Βέλτιστη διαχείριση μετρήσεων για ενίσχυση παρατηρησιμότητας και ακρίβειας σε εκτιμητές κατάστασης συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας με ελλιπή δεδομένα

Abstract

Reinforcing power system monitoring and control comprises one of the main axes for the transition to the era of smart grids. To this direction, the role and the importance of state estimators running in power control centers, are being constantly upgraded. The present PhD thesis elaborates on methods and techniques for the optimal management of measurements within the operational framework of weighted least squares state estimators for power systems characterized by incomplete data. Initially, a literature survey with regard to the evolution of the functions of topology processing, observability analysis and state estimation in power transmission and distribution networks, is conducted in order to stress the main contemporary challenges and related problems. Moreover, the theoretical background for the three fields is described and fundamental related methods, elements of which are used for the development of the proposed research work, are analyzed. Subsequently, the study concentrates on pseudomeasurement management in distribution networks given their lack of sufficient measurement data. Targeted techniques for the implementation of combined operational frameworks between different methods for pseudomeasurement generation and the state estimation algorithm depending on the availability of load measurement data, are proposed. Additionally, a topology processing method using pseudomeasurements for the study of switching devices statuses, is discussed. The effectiveness of the proposed approaches is investigated via extensive simulations on an experimental and a real distribution network.In the sequel, the research focuses on the optimal selection of measurement units in power systems with incomplete data aimed at boosting their observability and state estimation accuracy. Three innovative methods founded on the Fisher information and formulated as optimization problems using convex and semidefinite programming, are suggested. The minimization of the number of measurement unit installations required is the criterion used for observability achievement, whereas statistical criteria originating from the optimal experimental design are leveraged for the maximization of state estimation accuracy. Both the design of modern metering infrastructure and the reinforcement of pre-existing measurement systems are feasible via the proposed methods. Their effectiveness is evaluated by means of their application to power systems coming from the international literature. In conclusion, the approaches introduced counteract the lack of measurement data in power systems providing quality solutions for optimal measurement management in light of the efficient operation of state estimators.

H ενίσχυση της εποπτείας και του ελέγχου των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας αποτελεί έναν από τους κύριους άξονες για τη μετάβαση στην εποχή των ευφυών δικτύων. Προς αυτή την κατεύθυνση, ο ρόλος και η σημασία των εκτιμητών κατάστασης που λειτουργούν στα κέντρα ελέγχου ενέργειας αναβαθμίζονται συνεχώς. Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται μεθόδους και τεχνικές βέλτιστης διαχείρισης μετρήσεων στο πλαίσιο της λειτουργίας εκτιμητών κατάστασης σταθμισμένων ελαχίστων τετραγώνων σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας που χαρακτηρίζονται από ελλιπή δεδομένα. Αρχικά, εκπονείται μία βιβλιογραφική επισκόπηση σχετικά με την εξέλιξη των λειτουργιών της επεξεργασίας τοπολογίας, της ανάλυσης παρατηρησιμότητας και της εκτίμησης κατάστασης σε συστήματα μεταφοράς και δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας με στόχο την ανάδειξη των κύριων σύγχρονων προκλήσεων και σχετικών προβλημάτων. Επίσης, περιγράφεται το θεωρητικό πλαίσιο των τριών πεδίων και αναλύονται θεμελιώδεις σχετικές μέθοδοι, στοιχεία των οποίων χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη του προτεινόμενου ερευνητικού έργου. Κατόπιν, η μελέτη επικεντρώνεται στη διαχείριση ψευδομετρήσεων στα δίκτυα διανομής δεδομένης της έλλειψης επαρκούς αριθμού πραγματικών μετρητικών δεδομένων. Προτείνονται στοχευμένες τεχνικές για την υλοποίηση πλαισίων συνδυασμένης λειτουργίας διαφορετικών μεθόδων παραγωγής ψευδομετρήσεων φορτίου με τον αλγόριθμο εκτίμησης κατάστασης με βάση τη διαθεσιμότητα μετρητικών δεδομένων φορτίου. Επιπλέον, εξετάζεται μια μέθοδος επεξεργασίας τοπολογίας με χρήση ψευδομετρήσεων για τη μελέτη των καταστάσεων των διακοπτικών μέσων. Η αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων προσεγγίσεων διερευνάται μέσω εκτενών προσομοιώσεων σε ένα πειραματικό και ένα πραγματικό δίκτυο διανομής.Στη συνέχεια, η έρευνα εστιάζεται στη βέλτιστη επιλογή μετρητικών μονάδων σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας με ελλιπή δεδομένα με σκοπό την ενίσχυση της παρατηρησιμότητας και της ακρίβειας της εκτίμησης κατάστασής τους. Προτείνονται τρεις καινοτόμες μέθοδοι, οι οποίες θεμελιώνονται στην πληροφορία του Fisher και διατυπώνονται ως προβλήματα βελτιστοποίησης με χρήση κυρτού και ημιορισμένου προγραμματισμού. Κριτήριο για την επίτευξη παρατηρησιμότητας είναι η ελαχιστοποίηση του απαιτούμενου αριθμού εγκαταστάσεων μετρητικών μονάδων, ενώ, για τη μεγιστοποίηση της ακρίβειας της εκτίμησης κατάστασης, αξιοποιούνται στατιστικά κριτήρια προερχόμενα από το βέλτιστο πειραματικό σχεδιασμό. Στις δυνατότητες των προτεινόμενων μεθόδων εμπίπτουν τόσο ο σχεδιασμός σύγχρονων μετρητικών υποδομών όσο και η βελτίωση υφιστάμενων μετρητικών συστημάτων. Οι μέθοδοι αξιολογούνται μέσω της εφαρμογής τους σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας από τη διεθνή βιβλιογραφία. Εν κατακλείδι, οι προτεινόμενες προσεγγίσεις αντιμετωπίζουν την έλλειψη μετρητικών δεδομένων στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας παρέχοντας ποιοτικές λύσεις για τη βέλτιστη διαχείριση μετρήσεων με γνώμονα την αποδοτική λειτουργία των εκτιμητών κατάστασης.