Janitza.cz

Janitza Electronics se zabývá vývojem a výrobou energeticky úsporných systémů. Je výrobcem digitálních měřidel, systémů SEMS, univerzálních multimetrů, regulátorů jalového výkonu, systémů pro řízení spotřeby, ¼ hodinového maxima a dalších přístrojů nejvyšší kvality.

KBH.cz

Společnost KBH vyrábí, dodává a instaluje komponenty pro kompenzaci jalového výkonu. Zákazníky jsou elektromontážní firmy, výrobci rozvaděčů, projektanti, velkoobchody a velkoodběratelé elektrické energie. Společnost nabízí kvalitní komponenty a služby za velice příznivé ceny.

23. září 2008, Autor: varner
Nezařazené články

Problémy estimace stavu ES

po restrukturalizaci elektroenergetiky

Restrukturalizace elektroenergetiky u nás i ve světě s sebou přináší propojování soustav, integraci dispečinků a náročnější způsoby provozování soustav v tržním prostředí. To vše klade nové požadavky na vlastnosti estimačních programů a na jejich rozšiřování i do oblasti sítí vysokého napětí.

Estimované sítě mají často řádově větší počet uzlů než dříve a je nutné zvyšovat též robustnost estimátorů, aby spolehlivě fungovaly i v prostředí, které se často mění. Implementace estimačních programů ve velkých sítích s proměnlivým zapojením má také nové rizikové faktory, mezi něž patří zejména chyby v topologii sítě.

Změny v elektroenergetice – nové požadavky na estimační úlohu

Problém dimenze
Dosud provozované programy pro estimaci stavu elektrizační soustavy (ES) byly obvykle aplikovány na poměrně malé sítě, v podmínkách ČR na přenosovou soustavu 400 a 220 kV a na soustavy 110 kV jednotlivých regionálních distribučních společností, obsahující kolem stovky elektrických uzlů. Restrukturalizace elektroenergetiky všude ve světě vede  na propojování soustav a integraci dispečinků, a to s sebou přináší požadavek na několikanásobné zvětšení dimenze výpočetního modelu estimace.
Rozvoj automatizace v distribuci elektrické energie a instalace nových systémů dispečerského řízení soustav vysokého napětí (vn) vyvolávají potřebu kontinuálního monitorování stavu řízené soustavy, což lze realizovat rozšířením metody estimace stavu i na sítě vn a její modifikací pro podmínky s nedostatkem měření reálného času. Estimace v sítích vn slouží jako náhrada klasického výpočtu chodu sítě a lépe se vyrovnává s neurčitostí vstupních dat.
Řešením problému rostoucí dimenze soustavy je úprava estimačního algoritmu jeho hierarchickou dekompozicí po jednotlivých napájecích oblastech nebo územních celcích, s centrální koordinací. Pro soustavy vysokého napětí lze s výhodou využít algoritmus výpočtu (estimace) radiální sítě.

Vlivy změn ve způsobu provozování soustav
Energetický trh přinesl nové, dříve neobvyklé a variabilní výkonové transakce, doprovázené kruhovými toky a přenosy přes třetí soustavy. Zvýšené zatížení sítí vyvolává častější změny zapojení a estimace se musí s novými podmínkami vyrovnat bez ztráty robustnosti, to jest bez omezení své spolehlivosti po změně zapojení nebo ztrátě skupiny měření. Modelování vlivu nových transakcí se neobejde bez úplného nebo alespoň částečného zahrnutí sousedních soustav do modelu estimované sítě, s intenzivní výměnou informací mezi dispečinky v reálném čase. Rozšíření modelu je možno realizovat ekvivalentní náhradou s dostatečně častou aktualizací jejích parametrů.
Pro větší flexibilitu v řízení výkonových toků jsou dnes do elektrizačních soustav zaváděna zařízení třídy FACTS (Flexible AC Transmission Systems), s nimiž je pak nutno počítat v estimaci, přizpůsobit k tomu použité rovnice výpočtového modelu, doplnit příslušné omezující podmínky a případně zahrnout do estimovaných veličin parametry zařízení. Častější změny zapojení kvůli odlehčení přetížených větví, zvýšení přenosové kapacity apod., skrývají větší nebezpečí vzniku chyb topologie v dispečerském řídicím systému. Na tyto chyby je estimace velmi citlivá a proces jejich odhalení ve velkých soustavách je složitější než v malých sítích. Spolehlivá funkčnost estimátoru při jakékoliv topologii sítě není triviální záležitost, protože systémy dálkového měření pro dispečinky byly dosud navrhovány pro převažující zapojení sítě a při atypickém zapojení mohou vznikat problémy s estimovatelností.
Estimace v nových podmínkách provozu elektrizačních soustav zůstává základním prostředkem pro kontinuální monitorování provozního stavu soustavy a základním zdrojem dat (stavových veličin) pro navazující výpočty a simulace v reálném čase. Elektrizační soustavy jsou a budou provozovány blíže hranicím bezpečného provozu, protože si to vynucují ekonomické tlaky energetického trhu. Důsledkem je zvýšení významu úlohy vyhodnocování bezpečnosti provozu ES v reálném čase („On-line Security Assessment“).

 
 Obr.1: Schéma úlohy vyhodnocování bezpečnosti provozu ES

Jak je vidět z obr. č. 1, estimace hraje při vyhodnocování bezpečnosti provozu soustav klíčovou roli. Vzhledem k rostoucímu zatížení soustavy doporučujeme provádět vyhodnocování dynamické bezpečnosti , tj. nejenom výpočet ustáleného stavu po simulované události, ale rovněž výpočet přechodového procesu vhodným nástrojem pro dynamické modelování, např. programem MODES.
Jak ukázaly poslední velké výpadky ve světě, nestačí kontrolovat odolnost provozního stavu vůči událostem jen na úrovni jedné ES. Je nutno zahrnout do vyhodnocení větší propojení, ale k tomu si musí každá národní soustava udržovat aktuální model sousedních soustav. Jako nejvhodnější se jeví výměna aktualizovaných ekvivalentů doplněných výsledky estimace stavu.
Prostředků, jak se v estimaci vyrovnat se změnami v provozování soustav, je více. Robustnost se dá zvýšit budováním dodatečných dálkových měření, včetně jednotek pro měření synchronních fázorů, novými metodami identifikace chyb v topologii sítě, a rovněž využitím výsledků lokálního vyhodnocení informací v řídicím systému rozvodny.

Propojování soustav a hierarchické řešení estimace
Aby mohla být v deregulovaném prostředí energetického trhu zajištěna dostatečná spolehlivost provozu propojených soustav, je nutno kontinuálně monitorovat a kontrolovat provozní stav celého propojení a vyhodnocovat jeho bezpečnost (odolnost proti různým událostem). Jeví se jako nezbytné doplnit dispečinky jednotlivých soustav v propojení ještě koordinačním centrem, jehož funkcí je koordinovat a kontrolovat bezpečnost provozu soustav v propojení (lit. / 1 / ). Toto koordinační centrum získává data reálného času z jednotlivých připojených dispečinků, kde jsou výsledkem lokálních estimačních úloh, nebo to mohou být přímo soubory měřených hodnot.
Každopádně musí být koordinační centrum vybaveno speciálním estimačním programem, který sloučí data z připojených řízených oblastí a přepočte je do jednoho konzistentního výpočetního modelu, nad nímž se pak dají provádět analýzy bezpečnosti provozu propojení. Velký problém vznikne, když vypadne komunikační linka z jednoho dispečinku a koordinační centrum tak ztratí část nebo všechna měření jedné oblasti. Pro estimátor to znamená ztrátu estimovatelnosti a nutnost hledat vhodná pseudoměření.
Dvouúrovňová hierarchická estimace s koordinací na vyšší úrovni je nejčastější metodou pro realizaci estimátoru nad propojením většího počtu soustav. V porovnání s plně centralizovaným výpočtem se hierarchickou dekompozicí omezí objem dat předávaných z objektů do centra a rozdělí se výpočetní kapacita, ale narostou komunikace mezi centry řízení a koordinátorem. Zjednoduší se výpočet, ale zvýší se citlivost na chyby a nekonzistence mezi jednotlivými centry řízení druhé hierarchické úrovně.

Estimace v distribučních sítích vysokého napětí
Výpočty provozního režimu a ztrát v sítích vn lze zpřesnit metodou estimace radiálních sítí. Estimace v klasické formulaci zpracovává redundantní soubor reálných měření, využívá parametry vedení a transformátorů a řešením systémů rovnic získává nejpravděpodobnější odhad aktuálního provozního stavu – estimované hodnoty. Základní oblastí aplikace estimátoru jsou soustavy vvn, ale s postupem telemetrizace se rozsah estimovaných oblastí rozšiřuje i o sítě vn. Cílem je získat v reálném čase co nejpřesnější údaje o provozním režimu (rozložení U, P, Q, I) celé soustavy vn. Aplikace estimátoru v sítích vn je poměrně nová a méně obvyklá. Vzhledem k nedostatku měření je třeba využít kromě informací reálného času také statistické modely odběrů v distribučních stanicích (DTS).
V sítích vn je účelné aplikovat pro estimaci jiné metodické přístupy než v přenosové soustavě. Klasická metoda vážených nejmenších čtverců, která pracuje s řídce zaplněnými maticemi celé estimované soustavy, se pro rozsáhlé sítě vysokého napětí nehodí. Hlavními důvody jsou specifické vlastnosti sítí vn:
• radiální nebo skoro radiální struktura sítě s malým počtem smyček
• extrémně velký počet větví i uzlů
• potřeba respektovat napěťovou závislost odběrů
• nerovnoměrnost zatížení fází v provozu, tj. na rozdíl od přenosových soustav není vždy vhodné používat jednofázový model sousledné složky
• neurčitosti a chyby ve vstupních údajích odběrových bodů
• velmi málo měření reálného času s převažujícím měřením proudů
• větší rozptyl poměrů R/X vedení (od 0,3 až do 2,5)

 
 Obr.2: Příklad části distribuční sítě 22 kV

Výhodnější alternativou ke klasické estimaci je tzv. větvová metoda estimace radiální sítě. V této metodě se řeší každá větev sítě samostatně jako malý estimační problém. Využívá se skutečnosti, že síť je radiální, jinak by tato metoda nešla použít. Úloha velké dimenze je tak rozložena na velký počet malých úloh a není nutno aplikovat speciální numerické techniky pro práci s velkými maticemi. Pro estimaci jednotlivých větví se využívají všechna dostupná měření i pseudoměření. S rostoucí automatizací distribuce se zvyšuje počet veličin měřených i uvnitř sítě, např. na dálkově ovládaných úsečnících. Všechny tyto hodnoty lze v estimaci využít. Velkou skupinu tvoří pseudoměření získaná jako odhady odběrů na distribučních transformátorech nebo jejich operativní predikce.
Dále uvádíme hlavní argumenty k posouzení výhod estimace soustavy vn ve srovnání s klasickým síťovým výpočtem.
• Estimace může poskytnout co nejpřesnější odhad aktuálního provozního stavu sítě vn (rozložení U, P, Q, I a ztrát v síti vn) pro účely dispečerského řízení, a to v situaci, kdy je v této síti relativně velmi málo měření reálného času. Využívá k tomu všechna dostupná měření a pseudoměření (v napájecích uzlech, na úsečnících, kdekoliv v soustavě, odběry a dodávky v DTS). Estimace používá stochastický princip, kdy každé měření má určitou váhu odvozenou od jeho apriorní věrohodnosti a přesnosti, a využívá všechna měření. Klasický výpočet chodu sítě pracuje s jednoznačně definovanou množinou vstupních dat (odběry a dodávky v uzlech), která jednoznačně určuje provozní stav, nepředpokládá možnost chyb ve vstupních datech, bere všechny vstupní údaje jako stejně a plně pravdivé a v obvyklém pojetí nevyužívá měření na větvích sítě.
• Vzhledem k nedostatku on-line měření využítvá estimace pro zpřesnění výpočtů údaje získané off-line o odběrech v DTS (pseudoměření). Používá je pro rozpočítání měřeného napájecího výkonu, ale bere je jako pseudoměření s menší váhou. Chod sítě hodnoty tohoto typu rovněž využívá, jsou pro výpočet nezbytně nutné, ale považují se za plně pravdivé.
• Estimace předpokládá možnost výskytu chyb a nekonzistencí ve vstupních datech (měření, pseudoměření, stavy zapojení), obsahuje detekci, identifikaci a korekci hrubých chyb v měření i v topologii sítě a informuje o nalezených chybách uživatele.
• Estimaci soustavy vn lze snadno propojit s estimačním programem pro soustavu 110 kV a využít jeho výsledky jako vstupní informace.

Rizikové faktory estimace integrovaných soustav

Vliv chyb v topologii sítě
Je známo, že chyby topologie sítě mají velký vliv na kvalitu výsledků estimace a mohou vést k falešnému označení správných měření za chybná. Topologické chyby jsou způsobeny buď nesprávným zadáním schématu rozvodny, nebo chybnou hodnotou stavu spínacího prvku – nezaznamenaná změna, opožděné ruční zadání, výpadek signalizace. Část topologických chyb je možno zachytit už na úrovní řídicího systému rozvodny ještě před odesláním dat na dispečink.
Chyba topologie postihne zpravidla širší okolí chybného místa a obtížně se hledá. Pro spolehlivější odhalení topologické chyby je třeba zavést do estimace detailní neredukovaný model stanice – tzv. mikrotopologii. Znamená to přechod od síťového modelu na úrovni „galvanický uzel – větev sítě“ k detailnímu modelu , který obsahuje jednotlivé části přípojnic ve stanicích, jednotlivé spínací prvky a využívá též měření výkonů na spínačích přípojnic. Po vyhodnocení údajů mikrotopologie teprve v topologickém programu následuje její převod na „makrotopologii“, tj. obvyklý výpočetní model „uzly (propojené skupiny přípojnic v rozvodně) – větve (vedení, trafa)“.
Zavedeme-li do estimace neredukovaný výpočetní model sítě, tj. výše zmíněnou mikrotopologii stanic, můžeme efektivněji vyhledávat chyby v topologii. Explicitní modelování spínacích prvků (které je v klasickém pojetí estimace potlačeno) umožňuje odhalit případy chybné signalizace jejich stavů. Neredukovaný mikrotopologický model má tyto hlavní výhody :
• přirozeným způsobem se do estimace dostanou měření výkonů na spínačích přípojnic
• snadno se zpracovávají větve s malou impedancí – lze estimovat napětí na každé sekci přípojnic a toky výkonů na každé spojce mezi sekcemi
• estimace se ještě více přiblíží fyzikálnímu popisu soustavy (schématu rozvodny)
Pro každý spínač se do estimace zavedou nové stavové proměnné, a to toky P,Q přes spínač. Dále se přidá pseudoměření: nulový tok P,Q pro rozpojený spínač, nulový úbytek napětí pro sepnutý spínač. Spínače, jejichž stavy neznáme, nemají pseudoměření. Podle velikosti estimovaného toku P,Q přes spínač se pak usuzuje, zda je spínač aktuálně rozpojen nebo sepnut, a obdobnou logikou se dá odhalit chyba jeho signalizace.

Robustnost estimátoru
Robustnost estimátoru je definována jako jeho schopnost zachovat si spolehlivou funkci i při změnách souboru měřených hodnot, po výpadku měření a při změnách topologie. Úzce souvisí s výskytem kritických měření, po jejichž ztrátě soustava přestává být estimovatelná. Je nutno ověřit, zda kritérium robustnosti je splněno při dané konfiguraci měření pro různé topologie sítě a při dané topologii sítě pro různé kombinace výpadků měření. Obvyklým závěrem kontroly robustnosti je návrh na doplnění systému dálkových měření v určitých bodech.
Není-li estimátor dostatečně robustní, můžeme i v případě splnění podmínky estimovatelnosti dostat v některých uzlech chybný odhad. V místech sítě s nízkou redundancí měření může být sice estimovatelnost zajištěna, ale velké chyby některých měření nelze odhalit, protože v soustavě jsou tzv. kritická měření. Jejich eventuální chyby pak hrubě naruší odhad a přitom je nelze nijak zjistit. Pro praktické použití je tedy nezbytné nejenom stanovit, zda je síť estimovatelná či nikoliv, ale přidat též určitý kvantitativní ukazatel, míru nebo koeficient pozorovatelnosti, každému uzlu soustavy. Teprve při dostatečně vysoké míře pozorovatelnosti, která koresponduje s dostatečně vysokou redundancí měření, je možno spolehlivě provést odhad stavu a detekci hrubých chyb měření ve všech lokalitách soustavy.
Lze využít toho, že algoritmus kontroly topologické pozorovatelnosti lze modifikovat i pro určení měření, jejichž ztráta způsobí ztrátu estimovatelnosti ES, tj. pro určení kritických měření. V případě nalezení kritických měření je pak třeba před vlastní estimací verifikovat jejich hodnoty nějakou jednoduchou metodou, např. srovnáním s předchozí hodnotou.
Dalším závažným problémem, který může snížit věrohodnost výsledků estimace, je výskyt tzv. subkritických množin měření . Zatímco po vypuštění kritického měření soustava přestane být estimovatelná, po vypuštění kteréhokoliv prvku ze subkritické množiny měření je estimovatelnost nadále zachována, ale všechny zbylé prvky této množiny se stanou kritickými. Je to tedy o jeden stupeň mírnější závada ve stupnici:
• ztráta estimovatelnosti
• výskyt kritických měření
• výskyt subkritických množin měření

Nicméně ani subkritické množiny by se u robustního estimátoru neměly vyskytovat. Eventuelní hrubou chybu některého měření z této množiny totiž lze pouze detektovat (tj. zjistit, že je v množině měření nějaká chyba), ale nelze ji už identifikovat, odhalit konkrétní chybné měření. Lze pouze říci, že některý z prvků subkritické množiny obsahuje hrubou chybu.

Závěr
Současné tendence k integraci dispečinků distribučních soustav přinášejí nové problémy k řešení při implementaci estimačních programů. Je to kromě jiného řádové zvětšení dimenze soustav, potřeba monitorovat i soustavy vn s nedostatkem měření, potřeba koordinace výsledků estimace mezi provozovateli propojených soustav, zvýšení robustnosti estimace a schopnost opravit chyby v topologii sítě. Význam estimace jako zdroje věrohodných dat o provozním stavu soustavy v tržních podmínkách vzrůstá, neboť co nejpřesnější znalost stavu soustavy umožňuje maximálně využít existující přenosové kapacity a řídit úzká místa v síti. Je však třeba věnovat větší pozornost metodám kontroly statické a dynamické bezpečnosti soustav, aby se předešlo velkým výpadkům. Právě pro tyto úlohy je kvalitní estimace nenahraditelným zdrojem dat.

RNDr. Bohumil Sadecký, CSc.
EGÚ Praha Engineering, a.s.


Literatura
[1] C. González – Pérez, B.F.Wollenberg: Analysis of Massive Measurement Loss in Large-Scale Power System State Estimation. IEEE Trans.on PWRS, Vol.18, No 4, November 2001, str. 825 – 832
[2] M. Jalonen a další : A New Model for Real-Time State Estimation in Distribution Systems. CIRED 17th Int.Conf. on Electricity Distribution, Barcelona 2003, Session 3, Paper No 43.


Problematika je řešena v rámci grantového projektu GAČR č. 102/02/0949

Sdílet

Komentáře

Najdete nás na Facebooku
Odběr novinek
Server CESKAENERGETIKA.cz
Česká Energetika s.r.o. a Česká energetická asociace provozují portál www.ceskaenergetika.cz, vydávají dva časopiy z oblasti energetiky a OZE, pořádají na tato témata semináře a konference pro laickou i odbornou veřejnost.
Důležité odkazy
Spolupracujeme
Najdete nás také na
Portál www.ceskaenergetika.cz © 2011 pohání redakční systém MultiCMS. Grafické zpracování Cossi Design.