Ανάπτυξη Εργαστηριακής Διάταξης Εποπτείας Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας με μονάδες μέτρησης φασιθετών (PMU)

Abstract

Στις σύγχρονες κοινωνίες η ηλεκτρική ενέργεια αποτελεί αναπόσπαστο κόμματι της καθημερινότητας, χρησιμοποιώντας τη σε τομείς ζωτικής σημασίας όπως στα συστήματα υγείας, τραπεζών, μετακίνησης κ.α. Επομένως η ασφαλής και αποτελεσματική λειτουργία των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας (ΣΗΕ) είναι υψίστης σημασίας για την απρόσκοπτη παροχή ηλεκτρικής ισχύος. Για να μπορέσει το σύστημα αυτό να ελεγχθεί, είναι απαραίτητο οι διαχειριστές του να γνωρίζουν ανά πάσα στιγμή την παρούσα κατάσταση του συστήματος. Για το σκοπό αυτό, τοποθετούνται μετρητικές μονάδες σε συγκεκριμένα σημεία στο ηλεκτρικό δίκτυο και με την χρήση των μετρήσεων από τις μονάδες αυτές υπολογίζεται η κατάσταση ολόκληρου του δικτύου. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται εκτίμηση κατάστασης και υπολογίζει τις τιμές των τάσεων όλων των ζυγών του δικτύου με βάση τις διαθέσιμες μετρήσεις. Συνεπώς, η πραγματοποίηση της εκτίμησης κατάστασης σε πραγματικό χρόνο είναι εκ των ων ουκ άνευ για την παρατηρησιμότητα ενός ΣΗΕ. Τα συστήματα εποπτικού ελέγχου αλλά και ο αλγόριθμος εκτίμησης κατάστασης διαφοροποιούνται ανάλογα με τις μετρητικές συσκευές που είναι εγκατεστημένες στο ηλεκτρικό δίκτυο. Η ευρύτατη ανάπτυξη και χρήση των μονάδων μέτρησης φασιθετών (Phasor Measurement Units − PMUs) θα καταργήσει σταδιακά την αργή εκτίμηση κατάστασης μέσω μετρήσεων SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) και θα οδηγήσει σε αποκλειστική χρήση των συγκεκριμένων μονάδων για την επίλυση του εν λόγω προβλήματος. Οι μονάδες PMU μετρούν απευθείας τάσεις και ρεύματα στους ζυγούς στους οποίους τοποθετούνται, οδηγώντας έτσι σε γραμμικά μοντέλα μετρήσεων. Επιπλέον, οι ρυθμοί δειγματοληψίας τους είναι πολύ υψηλότεροι, πραγματοποιώντας μέχρι και 60 μετρήσεις ανά δευτερόλεπτο. Επομένως, κρίνεται αναγκαίο να υλοποιηθούν συστήματα εποπτείας που θα αξιοποιούν τον υψηλό ρυθμό δειγματοληψίας των συγκεκριμένων μονάδων για την επιτήρηση του ΣΗΕ. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται αρχικά η θεμελιώδης θεωρία των συστημάτων διαχείρισης ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και η βασική θεωρία της εκτίμησης κατάστασης. Στην συνέχεια υλοποιείται μία εφαρμογή η οποία πραγματοποιεί την εκτίμηση κατάστασης σε πραγματικό χρόνο. Πιο συγκεκριμένα, η εφαρμογή αυτή είναι υπεύθυνη για την λήψη των μετρήσεων από μονάδες PMU, την εκτέλεση του αλγορίθμου εκτίμησης κατάστασης και την αναπαράσταση των αποτελεσμάτων σε γραφικό περιβάλλον. Η διαδικασία αυτή γίνεται με τη μικρότερη δυνατή καθυστέρηση με απώτερο σκοπό την επίτευξη του κυριότερου στόχου της εφαρμογής, να είναι πραγματικού χρόνου. Τέλος, παρατίθεται ένα παράδειγμα χρήσης της εφαρμογής πάνω σε προσομοιωμένο δίκτυο στο εργαστήριο ηλεκτρικής ενέργειας της Σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.