима ЭЭС. Разработал метод выбора весовых коэффициентов и преобразования систем координат для выполнения ОС на базе только СВИ. Реализовал все разработанные методы и алгоритмы в виде программного кода. Выполнил тестирование предлагаемых методов и алгорит­ мов для моделей энергосистем различной размерности как на меджународных схемах IEEE, так и на реальных схемах отечественных энергосистем.
Основные результаты по теме диссертации изложены в 18 печатных пуб­ ликациях, 8 из которых опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК, 10 — в тезисах докладов.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 119 страниц, вклю­ чая 23 рисунка и 7 таблиц. Список литературы содержит 109 наименований.