دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق گرایش قدرت

با عنوان :تخمین پارامترهای شبکه قدرت بر اساس کمیات بهره برداری اندازه گیری شده بهنگام با بهره گرفتن از واحدهای اندازه گیری فازوری جایابی شده به کمک الگوریتم ژنتیک

تخمین پارامترهای شبکه قدرت بر اساس کمیات بهره ­برداری اندازه ­گیری شده بهنگام با بهره گرفتن از واحدهای اندازه ­گیری فازوری جایابی شده به کمک الگوریتم ژنتیک

پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی برق قدرت

گرایش قدرت

استادراهنما:

محمد رضا آقا محمدی

دی­ماه 1392

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :

چکیده

برنامه ­ریزی توسعه شبكه، برنامه ­ریزی بهره ­برداری و یافتن راهكارهایی برای بهبود امنیت و عملكرد اقتصادی سیستم قدرت همگی نیازمند انجام مطالعات سیستم می­باشند. ضروری­ترین قدم در انجام این مطالعات، مدل­سازی شبكه بوده كه خود نیازمند اطلاعات دفیق از پارامترهای امپدانسی خطوط و ترانسفورماتورها است. این پارامترها می­توانند تحت شرایط کاری و محیطی و یا عمر تجهیزات تغییر نمایند. بنابراین نیازمند تخمین پارامترهای شبکه به صورت بهنگام خواهیم بود. در سال­های اخیر تخمین پارامترهای شبكه به صورت بهنگام براساس اطلاعات كمیات بهره­برداری، موضوعی است كه با بكارگیری واحدهای اندازه ­گیری فازوری مورد توجه واقع شده است. در این پایان نامه ، روش پیشنهادی قادر است که با بهره گرفتن از 3 نوبت اندازه ­گیری 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 طور همزمان به تخمین متغیرهای حالت و پارامترهای امپدانسی شبكه پرداخت. مزیت این روش نسبت به روش­های دیگر این است که به تعداد کمتری از دستگاه­های اندازه ­گیری نیاز دارد. در این پایان نامه ابتدا به معرفی الگوریتم تخمین حالت-پارامتر پرداخته شده و سپس با توجه به الگوریتم ارائه ­شده به جایابی بهینه واحدهای اندازه ­گیری فازوری پرداخته خواهد شد. در پایان، جایابی بهینه واحدهای اندازه ­گیری فازوری و الگوریتم پیشنهادی تخمین حالت-پارامتر بر روی شبکه 39 باسه IEEE به عنوان شبکه آزمون پیاده­سازی شده­است.

واژه‌های کلیدی — تخمین پارامتر؛ تخمین حالت؛ كمیات بهره­برداری؛ واحدهای اندازه ­گیری فازوری؛ جایابی بهینه PMU

فهرست

فصل اول: مقدمه. 1

1-1- مقدمه 2

فصل دوم: مروری بر منابع و پیشینه­ی تحقیق 5

2-1- مقدمه 6

2-2- روش تخمین پارامتر با بهره گرفتن از الگوریتم تخمین حالت….. 7

2-2-1- تخمین حالت 9

2-2-2- محاسبه خطای پارامتر به روش آنالیز 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 توپولوژیكی تحلیل مشاهده­پذیری 29

2-5- نتیجه ­گیری 31

فصل سوم: الگوریتم ارائه ­شده برای تخمین پارامتر و جایابی بهینه واحد اندازه‌گیری فازوری…………………………….32

3-1- مقدمه 33

3-2- الگوریتم تخمین حالت- پارامتر 34

3-2-1- بررسی نحوه 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 منظور تخمین حالت سیستم 53

4-2-2- نتایج جایابی بهینه واحدهای اندازه‌گیری فازوری به منظور تخمین حالت و پارامترهای                     سیستم به طور 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- بررسی تأثیر تعداد نمونه گیری ­ها بر دقت تخمین 66

4-3-2- بررسی 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

برنامه ­ریزی توسعه شبكه، برنامه ­ریزی بهره ­برداری و یافتن راهكارهایی برای بهبود امنیت و عملكرد اقتصادی سیستم قدرت همگی نیازمند انجام مطالعات سیستم می­باشند. ضروری­ترین قدم در انجام این مطالعات، مدل‌سازی شبكه بوده كه خود نیازمند اطلاعات دقیق از پارامترهای امپدانسی خطوط و ترانسفورماتورها است. تخمین پارامترهای شبكه به صورت بهنگام بر اساس اطلاعات كمیات بهره ­برداری موضوعی است كه با به‌کارگیری واحدهای اندازه ­گیری فازوری مورد توجه واقع شده است.

تخمین پارامتر^[1] روندی است 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 است. بیشتر کاربردهای اقتصادی و امنیتی شبکه به مقادیر دقیق پارامترهای شبکه نیاز دارد. این در حالی است که پایگاه داده ­ها اغلب دارای پارامترهای نادقیق هستند. خطای پارامترها ممکن است به دلایل زیر باشد:

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

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. باید دقت داشت که این پارامترها به دلایل مختلفی دارای خطا می­باشند. اگر این پارامترها در پایگاه داده بدون تصحیح ثبت شوند ممکن است در نتایج مطالعات سیستم خطا به وجود آورند. شبکه قدرت دائماً در حال تغییر است. 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 از جمله تغییراتی است که به دفعات در سیستم قدرت در حال رخ دادن است. در این بین ممکن است برخی از این تغییرات به علل مختلف در پایگاه داده ­ها ثبت نشود. پس لازم است این تغییرات شناسایی شوند. علاوه بر این موضوع مدل­هایی که برای سیستم ارائه می­شود 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 شد؛ بنابراین برای عملکرد صحیح سیستم قدرت، پایگاه داده باید امکان به‌روز کردن پارامترها را به طور پیوسته دارا باشد.

کاربردهای امنیتی شبکه نیازمند اطلاعات دقیقی از شبکه است. همان طور که بیان شد به دلایل مختلف ممکن است 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 است؛ بنابراین نیازمند دسترسی به پارامترهای دقیق هر خط هستیم.

در بهره ­برداری از شبکه نیز این امر بسیار مهم است. با اندازه ­گیری کمیت­های موثر مانند ولتاژها، جریان­ها و توان خطوط، وضعیت خطوط انتقالی و پارامترهای آن، وضعیت کلیدها، فرکانس، توان تولیدی واحدها، تپ ترانس­ها و… بررسی می­شود. 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 طور دقیق مورد بررسی قرار گیرد تا نتایج این بررسی­ها به طور 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 اندازه ­گیری­ها وابسته است. همواره در سیستم­های اندازه‌گیری عواملی همچون نویز و خطا در کالیبره کردن دستگاه‌های اندازه ­گیری وجود دارد که این باعث کاهش دقت اندازه ­گیری و به تبع آن کاهش دقت در تخمین پارامتر خواهد بود ][1][. در گذشته اندازه ­گیری کمیت­های سیستم قدرت توسط سیستم­های اندازه ­گیری سنتی صورت می­گرفته است. این سیستم­ها از دقت مناسبی برخوردار نبودند. مشکل دیگر این سیستم­ها همزمان نبودن عملکرد آن‌ها بود. در یک زیرسیستم که به صورت مجزا کار می­ کند، همزمان­سازی به معنای گسترده معنا نخواهد داشت؛ چرا که یک سیگنال پالس می ­تواند تمام اندازه ­گیری­ها را همزمان کند؛ اما هنگامی­که کمیت­های اندازه ­گیری از مناطق مختلف بدست آورده می­شوند، نیاز داریم تا با بهره گرفتن از سیستمی مناسب این کمیت­ها را همزمان کرده و تا جای ممکن دقت اندازه ­گیری و به تبع آن دقت تخمین را بالا ببریم.

در این پایان‌نامه اصول الگوریتم پیشنهادی برای تخمین پارامترهای شبكه و ولتاژ شین­ها مبتنی بر دسته­بندی خطوط شبكه به بسته­های متشكل از دو خط متوالی می­باشد. تركیب هر دو خط متوالی و سه شین آن‌ها تشكیل یك بسته تخمین پارامتر را داده كه واحد اندازه‌گیری فازوری^[2] در ابتدای دو خط قرارگرفته و با اندازه ­گیری ولتاژ و جریان ابتدای خطوط در طی چند نمونه اندازه ­گیری قادر به تخمین پارامترهای دو خط و ولتاژ شین میان آن‌ها خواهند بود.

در یك شبكه واقعی با تعداد خطوط زیاد، تركیبات متعددی از بسته­های دوتایی خطوط وجود دارد لذا انتخاب یك آرایش بهینه برای نصب واحدهای اندازه ­گیری فازوری مستلزم محاسبات بهینه­سازی می­باشد. فرآیند كلی الگوریتم پیشنهادی برای تخمین پارامترها و حالت سیستم را می­توان به دو مرحله کلی تقسیم­بندی نمود. در مرحله اول، با توجه به تمام تركیبات ممكن برای بسته‌های دوتایی خطوط، بر اساس یك روش بهینه­سازی مانند الگوریتم ژنتیك محل نصب واحدهای اندازه ­گیری فازوری در شبكه 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 اندازه ­گیری فازوری بر روی شین­های شبكه، تركیب بسته­های دوتایی خطوط برای تخمین پارامترهای شبكه مشخص ‌شده كه با پیاده­سازی الگوریتم تخمین پارامتر-حالت بر روی هر بسته می­توان پارامترهای خطوط و ولتاژ شین­ها را تخمین زد. برای این منظور باید حداقل 3 نمونه اندازه ­گیری شده از كمیات ولتاژ و جریان ابتدای خطوط تهیه گردد. از ویژگی­های این الگوریتم می­توان به کاهش زیاد تعداد دستگاه­های اندازه ­گیری و عملكرد مستقل تخمینگر پیشنهادی برای هر بسته دوتایی از خطوط شبكه اشاره کرد. در پایان برای بررسی عملکرد الگوریتم پیشنهادی، شبکه 39 شینه IEEE انتخاب شده است. در این شبکه ابتدا جایابی بهینه دستگاه­های اندازه ­گیری انجام شده و سپس به بررسی عملکرد الگوریتم تخمین-پارامتر پرداخته خواهد شد.

فصل 2-                                فصل دوم

مروری بر منابع و پیشینه­ی تحقیق

2-1-     مقدمه

از ابتدای پدید آمدن و گسترش شبکه قدرت همواره به دنبال مدل کردن آن بوده­ایم. همواره برای مطالعه، برنامه ­ریزی، بالا بردن امنیت سیستم، توزیع اقتصادی بار به منظور 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 استفاده‌شده در سیستم قدرت است. مدل سیستم می ­تواند بسیار پیچیده و شامل معادلات غیرخطی باشد و یا ساده‌شده و به صورت خطی مدل شود؛ بنابراین مدل­های گوناگون با دقت­های مختلفی را می‌توان برای سیستم در نظر گرفت. از جمله 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 آنالیز سیستم قدرت نقش مهمی دارند. دقت پارامترهای خطوط نقشی اساسی در تعیین دقت خروجی­های این نرم­افزارها دارد.

الگوریتم­های مختلفی برای محاسبه پارامترهای خطوط انتقال در گذشته ارائه‌شده است. 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 استفاده می­ کنند. ممکن است 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 می­شود. در این روش­ها امکان تخمین پارامترهای توالی مثبت و منفی و صفر با ساختارهای هندسی و هادی­هایی با جنس­های مختلف به راحتی امکان‌پذیر است.

روش دیگری در ][iii][ ارائه شده است که در آن یکی از ترمینال­ها را اتصال کوتاه کرده و یا آن را در حالت مدار باز قرار می­ دهند و با بهره گرفتن از جریان خط و ولتاژ سر دیگر ترمینال به محاسبه پارامترها می ­پردازد؛ اما باید دقت داشت که این‌چنین اندازه ­گیری­هایی برای خطوط مشکل و در برخی حالات غیرممکن است.

روش­های ذکرشده، روش­های تخمین پارامتر بودند اما به صورت آنلاین قابل‌استفاده 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 اندازه ­گیری­های 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 توجه به الگوریتم برنامه‌ریزی‌شده به تخمین پارامترها می­پردازند.

الگوریتم­هایی که به صورت آنلاین به محاسبه پارامترها می­پردازند را می‌توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد.

1. الگوریتم­هایی که به صورت مستقیم و با اندازه ­گیری کمیت­های بهره ­برداری شبکه به محاسبه پارامترها می­پردازند.
2. الگوریتم­هایی که به کمک الگوریتم تخمین حالت به تخمین پارامتر می­پردازند.

شکل ‏2‑1: دسته‌بندی روش­های تخمین پارامتر

در ادامه به بررسی این دو روش پرداخته خواهد شد.

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

همان طور که قبلاً بیان شد به علل مختلف نیازمند دسترسی به مقادیر دقیق و آنلاین پارامترهای سیستم قدرت هستیم؛ اما باید دقت داشت که اساس پیدایش الگوریتم­های تخمین پارامتر چیز دیگری بود. در سال 1970 مقاله­ای راجع به تخمین حالت سیستم منتشر شد. 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 است. پارامترهای نادقیق در این الگوریتم موجب پایین آمدن دقت تخمین حالت خواهند شد. پس از انتشار این مقاله، الگوریتم­های زیادی ارائه شد که هدف آن‌ها پیدا کردن خطای پارامترها و تصحیح آن‌ها برای بالا بردن دقت الگوریتم تخمین حالت بود. در این روند تکاملی الگوریتم تخمین حالت بود که اولین بار روشی برای تخمین پارامتر پیدا شد [[iv]].

پس از سال 1970 و انتشار این مقاله، کمتر مقاله­ای به طور جداگانه به تخمین پارامتر پرداخته است. روش­های تخمین پارامتر اکثراً در کنار روش تخمین حالت آورده شده است و به تعبیر دیگر در این روش، تخمین پارامتر روشی است که اساس آن تخمین حالت سیستم است. در این روش مقادیر اولیه­ای برای پارامترها در نظر گرفته می­شود. سپس با انجام تخمین حالت به پیدا کردن مقادیر دقیق پارامترها نادقیق پرداخته می­شود. روش­هایی که در تعیین خطای پارامتر در الگوریتم تخمین حالت ارائه‌شده ­اند را می‌توان به صورت زیر دسته‌بندی کرد ][v][:

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

همان طور 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 پیدا کردن رابطه­ای 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 طور 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 می­شود. در این روش ابتدا تخمین حالت پرداخته و سپس به سراغ بروز کردن پارامترها می­رویم. در اینجا مرحله اول تخمین به اتمام رسیده است. 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 است؛ بنابراین بهتر است در هنگام به‌روزرسانی کردن متغیرها از روش دیگری استفاده کنیم. در [9] روشی برای به‌روزرسانی کردن پارامترها بر اساس آنالیز بردار باقیمانده ارائه‌شده است. در این روش از رابطه­ای میان باقی­مانده و خطای پارامترها استفاده می­شود. در هر مرحله پس از تخمین حالت با بهره گرفتن از باقی­مانده­ها، خطای پارامترها محاسبه‌شده و به این طریق پارامترها به‌روزرسانی می­شود. 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

—-

پشتیبانی سایت :       (فقط پیامک)        [email protected]

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

  *