Ανάπτυξη Δυναμικής Εκτίμησης Κατάστασης Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας με Χρήση Φίλτρου Kalman

Abstract

H ηλεκτρική ενέργεια αποτελεί ένα αναπόσπαστο κομμάτι της καθημερινής ζωής αλλά και της βιομηχανίας. Για να εξασφαλισθεί η αξιόπιστη παροχή ηλεκτρικής ισχύος στους καταναλωτές, είναι απαραίτητη η ορθή, αξιόπιστη και οικονομική λειτουργία των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ). Οι υπεύθυνοι λειτουργίας τέτοιων συστημάτων βασίζονται στην γνώση της παρούσας κατάστασης του συστήματος για τη λήψη κρίσιμων αποφάσεων. Για την εκτίμηση της παρούσας κατάστασης απαιτείται επεξεργασία της τοπολογίας του συστήματος και των μετρήσεων σε διάφορα σημεία του δικτύου. Η διαδικασία αυτή επιτυγχάνεται με τον εκτιμητή κατάστασης ο οποίος υπολογίζει τις μιγαδικές τάσεις όλων των ζυγών, όσο το δυνατόν ακριβέστερα, βασιζόμενος στις διαθέσιμες μετρήσεις. Η πιο διαδεδομένη μέθοδος εκτίμησης κατάστασης είναι μέσω λήψης μετρήσεων από μετρητικά όργανα RTU και επεξεργασίας τους από συστήματα SCADA. Η μέθοδος αυτή οδηγεί σε μη γραμμικό μοντέλο μετρήσεων καθώς γίνεται χρήση των εξισώσεων ροής φορτίου με αποτέλεσμα να απαιτείται επαναληπτική διαδικασία για την επίλυση της εκτίμησης κατάστασης. Επίσης το σύστημα SCADA λαμβάνει τις μετρήσεις με περίοδο ανανέωσης αρκετών δευτερολέπτων. Τα τελευταία χρόνια, εντείνεται η χρήση μονάδων μέτρησης φασιθετών (PMU) στην εκτίμηση κατάστασης ΣΗΕ. Τα PMU μετρούν απευθείας τους φασιθέτες τάσης ζυγών και ρεύματος γραμμών μεταφοράς, με ρυθμούς λήψης μετρήσεων πολύ μεγαλύτερους από των RTU. Με την διαρκή ανάπτυξη των ηλεκτρικών δικτύων, η κλασσική εκτίμηση κατάστασης καλείται να ανταποκριθεί σε δυναμικές μεταβολές του δικτύου τις οποίες αδυνατεί να διαχειριστεί αποδοτικά. Για τον λόγο αυτό, έχουν αναπτυχθεί αλγόριθμοι δυναμικής εκτίμησης κατάστασης οι οποίοι εκτιμούν την κατάσταση του συστήματος λαμβάνοντας υπόψη την συμπεριφορά του δικτύου στον χρόνο. Τα πλεονεκτήματα των δυναμικών εκτιμητών κατάστασης είναι η αυξημένη ακρίβεια και η δυνατότητα πρόβλεψης της κατάστασης του συστήματος. Η δυνατότητα αυτή παρέχει περισσότερο χρόνο στους χειριστές του δικτύου να λάβουν σημαντικές αποφάσεις σε περίπτωση ανάγκης. Η παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζει αρχικά την θεωρία της κλασσικής εκτίμησης κατάστασης ΣΗΕ ενώ στη συνέχεια αναπτύσσεται ένας βελτιωμένος αλγόριθμος δυναμικής εκτίμησης κατάστασης βασισμένος σε φίλτρο Kalman για δίκτυα ΑC με χρήση συνδυασμού μετρήσεων από μονάδες RTU και PMU. Ακολούθως, αναλύονται τα αποτελέσματα προσομοιώσεων εκτέλεσης του αλγορίθμου δυναμικής εκτίμησης κατάστασης για διάφορα ηλεκτρικά δίκτυα για διάφορα σενάρια θορύβου ή σφάλματος, και αντιπαραβάλλονται με τα αποτελέσματα της κλασσικής εκτίμησης κατάστασης.