PMUs – Estimation d'état en temps réel d'un réseau électrique haute tension au moyen de synchrophaseurs

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501080

Schlüsselwörter (Französisch)

Phasor Measurement Unit, PMU, Synchrophaseur, Estimation d’état temps réel, Réseau de distribution, Sécurité d’approvisionnement

Kurzbeschreibung (Französisch)

La conduite des réseaux de distribution ne permet pas de répondre aux défis a venir quant aux sour-ces de production et stockage décentralisées, en effet, ces nouvelles sources vont déstabiliser l’équilibrage du réseau (offre-demande) et par conséquent, pour garantir la sécurité d’approvisionnement, des systèmes de surveillan-ce et conduite de nouvelle génération basées sur l’utilisation de synchrophaseurs permettent de résoudre cette problématique à l’aide d’un estima-teur d’état en temps réel couplé à des points de mesure basés sur l’utilisation de phasor measure-ment units avancés.

Schlussbericht (Deutsch)

Das Hauptziel dieses Projektes besteht darin, ein verteiltes Überwachungssystem (englisch: Distributed Monitoring System) für Verteilnetze in einem real existierenden Verteilnetz zu erproben. Das besagte Überwachungssystem verwendet zeitsynchronisierte Zeigermessgeräte (englisch: Phasor Measurement Units / PMUs), die in verschiedenen Knotenunkten des Netzes platziert werden. Diese PMUs senden die gemessenen Phasoren über ein Telekommunikationsnetz an einen Datensammelpunkt (englisch: Phasor Data Concentrator / PDC). Dort werden die Messwerte nicht nur gesammelt, sondern auch zum Zweck der Netzzustandserkennung (englisch: Power System State Estimation / SE) weiterverwendet. Genauer gesagt wird der Netzzustand mithilfe einer Maximalwahrscheinlichkeitsmethode ermittelt. Die Verwendung von PMUs gestattet es, den SE-Prozess mehrere Male pro Sekunde durchzuführen. Dies ermöglicht es wiederum, selbst rasche Veränderungen des Netzzustandes nachzuvollziehen. In diesem Zusammenhang spricht man daher von „Netzzustandserkennung in Echtzeit“ (englisch: RealTime State Estimation / RTSE).
Der vorliegende Bericht gliedert sich inhaltlich zwei Teile:
Zum Ersten stellen wir ein Konstruktionsprinzip für einen PDC vor, der Messdaten auf dreierlei Weise verarbeiten kann: mit Hilfe absoluter Zeitmarken, relativer Zeitmarken, oder unter Minimierung der durch den PDC verursachten Latenz (englisch: „push-when-complete“). Die letztgenannte Methode ist in Einklang mit der IEEE Richtlinie C37.244-2013 so konzipiert, dass durch sie keine zusätzlichen Datenverluste entstehen. Die drei Verarbeitungsmechanismen vergleichen wir anhand der PMU-Installation im Stromnetz der Stadt Lausanne in puncto Zuverlässigkeit, Determinismus, und kumulierter Latenz. Die Installation besteht aus 15 PMUs, welche an ein Glasfasernetz-Telekommunikationsnetz angeschlossen sind. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass der „push-when-complete“ Ansatz die tiefste kumulierte Latenz erreicht, wohingegen die anderen Methoden besser mit Verzögerungen der Messwerte umzugehen vermögen.
Zum Zweiten präsentieren wir eine Umsetzung eines PMU-basierten RTSE in die Praxis, durchgeführt in einem Teil des 125kV-Unterverteilnetz der Stadt Lausanne, sowie die daraus gewonnenen Resultate. In diesem Zusammenhang analysieren wir sowohl die Genauigkeit als auch die Leistungsfähigkeit des verwendeten RTSE, der auf der Methode der kleinsten Quadrate (englisch: Linear Weighted Least Squares) fusst.

Schlussbericht (Englisch)

The main goal of this project is to validate in a real electrical power-grid the performance of a distributed monitoring system based on Phasor Measurement Units (PMUs). This system is composed of PMUs located in different nodes of the grid, which send synchrophasor measurements to a data collection point called Phasor Data Concentrator (PDC) through a telecommunication network; in the computer hosting the PDC, the measurements are processed by means of power-system State Estimation (SE) that computes the most likely state of the grid. Thanks to the use of PMU measurements, SE can be computed several times per second, so that it can follow very quick variations of the grid state; such kind of SE is called Real-Time State Estimation (RTSE).
First, in this report we present the design principles of a PDC that implements both the absolute and relative time data pushing logics together with a third one that aims at minimizing the latency introduced by the PDC without increasing the data incompleteness, as suggested in the IEEE Guide C37.244-2013. By referring to the PMU installation in the sub-transmission network of the city of Lausanne, the aforementioned PDC logics are compared in terms of reliability, determinism and reduction of the overall latency. The telecommunication network is based on optical-fiber links that transmit synchrophasor data that are measured by 15 PMUs. The experimental results show that the push-when-complete logic is characterized by the lowest latency, whereas the absolute time logic better mitigates the synchrophasor data latency variations.
Second, we present the implementation and results of PMU-based RTSE for a portion of the 125-kV sub-transmission network of the city of Lausanne. We analyze the accuracy and computational performance of a RTSE that implements the widely used linear weighted least-squares algorithm.

Zugehörige Dokumente

• PMU-based Real-time State Estimation of the 125 kV Sub-transmission Network of Lausanne - Final Report [PDF] 7'437 kB

Schlussbericht (Französisch)

L'objectif principal de ce projet est de valider pour un réseau électrique réel les performances d'un système de surveillance distribué s’appuyant sur des unités de mesure de phaseurs (PMU). Ce système est composé de PMU situés dans différents nœuds du réseau. Ils envoient des mesures de synchrophaseur (phaseurs de tensions/courant) à un point de collecte de données appelé Phasor Data Concentrator (PDC) à travers un réseau de télécommunication. Dans l'ordinateur hébergeant le PDC, les mesures sont traitées au moyen de l'estimation d'état (SE) du réseau qui calcule l'état le plus probable de ce réseau. Grâce à l'utilisation de mesures PMU, l’estimation d’état peut être calculé plusieurs fois par seconde, de sorte qu'il peut suivre des variations très rapides de l'état du réseau. Ce type de SE est appelé estimation en temps réel (RTSE).
 
Dans un premier temps, nous présentons les principes de conception d'un PDC qui implémente à la fois les logiques de données absolues et relatives, ainsi qu'une troisième logique qui minimise la latence introduite par le PDC sans augmenter l'incomplétude des données, comme le suggère l'IEEE Guide C37.244-2013. En se référant à l'installation PMU dans le réseau de transport de la ville de Lausanne, les logiques PDC susmentionnées sont comparées en termes de fiabilité, de déterminisme et de réduction de la latence globale. Le réseau de télécommunication est basé sur des liaisons fibre optique qui transmettent des données de synchrophaseur mesurés par 15 UGP. Les résultats expérimentaux montrent que la logique « push-when-complete » est caractérisée par la latence la plus faible, alors que la logique temporelle absolue atténue mieux les variations de la latence des données du synchrophaseur.
 
Deuxièmement, nous présentons la mise en œuvre et les résultats de RTSE basé sur le PMU pour une partie du réseau de transport 125 kV de la ville de Lausanne. Nous analysons la précision et la performance computationnelle d'un RTSE implémentant l'algorithme couramment utilisé des moindres carrés.