“Data exchange” service offers individual users metadata transfer in several different formats. Citation formats are offered for transfers in texts as for the transfer into internet pages. Citation formats include permanent links that guarantee access to cited sources. For use are commonly structured metadata schemes : Dublin Core xml and ETUB-MS xml, local adaptation of international ETD-MS scheme intended for use in academic documents.
Autorstvo-Nekomercijalno-Bez prerade 3.0 Srbija (CC BY-NC-ND 3.0)
Academic metadata
Phd. theses
Tehnicko-tehnološke nauke
doktor nauka - elektrotehnika i računarstvo
Univerzitet Crne Gore
Elektrotehnički fakultet
Studijski program Elektronika
Other Theses Metadata
Optimization of power system state estimation by applying genetic algorithms on variable network configuration
[Z. Miljanić]
PDF/A (142 pages)
Đurović, Igor, 1971- (mentor)
Mijušković, Nešo (član komisije)
Vujošević, Ilija, 1946- (član komisije)
Radović, Jadranka (član komisije)
Škuletić, Sreten, 1949- (član komisije)
Razvoj tradicionalnih elektroenergetskih sistema (EES) uglavnom je pratio porast potrošnje. Glavni zadatak bio je obezbijediti dovoljno sopstvenih proizvodnih i prenosnih kapaciteta. Upravljanje takvim sistemom bilo je centralizovano i uglavnom se sastojalo od upravljanja proizvodnjom velikih izvora električne energije. Dalji porast potrošnje stvorio je situaciju u kojoj sopstveni proizvodni kapaciteti nijesu dovoljni i neophodno je osloniti se na razmjenu energije sa okolnim sistemima. U početku, razmjena energije bila je samo za potrebe havarijske ispomoći i nabavku nedostajućih količina električne energije, ali je vremenom postala neophodna za normalno funkcionisanje sistema koji ne raspolažu sopstvenom proizvodnjom potrebnih kapaciteta. Time je stvorena osnova za uspostavljanje tržišta električne energije koje je preuzelo ulogu glavnog uticajnog faktora koji diktira razvoj EES. Tako su savremeni trendovi koje je nametnulo tržište električne energije: veće korišćenje obnovljivih izvora energije kroz distribuiranu proizvodnju, unapređivanje efikasnosti rada mreža (snižavanje gubitaka) kroz optimizaciju pogona sistema, unapređivanje nivoa usluga koje se isporučuju potrošačima, kao i veći stepen povezanosti sa susjednim nacionalnim sistemima. Upravljanje sistemom u novim okolnostima postaje značajno složeniji zadatak nego kod tradicionalnih EES. Donošenje upravljačkih odluka mora biti zasnovano na kvalitetnim informacijama o parametrima rada sistema. Te informacije prikuplja sistem za monitoring. Međutim, pouzdane upravljačke odluke ne mogu se donijeti na bazi „sirovih" informacija iz sistema za monitoring. Razlog za to je nepouzdanost mjernih informacija usljed grešaka mjernih uređaja ili komunikacionih problema. Usljed toga, nezaobilazan element savremenih upravljačkih sistema je estimator stanja. On ima zadatak da u svakom trenutku, na bazi redundantnih mjerenja iz sistema, obezbijedi pouzdanu procjenu vektora stanja sistema i na taj način obezbijedi ulazni podatak za sve potrebne analize režima rada sistema (analiza tokova snaga, sigurnosti, stabilnosti, prognoza potrošnje itd.).
Cilj ove doktorske disertacije je unapređivanje estimacije stanja sistema, uzimajući u obzir njegovu promjenljivu topologiju, sa posebnim osvrtom na planiranje optimalne mjerne konfiguracije. Efikasnost estimacije stanja određena je efikasnošću korišćenog algoritma i kvalitetom mjerne konfiguracije koja obezbjeđuje neophodnu informacionu osnovu za njeno sprovođenje. Algoritam statičke estimacije stanja postaje značajno efikasniji ukoliko se koriste fazorska mjerenja, usljed čijih se tehničkih karakteristika estimacija stanja može vršiti u značajno manjim intervalima nego što je to slučaj kod klasičnih mjernih konfiguracija. Time se otvara mogućnost za praćenje sistemskih procesa koje karakteriše izražena dinamika. S druge strane, kvalitet mjerne konfiguracije je osnovni ograničavajući faktor za pouzdanost statičke estimacije stanja. Naime, ukoliko kvalitet mjerne konfiguracije nije zadovoljavajući, onda, bez obzira na kvalitet algoritma, proces statičke estimacije stanja ne može rezultirati pouzdanom procjenom vektora stanja, a u nekim slučajevima uopšte ne može biti izvršen. Stoga je problem planiranja optimalne mjerne konfiguracije aktuelna tema za istraživanje, pogotovo od komercijalne upotrebe fazorskih mjerenja, devedesetih godina prošlog vijeka.
Planiranje optimalne mjerne konfiguracije predstavlja složeni kombinatorni optimizacioni problem čija složenost eksponencijalno raste s dimenzijom sistema koji se analizira. Stoga, njegovo rješavanje direktnim metodima, pogotovo za veće sisteme, ne daje prihvatljive rezultate s aspekta kvaliteta i performansi metoda. Mnogo bolji rezultati se postižu metaheurističkim metodima koje kombinuju dobre osobine heurističkih metoda kad je u pitanju brzina konvergencije optimumu, i nekih specifičnosti analiziranog problema koji usmjeravaju pretragu na pravi put kako bi se postiglo kvalitetnije rješenje. U okviru ove disertacije dat je pregled metaheursitičkih metoda koje se koriste za planiranje optimalne mjerne konfiguracije, a posebna pažnja posvećena je celularnom genetskom algoritmu kao metodi koja se predlaže kao najbolja za analizirani optimizacioni problem. Performanse predloženog metoda analizirane su na tipskim IEEE sistemima, a dobijeni rezultati upoređeni su s rezultatima metoda dostupnim u okviru literature. Analiziran je kvalitet dobijene optimalne mjerne konfiguracije kao i karakteristike konvergencije metoda kroz: potreban broj iteracija do optimuma, proračunsko vrijeme metoda i uspješnost konvergencije (konvergencije lokalnom optimumu). Uzimajući u obzir sve analizirane performanse, potvrđene su prednosti predloženog metoda u odnosu na ostale raspoložive metode.
Kriterijumi koji su usvojeni prilikom planiranja optimalne mjerne konfiguracije su: observabilnost sistema, robusnost mjerne konfiguracije i komunikaciona ograničenja. Observabilnost sistema je osnovni preduslov za izvođenje estimacije stanja, tj. to je najbitnija karakteristika mjerne konfiguracije kada je estimacija stanja u pitanju. Međutim, mjerna konfiguracija neće osigurati pouzdanu estimaciju stanja samo na osnovu ispunjavanja uslova observabilnosti sistema. Razlozi su promjenljiva konfiguracija mreže i mogući ispadi mjernih uređaja. Promjene uklopnog stanja mreže nijesu karakteristične samo za havarijsko stanje sistema, već su sastavni dio normalnog rada EES. One mogu dovesti do gubitka observabilnosti sistema, pa je potrebno to preduprijediti. Sličan zaključak može se izvesti i za slučaj ispada mjernog uređaja. Dakle, i pored velike pouzdanosti mjernih uređaja, u praksi je potrebno računati na mogući gubitak jednog mjerenja iz mjerne konfiguracije, bilo usljed kvara samog mjernog uređaja, bilo radi problema u prenosu njegove mjerne informacije do centra upravljanja. Oba navedena problema uzimaju se u obzir kroz kriterijum robusnosti mjerne konfiguracije. Kriterijum komunikacionih cgraničenja, posebno dobija na značaju sa upotrebom modernih fazorskih mjerenja. Naime, ona zbog prirode svog rada zahtijevaju da mjesto njihove instalacije (transformatorska stanica) raspolaže s potrebnom komunikacionom infrastrukturom. Taj kriterijum je uključen u dva oblika: raspoloživost infrastrukture i dostupnost komunikacionih kanala. Rezultati primjene svih kriterijuma, posebno i kombinovano, dati su i komentarisani na primjeru tipskih IEEE sistema.
Poseban doprinos ove disertacije je modularnost predloženog metoda za planiranje optimalne mjerne konfiguracije. Naime, svi kriterijumi su modularno uključeni u samu definiciju optimizacionog problema i lako ih je prilagoditi potrebama analize praktičnoga sistema, ili uključiti dodatne, za konkretan sistem ili namjenu, karakteristične kriterijume.
Na kraju disertacije, dati su zaključci koji su proistekli iz istraživanja, uz osvrt na smjernice za budući rad u oblasti estimacije stanja EES.
Traditional power systems were developed in order to fol!ow demand increase, The main task was to provide necessary production and transmission capacity, Power system control was centralized and it basically consisted of production control of large power plants. Further increase in demand created a situation where national production capacities were not enough for demand supply, so it was necessary to relay on electricity exchange with neighboring systems. At the beginning, electricity exchange was used only for the system in need during outages, or for providing lower amount of eiectricity needed for demand supply. With time, electricity exchange became necessary for normal operation of systems that did not dispose of enough capacity of own production. That created the basis for electricity market development, which took the lead as the main factor that has been driving power system development. h/lodern trends that were influenced by the electricity market are: greater share of renewable sources in e!ectricity production in the form of distributed generation, increasing power grid efficiency (decrease of losses) by employing grid operation optimization, improving consumer services and greater degree of interconnections with neighboring systems. Power system control became significantly more complex task than it was for the traditional power systems, due to the new circumstances. Making control decisions has to be based on reliable information concerning system operation parameters. That information is gathered by the monitoring system. However, reliable control decisions cannot be derived from the raw information collected by the monitoring system. The reason for that is low reliability of measurement data due to measurement errors or communication problems. Due to that, inevitable part of a control system is the state estimator. It has the task to provide a reliable estimation of the state vector basing on the redundant measurement set. Obtained results are then used as input data in all control system applications used for the system operation analysis (power flow, security analysis, stability analysis, load forecast, etc.).
The goal of this doctoral dissertation is to improve power system state estimation taking into account the system's multiple topology scenarios, with special emphasis on the optimal metering configuration planning problem. The efficiency of state estimation is defined by the algorithm efficiency and the quality of the metering configuration that provides necessary data for the estimation. The algorithm for static state estimation becomes more efficient if phasor measurement units are used within metering configuration. In that case, state estimation can be performed in shorter time periods due to the phasor measurement units technical characteristics, than it is the case for the traditional metering configurations. That enables monitoring of the system processes characterized by increased dynamics. On the other side, quality of the metering configuration is the main limiting factor for reliable state estimation. If the quality of the metering configuration is not satisfactory, than, in spite of good algorithm characteristics, state estimation cannot obtain reliable estimate. In some cases of low quality metering configurations, state estimation cannot be carried out. Therefore, optimai metering configuration planning is popular research subject, especially from the commercial expansion of phasor measurement units during nineties of the past century.
Optimal metering configuration planning is a difficult combinatorial optimization problem whose complexity level increases with the analyzed system size. Therefore, the problem solving with direct methods, especially for greater systems, does not provide acceptable solutions with respect to result quality and the methodology performance. With respect to direct methods, metaheuristic methods provide much better results because they combine good features of heuristic methods referring to convergence speed, and some specific problem characteristics that drive the search process tovvards the better optimum. The overvievv of the metaheuristic methods used for optimal metering configuration planning is given vvithin the dissertation. Special attention is given to the cellular genetic algorithm as the method that is proposed here as the best for optimal metering configuration planning. The proposed method performance is analyzed on the standard IEEE systems, and derived results are compared with results obtained by other available methods. The quality of obtained metering configuration is analyzed, together with convergence performance, which is defined by: necessary number of iterations to obtain the optimum, time needed to obtain the optimum and hit rate (percentage of successful convergences). Taking into account all performance aspects, the proposed method has significant advantages with respect to available methods.
The criteria that are considered during optimal metering configuration planning are: system observability, metering configuration robustness and communication constraints. Observability is the most important characteristic of a metering configuration, because it enables state estimation. However, a metering configuration will not enable reliable state estimation just due to the fact that it provides system observability. The reason for that are variable system topology and possible measurement loss. Changes in the network topology are not the characteristic of systems subjected to outages, but also of the systems that operate in the normal regime. They can cause loss of observability, so they should be prevented. Similar conclusion can be made for the case of measurement loss. So, although modern metering devices are reliable, in practice it should be calculated with possible single measurement loss (due to the outage of a measurement device or communication failure). Both mentioned problems are taken into account as the criterion of metering configuration robustness. The communication criterion became especially important with the expansion of phasor measurement units. Namely, due to their functionality requirements, it is necessary to provide certain communication infrastructure on their installation site (substations). This criterion is included in two forms: communication infrastructure availability and communication channels number limit. The effect of all considered criteria is individually and giobally demonstrated on standard IEEE systems. The analysis of the derived results is also given.
Another quality of this dissertation is the modularity of the proposed method for optimal metering configuration planning. Namely, all considered criteria are modules within the optimization problem formulation, so they could easily be adjusted to specific system needs, or to indude additional optimization criteria (characteristic for specific system in practice).
At the end, concluding remarks that were derived from the research are given with an insight in the future research directions in the area of the state estimation.
Power system, State estimation, Optimization,
Metaheuristics
631.3(043.2)
Serbian
16216836
Tekst.
Razvoj tradicionalnih elektroenergetskih sistema (EES) uglavnom je pratio porast potrošnje. Glavni zadatak bio je obezbijediti dovoljno sopstvenih proizvodnih i prenosnih kapaciteta. Upravljanje takvim sistemom bilo je centralizovano i uglavnom se sastojalo od upravljanja proizvodnjom velikih izvora električne energije. Dalji porast potrošnje stvorio je situaciju u kojoj sopstveni proizvodni kapaciteti nijesu dovoljni i neophodno je osloniti se na razmjenu energije sa okolnim sistemima. U početku, razmjena energije bila je samo za potrebe havarijske ispomoći i nabavku nedostajućih količina električne energije, ali je vremenom postala neophodna za normalno funkcionisanje sistema koji ne raspolažu sopstvenom proizvodnjom potrebnih kapaciteta. Time je stvorena osnova za uspostavljanje tržišta električne energije koje je preuzelo ulogu glavnog uticajnog faktora koji diktira razvoj EES. Tako su savremeni trendovi koje je nametnulo tržište električne energije: veće korišćenje obnovljivih izvora energije kroz distribuiranu proizvodnju, unapređivanje efikasnosti rada mreža (snižavanje gubitaka) kroz optimizaciju pogona sistema, unapređivanje nivoa usluga koje se isporučuju potrošačima, kao i veći stepen povezanosti sa susjednim nacionalnim sistemima. Upravljanje sistemom u novim okolnostima postaje značajno složeniji zadatak nego kod tradicionalnih EES. Donošenje upravljačkih odluka mora biti zasnovano na kvalitetnim informacijama o parametrima rada sistema. Te informacije prikuplja sistem za monitoring. Međutim, pouzdane upravljačke odluke ne mogu se donijeti na bazi „sirovih" informacija iz sistema za monitoring. Razlog za to je nepouzdanost mjernih informacija usljed grešaka mjernih uređaja ili komunikacionih problema. Usljed toga, nezaobilazan element savremenih upravljačkih sistema je estimator stanja. On ima zadatak da u svakom trenutku, na bazi redundantnih mjerenja iz sistema, obezbijedi pouzdanu procjenu vektora stanja sistema i na taj način obezbijedi ulazni podatak za sve potrebne analize režima rada sistema (analiza tokova snaga, sigurnosti, stabilnosti, prognoza potrošnje itd.).
Cilj ove doktorske disertacije je unapređivanje estimacije stanja sistema, uzimajući u obzir njegovu promjenljivu topologiju, sa posebnim osvrtom na planiranje optimalne mjerne konfiguracije. Efikasnost estimacije stanja određena je efikasnošću korišćenog algoritma i kvalitetom mjerne konfiguracije koja obezbjeđuje neophodnu informacionu osnovu za njeno sprovođenje. Algoritam statičke estimacije stanja postaje značajno efikasniji ukoliko se koriste fazorska mjerenja, usljed čijih se tehničkih karakteristika estimacija stanja može vršiti u značajno manjim intervalima nego što je to slučaj kod klasičnih mjernih konfiguracija. Time se otvara mogućnost za praćenje sistemskih procesa koje karakteriše izražena dinamika. S druge strane, kvalitet mjerne konfiguracije je osnovni ograničavajući faktor za pouzdanost statičke estimacije stanja. Naime, ukoliko kvalitet mjerne konfiguracije nije zadovoljavajući, onda, bez obzira na kvalitet algoritma, proces statičke estimacije stanja ne može rezultirati pouzdanom procjenom vektora stanja, a u nekim slučajevima uopšte ne može biti izvršen. Stoga je problem planiranja optimalne mjerne konfiguracije aktuelna tema za istraživanje, pogotovo od komercijalne upotrebe fazorskih mjerenja, devedesetih godina prošlog vijeka.
Planiranje optimalne mjerne konfiguracije predstavlja složeni kombinatorni optimizacioni problem čija složenost eksponencijalno raste s dimenzijom sistema koji se analizira. Stoga, njegovo rješavanje direktnim metodima, pogotovo za veće sisteme, ne daje prihvatljive rezultate s aspekta kvaliteta i performansi metoda. Mnogo bolji rezultati se postižu metaheurističkim metodima koje kombinuju dobre osobine heurističkih metoda kad je u pitanju brzina konvergencije optimumu, i nekih specifičnosti analiziranog problema koji usmjeravaju pretragu na pravi put kako bi se postiglo kvalitetnije rješenje. U okviru ove disertacije dat je pregled metaheursitičkih metoda koje se koriste za planiranje optimalne mjerne konfiguracije, a posebna pažnja posvećena je celularnom genetskom algoritmu kao metodi koja se predlaže kao najbolja za analizirani optimizacioni problem. Performanse predloženog metoda analizirane su na tipskim IEEE sistemima, a dobijeni rezultati upoređeni su s rezultatima metoda dostupnim u okviru literature. Analiziran je kvalitet dobijene optimalne mjerne konfiguracije kao i karakteristike konvergencije metoda kroz: potreban broj iteracija do optimuma, proračunsko vrijeme metoda i uspješnost konvergencije (konvergencije lokalnom optimumu). Uzimajući u obzir sve analizirane performanse, potvrđene su prednosti predloženog metoda u odnosu na ostale raspoložive metode.
Kriterijumi koji su usvojeni prilikom planiranja optimalne mjerne konfiguracije su: observabilnost sistema, robusnost mjerne konfiguracije i komunikaciona ograničenja. Observabilnost sistema je osnovni preduslov za izvođenje estimacije stanja, tj. to je najbitnija karakteristika mjerne konfiguracije kada je estimacija stanja u pitanju. Međutim, mjerna konfiguracija neće osigurati pouzdanu estimaciju stanja samo na osnovu ispunjavanja uslova observabilnosti sistema. Razlozi su promjenljiva konfiguracija mreže i mogući ispadi mjernih uređaja. Promjene uklopnog stanja mreže nijesu karakteristične samo za havarijsko stanje sistema, već su sastavni dio normalnog rada EES. One mogu dovesti do gubitka observabilnosti sistema, pa je potrebno to preduprijediti. Sličan zaključak može se izvesti i za slučaj ispada mjernog uređaja. Dakle, i pored velike pouzdanosti mjernih uređaja, u praksi je potrebno računati na mogući gubitak jednog mjerenja iz mjerne konfiguracije, bilo usljed kvara samog mjernog uređaja, bilo radi problema u prenosu njegove mjerne informacije do centra upravljanja. Oba navedena problema uzimaju se u obzir kroz kriterijum robusnosti mjerne konfiguracije. Kriterijum komunikacionih cgraničenja, posebno dobija na značaju sa upotrebom modernih fazorskih mjerenja. Naime, ona zbog prirode svog rada zahtijevaju da mjesto njihove instalacije (transformatorska stanica) raspolaže s potrebnom komunikacionom infrastrukturom. Taj kriterijum je uključen u dva oblika: raspoloživost infrastrukture i dostupnost komunikacionih kanala. Rezultati primjene svih kriterijuma, posebno i kombinovano, dati su i komentarisani na primjeru tipskih IEEE sistema.
Poseban doprinos ove disertacije je modularnost predloženog metoda za planiranje optimalne mjerne konfiguracije. Naime, svi kriterijumi su modularno uključeni u samu definiciju optimizacionog problema i lako ih je prilagoditi potrebama analize praktičnoga sistema, ili uključiti dodatne, za konkretan sistem ili namjenu, karakteristične kriterijume.
Na kraju disertacije, dati su zaključci koji su proistekli iz istraživanja, uz osvrt na smjernice za budući rad u oblasti estimacije stanja EES.