Kraków, 16 grudnia 2010 r.

Kraków, 16 grudnia 2010 r.

dr inż. Marek Gaładr inż. Marek Gała

Politechnika CzęstochowskaWydział Elektryczny

Zastosowanie sztucznych sieci neuronowych do ocenywpływu pracy odbiorników nieliniowych

na jakość energii elektrycznej

Od wielu lat, w krajach rozwiniętych, energia elektryczna Od wielu lat, w krajach rozwiniętych, energia elektryczna dawno już przestała być postrzegana wyłącznie w kategoriach dawno już przestała być postrzegana wyłącznie w kategoriach ilościowych jako wielkość fizyczna, lecz skupia na sobie uwagę ilościowych jako wielkość fizyczna, lecz skupia na sobie uwagę równie często z powodów jej oceny w kategoriach standardów równie często z powodów jej oceny w kategoriach standardów jakościowych.jakościowych.

Pojęcie jakości energii elektrycznej

Jakość energii elektrycznejJakość energii elektrycznej jest pojęciem określającym przydatność jest pojęciem określającym przydatność energii elektrycznej do zasilania odbiorników i wyraża się poprzez energii elektrycznej do zasilania odbiorników i wyraża się poprzez wartości liczbowe określonych parametrów elektrycznych wartości liczbowe określonych parametrów elektrycznych (wyrażanych najczęściej dla napięcia w postaci jego wartości i (wyrażanych najczęściej dla napięcia w postaci jego wartości i odchylenia, częstotliwości, asymetrii oraz kształtu napięcia) oraz odchylenia, częstotliwości, asymetrii oraz kształtu napięcia) oraz wskaźników opisujących proces jej dostarczania do odbiorcy w wskaźników opisujących proces jej dostarczania do odbiorcy w normalnych warunkach pracy (czyli bez uwzględnienia skutków normalnych warunkach pracy (czyli bez uwzględnienia skutków działania sił natury, ingerencji osób trzecich oraz władz działania sił natury, ingerencji osób trzecich oraz władz administracyjnych)administracyjnych)z uwzględnieniem występowania zaburzeń przewodzonych.z uwzględnieniem występowania zaburzeń przewodzonych.

Podobnie jak każdy inny produkt, również energia elektryczna Podobnie jak każdy inny produkt, również energia elektryczna jest efektem procesu wytwórczego i jako taki produkt podlega jest efektem procesu wytwórczego i jako taki produkt podlega ocenieoceniei standaryzacji.i standaryzacji.

Obecnie za najbardziej miarodajną ze wszystkich sposobów Obecnie za najbardziej miarodajną ze wszystkich sposobów lokalizacji źródeł wyższych harmonicznych uważana jest tzw. lokalizacji źródeł wyższych harmonicznych uważana jest tzw. „metoda impedancyjna” zaproponowana przez Xu, która pozwala na „metoda impedancyjna” zaproponowana przez Xu, która pozwala na dokonanie oceny udziału dostawcy i odbiorcy energii w całkowitym dokonanie oceny udziału dostawcy i odbiorcy energii w całkowitym odkształceniu napięcia w PWP, powodowanym istnieniem wyższych odkształceniu napięcia w PWP, powodowanym istnieniem wyższych harmonicznych.harmonicznych.

Metody lokalizacji źródeł wyższych harmonicznych

Uproszczony model układu elektroenergetycznego stanowiący reprezentację Uproszczony model układu elektroenergetycznego stanowiący reprezentację dostawcy oraz odbiorcy energii elektrycznej na potrzeby analizy wpływu dostawcy oraz odbiorcy energii elektrycznej na potrzeby analizy wpływu

stron kontraktu na zawartość wyższych harmonicznych w węźle PWP stron kontraktu na zawartość wyższych harmonicznych w węźle PWP [Xu_00, Xu_03][Xu_00, Xu_03]

Metody lokalizacji źródeł wyższych harmonicznych

Zmodyfikowany schemat układu elektroenergetycznego ilustrujący udział Zmodyfikowany schemat układu elektroenergetycznego ilustrujący udział poszczególnych stron kontraktu w zaburzeniu prądu iposzczególnych stron kontraktu w zaburzeniu prądu in PWPn PWP powodowanym powodowanym

zjawiskiem generowania wyższych harmonicznych [Xu_00, Xu_03]zjawiskiem generowania wyższych harmonicznych [Xu_00, Xu_03]

W celu wyznaczenia udziału poszczególnych stron kontraktu w W celu wyznaczenia udziału poszczególnych stron kontraktu w ostatecznej wartości prądu ostatecznej wartości prądu IIn PWPn PWP w węźle PWP, dokonuje się w węźle PWP, dokonuje się zastąpienia modelu układu odpowiadającą mu modyfikacją w zastąpienia modelu układu odpowiadającą mu modyfikacją w oparciu o twierdzenie Nortona:oparciu o twierdzenie Nortona:

Wartość płynącego prądu w torze pomiędzy dostawcą oraz odbiorcą Wartość płynącego prądu w torze pomiędzy dostawcą oraz odbiorcą energii określa się zgodnie z zasadą superpozycji:energii określa się zgodnie z zasadą superpozycji:

Zastosowanie sztucznych sieci neuronowych w zagadnieniach związanych z oceną intensywności zaburzeń elektromagnetycznych

Wykorzystanie sztucznych sieci neuronowych do estymacji prądu płynącegoWykorzystanie sztucznych sieci neuronowych do estymacji prądu płynącegow obwodzie zasilającym odbiorcę nieliniowego [Maz_05]w obwodzie zasilającym odbiorcę nieliniowego [Maz_05]

Cel pracy badawczej

Za cel pracy badawczej przyjęto:Za cel pracy badawczej przyjęto:

opracowanie neuronowej metody estymacji wartości chwilowych napięcia w opracowanie neuronowej metody estymacji wartości chwilowych napięcia w węźle wspólnego przyłączenia odbiorców nieliniowych na potrzeby realizacji węźle wspólnego przyłączenia odbiorców nieliniowych na potrzeby realizacji

oceny jakości energii elektrycznej, determinowanej stopniem zaburzeń oceny jakości energii elektrycznej, determinowanej stopniem zaburzeń pochodzących od strony dostawcy energii elektrycznej oraz charakterem i pochodzących od strony dostawcy energii elektrycznej oraz charakterem i

intensywnością pracy wszystkich odbiorców zasilanych poniżej punktu PWP.intensywnością pracy wszystkich odbiorców zasilanych poniżej punktu PWP.

Metoda neuronowa estymacji napięcia w punkcie wspólnego przyłączenia

Idea wydzielania odbiorców na: pojedynczego odbiorcę oraz odbiorcę skupionego.Idea wydzielania odbiorców na: pojedynczego odbiorcę oraz odbiorcę skupionego.

Model sieci elektroenergetycznej zasilającej dwóch odbiorców nieliniowych Model sieci elektroenergetycznej zasilającej dwóch odbiorców nieliniowych oddziaływujących na jakość energii elektrycznej punkcie wspólnego przyłączenia PWP oddziaływujących na jakość energii elektrycznej punkcie wspólnego przyłączenia PWP

[oprac. wł.][oprac. wł.]

Model sieci elektroenergetycznej zasilającej odbiorniki nieliniowe ZModel sieci elektroenergetycznej zasilającej odbiorniki nieliniowe ZO1O1 i Z i ZO2O2 oraz oraz odbiornik nieliniowy Zodbiornik nieliniowy ZO0O0 znajdujący się powyżej punktu PWP [oprac. wł.] znajdujący się powyżej punktu PWP [oprac. wł.]


Widok neuronowej sieci jednokierunkowejWidok neuronowej sieci jednokierunkowejo architekturze 10–No architekturze 10–Nll–2 [oprac. wł.]–2 [oprac. wł.]

Zmiana wartości wskaźnika MSE Zmiana wartości wskaźnika MSE uuPWPPWP uzyskana dla sieci uzyskana dla sieci 10–N10–Nll–2 dla elementów zbiorów danych uczących oraz –2 dla elementów zbiorów danych uczących oraz testujących zarejestrowanych w układzie modelowym testujących zarejestrowanych w układzie modelowym

[oprac. wł.][oprac. wł.]


Przykładowe wyniki uzyskane podczas testowania sieci neuronowej Przykładowe wyniki uzyskane podczas testowania sieci neuronowej 10–10–210–10–2dla elementów zbioru testującego [oprac. wł.]dla elementów zbioru testującego [oprac. wł.]

Zmiana błędu estymacji Zmiana błędu estymacji uuPWPPWP wartości chwilowych napięcia u wartości chwilowych napięcia uPWPPWP dla sieci neuronowej dla sieci neuronowej 10–10–210–10–2

dla zbioru danych testowych zarejestrowanych w układach modelowych [oprac wł.]dla zbioru danych testowych zarejestrowanych w układach modelowych [oprac wł.]

^

Pomiar i akwizycja danych pomiarowych na potrzeby zastosowania neuronowejmetody estymacji napięcia

Schemat sieci dystrybucyjnej zasilającej piece indukcyjne zainstalowane w zakładzie Schemat sieci dystrybucyjnej zasilającej piece indukcyjne zainstalowane w zakładzie przemysłowym, odbiorniki trakcyjne PKP oraz odbiorców komunalno-bytowych, przemysłowym, odbiorniki trakcyjne PKP oraz odbiorców komunalno-bytowych,

niewielkie podmiotyniewielkie podmiotyusługowo-produkcyjne i administracyjno-biurowe [oprac. wł.]usługowo-produkcyjne i administracyjno-biurowe [oprac. wł.]

Pomiar i akwizycja danych pomiarowych na potrzeby zastosowania neuronowejmetody estymacji napięcia

Zastosowanie neuronowej metody estymacji napięcia w sieci dystrybucyjnejzasilającej odbiorniki nieliniowe

Uzyskany w wyniku realizacji prac pomiarowo-rejestracyjnych zbiór danych Uzyskany w wyniku realizacji prac pomiarowo-rejestracyjnych zbiór danych pomiarowych posłużył do wyodrębnienia zbioru danych uczących Xpomiarowych posłużył do wyodrębnienia zbioru danych uczących Xuczucz zawierającego następujące katalogi informacji:zawierającego następujące katalogi informacji: zbiór danych wejściowych zbiór danych wejściowych uczących:uczących:

zbiór danych wyjściowych zbiór danych wyjściowych uczących:uczących:

Uproszczony schemat prezentujący sposób uczenia neuronowegoUproszczony schemat prezentujący sposób uczenia neuronowegoestymatora napięcia w punkcie PWP [oprac. wł.] estymatora napięcia w punkcie PWP [oprac. wł.]


Wartości chwilowe napięć fazowych uWartości chwilowe napięć fazowych uPWP L1PWP L1÷÷uuPWP L3 PWP L3 [oprac. wł.] [oprac. wł.] Nr próbki

) U

L1

) UL2

)

UL3

V


Wyniki uzyskane dla rzeczywistego napięcia uWyniki uzyskane dla rzeczywistego napięcia uPWPPWP oraz napięcia oraz napięciaestymowanego uestymowanego uPWPPWP przez sieć neuronową 30–10–5–2 przez sieć neuronową 30–10–5–2

dla zbioru danych testowych [oprac. wł.]dla zbioru danych testowych [oprac. wł.]ˆ

Zjawisko przenikania wyższych harmonicznych prądu

Uproszczony jednofazowy schemat sieci Uproszczony jednofazowy schemat sieci elektroenergetycznej zasilającejelektroenergetycznej zasilającej

odbiorniki nielinioweodbiorniki nielinioweSchemat zastępczy układu określony dla składowej Schemat zastępczy układu określony dla składowej podstawowejpodstawowej

Uproszczony schemat zastępczy układu określony Uproszczony schemat zastępczy układu określony dla wyższych harmonicznychdla wyższych harmonicznych

Estymacja wyższych harmonicznych prądu nieliniowego odbiorcy skupionego w przypadku wirtualnego wyłączenia sąsiedniego odbiorcy nieliniowego

Uwzględnienie zmian intensywności zaburzeń elektromagnetycznych Uwzględnienie zmian intensywności zaburzeń elektromagnetycznych zawartychzawartychw prądzie iw prądzie iO2O2 pochodzących od wyłączanego w sposób wirtualny pochodzących od wyłączanego w sposób wirtualny analizowanego odbiorcy zostało zrealizowane również z wykorzystaniem sieci analizowanego odbiorcy zostało zrealizowane również z wykorzystaniem sieci neuronowych.neuronowych.

Uproszczony schemat prezentujący sposób uczenia neuronowego estymatora Uproszczony schemat prezentujący sposób uczenia neuronowego estymatora widma wyższych harmonicznych odkształconego prądu iwidma wyższych harmonicznych odkształconego prądu iO2O2 [oprac. wł.] [oprac. wł.]

Dokonano wyboru następujących elementów będących zbiorem danych Dokonano wyboru następujących elementów będących zbiorem danych uczących:uczących:


Wartości chwilowe prądów iWartości chwilowe prądów iO2 L1O2 L1÷÷iiO2 L3O2 L3 [oprac. wł.] [oprac. wł.]

) I

O2

L1

) IO

2 L2

)

I O2

L3

A

Nr próbki


Wyniki uzyskane dla rzeczywistego prądu iWyniki uzyskane dla rzeczywistego prądu iO2O2 oraz prądu oraz prąduestymowanego iestymowanego iO2O2 przez sieć neuronową 24–12–6–2 przez sieć neuronową 24–12–6–2


Ocena jakości energii elektrycznej w węźle PWP podczas wirtualnego wyłączeniaodbiorcy nieliniowego

Estymacja napięcia w węźle PWP podczas wirtualnego wyłączenia odbiorcy nieliniowego Estymacja napięcia w węźle PWP podczas wirtualnego wyłączenia odbiorcy nieliniowego ZZO1O1,,

połączona z jednoczesną oceną jakości energii elektrycznej w stanie wirtualnegopołączona z jednoczesną oceną jakości energii elektrycznej w stanie wirtualnegowyłączenia oraz w stanie rzeczywistej pracy odbiorcy przemysłowego Zwyłączenia oraz w stanie rzeczywistej pracy odbiorcy przemysłowego ZO1O1 [oprac. wł.] [oprac. wł.]


Wyniki uzyskane dla rzeczywistego napięcia uWyniki uzyskane dla rzeczywistego napięcia uPWPPWP oraz oraznapięcia estymowanego unapięcia estymowanego uPWPPWP przez sieć neuronową przez sieć neuronową


Wnioski

opracowana neuronowa metoda estymacji napięcia pozwala na określenie opracowana neuronowa metoda estymacji napięcia pozwala na określenie wartości wartości chwilowych napięcia w analizowanym węźle sieci chwilowych napięcia w analizowanym węźle sieci elektroenergetycznej w zależności od elektroenergetycznej w zależności od charakteru oraz intensywności pracy charakteru oraz intensywności pracy analizowanego odbiorcy, tzw. odbiorcy analizowanego odbiorcy, tzw. odbiorcy skupionego oraz pracy samego skupionego oraz pracy samego systemu elektroenergetycznego;systemu elektroenergetycznego; wykazano, iż maksymalny błąd względny uzyskany podczas wyznaczania wykazano, iż maksymalny błąd względny uzyskany podczas wyznaczania wartości wartości estymowanej napięcia chwilowego ûestymowanej napięcia chwilowego ûPWPPWP nie przekracza 3,5 %, nie przekracza 3,5 %, natomiast uzyskana natomiast uzyskana dokładność podczas określania wartości dokładność podczas określania wartości poszczególnych parametrów opisujących poszczególnych parametrów opisujących jakość energii elektrycznej jest jakość energii elektrycznej jest istotnie lepsza, np. dla wskaźnika THD ûistotnie lepsza, np. dla wskaźnika THD ûPWPPWP wartość wartość błędu bezwzględnego błędu bezwzględnego wyniosła 0,15 %;wyniosła 0,15 %; dysponowanie wartościami chwilowymi napięć w analizowanym węźle dysponowanie wartościami chwilowymi napięć w analizowanym węźle pozwala na pozwala na przeprowadzenie kompleksowej oceny jakości energii przeprowadzenie kompleksowej oceny jakości energii elektrycznej w zależności od elektrycznej w zależności od charakteru pracy danego odbiorcy charakteru pracy danego odbiorcy nieliniowego;nieliniowego; zastosowanie opisanej metody w rzeczywistych układach zastosowanie opisanej metody w rzeczywistych układach elektroenergetycznych elektroenergetycznych pozwala na określenie stopnia odkształcenia napięcia pozwala na określenie stopnia odkształcenia napięcia w PWP oraz pozostałych w PWP oraz pozostałych wskaźników opisujących jakość energii wskaźników opisujących jakość energii elektrycznej (stopień asymetrii, wahania elektrycznej (stopień asymetrii, wahania napięcia, etc.) podczas tzw. napięcia, etc.) podczas tzw. wirtualnego wyłączenia analizowanego odbiorcy wirtualnego wyłączenia analizowanego odbiorcy nieliniowego, co nieliniowego, co prowadzi do wyznaczenia jego indywidualnego wpływu w całkowitej prowadzi do wyznaczenia jego indywidualnego wpływu w całkowitej degradacji napięcia w analizowanym węźle systemu elektroenergetycznego.degradacji napięcia w analizowanym węźle systemu elektroenergetycznego.

Dziękuję za uwagęDziękuję za uwagę

Kraków, 16 grudnia 2010 r.

Documents

Transcript of Kraków, 16 grudnia 2010 r.