Real-time monitoring of power systems through a hybrid state estimator using synchronized measurements

Abstract

Η εφαρμογή της τεχνολογίας συγχρονισμένων μετρήσεων (ΤΣΜ) συνέβαλε στην έναρξη μιας νέας εποχής για τις εφαρμογές που είναι υπεύθυνες για την παρακολούθηση και τον έλεγχο των συστημάτων ηλεκτρικής ισχύος. Συγκεκριμένα, η συσκευή μέτρησης φασιθετών (ΣΜΦ), που αποτελεί βασικό στοιχείο της ΤΣΜ είναι σε θέση να παρέχει σε πραγματικό χρόνο, υψηλής ακρίβειας μετρήσεις φασιθετών τάσης και ρεύματος. Αυτά τα χαρακτηριστικά μπορούν να εφαρμοστούν σε υπάρχοντα εργαλεία του κέντρου ελέγχου με σκοπό την βελτίωση της απόδοσης τους. Η πιο φυσική εφαρμογή της ΤΣΜ είναι ο εκτιμητής κατάστασης, ο οποίος αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο του κέντρου ελέγχου, παρέχοντας σημαντικές πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση λειτουργίας του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Δεν θα ήταν υπερβολή να παρομοιάσουμε τον εκτιμητή κατάστασης, σαν τα "μάτια" των διαχειριστών του συστήματος ηλεκτρικής ισχύος. Λόγω της σημασίας του εκτιμητή κατάστασης, οι προσδοκίες για αυτό το εργαλείο είναι μεγάλες, γι’ αυτό και υπάρχει μια συνεχής προσπάθεια για τη βελτίωση της ακρίβειας, της αξιοπιστίας, της ευρωστίας, και της απόδοσης του. Σε αυτή την εργασία, τα χαρακτηριστικά της ΤΣΜ χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της ακρίβεια και της λειτουργίας του εκτιμητή κατάστασης σε πραγματικό χρόνο. Πιο συγκεκριμένα, σε αυτή τη διατριβή προτείνεται ένας υβριδικός εκτιμητής κατάστασης, ο οποίος ενσωματώνει τόσο συμβατικές όσο και μετρήσεις από ΣΜΦ στο ίδιο διάνυσμα μετρήσεων, παρέχοντας εξαιρετικά ακριβή εκτίμηση της κατάστασης του συστήματος ηλεκτρικής ισχύος. Ο προτεινόμενος εκτιμητής κατάστασης αντιμετωπίζει αποτελεσματικά τα προβλήματα σύγκλισης που προκαλούνται από την παρουσία των μετρήσεων των φασιθετών του ρεύματος με τη μετατροπή τους σε ψευδομετρήσεις ροής ισχύος. Η ακρίβεια και η ευρωστία του υβριδικού εκτιμητή κατάστασης μπορεί να υποβαθμιστεί με την παρουσία μετασχηματιστών μέτρησης χαμηλής ακρίβειας στην αλυσίδα μέτρησης μιας ΣΜΦ. Ως εκ τούτου, η ακρίβεια και η ευρωστία του προτεινόμενου υβριδικού εκτιμητή κατάστασης βελτιώνεται περαιτέρω μέσω της ανάπτυξης μιας νέας μεθοδολογίας για στάθμιση των μετρήσεων, λαμβάνοντας υπόψη τόσο την αβεβαιότητα των συσκευών μέτρησης όσο και των μετασχηματιστών μέτρησης. Επιπλέον, σε αυτή τη διατριβή προτείνεται η ανάπτυξη ενός εκτιμητή κατάστασης δύο σταδίων που παρακολουθεί τη μεταβατική κατάσταση του συστήματος ηλεκτρικής ισχύος κατά τη διάρκεια ενός σφάλματος. Ο προτεινόμενος δυναμικός εκτιμητής κατάστασης δεν απαιτεί πλήρη παρατηρησιμότητα του συστήματος ηλεκτρικής ισχύος από ΣΜΦ. Αυτό το χαρακτηριστικό καθιστά τον προτεινόμενο δυναμικό εκτιμητή κατάστασης προσαρμόσιμο στην τωρινή εγκατάσταση των ΣΜΦ στα συστήματα ηλεκτρικής ισχύος.

The advent of the Synchronized Measurement Technology (SMT) has set the beginning of a new era in the power system monitoring and control applications. In particular, the Phasor Measurement Unit (PMU) which is the key-element of the SMT is able to provide time stamped voltage and current phasor measurements in high fidelity and at a real-time reporting rate. These features can certainly be applied to existing control center applications for improving their performance. The natural application of the SMT is the state estimator, which constitutes the cornerstone of the control center, providing essential information about the operating condition of the power system. It is no exaggeration to characterize the state estimation tool as the “eyes” of the power system operators. The significance of the state estimator imposes major expectations for this tool and there is an ongoing effort to improve its accuracy, reliability, robustness, and performance. In this thesis, the SMT features are used in state estimation tool for improving the contemporary state estimation in terms of its accuracy and real time response. More specifically, a hybrid state estimation scheme is proposed that incorporates both conventional and PMU measurements in the same measurement vector and provides highly accurate estimations of the power system states. The proposed state estimation scheme addresses effectively the convergence problems caused by the presence of current phasor measurements by transforming the respective current phasor measurements to pseudo flow measurements. The accuracy and robustness of the hybrid state estimator might degrade in the presence of poor accuracy instrument transformers in the measurement chain of the PMUs. Therefore, the accuracy and robustness of the proposed hybrid state estimator is further enhanced through the development of a novel weighting scheme for the measurements used, considering both measurement devices and instrument transformers uncertainties. Further, the issue of monitoring the power system states in real time is considered in this dissertation by developing a two-stage state estimator that tracks the transients of the power system states during fault conditions. The proposed dynamic state estimator does not require a fully observable power system by PMUs; this feature makes the proposed dynamic state estimation scheme adaptable to the current deployment of the PMUs in the power system.