پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی برق قدرت
گرایش قدرت
 
 
 
استادراهنما:
محمد رضا آقا محمدی
 
دی­ماه 1392
تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
چکیده
 
برنامه­ریزی توسعه شبکه، برنامه­ریزی بهره­برداری و یافتن راهکارهایی برای بهبود امنیت و عملکرد اقتصادی سیستم قدرت همگی نیازمند انجام مطالعات سیستم می­باشند. ضروری­ترین قدم در انجام این مطالعات، مدل­سازی شبکه بوده که خود نیازمند اطلاعات دفیق از پارامترهای امپدانسی خطوط و ترانسفورماتورها می باشد. این پارامترها می­توانند تحت شرایط کاری و محیطی و یا عمر تجهیزات تغییر نمایند. پس نیازمند تخمین پارامترهای شبکه به صورت بهنگام خواهیم بود. در سال­های اخیر تخمین پارامترهای شبکه به صورت بهنگام براساس اطلاعات کمیات بهره­برداری، موضوعی می باشد که با بکارگیری واحدهای اندازه­گیری فازوری مورد توجه واقع شده می باشد. در این پایان­نامه، روش پیشنهادی قادر می باشد که با بهره گیری از 3 نوبت اندازه­گیری از کمیات­ ولتاژ و جریان در ابتدای دوخط متوالی، پارامترهای آن دو خط و همچنین ولتاژ شین میانی را تخمین بزند. بوسیله این الگوریتم می­توان به گونه همزمان به تخمین متغیرهای حالت و پارامترهای امپدانسی شبکه پرداخت. مزیت این روش نسبت به روش­های دیگر این می باشد که به تعداد کمتری از دستگاه­های اندازه­گیری نیاز دارد. در این پایان­نامه آغاز به معرفی الگوریتم تخمین حالت-پارامتر پرداخته شده و سپس با در نظر داشتن الگوریتم ارائه­شده به جایابی بهینه واحدهای اندازه­گیری فازوری پرداخته خواهد گردید. در پایان، جایابی بهینه واحدهای اندازه­گیری فازوری و الگوریتم پیشنهادی تخمین حالت-پارامتر بر روی شبکه 39 باسه IEEE به عنوان شبکه آزمون پیاده­سازی شده­می باشد.
 
واژه‌های کلیدی — تخمین پارامتر؛ تخمین حالت؛ کمیات بهره­برداری؛ واحدهای اندازه­گیری فازوری؛ جایابی بهینه PMU
 
فهرست
فصل اول: مقدمه. 1
1-1- مقدمه 2
فصل دوم: مروری بر منابع و پیشینه­ی پژوهش 5
2-1- مقدمه 6
2-2- روش تخمین پارامتر با بهره گیری از الگوریتم تخمین حالت….. 7
2-2-1- تخمین حالت 9
2-2-2- محاسبه خطای پارامتر به روش واکاوی حساسیت 11
2-2-3- محاسبه خطای پارامتر به روش گسترش بردار حالت 15
2-3- روش مستقیم تخمین پارامتر 20
2-3-1- مدل خطوط انتقال 22
2-3-2- مدل ترانسفورماتور 25
2-3-3- الگوریتم تخمین پارامتر در روش مستقیم 27
2-4- جایابی بهینه واحدهای اندازه‌گیری فازوری. 27
2-4-1- روش توپولوژیکی تحلیل نظاره­پذیری 29
2-5- نتیجه­گیری 31
فصل سوم: الگوریتم ارائه­شده برای تخمین پارامتر و جایابی بهینه واحد اندازه‌گیری فازوری…………………………….32
3-1- مقدمه 33
3-2- الگوریتم تخمین حالت- پارامتر 34
3-2-1- مطالعه چگونگی عملکرد الگوریتم تخمین حالت- پارامتر 35
3-3- جایابی بهینه واحدهای اندازه‌گیری فازوری. 38
3-3-1- توصیف کلی الگوریتم جایابی بهینه واحد اندازه‌گیری فازوری 40
فصل چهارم: نتایج شبیه­سازی……… 51
4-1- مقدمه 52
4-2- نتایج بدست آمده برای جایابی بهینه واحدهای اندازه‌گیری فازوری 53
4-2-1- نتایج جایابی بهینه واحدهای اندازه‌گیری فازوری به مقصود تخمین حالت سیستم 53
4-2-2- نتایج جایابی بهینه واحدهای اندازه‌گیری فازوری به مقصود تخمین حالت و پارامترهای                     سیستم به گونه همزمان…………………………………………………………………………………………………………. 57
4-2-3- نتایج جایابی بهینه واحدهای اندازه‌گیری فازوری با در نظر گرفتن شین­های تزریق صفر 61
4-3- ارزیابی دقت تخمینگر پارامترهای سیستم …………………………………………………………………………………………66
4-3-1- مطالعه تأثیر تعداد نمونه­گیری­ها بر دقت تخمین 66
4-3-2- مطالعه تأثیر فاصله نمونه‌گیری‌ها بر دقت تخمین 68
4-3-3- تخمین پارامترهای یک خط بوسیله ترکیب‌های مختلف 75
فصل پنجم: جمع­بندی و پیشنهادها 78
5-1- جمع‌بندی 79
5-2- پیشنهاد‌ها 81
مراجع………………….. 82
پیوست…………………………………………………………………………………………………………………………84
 
 
 

فصل 1-                                        فصل اول

 
مقدمه
 

1-1-     مقدمه

برنامه­ریزی توسعه شبکه، برنامه­ریزی بهره­برداری و یافتن راهکارهایی برای بهبود امنیت و عملکرد اقتصادی سیستم قدرت همگی نیازمند انجام مطالعات سیستم می­باشند. ضروری­ترین قدم در انجام این مطالعات، مدل‌سازی شبکه بوده که خود نیازمند اطلاعات دقیق از پارامترهای امپدانسی خطوط و ترانسفورماتورها می باشد. تخمین پارامترهای شبکه به صورت بهنگام بر اساس اطلاعات کمیات بهره­برداری موضوعی می باشد که با به‌کارگیری واحدهای اندازه­گیری فازوری مورد توجه واقع شده می باشد.
تخمین پارامتر[1] روندی می باشد که طی آن یک یا چند پارامتر شبکه که درستی آن‌ها مشخص نیست، تخمین زده می­شوند. مقادیر صحیح پارامترها برای عملکرد امن و اقتصادی سیستم قدرت مورد نیاز می باشد. بیشتر کاربردهای اقتصادی و امنیتی شبکه به مقادیر دقیق پارامترهای شبکه نیاز دارد. این در حالی می باشد که پایگاه داده­ها اغلب دارای پارامترهای نادقیق هستند. خطای پارامترها ممکن می باشد به علت های زیر باشد:

  • اطلاعات نادقیقی که سازنده تجهیزات در اختیار مشتری قرار می­دهد.
  • تغییرات در شبکه که به اطلاع اپراتورهای پایگاه داده نرسیده می باشد.
  • عملکرد شبکه در شرایطی متفاوت از فرضیات ایده­آلی که برای محاسبات ریاضی فرض شده می باشد.
  • نادقیق بودن دستگاه‌های اندازه­گیری­

سازنده­های تجهیزات قدرت آزمایش­هایی را بر روی تجهیزات خود انجام می­دهند. با این آزمایش‌ها پارامترهای مدار معادل تجهیز خود را به دست آورده و در اختیار مشتری قرار می­دهند. بایستی دقت داشت که این پارامترها به علت های مختلفی دارای خطا می­باشند. اگر این پارامترها در پایگاه داده بدون تصحیح ثبت شوند ممکن می باشد در نتایج مطالعات سیستم خطا به وجود آورند. شبکه قدرت دائماً در حال تغییر می باشد. عملکرد رله­ها در هنگام خطا و جدا کردن خطوط، خارج کردن تجهیزات قدرت مانند ترانسفورماتورها و خطوط به علت تعمیرات، ورود و خروج واحدهای تولیدی و مصرفی و تغییر در تپ ترانسفورماتورها مانند تغییراتی می باشد که بارها و بارها در سیستم قدرت در حال رخ دادن می باشد. در این بین ممکن می باشد بعضی از این تغییرات به علل مختلف در پایگاه داده­ها ثبت نشود. بنابراین نیاز می باشد این تغییرات شناسایی شوند. به علاوه موضوع مدل­هایی که برای سیستم ارائه می­گردد شامل معادلات غیرخطی خواهد بود. برای بالا بردن سرعت و ساده­سازی محاسبات اغلب خطی­سازی­هایی در معادلات صورت می­گیرد که این باعث کاهش دقت در محاسبات و در نتیجه کاهش دقت پارامترهای تخمین زده خواهد گردید؛ پس برای عملکرد صحیح سیستم قدرت، پایگاه داده بایستی امکان به‌روز کردن پارامترها را به گونه پیوسته دارا باشد.
کاربردهای امنیتی شبکه نیازمند اطلاعات دقیقی از شبکه می باشد. همان گونه که اظهار گردید به علت های مختلف ممکن می باشد مقادیر ثبت‌شده برای پارامترها با خطا همراه باشند. در حفاظت سیستم­های قدرت، الگوریتم­های حفاظتی مختلفی همچون الگوریتم حفاظتی رله دیستانس مستلزم دسترسی به پارامترهای دقیق شبکه برای تنظیم رله­ها و در صورت بروز خطا، مکان­یابی آن می باشد؛ پس نیازمند دسترسی به پارامترهای دقیق هر خط هستیم.
در بهره­برداری از شبکه نیز این امر بسیار مهم می باشد. با اندازه­گیری کمیت­های موثر مانند ولتاژها، جریان­ها و توان خطوط، وضعیت خطوط انتقالی و پارامترهای آن، وضعیت کلیدها، فرکانس، توان تولیدی واحدها، تپ ترانس­ها و… مطالعه می­گردد. این اطلاعات به نرم‌افزارهای مختلفی مانند نرم­افزار تخمین زننده حالت سیستم ارسال‌شده تا وضعیت کلی سیستم در دسترس باشد. اطلاعات به دست آمده از این فعالیت­ها بایستی به گونه دقیق مورد مطالعه قرار گیرد تا نتایج این مطالعه­ها به گونه دقیق در اختیار بهره­بردار شبکه قرار گیرد تا بهره­بردار بتواند با سرعت کافی جهت جلوگیری از ایجاد اختلالات بزرگ، اقدامات مورد نیاز را انجام دهد.
دقت تخمین پارامتر به شدت به دقت اندازه­گیری­ها وابسته می باشد. همواره در سیستم­های اندازه‌گیری عواملی همچون نویز و خطا در کالیبره کردن دستگاه‌های اندازه­گیری هست که این باعث کاهش دقت اندازه­گیری و به تبع آن کاهش دقت در تخمین پارامتر خواهد بود ][1][. در گذشته اندازه­گیری کمیت­های سیستم قدرت توسط سیستم­های اندازه­گیری سنتی صورت می­گرفته می باشد. این سیستم­ها از دقت مناسبی برخوردار نبودند. مشکل دیگر این سیستم­ها همزمان نبودن عملکرد آن‌ها بود. در یک زیرسیستم که به صورت مجزا کار می­کند، همزمان­سازی به معنای گسترده معنا نخواهد داشت؛ زیرا که یک سیگنال پالس می­تواند تمام اندازه­گیری­ها را همزمان کند؛ اما هنگامی­که کمیت­های اندازه­گیری از نواحی گوناگون بدست آورده می­شوند، نیاز داریم تا با بهره گیری از سیستمی مناسب این کمیت­ها را همزمان کرده و تا جای ممکن دقت اندازه­گیری و به تبع آن دقت تخمین را بالا ببریم.
در این پایان‌نامه اصول الگوریتم پیشنهادی برای تخمین پارامترهای شبکه و ولتاژ شین­ها مبتنی بر دسته­بندی خطوط شبکه به بسته­های متشکل از دو خط متوالی می­باشد. ترکیب هر دو خط متوالی و سه شین آن‌ها تشکیل یک بسته تخمین پارامتر را داده که واحد اندازه‌گیری فازوری[2] در ابتدای دو خط قرارگرفته و با اندازه­گیری ولتاژ و جریان ابتدای خطوط در طی چند نمونه اندازه­گیری قادر به تخمین پارامترهای دو خط و ولتاژ شین میان آن‌ها خواهند بود.
در یک شبکه واقعی با تعداد خطوط زیاد، ترکیبات متعددی از بسته­های دوتایی خطوط هست پس انتخاب یک آرایش بهینه برای نصب واحدهای اندازه­گیری فازوری مستلزم محاسبات بهینه­سازی می­باشد. فرآیند کلی الگوریتم پیشنهادی برای تخمین پارامترها و حالت سیستم را می­توان به دو مرحله کلی تقسیم­بندی نمود. در مرحله اول، با در نظر داشتن تمام ترکیبات ممکن برای بسته‌های دوتایی خطوط، بر اساس یک روش بهینه­سازی مانند الگوریتم ژنتیک محل نصب واحدهای اندازه­گیری فازوری در شبکه جایابی می­گردند. اساس بهینه­سازی بر حداقل­سازی تعداد واحدهای اندازه‌گیری فازوری برای رویت­پذیری و تخمین تمام خطوط و ولتاژ شین­ها می­باشد. پس از جایابی بهینه محل واحدهای اندازه­گیری فازوری بر روی شین­های شبکه، ترکیب بسته­های دوتایی خطوط برای تخمین پارامترهای شبکه مشخص ‌شده که با پیاده­سازی الگوریتم تخمین پارامتر-حالت بر روی هر بسته می­توان پارامترهای خطوط و ولتاژ شین­ها را تخمین زد. برای این مقصود بایستی حداقل 3 نمونه اندازه­گیری شده از کمیات ولتاژ و جریان ابتدای خطوط تهیه گردد. از ویژگی­های این الگوریتم می­توان به کاهش زیاد تعداد دستگاه­های اندازه­گیری و عملکرد مستقل تخمینگر پیشنهادی برای هر بسته دوتایی از خطوط شبکه تصریح نمود. در پایان برای مطالعه عملکرد الگوریتم پیشنهادی، شبکه 39 شینه IEEE انتخاب شده می باشد. در این شبکه آغاز جایابی بهینه دستگاه­های اندازه­گیری انجام شده و سپس به مطالعه عملکرد الگوریتم تخمین-پارامتر پرداخته خواهد گردید.

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه ارشد کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق الکترونیک گرایش قدرت:مدیریت انرژی خوشه‌ایِ بارهای متصل‌به‌همِ پاسخگو به قیمت با رویکرد کارایی و برابری

فصل 2-                                فصل دوم

 
مروری بر منابع و پیشینه­ی پژوهش


 

2-1-     مقدمه

از ابتدای پدید آمدن و گسترش شبکه قدرت همواره به دنبال مدل کردن آن بوده­ایم. همواره برای مطالعه، برنامه­ریزی، بالا بردن امنیت سیستم، توزیع اقتصادی بار به مقصود کاهش هزینه تولید و تلفات و … نیازمند مدلی برای سیستم هستیم. این مدل شامل پارامترهای سری و موازی خطوط، مدل ترانسفورماتورها، ژنراتورها، جبران­سازها و دیگر المان­های بهره گیری‌شده در سیستم قدرت می باشد. مدل سیستم می­تواند بسیار پیچیده و شامل معادلات غیرخطی باشد و یا ساده‌شده و به صورت خطی مدل گردد؛ پس مدل­های گوناگون با دقت­های مختلفی را می‌توان برای سیستم در نظر گرفت. مانند پارامترهایی که در مدل سیستم بسیار مهم هستند پارامترهای خطوط هستند. پارامترهای خطوط شامل مقاومت و راکتانس سری خطوط و سوسپتانس موازی آن‌ها در راه­اندازی نرم­افزارهای واکاوی سیستم قدرت تأثیر مهمی دارند. دقت پارامترهای خطوط نقشی اساسی در تعیین دقت خروجی­های این نرم­افزارها دارد.
الگوریتم­های مختلفی برای محاسبه پارامترهای خطوط انتقال در گذشته ارائه‌شده می باشد. روش­های کلاسیک و تئوری که در[[ii]] ارائه‌شده‌اند از فاکتورهایی مانند پارامترهای هندسی هادی­ها، نوع هادی و در نظر گرفتن شرایط محیطی برای تخمین پارامتر بهره گیری می­کنند. ممکن می باشد مقادیر حقیقی این فاکتورها با مقادیر به کار گرفته‌شده در معادلات تفاوت داشته باشد. از طرف دیگر در محاسبات، ساده­سازی­هایی در ابعاد هندسی هادی­ها و روابط مغناطیسی آن صورت می­گیرد که این خود باعث کاهش دقت تخمین پارامترها می­گردد. در این روش­ها امکان تخمین پارامترهای توالی مثبت و منفی و صفر با ساختارهای هندسی و هادی­هایی با جنس­های مختلف به راحتی امکان‌پذیر می باشد.
روش دیگری در ][iii][ ارائه شده می باشد که در آن یکی از ترمینال­ها را اتصال کوتاه کرده و یا آن را در حالت مدار باز قرار می­دهند و با بهره گیری از جریان خط و ولتاژ سر دیگر ترمینال به محاسبه پارامترها می­پردازد؛ اما بایستی دقت داشت که این‌چنین اندازه­گیری­هایی برای خطوط مشکل و در بعضی حالات غیرممکن می باشد.
روش­های ذکرشده، روش­های تخمین پارامتر بودند اما به صورت آنلاین قابل‌بهره گیری نیستند. برای بدست آوردن مقادیر دقیق­تری از پارامترهای خط، روش­های تخمین آنلاین در تخمین پارامتر خطوط بسیار مناسب­تر خواهد بود. این­گونه تکنیک­های تخمین، بوسیله ترکیبی از اندازه­گیری­های ولتاژ، جریان و توان، به تخمین پارامتر می­پردازند. در این­گونه روش­ها به صورت آنلاین کمیت­های مورد نیاز شبکه از شین­ها و خطوط استحصال ‌شده و به نرم­افزارهای مرتبط منتقل می­شوند. این نرم­افزارها با در نظر داشتن الگوریتم برنامه‌ریزی‌شده به تخمین پارامترها می­پردازند.
الگوریتم­هایی که به صورت آنلاین به محاسبه پارامترها می­پردازند را می‌توان به دو گروه اصلی تقسیم نمود.

  1. الگوریتم­هایی که به صورت مستقیم و با اندازه­گیری کمیت­های بهره­برداری شبکه به محاسبه پارامترها می­پردازند.
  2. الگوریتم­هایی که به کمک الگوریتم تخمین حالت به تخمین پارامتر می­پردازند.
روش غیر مستقیم (با بهره گیری از الگوریتم تخمین حالت)
 
روش مستقیم
الگوریتم تخمین پارامتر
روش واکاوی حساسیت
روش گسترش بردار حالت
حل به روش معادله معمولی
حل به روش فیلتر کالمن

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
شکل ‏2‑1: دسته‌بندی روش­های تخمین پارامتر
 
در ادامه به مطالعه این دو روش پرداخته خواهد گردید.
 

2-2-     روش تخمین پارامتر با بهره گیری از الگوریتم تخمین حالت

همان گونه که قبلاً اظهار گردید به علل مختلف نیازمند دسترسی به مقادیر دقیق و آنلاین پارامترهای سیستم قدرت هستیم؛ اما بایستی دقت داشت که اساس پیدایش الگوریتم­های تخمین پارامتر چیز دیگری بود. در سال 1970 مقاله­ای راجع به تخمین حالت سیستم منتشر گردید. در این مقاله الگوریتمی برای تخمین حالت سیستم قدرت ارائه گردید. در این الگوریتم تخمین حالت فرض بر این بود که مقادیر صحیح پارامترهای شبکه را در اختیار داریم تا به نتایج صحیحی از تخمین حالت دست یابیم؛ اما واقعیت امر چیز دیگری می باشد. پارامترهای نادقیق در این الگوریتم موجب پایین آمدن دقت تخمین حالت خواهند گردید. پس از انتشار این مقاله، الگوریتم­های زیادی ارائه گردید که هدف آن‌ها یافتن خطای پارامترها و تصحیح آن‌ها برای بالا بردن دقت الگوریتم تخمین حالت بود. در این طریقه تکاملی الگوریتم تخمین حالت بود که اولین بار روشی برای تخمین پارامتر پیدا گردید [[iv]].
پس از سال 1970 و انتشار این مقاله، کمتر مقاله­ای به گونه جداگانه به تخمین پارامتر پرداخته می باشد. روش­های تخمین پارامتر اکثراً در کنار روش تخمین حالت آورده شده می باشد و به تعبیر دیگر در این روش، تخمین پارامتر روشی می باشد که اساس آن تخمین حالت سیستم می باشد. در این روش مقادیر اولیه­ای برای پارامترها در نظر گرفته می­گردد. سپس با انجام تخمین حالت به یافتن مقادیر دقیق پارامترها نادقیق پرداخته می­گردد. روش­هایی که در تعیین خطای پارامتر در الگوریتم تخمین حالت ارائه‌شده­اند را می‌توان به صورت زیر دسته‌بندی نمود ][v][:

  • روشی بر اساس واکاوی حساسیت باقی­مانده­ها
  • روشی بر اساس گسترش بردار حالت

همان گونه که از نام‌گذاری این دو روش پیداست در روش اول مقادیری را به عنوان مقادیر اولیه پارامترها در نظر گرفته و الگوریتم تخمین حالت را به پایان می­رسانیم. سپس با یافتن ارتباط­ای میان خطای پارامترها و باقی­مانده الگوریتم به مقادیر صحیح پارامترها دست می­یابیم؛ اما در روش دوم مقادیر اولیه­ای را به بردار حالت الگوریتم تخمین حالت اضافه کرده و به گونه همزمان به تخمین حالت و تخمین پارامتر می­پردازیم.
در روش اول، معادله تخمین حالت به دو معادله مجزا بر حسب متغیرهای حالت و پارامترهای شبکه تبدیل می­گردد. در این روش آغاز تخمین حالت پرداخته و سپس به سراغ بروز کردن پارامترها می­رویم. در اینجا مرحله اول تخمین به اتمام رسیده می باشد. این مرحله را آن‌قدر تکرار می­کنیم تا پارامترها و متغیرهای حالت مسئله به مقدار نهایی همگرا شوند. این راه به محاسبات و زمان زیادی نیازمند می باشد؛ پس بهتر می باشد در هنگام به‌روزرسانی کردن متغیرها از روش دیگری بهره گیری کنیم. در [9] روشی برای به‌روزرسانی کردن پارامترها بر اساس واکاوی بردار باقیمانده ارائه‌شده می باشد. در این روش از ارتباط­ای میان باقی­مانده و خطای پارامترها بهره گیری می­گردد. در هر مرحله پس از تخمین حالت با بهره گیری از باقی­مانده­ها، خطای پارامترها محاسبه‌شده و به این طریق پارامترها به‌روزرسانی می­گردد. این روش به زمان حل کوتاه­تری نیاز دارد.
[1]– Parameter Estimation (PE)
[2] Phasor Measurement Unit (PMU)
[[1]] W Liu, W.-H.E.; Wu, F.F.; Shau-Ming Lun, “Estimation of parameter errors from measurement residuals in state estimation [power systems],” Power Systems, IEEE Transactions on , vol.7, no.1, pp.81,89, Feb 1992 doi: 10.1109/59.141690
[[ii]] J. Grainger and W. Stevenson, Power System Analysis. New York: McGraw-Hill, 1994
[[iii]] S Kurokawa, S.; Pissolato, J.; Tavares, M.C.; Portela, C.M.; Prado, A.J., “A new procedure to derive transmission-line parameters: applications and restrictions,” Power Delivery, IEEE Transactions on , vol.21, no.1, pp.492,498, Jan. 2006
[[iv]] Borda, C.; Olarte, A.; Diaz, H., “PMU-based line and transformer parameter estimation,” Power Systems Conference and Exposition, 2009. PSCE ’09. IEEE/PES , vol., no., pp.1,8, 15-18 March 2009
[[v]] Zarco, P.; Gomez-Exposito, A., “Power system parameter estimation: a survey,” Power Systems, IEEE Transactions on , vol.15, no.1, pp.216,222, Feb 2000
تعداد صفحه :123

قیمت : 14700 تومان

***

—-

دسته‌ها: مهندسی برق