Προσδιορισμός της θέσης και της αντίστασης σφάλματος σε γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας

Τζέκος, Γεώργιος

Determination of fault location and resistance in power transmission lines

Διπλωματική εργασία

Author

Τζέκος, Γεώργιος

Date

2021-10-14

Advisor

Manousakis, Nikolaos

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ (3.570Mb)

Keywords

Συμμετρικές συνιστώσες ; Συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας ; Διανομή ηλεκτρικής ενέργειας ; Φασιθέτης ; Μονάδα μέτρησης φασιθετών ; Γραμμές μεταφοράς ενέργειας

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με την εύρεση της θέσης σφάλματος καθώς και την αντίσταση του σφάλματος σε γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Η πολυπλοκότητα των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, έχει δημιουργήσει την ανάγκη για εξυπνότερους και πιο αποτελεσματικούς τρόπους ανάλυσης και προσδιορισμού του σφάλματος σε γραμμές μετάδοσης ώστε οι μηχανικοί συντήρησης να διορθώνουν το πρόβλημα όσο το δυνατόν πιο άμεσα. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και αναφορά στις βασικές έννοιες αυτών. Ακολουθεί αναφορά στην δομή των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και ανάλυση των επιμέρους αυτών συστημάτων, όπως το σύστημα παραγωγής, το σύστημα μεταφοράς, το σύστημα διανομής και το φορτίο. Στην συνέχεια περιγράφονται τα συστήματα προστασίας έναντι των βραχυκυκλωμάτων και στο τέλος παραθέτονται οι λόγοι που πρέπει να μεταβούμε από ένα συμβατικό ηλεκτρικό σύστημα σε ευφυή ηλεκτρικά δίκτυα. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση όλων των βραχυκυκλωμάτων που εμφανίζονται στις γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και την επίδραση που έχουν στην ποιότητα ισχύος και στο δίκτυο διανομής. Στην ανάλυση των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας είναι αναγκαία η ύπαρξη μοντέλων γραμμών μεταφοράς ανάλογα με τον μετασχηματιστή, το μήκος της γραμμής και το φορτίο. Στo τρίτο κεφάλαιο, αρχικά γίνεται ανάλυση για την έννοια του φασιθέτη καθώς και της μονάδας μέτρησης φασιθετών (PMU). Μετέπειτα αναλύεται η τυπική δομή μιας μονάδας PMU. Στο τέλος παρουσιάζονται οι εφαρμογές που έχουν τα PMU όπως η εκτίμηση παραμέτρων των γραμμών μεταφοράς και θέσης σφάλματος. Στο τέταρτο κεφάλαιο, δεδομένου ότι με το πέρασμα των ετών τα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας μεγαλώνουν ολοένα και περισσότερο, έχει προκύψει η ανάγκη για αποδοτικότερους και ταχύτερους αλγορίθμους εκτίμησης κατάστασης. Η ανάλυση παρατηρησιμότητας είναι απαραίτητη, προκειμένου να ελέγξουμε αν τα δεδομένα του αλγορίθμου εκτίμησης κατάστασης είναι επαρκή, ούτως ώστε ο αλγόριθμος να μπορεί να επιλυθεί. Σε περίπτωση που ένα σύστημα δεν είναι παρατηρήσιμο, τότε πρέπει να αποκατασταθεί η παρατηρησιμότητα, για να δώσει λύση ο εκτιμητής κατάστασης και να λάβουμε τους παραστατικούς μιγαδικούς των τάσεων των ζυγών. Μετέπειτα, αναλύεται εκτενώς ο γενικευμένος ζυγός, με την αναγραφή όλων των θεωρητικών εξισώσεων και των μητρών. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται αναλυτικά η πιο διαδεδομένη μέθοδος βέλτιστης επίλυσης του προβλήματος με χρήση του αλγόριθμου εκτίμησης κατάστασης σταθμισμένων ελαχίστων τεραγώνων, όπου το διάνυσμα κατάστασης το εκφράζουμε με πολικές συντεταγμένες, ενώ οι μετρήσεις ρεύματος γραμμών των PMUs εκφράζονται σε καρτεσιανές συντεταγμένες. Στην συνέχεια πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις του προτεινόμενου εκτιμητή κατάστασης με σκοπό την εύρεση της θέσης και της αντίστασης σφάλματος. Τέλος σε κάθε δοκιμή, στο τέλος της επαναληπτικής διαδικασίας, υπολογίστηκαν τα σφάλματα εκτίμησης από τα οποία φαίνεται πόσο αποκλίνει το εκτιμώμενο διάνυσμα κατάστασης από το πραγματικό.

Abstract

The objective of this diploma thesis is to find the fault location as well as the fault resistance in power transmission lines. The complexity of the analysis of power systems has created the need for smarter and more efficient ways of analyzing and determining fault in transmission lines, so that maintenance engineers can fix the problem as quick as possible. The first chapter introduces the electrical systems and refers to ther basic concepts.The following is a reference to the structure of power systems and an analysis of these individual systems,such as the production system,the transmission system,the distribution system and the load flow.The following describes the short circuit protection systems and at the end explained the reasons why we should change a conventional electrical system to intelligent electrical networks. The second chapter analyzes all the short circuits that occur in power transmission lines as well as the effect that they have on the quality of power and the distribution network.In the analysis of the electrical systems it is necessary to have transmission line models depending on the transformer,the line length and the load analysis. In the third chapter, first one we analyzed the concept of the phasor as well as the phasor measurement units.Then,the typical structure of PMU is analyzed.Finally,we present the applications of PMUs,such as the estimation of transmission line parameters and error location. In the fourth chapter, over the years, power networks are getting increasingly larger. Therefore, arises the need for faster and more efficient state estimation algorithms. Observability analysis is indispensable, in order to find out whether input data is adequate to solve state estimation’s algorithm. In case where a power system is unobservable, observability has to be restored, otherwise the algorithm cannot be solved. After observability restoration, the state estimator can determine the bus voltage phasors.Then, the generalized electrical system is analyzed extensively, with the indication of all theoretical equations and matrices. In the fifth chapter,we present in detail the most common method of optimal solution of the problem using weighted least squares estimation algorithm,where the condition vector is expressed in polar coordinates,while the line current measurements of PMUs are expressed in Cartesian coordinates. Then, simulations of the proposed estimator were performed in order to find the position and the resistance of the error. Finally in each test, at the end of the iterative procedure, the estimation errors were calculated from which it appeats how much the estimated state vector deviates from the real one.