بخشی از مقاله
-1 مقدمه و هدف
با توسعه صنعتی جوامع، اهمیت تأمین انرژی مطمئن برای مشترکین صنعت برق، روزبهروز افزایش مییابد، یک عامل مهم در بهرهبرداری از سیستم قدرت، تمایل به حفظ قابلیت اطمینان1 - پایایی - سیستم است. قابلیت اطمینان در یک سیستم قدرت را میتوان به سه تابع اصلی که در مرکز کنترل شبکه انجام میشود، تقسیم کرد: نظارت بر سیستم2، بررسی پیشامدها3 و بررسی اعمال اصلاحی.4 نظارت بر سیستم، اطلاعات جدید و مناسبی را از شرایط سیستم قدرت در اختیار بهرهبرداران قرار میدهد. این قسمت، مهمترین تابع از سه تابع فوق است. سیستمهای اندازهگیری و ارسال که به سیستمهای دورسنجی موسوم است، تا آنجا پیش رفته است که میتوان مقادیر ولتاژها، جریانها، توانهای انتقالی از خطوط و وضعیت کلیدها و قطع کنندهها را در هر پست یک شبکه داشت. بهعلاوه میتوان اطلاعات دورسنجی شده از کمیتهای مهم دیگری از قبیل فرکانس، خروجی واحدها و موقعیت سر اتصالات ترانسفورمرها - تپ - را نیز در اختیار گرفت. با چنین اطلاعات زیادی هیچ بهرهبرداری نمیتواند در یک محدوده زمانی خاص تمام آنها را بررسی نماید. به همین علت است که در مراکز کنترل، کامپیوترهای دیجیتال را به کار میگیرند تا اطلاعات دورسنجی شده را جمعآوری و پردازش نموده و آنها را در پایگاه اطلاعاتی ضبط نماید که با استفاده از آن، اپراتورها میتوانند اطلاعات موردنیاز خود را بر پایانههای بزرگ نمایشگر رؤیت نمایند.
تخمین حالت5، اغلب در چنین سیستمهایی بهمنظور ترکیب اطلاعات دورسنجی شده سیستم، با مدلهای سیستم و جهت ایجاد بهترین تخمین - از دیدگاه آماری - از شرایط یا حالت فعلی سیستم قدرت و نظارت بر شرایط عملکردی آن بهمنظور بهرهبرداری در حالت عادی و ایمن [1] به کار میرود. تخمین حالت شاکله اصلی سیستم مدیریت انرژی را با فراهم آوردن دادههای زمان واقعی بر اساس حالت سیستم برای استفاده توابع EMS6 تشکیل میدهد .[2] بنابراین، یک تخمین حالت مؤثر و دقیق، پیشنیاز بهرهبرداری کارا و قابلاطمینان سیستم قدرت است. حالت سیستم، در شرایط عمومی میتواند بهصورت حداقل مجموعه متغیرهایی که باید مشخص باشند تا شرایط عملکردی کامل سیستم تعیین شود، تعریف شود. ولتاژ مختلط شینها، حالت سیستم هستند، چون با معین بودن مدل دقیق شبکه، ولتاژ شینها توان مختلط جاری خطوط و تمامی تزریقهای توان مختلط را تعیین میکنند.
سیستمهای متداول مانند SCADA1 امکان نمونهبرداری همزمان را ندارند. سرعتپایین نمونهبرداری این سیستمها و دقت پایینکه حدوداً هر 10 ثانیه یکبار اندازه ولتاژ، جریان، توان اکتیو و توان راکتیو را به ما میدهند، برای بسیاری از کاربردها زیاد مناسب نیستند؛ اما در مورد PMU ها وضع به گونه دیگری است، این سیستمها فازور ولتاژ و جریان را با نرخ متغیر از 1 تا60 نمونه در هر ثانیه و با دقت بسیار بالا به ما میدهند .[3] یک PMU نصبشده در یک شین میتواند برای اندازهگیری فازور ولتاژ آن شین و فازورهای جریان همه یا تعدادی از شاخههای متصل به آن شین - بسته به تعداد کانالهای موجود - را اندازه بگیرد. باوجود پتانسیل بالا برای بهبود عملکرد و کنترل زمان واقعی سیستمهای انتقال بزرگ، PMU ها به بهبود عملکرد تخمین حالت منجر میشوند.[4] هنگامیکه متغیرهای حالت در یک سیستم باوجود فقط PMU ها اندازهگیری میشوند، رابطه میان آنها خطی میشود و متغیرها میتوانند با استفاده از یک الگوریتم خطی غیرتکراری به دست بیایند .[5]
این راهحل حرفهای جدید در سیستمهای قدرت حال حاضر در دسترس است اما با تعداد اندک PMU ها، زیرا بهروزرسانی زیرساخت سیستم قدرت موجود نیازمند سرمایهگذاری در اینفنّاوریهاست. درنتیجه سیستمهای قدرت حال حاضر از اینکه یک پیکربندی PMU داشته باشند که اجازه دهد حالت کل سیستم را تنها از این اندازهگیریهاتعیین کند دور هستند و این وضعیت احتمالاً برای مدتی کاملاً ادامه پیدا میکند [6] و هنوز تخمینگر های حالت شامل هردو اندازهگیری سنتی و فازوری یک نیاز ضروری بهحساب میآیند. درنتیجه با استفاده از تخمین حالت هیبریدی اثر اندازهگیریهای سنتی و فازوری را بهصورت همزمان در نظر گرفته و متغیرهای حالت سیستم را تخمین میزنیم. بهطورکلی تخمین حالت به سه دسته زیر طبقهبندی میشود :[7] - 1 تخمین حالت استاتیکی - SSE2 -
- 2 ردیابی تخمین حالت - TSE3 -
- 3 تخمین حالت دینامیکی - DSE4 -
در این مقاله،مشخصاً به ردیابی تخمین حالت پرداخته میشود. ردیابی تخمین حالت، برای کم کردن بار محاسباتی تخمین حالت استاتیکی و اجرای آن در بازههای زمانی کوتاه، تخمین را از آخرین متغیرهای حالت محاسبهشده بجای یک نقطه یکنواخت شروع میکند. در هر دو روش، حالت سیستم قدرت بر مبنای مجموعه منفردی از اندازهگیریها تخمین زده میشود. ردیابی تخمین حالت، یک روش برای بازسازی حالت5 و ردیابی متغیرهای حالت شبکه است که هدف اصلی آن، پایش دقیق و لحظهای متغیرهای حالت سیستم قدرت، بهخصوص، ارزیابی سیستم پس از یک اختلال و بعدازآن پیشبینی نتایج پشت سر هم احتمالی است. این روش به تصاویر لحظهای فراهمشده توسط PMU ها استناد میکند اما شامل یک مدل از روند تکاملی دینامیکی سیستم نمیشود. ردیابی حالت، در هر مرحله با استفاده از بازسازی حالت انجام میپذیرد. بازسازی حالت، به اندازهگیریهای سنکرون بهاضافه اندازهگیریهای مجازی توان و ولتاژ استناد میکند و با توجه به آنها حالت سیستم در آن لحظه خاص را بازسازی میکند. این اندازهگیریهای مجازی، تخمین نزدیکترین وضعیت با توجه به مقادیر مرجع و درنتیجه برطرف کردن مجهولات به علت فقدان دادههای PMU را نتیجه میدهند.
در ردیابی حالت سیستم، فرض بر این است که از اطلاعات تعداد محدودی PMU استفاده میشود، بهطوریکه تنها با استفاده از آنها، شبکه مشاهدهپذیر نمیگردد. برای برطرف نمودن مشاهده ناپذیری سیستم، حالتی با نزدیکترین توانهای باس و ولتاژهای ژنراتور به مقادیر تخمین زدهشدهی قبلی محاسبه میشود. این مقادیر که همانند اندازهگیریهای مجازی رفتار میشوند، میتوانند در یک روش بازگشتی از آخرین وضعیت بازسازیشده به دست آیند. اندازهگیریهای مجازی، بازسازی حالتی با نزدیکترین وضعیت نسبت به مقادیر واقعی با توجه به مقادیر مرجع و درنتیجه برطرف کردن مجهولات به علت فقدان دادههای PMU را نتیجه میدهند.
برای انتخاب اندازهگیریهای مجازی باید توجه داشت که عامل مهم در انتخاب این اندازهگیریها، تغییر کم و ناچیز آنها در هنگام بروز اختلال در شبکه میباشد. بر همین اساس انتخابهای زیر را انجام میدهیم: توانهای اکتیو و راکتیو مصرفشدهی بارها به علت حساسیت آنها به ولتاژ و فرکانس، تغییر میکنند، اما این تغییرات معمولاً در حد درصدهای کمی هستند. بنابراین، توانهای بار مرجعهای کاندید خوبی هستند. استفاده از توانهای تزریقی در باسهای ناحیه متأثر بهعنوان اندازهگیریهای مجازی، نتایج پایدار و قابلقبولی را ارائه داده است. برای یک ژنراتور تحت کنترل تنظیمکننده اتوماتیک ولتاژ - AVR - ، تا زمانی که به محدودیتهای توان راکتیو نرسیم، اندازه ولتاژ کنترلشده دستخوش تغییرات کمی میشود. بنابراین این نیز یک مرجع کاندید خوب است.
-2 فرمولبندی مسئله
در روش تخمین حالت استاتیک به روش حداقل سازی مجموع مربعات1 و تنها با اطلاعات بهدستآمده از اندازهگیریهای سیستم اسکادا، هدف، حداقل ساختن تابع - 1 - است:
