Ανάπτυξη Αλγορίθμου Δυναμικής Εκτίμησης Κατάστασης Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας με χρήση Unscented Φίλτρου Kalman

Abstract

Η εκτίμηση κατάστασης αποτελεί βασικό εργαλείο για την εποπτεία και τον έλεγχο των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ), εξασφαλίζοντας την εύρυθμη, αξιόπι-στη και αποδοτική λειτουργία τους. Αφορά τον υπολογισμό των κρίσιμων μεταβλητών κατάστασης του ηλεκτρικού δικτύου, όπως οι μιγαδικές τάσεις των ζυγών και οι ροές ισχύος βάσει μετρήσεων, οι οποίες συλλέγονται από όργανα μέτρησης τοποθετημένα σε διάφορα σημεία του δικτύου και εμπεριέχουν θόρυβο. Η αυξανόμενη πολυπλοκό-τητα των σύγχρονων ηλεκτρικών δικτύων, η αβεβαιότητα που προκύπτει από την εν-σωμάτωση ανανεώσιμων πηγών, και οι απαιτήσεις των σύγχρονων έξυπνων δικτύων καθιστούν την εκτίμηση κατάστασης απαραίτητη για τη διασφάλιση της αξιοπιστίας και της αποδοτικότητας του συστήματος. Τα μετρητικά δεδομένα που χρησιμοποιούνται ως είσοδος στους αλγορίθμους εκτί-μησης κατάστασης διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στην ακρίβεια και την αποτελε-σματικότητά τους. Οι μετρήσεις προερχόμενες από απομακρυσμένες τερματικές μονά-δες (Remote Terminal Units, RTU) και συστήματα SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), αν και αποτέλεσαν για δεκαετίες τον βασικό μηχανισμό εποπτείας των ΣΗΕ, εμφανίζουν ορισμένες αδυναμίες, καθώς διαθέτουν χαμηλό ρυθμό δειγματο-ληψίας και επηρεάζονται από χρονικές καθυστερήσεις και υψηλά επίπεδα θορύβου. Α-ντιθέτως, οι μονάδες μέτρησης φασιθετών (Phasor Measurement Units, PMU) παρέ-χουν συγχρονισμένες μετρήσεις των φασιθετών τάσης και ρεύματος με υψηλή ακρί-βεια, και με υψηλούς ρυθμούς δειγματοληψίας, επιτρέποντας έτσι την παρακολούθηση ταχέως μεταβαλλόμενων συνθηκών και την ανίχνευση δυναμικών συμβάντων στο δί-κτυο. Ωστόσο, η ευρεία ενσωμάτωση των PMU απαιτεί σημαντικές επενδύσεις σε υ-ποδομές και επικοινωνιακά συστήματα, καθώς και προηγμένους αλγορίθμους ικανούς να επεξεργάζονται μεγάλο όγκο δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Οι παραδοσιακές τεχνικές εκτίμησης κατάστασης, όπως η μέθοδος των Σταθμισμέ-νων Ελαχίστων Τετραγώνων (Weighted Least Squares, WLS), παρουσιάζουν περιορι-σμούς όταν εφαρμόζονται σε μη γραμμικά, δυναμικά συστήματα με αυξημένη μετα-βλητότητα. Η μέθοδος WLS βασίζεται σε γραμμικές παραδοχές και, επομένως, προϋ-ποθέτει τη γραμμικοποίηση της σχέσης μεταξύ των μετρήσεων και των μεταβλητών κατάστασης, κάτι που περιορίζει την αξιοπιστία της σε έντονα μη γραμμικά συστήματα. Το Unscented Φίλτρο Kalman (Unscented Kalman Filter, UKF) αποτελεί μια αποτε-λεσματική λύση για την εκτίμηση κατάστασης σε μη γραμμικά συστήματα, χρησιμο-ποιώντας τον μετασχηματισμό Unscented Transform (UT) για τη διάδοση ενός συνό-λου σημείων σίγμα (sigma points) μέσω του μη γραμμικού μοντέλου, επιτυγχάνοντας ακριβέστερη εκτίμηση της πιθανοτικής κατανομής των μεταβλητών κατάστασης. Το μαθηματικό φίλτρο UKF διακρίνεται για την υψηλή ακρίβεια, την ταχεία σύγκλιση και την αποτελεσματική διαχείριση του μετρητικού θορύβου και των αβεβαιοτήτων που εγγενώς διέπουν τους εκτιμητές κατάστασης, καθιστώντας το ιδιαίτερα κατάλληλο για τέτοιες εφαρμογές. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη και η αξιολόγηση ενός αλγορίθμου εκτίμησης κατάστασης βασισμένου στο UKF. Συγκεκριμένα, η εργα-σία εστιάζει στην υλοποίηση του UKF, στη σύγκρισή του με παραδοσιακές μεθόδους μέσω προσομοιώσεων και στην αξιολόγηση της απόδοσής του σε πρότυπα δίκτυα, υπό την ύπαρξη διαφόρων πηγών αβεβαιότητας. Ο αλγόριθμος UKF που αναπτύσσεται βα-σίζεται αποκλειστικά σε μετρήσεις προερχόμενες από μονάδες PMU. Η επιλογή αυτή εξασφαλίζει τη χρήση συγχρονισμένων, υψηλής ακρίβειας δεδομένων, τα οποία παρέ-χονται σε υψηλούς ρυθμούς δειγματοληψίας, επιτρέποντας την ακριβή και δυναμική παρακολούθηση της κατάστασης του δικτύου, συμβάλλοντας στη βελτίωση της ακρί-βειας και της αξιοπιστίας του εκτιμητή και ελαχιστοποιώντας τις επιπτώσεις του θορύ-βου και των αβεβαιοτήτων που συχνά επηρεάζουν τα δεδομένα των παραδοσιακών συ-στημάτων μέτρησης.