Повышение достоверности информации в автоматизированных системах диспетчерского управления энергосистем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Бегалова, Елена Николаевна

• Бегалова, Елена Николаевна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бегалова, Елена Николаевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРИЧИН ПОЯВЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ В

ДАННЫХ ТЕЛЕМЕТРИИ И СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ

ФИЛЬ ТРАЦИИ ГРУБЫХ ОШИБОК ИЗМЕРЕНИЙ.

1.1. Основные причины появления погрешностей в телеметрической информации.

1.2. Первичная обработка информации.

1.3. Характеристика измерений и ошибок измерений.

1.4. Основные направления повышения качества первичной информации.

1.5. Методы обнаружения плохих данных.

1.5.1. Методы идентификации плохих данных «при удалении».

1.5.2. Идентификация по «неквадратичному критерию».

1.5.3. Идентификация «по проверочной гипотезе».

1.6. Применение ошибкоустойчивых (робастных) методов оценивания состояния для обнаружения плохих данных.

1.6.1. Критерии ошибкоустойчивости.

1.6.2. Использование метода оценивания по наименьшей медиане квадратов отклонений для обнаружения плохих данных.

1.7. Метод контрольных уравнений.

ГЛАВА 2. ОДНОМЕРНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЙ КАК ДИНАМИЧЕСКИЙ АЛГОРИТМ ЛОКАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ.

2.1. Одномерная динамическая фильтрация телеизмерений.

2.1.1. Трендовая одномерная фильтрация.

2.1.2. Определение весовых коэффициентов в одномерном трендовом фильтре.

2.1.3. Результаты моделирования обработки данных при помощи алгоритма одномерного трендового фильтра.

2.2. Динамический фильтр Калмана для одномерной фильтрации телеизмерений.

ГЛАВА 3. ДИНАМИЧЕСКАЯ МНОГОМЕРНАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ И ВЗАИМОКОРРЕКТИРУЮЩАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЙ.

3.1. Обработка данных при помощи динамических многомерных линейных фильтров.

3.1.1. Многомерный линейный фильтр.

3.1.2. Двумерный линейный фильтр.

3.2. Коэффициенты чувствительности влияющих параметров в двумерном линейном фильтре.

3.2.1. Статический способ задания коэффициентов чувствительности.

3.2.2. Динамический способ задания коэффициентов чувствительности.

3.2.3. Результаты оценки эффективности применения двумерного линейного фильтра с коэффициентами чувствительности, рассчитанными статическим и динамическим способами.

3.3. Обнаружение аномальных выбросов многомерными фильтрами.

ГЛАВА 4. ОБНАРУЖЕНИЕ АНОМАЛЬНЫХ ВЫБРОСОВ И СТАТИЧЕСКАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЙ.

4.1. Применение мажоритарного принципа для обнаружения аномальных выбросов в телеизмерениях и коррекция весовых коэффициентов в задаче оценивания состояния.

4.1.1. Коррекция задания весовых коэффициентов в задаче оценивания состояния.

4.2. Алгоритмы статической обработки информации и обнаружения плохих данных.

4.2.1. Статический параметрический фильтр обнаружения плохих данных.

4.2.2. Алгоритм локального оценивания состояния для обнаружения плохих данных.

4.2.3. Функциональный статический фильтр обнаружения аномальных выбросов.

4.3. Результаты моделирования работы статических фильтров.

4.3.1. Математическая модель. Критерий эффективности применения алгоритмов дополнительной обработки информации и обнаружения плохих данных.

4.3.2. Комплексное оценивание состояния.

4.3.3. Нормирование весовых коэффициентов.

4.3.4. Обнаружение аномальных выбросов при помощи статического параметрического фильтра.

4.3.5. Алгоритм локального оценивания состояния.

4.3.6. Функциональный статический фильтр обнаружения плохих данных.

4.3.7. Сравнение статических алгоритмов локальной обработки данных.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение достоверности информации в автоматизированных системах диспетчерского управления энергосистем»

Предмет исследования - электроэнергетическая система (ЭЭС) - является сложным динамическим объектом с большим количеством разнообразных средств автоматического и оперативного управления. Энергосистема, как объект управления, имеет вероятностный характер возмущений, ее параметры, изменяющиеся с течением времени, многомерны и нелинейны [26].

Развитие энергетики тесно связано с усовершенствованием систем, обеспечивающих ее надежное функционирование. Эффективная работа ЭЭС определяется, в том числе, качеством ее диспетчерского и автоматического управления, которое должно поддерживать устойчивость работы энергообъекта, надежность электроснабжения потребителей, качество электроэнергии. В условиях перехода к рыночным взаимоотношениям на первый план выступают вопросы оптимизации режимов и применения новых математических моделей, позволяющих более точно учитывать затраты на производство и передачу электрической энергии. Сложность прямого решения указанной задачи связана с ее большой размерностью, что приводит к необходимости применения принципа декомпозиции и решению по частям в автоматизированных системах диспетчерского управления (АСДУ).

Управляемый объект и протекающие в нем процессы описываются режимными параметрами, меняющимися во времени по причине изменения внешней среды или самого объекта. В динамической системе необходимо периодически пересматривать состояние ее характеристик в целях коррекции доступных мер воздействия, направленных на сохранение допустимости режима [1]. Уровень знаний о состоянии энергосистемы и правильность выработки управляющих воздействий связаны с объемом и точностью исходной информации, характеризующей ее текущий режим [30].

Актуальность проблемы. Для надежной и качественной работы автоматизированной системы диспетчерского управления энергосистемой (особенно на стадии выработки управляющих воздействий) необходимы надежные и качественные исходные данные, получаемые от систем телеметрии. Частота обновления информации должна составлять от нескольких секунд до долей секунд, поэтому следует осуществлять фильтрацию помех. Использование данных телеметрии не только в АСДУ, но и в противоаварийной автоматике, предъявляет дополнительные требования к объему и качеству телеизмерений (ТИ). Теоретические исследования, разработка алгоритмов и методов снижения погрешности текущей информации ведутся уже давно, но до сих пор не потеряли своей значимости и актуальности

Для обеспечения достоверности измерений значительные усилия прилагаются к улучшению характеристик надежности и эффективности технических средств систем контроля и управления. Здесь задача повышения качества информации решается путем совершенствования измерительных средств, повышения помехоустойчивости каналов связи и увеличения вычислительной мощности ЭВМ. К сожалению, процесс технического перевооружения системы сбора, приема и обработки информации в нашей стране идет достаточно медленно.

Другое направление решения рассматриваемой задачи состоит в применении различных математических алгоритмов, позволяющих тем или иным способом обнаружить данные, содержащие большие ошибки, и улучшить уже имеющуюся информацию.

Развитие технических характеристик систем сбора и обработки информации (СОИ) не снижает актуальности поставленной проблемы, особенно это касается вопроса обнаружения плохих данных (выбросов). Указанному направлению исследований посвящено большое количество работ как в нашей стране [1, 20-24, 26-27], так и за рубежом [35-37, 39, 41-43, 45-47, 49-54, 55, 57-61]. Причины появления таких выбросов могут весьма различаться. Это и возникающие неисправности в системе сбора данных, и устаревшие трансформаторы тока и напряжения, работающие не в своем классе точности, и задержки по времени передачи информации, и многое другое.

Даже современные системы СОИ не застрахованы от появления телеизмерений, содержащих большие ошибки.

Наиболее весомый и важный вклад в информационное обеспечение задач оперативного и противоаварийного управления режимами энергосистем внесли работы ИСЭМ (г. Иркутск), выполненные под руководством профессора А.З. Гамма [20, 22-24, 27]. Именно эти работы явились основой, на которой строилось настоящее диссертационное исследование по совершенствованию и разработке новых направлений повышения качества поступающей информации.

Обнаружение и идентификация больших ошибок, повышение достоверности телеизмерений должны проводиться достаточно быстро - в темпе реального процесса. Указанное обстоятельство предъявляет определенные требования к используемым программам обработки данных. Теоретические принципы находят все большее применение на практике, что обусловлено, среди прочего, значительно возросшими возможностями вычислительной техники. Для успешной работы существующих алгоритмов необходимо соблюдение некоторых условий, например: а) присутствие избыточных измерений; б) наличие статистических данных о работе энергосистемы [27].

Дополнительные трудности при разработке алгоритмов обработки данных возникают по причине того, что большинство энергосистем характеризуется или недостаточным объемом имеющейся телеинформации, или присутствием ненаблюдаемых областей, или наличием районов с низкой локальной избыточностью.

Появление в составе телеизмерений выбросов, недостаточность данных, присутствие измерений, содержащих значительную погрешность (например, из-за малого числа разрядов аналого-цифрового преобразования) -все это приводит к неверным результатам оценивания параметров текущего электрического режима энергосистемы и, следовательно, к выработке неоптимальных управляющих воздействий. Именно поэтому задача повышения достоверности информации является одной из наиболее важных задач в комплексе АСДУ энергосистем. Основным методом ее решения, в настоящее время, служит оценивание состояния (ОС) режима ЭЭС. Информация, получаемая в результате ОС, может быть использована для оперативного контроля текущего режима, проверки нахождения параметров в заданной (допустимой) области и многих других целей. К сожалению, в силу наличия погрешности в исходных данных и эффекта «размазывания ошибки» результаты оценивания состояния иногда вызывают сомнения в своей приближенности к истинным режимным параметрам, то есть в некоторой мере теряют свою ценность. Повышение точности оценки параметров электрического режима является наиболее желаемым результатом применения разработанных алгоритмов.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов и алгоритмов локальной обработки первичной («сырой») телеинформации о состоянии режима энергосистемы, предназначенных для обнаружения и идентификации аномальных выбросов. Основные направления исследований состоят в следующем:

1. Поиск способов повышения качества и достоверности телеметрической информации на основе анализа теории, практики и современных тенденций развития данной проблемы.

2. Разработка априорных по отношению к задаче оценивания состояния методов и алгоритмов обнаружения и идентификации аномальных выбросов в данных телеметрии.

3. Исследование особенностей и выявление областей применения разработанных алгоритмов как в целях отбраковки плохих данных (ПД), так и для включения их в комплексную оценку состояния, а также разработка математической модели для оценивания состояния режимов ЭЭС и проверки эффективности алгоритмов.

4. Разработка программного обеспечения, реализующего процедуры статической и динамической локальной обработки информации.

Методы исследования. Решение поставленных выше задач выполнялось на основании теории оценивания состояния, методов математической статистики и регрессионного анализа. Кроме того, использовались элементы линейной алгебры и математической логики. Ряд вопросов, связанных с определением пороговых характеристик, решался на основании анализа результатов вычислительных экспериментов. Для оценки достоверности разработанных алгоритмов использовались приемы сравнения результатов моделирования.

Научная новизна работы. Для решения задач исследования автором представлено теоретическое обоснование и разработан ряд методов априорной обработки телеметрической информации.

Основное направление поиска решения заключалось в выносе подзадачи обнаружения и отбраковки данных, содержащих аномальные выбросы, на этап «ДО» оценивания состояния режима энергосистемы. Предложено применение принципа локальной обработки первичной информации. Оценка состояния режима энергосистемы по данным телеметрии определена как комплексная оценка состояния (КОС), в отличие от локальной (JIOC) оценки, сфера применения которой установлена в данной работе.

В результате проведенного исследования выявлены топологические' ярусы расположения телеизмерений, позволяющие учесть влияние одних параметров режима на другие, и предложен путь учета такого взаимного влияния. Разработаны алгоритмы одномерной и взаимокорректирующей обработки телеизмерений, учитывающие динамику поведения режимных параметров в предшествующие моменты времени.

Представлены теоретические обоснования применения мажоритарного принципа в алгоритмах идентификации плохих данных. Предложены методики применения телеметрии фазового угла и, в случае отсутствия таковой, формирования соответствующего псевдоизмерения.

Помимо уже упомянутых динамических алгоритмов создано еще три алгоритма локальной обработки данных телеметрии, которые дают возможность выявлять данные, содержащие большие ошибки, но не обнаруженные пороговыми фильтрами. Сформированные списки ошибочных телеизмерений и телеизмерений с подозрением на ошибку являются результатом работы алгоритмов статической фильтрации телеизмерений. Некоторые из разработанных методов позволяют рассчитать новое значение параметра электрического режима вместо телеизмерения, признанного ошибочным.

Практическая значимость работы и реализация результатов. Разработанные алгоритмы направлены на практическое решение задач идентификации аномальных выбросов в телеизмерениях параметров электрических режимов. Они могут использоваться в программном комплексе информационного обеспечения в темпе процесса оперативного управления для повышения качества результатов оценивания состояния ЭС.

Предложенные в работе методы реализованы в виде программных приложений и проверены в условиях, приближенных к реальным.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: [3-16, 28, 29, 33, 34, 38]. Общее количество работ - 19.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях всероссийского и международного уровня:

• «Энергетика, экология, надежность, безопасность» (Томск,

1999);

• «Урало-Фламандское сотрудничество в сфере повышения академического уровня высших учебных заведений». (Екатеринбург, 1999);

• Конференция Молодых специалистов электроэнергетики (Москва, 2000);

• 2-я Международная научно-техническая конференция РУО АИН РФ (Екатеринбург, 2000);

• «Энергосистема: управление, качество, безопасность» (Екатеринбург, 2001;

• Энергосистема: управление, качество, конкуренция» (Екатеринбург, 2004);

• «Передача энергии переменным током на дальние и сверхдальние расстояния» (Новосибирск, 2003);

• International Conference on Advanced Power System Automation and Protection (Jeju, Korea, 2007);

• III международная научно-техническая конференция «Энергосистема: управление, конкуренция, образование» (Екатеринбург, 2008).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (61 наименование). Объем работы включает в себя Страниц: 158

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Бегалова, Елена Николаевна

Выводы. Использование статических алгоритмов позволяет идентифицировать большую часть аномальных выбросов в первичных данных. Выполнение комплексного оценивания состояния после этапа локальной обработки информации приводит к снижению величины невязок rwi (rNi) в (1.5). Точность конечных оценок параметров режима повышается (таблица 4.12). С учетом принятых допущений и смоделированных максимально приближенными к реальным условиям измерений, анализ результатов позволяет сделать вывод о высокой эффективности практического применения разработанных методов. Содержащийся в каждом статическом фильтре несложный логический алгоритм с небольшим объемом вычислений на каждом шаге не требует значительных временных затрат, по крайней мере, не приводит к задержкам в получении информации для задач противоаварийного и оперативно-диспетчерского управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертационной работе выполнен анализ отечественных и зарубежных разработок в области обнаружения аномальных выбросов и повышения достоверности информации в автоматизированных системах диспетчерского управления энергообъектами.

2. Проведено исследование особенностей и областей применения дополнительных алгоритмов как для целей отбраковки плохих данных (ПД), так и для включения в комплексную оценку состояния.

3. Разработана методика применения локальной обработки данных телеметрии. Предложен априорный метод идентификации плохих данных, реализуемый «ДОу> решения задачи оценивания состояния.

4. Предложены алгоритмы динамической обработки информации (одномерной и многомерной), использующие архивные данные на некотором временном интервале. Разработан логический алгоритм отделения аномального выброса от изменения параметра вследствие коммутации в сети.

5. Выполнен анализ взаимного влияния параметров (телеизмерений) электрического режима друг на друга. Взаимосвязь задается в виде коэффициентов чувствительности. Предложено два способа расчета данных коэффициентов - статический и динамический.

6. Разработано три алгоритма статического метода обнаружения аномальных выбросов, анализирующих телеизмерения в конкретный момент времени на основании применения мажоритарного принципа. Приведены результаты работы алгоритмов, реализованных в виде программных приложений, подтверждающие их высокую эффективность.

7. Предложен способ корректировки весовых коэффициентов для псевдоизмерений в задаче оценивания состояния. Применение поправочных коэффициентов позволяет легко учитывать результаты предшествующей фильтрации разработанными алгоритмами.

8. Разработаны компьютерные программы для реализации процедур статической и динамической локальной обработки информации.

9. Вычислительные эксперименты показали приближение режимных оценок, являющихся результатом комплексного оценивания состояния, к эталонным значениям (в случае предварительной обработки телеметрической информации созданными алгоритмами).

Ю.Согласно данным исследований использование разработанных алгоритмов позволяет идентифицировать большую часть аномальных выбросов в первичных данных.

11.Анализ результатов, с учетом принятых допущений и смоделированных максимально приближенными к реальным условиям измерений, позволяет сделать вывод о высокой эффективности практического применения разработанных методов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бегалова, Елена Николаевна, 2009 год

1. Арзамасцев, Д.А. АСУ и оптимизация режимов энергосистем. Учебное пособие для студентов ВУЗов / Д.А. Арзамасцев, П.И. Бартоломей,

2. A.M. Холян. М.: Высшая Школа, 1983. - 208 с.

3. Аюев, Б.И. Иерархическая система расчета текущего режима ЕЭС по данным телеизмерений Электронный ресурс. /Б.И. Аюев, А.Т. Демчук,

4. B.JI. Прихно // Новое в Российской энергетике № 2, в помощь производству. 2004. - Режим доступа: ht1p:/www.rao-ees.ru/ru/news/news/magazin/ свободный

5. Бартоломей, П.И. Достоверизация телеизмерений для оценивания со- ( стояния ЭЭС / П.И. Бартоломей, Е.Н. Бегалова, А.В. Паздерин,

6. C.Н. Шелюг // Вестник УГТУ «Современные проблемы энергетики, электромеханики и электротехнологии» в 2 ч. 4.1: Электроэнергетика и преобразовательная техника Екатеринбург: изд-во УГТУ-УПИ,1995. - С. 59-62.

7. Бартоломей, П.И. Разработка алгоритмов повышения качества телеметрии в АСДУ энергосистем / П.И. Бартоломей, Е.Н. Бегалова // Труды конференции молодых специалистов электроэнергетики. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2000. -С.151 -153.

8. Брайсон, А. Прикладная теория оптимального управления. Оптимизация, оценека и управление/ А. Брайсон, Хо Ю-ши.-М.: Мир, 1972.

9. Браммер, К. Фильтр Калмана-Бьюси/ К. Браммер, Г. Зифлинг М.: Наука, 1982.-200 с.

10. Возенкрафт, Дж. Теоретические основы техники связи / Дж. Возен-крафт, И.М. Джекобе, ред. Р.Л. Добрушин. М.: Мир, 1969. - 640 с.

11. Войтов, О.Н. Автоматизированная система оперативно-диспетчерского управления электроэнергетическими системами/О.Н. Войтов, В.Н. Воронин, А.З. Гамм и др. -Новосибирск: Наука, 1986.

12. Гамм, А.З. Вопросы оценивания состояния и идентификации в электро-' энергетических системах / А.З. Гамм. Иркутск: СЭИ СО АН СССР, 1979.

13. Гамм, А.З. Обнаружение грубых ошибок телеизмерений в электроэнергетических системах / А. 3. Гамм, И.Н. Колосок. Новосибирск: Наука, 2000.- 152 с.

14. Орнов, В.Г. Задачи оперативного и автоматического управления энергосистемами / В.Г. Орнов, М.А. Рабинович. М.: Энергоатомиздат, 1988 -223 с.

15. Оценивание состояния в электроэнергетике / А.З. Гамм, Л.Н. Герасимов, И.И. Голуб, Ю.А. Гришин, И.Н. Колосок. М.: Наука, 1983. - 320 с.

16. Проблемы информационного обеспечения задач АСДУ энергосистем / П.И. Бартоломей, А.С. Бердин, Е.Н. Бегалова, П.А. Крючков // Проблемы развития и функционирования ЭЭС: сб. трудов кафедры АЭС. -Екатеринбург: изд-во УГТУ-УПИ, 2000. С.16-19.

17. Проблемы информационного обеспечения задач энергосбережения в электрических сетях / П.И. Бартоломей, Е.Н. Бегалова, А.А. Суворов, С.Н. Шелюг // Энергосбережение: Городское хозяйство. Уральские выставки. Екатеринбург, 2001. - С.58.

18. Рабинович, М. А. Цифровая обработка информации для задач оперативного управления в электроэнергетике / М.А. Рабинович — М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2001. 344 с.

19. Растригин, Л.А. Случайный поиск в задачах оптимизации многопараметрических систем/Л.А. Растригин. Рига: Зинатне, 1965. - 212 с.

20. Фомин, А.Ф. Помехоустойчивость систем передачи непрерывных сообщений /А.Ф. Фомин. М.: Советское радио,1975. - 352 с.