استاد راهنما
 

دکتر مریم دهقانی
 

شهریور 1392
 

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

چکیده
ارزیابی پایداری گذرای سیستم های قدرت با بهره گرفتن از داده های واحدهای اندازه گیری فازور
 
به کوشش
هانیه محمدی
 
ارزیابی سریع امنیت در شبکه های قدرت در شرایط اضطراری و بروز خطاهای مختلف، امری حیاتی برای جلوگیری از فروپاشی و ایجاد قطعی های سراسری می باشد. لذا، ارزیابی به هنگام امنیت در شبکه قدرت می تواند کنترل پیشگیرانه و موثری درجهت کارکرد مطمئن و کارآمد شبکه های برق در سراسر جهان داشته باشد.
در این مطالعه، انواع مختلف امنیت اعم از امنیت استاتیک و امنیت دینامیک بررسی گردیده است. در مطالعات استاتیک، رفتار سیستم در حالت دائمی مورد بررسی قرار می گیرد و با یک سری پیش بین وضعیت امنیت در شبکه قدرت بررسی گردیده است. از آنجا که حجم این اطلاعات دریافتی از شبکه های قدرت بزرگ بسیار زیاد می گردد، با ارائه روش های مختلف انتخاب ویژگی مانند آنالیز همبستگی و یا استخراج ویژگی مانند آنالیز اجزای اصلی در پی کاهش حجم اطلاعات تا حد امکان هستیم. داده های کاهش یافته به عنوان ورودی به شبکه های هوشمند همچون درخت تصمیم گیری داده می شوند و ارزیابی وضعیت امنیت از روی این درخت های آموزش دیده ی بهینه صورت می گیرد.
در ارزیابی امنیت دینامیک پس از ایجاد شرایط کاری مختلف، رفتار سیستم با بهره گرفتن از داده های دریافتی از PMU ها بررسی می گردد. این داده های دریافتی در حوزه ی زمان و فرکانس پردازش داده می شوند و به عنوان ورودی به تکنیک های هوشمند مانند درخت تصمیم گیری و بردار ماشین های پشتیبان داده می شوند تا امنیت دینامیکی شبکه قدرت بررسی گردد. در این رویکرد نیز تاثیر روش های کاهش داده همچون PCA، برای ایجاد SVM و DT های بهینه و کارآمد، بررسی شده است. علاوه براین، ایده ای برای جایابی PMU با رویکرد رویت پذیری شبکه و همچنین ارزیابی امنیت دینامیک در شبکه های قدرت با بهره گرفتن از درخت تصمیم گیری و بردار ماشین های محافظ ارائه شده است. بدین صورت که با وارد کردن اطلاعات هر باس بار به صورت تک تک و یا خارج نمودن اطلاعات آن باس بار از اطلاعات موجود شبکه و بررسی تغییر خطای پیش بینی دسته کننده های نامبرده، مهمترین باس ها برای ارزیابی امنیت دینامیک شبکه انتخاب می شوند. روش های ارائه شده بر روی شبکه ی نمونه 39 باسه و شبکه عملی بخشی از ایران پیاده سازی شده و نتایج ارائه گردیده است.
کلید واژه: واحد اندازه گیری فازور، درخت تصمیم گیری، بردار ماشین های پشتیبان، پایداری استاتیک،
پایداری دینامیک
 

فهرست مطالب
عنوان                                                                                                     صفحه
فصل اول: مقدمه
1-1-بیان مسئله. 2
1-2 پیشینه ی تحقیق. 3
1-2-1 روش های کلاسیک: 4
1- 2 –2 روش های نوین با بهره گرفتن از داده های PMU 5
1-3 هدف تحقیق. 8
1-4 اهمیت تحقیق. 9
1-5 فصل های پایان نامه. 10
فصل دوم : انواع مسائل پایداری
2- انواع مسائل پایداری. 13
2-1 ملاک های دسته بندی پایداری. 13
2-2 تعریف پایداری استاتیک و دینامیک 13
2-2-1 پایداری استاتیکی (ماندگار) 13
2-2-2 پایداری دینامیکی (گذرا) 14
2-3 انواع مسائل پایداری. 14
2-3-1 پایداری زاویه ای روتور 14
2-3-2 پایداری ولتاژ 16
2-3-3 پایداری فرکانس. 17
فصل سوم: ارزیابی امنیت استاتیک ولتاژ
3-1 بیان مسئله. 21
3-1-1جمع آوری داده های مورد نیاز برای ارزیابی امنیت استاتیک با بهره گرفتن از داده های PMU 22
3-2 معرفی و آموزش درخت تصمیم گیری : 24
3-2-1 درخت تصمیم گیری: 25
عنوان                                                                                                              صفحه
3-2-2 طراحی و آموزش درخت تصمیم گیری برای ارزیابی امنیت استاتیک ولتاژ 27
3-3 بررسی روش های کاهش حجم داده 28
3-3-1روش های مبتنی بر استخراج ویژگی 29
3-3-1روش  Principal Component analysis یا PCA 30
الگوریتم  PCA 32
3-3-2 روش انتخاب ویژگی با بهره گرفتن از آنالیز همبستگی 35
3-4 الگوریتم پیشنهادی جهت ارزیابی سریع امنیت ولتاژ در سیستم های قدرت 36
3-4-1 فلوچارت الگوریتم ارزیابی امنیت استاتیک با بهره گرفتن از داده های دریافتی از PMU ها 40
3-5 جمع بندی. 41
فصل 4:ارزیابی امنیت دینامیک در شبکه های قدرت
4-بیان مسئله. 43
4-1  جمع آوری داده برای ارزیابی امنیت دینامیک شبکه قدرت 43
4-2- معرفی شاخص‌های تصمیم‌گیری. 43
4-2-1- سیگنال‌های COI 44
4-2-2- ویژگی‌ها در حوزه زمان. 45
4-2-3- محاسبه سریع WASI در حوزه فرکانس. 47
4-2-4-شاخص Categorical 49
4-3 بردار ماشین های پشتیبان. 50
4-3-1 ساختار بردار ماشین های پشتیبان(SVM). 51
4-3-2 طراحی و آموزش بردار ماشین های پشتیبان برای ارزیابی امنیت دینامیک سیستم. 55
4-4- طراحی و آموزش درخت تصمیم گیری برای ارزیابی امنیت دینامیک سیستم. 56
4-5 جایابی بهینه PMU ها با رویکرد ارزیابی امنیت دینامیک و با بهره گرفتن از تکنیک های هوشمند. 56
      4-5-1 معرفی تکنیک گام به جلو برای جایابی PMU در شبکه قدرت 57
4-5-2 معرفی تکنیک گام به عقب برای جایابی PMU در شبکه قدرت 58
4-6 بررسی روش کاهش حجم داده (PCA) در ارزیابی امنیت دینامیک سیستم قدرت 58
عنوان                                                                                                              صفحه
فصل 5: نتایج شبیه سازی
5-1- معرفی شبکه های مورد مطالعه. 61
5-2- معرفی نرم‌افزار شبیه‌ساز DIgSILENT. 62
5-3 مطالعات استاتیک ولتاژ در شبکه قدرت نمونه 39-باسه. 62
5-3-1 طراحی درختان تصمیم گیری محلی برای شبکه 39-باسه. 63
5-3-2 آموز ش درخت تصمیم گیری کلی برای شبکه 39-باسه با بهره گرفتن از تکنیک های کاهش بعد. 64
پیش بین ها 65
5-3-3 آموزش درخت تصمیم گیری کلی برای قسمتی از ایران  با بهره گرفتن از تکنیک های کاهش حجم داده 68
فصل 5-4 مطالعات دینامیک شبکه 39 باسه نمونه. 72
5-4-1 محاسبه شاخص ها : 72
5-4-2 طراحی و آموزش درخت تصمیم گیری برای ارزیابی امنیت دینامیک در شبکه 39 باسه. 73
5-4-3 طراحی و آموزش بردار ماشین های پشتیبان برای ارزیابی امنیت دینامیک در شبکه 39 باسه. 77
5-5 استفاده از روش کاهش حجم داده (PCA) در ارزیابی امنیت شبکه 39 باسه. 81
5-5-1 استفاده از PCA و DT برای ارزیابی امنیت دینامیک شبکه 39 باسه. 81
5-5-2 استفاده از PCA و SVM برای ارزیابی امنیت دینامیک شبکه 39 باسه. 83
5-5-3 تاثیر PCA در کاهش اثر نویز در داده های دریافتی از PMU ها 84
5-6- جایابی PMU با رویکرد ارزیابی امنیت دینامیک و با بهره گرفتن از تکنیک های هوشمند DT و SVM 85
5-6-1 جایابی PMU با بهره گرفتن از تکنیک گام به جلو و درخت تصمیم گیری 86
5-6-2 جایابی PMU با بهره گرفتن از تکنیک گام به جلو و SVM. 88
5-6-3جایابی PMU با بهره گرفتن از تکنیک گام به عقب و SVM. 89
5-6-4جایابی PMU با بهره گرفتن از تکنیک گام به عقب و DT 90
5-7 ارزیابی امنیت دینامیک شبکه واقعی جنوب ایران. 93
5-8- جمع بندی. 94
عنوان                                                                                                              صفحه
فصل6: نتیجه گیری و پیشنهادات
6-1 نتیجه گیری. 96
6-2- پیشنهادات 97
فهرست مراجع. 98
 

فهرست شکل ها
عنوان                                                                                                                صفحه
شکل (2-1) انتقال توان از ژنراتور به روتور. 15
شکل (2-2)-دسته بندی انواع مسائل پایداری شبکه قدرت 19
شکل (3-1) فلو چارت رویه دسته بندی سیستم به 4 گروه. 24
شکل (3-2) نمونه ای از یک درخت تصمیم گیری ساده. 25
شکل (3-3) نحوه ی آموزش درخت تصمیم گیری 28
شکل (3-4) انتخاب محورهای جدید برای داده های دو بعدی[56] 30
شکل(3-5) داده های نمونه برای اعمال روش  .[53] PCA 32
شکل (3-6) داده های نرمالسازی شده به همراه بردار ویژه ی ماتریس کواریانس [53] 33
جدول (3-2) داده های بدست آمده از تبدیل PCA  با انتخاب مهمترین بردار ویژه[53] 34
شکل (3-7) 34
شکل (3-7) داده های بازیابی شده پس از تبدیل PCA با انتخاب بزرگترین بردار ویزه[53]. 35
شکل (3-8) دیاگرام الگوریتم آموزش چند سطحی درخت تصمیم گیری برای ارزیابی امنیت استاتیک. 39
شکل (3-9). فلوچارت الگوریتم پیشنهادی برای ارزیابی سریع امنیت. 40
شکل (4-1) محاسبه شاخص WASI در حوزه زمان[18]. 48
شکل ( 4-2) نحوه ی دسته بندی غیر خطی SVM که بردار ورودی را با بهره گرفتن از توابع کرنل به یک فضای بالاتر تصویر می کند]41[ 52
شکل (4-3 )  نحوه ی دسته بندی داده ها به دو گروه مجزا و یافتن بهترین مرز تصمیم گیری ]62[ 52
شکل (4-4 ) خطای دسته بندی  و نمایش مقدار آن با بهره گرفتن از متغیرهای  ]62[ 53
شکل (4-5) استفاده از تبدیل برای تصویر داده ها به یک فضا با بعد بالاتر]62[ 54
شکل(4-6) ورودی و خروجی بردار ماشین های پشتیبان 55
شکل (4-7) رویه انتخاب باس های مناسب جهت نصب PMU با تکنیک گام به جلو. 58
شکل (4-8) رویه انتخاب باس های مناسب جهت نصب PMU با تکنیک گام به عقب. 58
شکل (4-9) رویه ارائه شده برای ارزیابی امنیت دینامیک با اعمال PCA و استفاده از روش های دسته بندی SVM وDT 59
شکل (5-1)  دیاگرام تک خطی شبکه 39 باسه انگلیسی 61
شکل( 5-2) دیاگرام تک خطی شبکه عملی کنگان و عسلویه. 61
شکل (5-3) نحوه ی تقسم بندی شبکه 39-باسه به 5 ناحیه]67[ 63
شکل (5-4) منحنی بارهای ایجاد شده برای 5 ناحیه با تغییر در اسکیل بارهای هر ناحیه. 63
شکل (5-5) دسته بندی شاخه ها در دسته های مختلف با میانگین پایداری یکسان 67
شکل (5-6) منحنی بار شبکه کنگان و عسلویه در طول سال برای چندین بار نمونه. 69
شکل (5-7) درخت آموزش دیده برای شبکه کنگان و عسلویه با بهره گرفتن از PCA 71
شکل(5-8)درخت آموزش دیده برای شبکه کنگان و عسلویه بدون استفاده از PCA 71
مجموعه های مشخص شده در شکل (5-7) به صورت زیر است: 72
شکل(5-9) نمونه ای از درخت آموزش داده شده با بهره گرفتن از تمامی پیش بین ها 74
شکل(5-10) نمونه ای از دسته کننده SVM با بهره گرفتن از پیش بین های PostFltAngle_4 و PostFltAngle_5 وکرنل خطی 78
شکل(5-11) نمونه ای از دسته کننده SVM با بهره گرفتن از پیش بین های PostFltAngle_1 و PostFltAngle_2و کرنل RBF. 79
شکل(5-12) نمونه ای از دسته کننده SVM با بهره گرفتن از پیش بین های Min-voltage-1s_4 و Min-voltage-1s_5و کرنل RBF. 79
شکل(5-13) نمونه ای از دسته کننده SVM با بهره گرفتن از پیش بین های Norm1_4 و Norm1_5 و کرنل RBF. 80
شکل(5-14) نمونه ای از دسته کننده SVM با بهره گرفتن از پیش بین های FastWASI_Area5_1s و  FastWASI_Area2_1s  و کرنل RBF. 80
شکل(5-15) تعداد بعد کاهش داده شده در هر مرحله بر حسب k امین دقت مورد نظر. 82
شکل (5-16) مقایسه خطای آموزش و آزمایش درخت تصمیم گیری با بهره گرفتن از PCA و با در نظر گرفتن 11 دقت مختلف 83
شکل (5-17) مقایسه خطای آزمایش SVM با بهره گرفتن از PCA و با در نظر گرفتن 11 دقت مختلف 83
شکل(5-18) گزینه های نصب PMU در نواحی منسجم شبکه 39 باسه انگلیسی به روش کلاسیک]43[ 85

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جدول ها
عنوان                                                                                                                      صفحه
جدول( 3-1 )پیش بین های مورد استفاده در ارزیابی امنیت استاتیک. 23
جدول( 4-1) پیش بین های ارزیابی امنیت دینامیک در حوزه زمان و فرکانس. 49
جدول(5-1)آموز ش درخت تصمیم گیری محلی برای 5 ناحیه شبکه 39- باسه با بهره گرفتن از پیش بین های مختلف  برحسب درصد خطا 65
جدول (5-2) عملکرد DT آموزش دیده برای شبکه 39 باسه برای مجموعه داده آزمایش 1. 68
جدول (5-3) عملکرد DT آموزش دیده برای شبکه 39 باسه برای مجموعه داده آزمایش 2. 68
جدول (5-4) عملکرد DT آموزش دیده برای شبکه کنگان و عسلویه. 70
جدول (5-5) عملکرد DT های آموزش دیده برای شبکه ی 39- باسه بر حسب درصد خطا 74
جدول (5-6) شاخص‌های تصمیم‌گیری امنیت سیستم قدرت 39 باسه. 75
جدول (5-7) عملکرد SVM برنامه ریزی شده برای ارزیابی امنیت دینامیک شبکه 39 باسه برحسب درصد خطا با بهره گرفتن از تابع کرنل RBF. 77
جدول (5-8) عملکرد SVM برنامه ریزی شده برای ارزیابی امنیت دینامیک شبکه 39 باسه برحسب درصد خطا با بهره گرفتن از تابع کرنل خطی 78
جدول (5-9) عملکرد DT های آموزش دیده برای شبکه 39 باسه با بهره گرفتن از تکنیک PCA بر حسب درصد خطای آموزش و آزمایش. 82
جدول (5-10) عملکرد SVM های آموزش دیده برای شبکه 39 باسه با بهره گرفتن از تکنیک PCA بر حسب درصد خطای آزمایش. 84
جدول (5-11) میانگین خطای آموزش  SVM با داده های آغشته به نویز. 84
جدول (5-12) مجموعه جواب های بهینه نصب PMU در شبکه 39 باسه. 86
جدول(5-13)میانگین خطای دسته بندی DT ها  به ازای 5 سری داده ی آزمایش و آموزش برای 39 باس موجود در سیستم. 87
جدول (5-14) باس بارهای منتخب در روش گام به جلو  با بهره گرفتن از DT و مقایسه آنها با باس بارهای کاندید برای نصب PMU به روش کلاسیک. 87
جدول(5-15) میانگین خطای دسته بندی SVM به ازای ده سری داده ی آزمایش و آموزش تصادفی  برای 39 باس موجود در سیستم. 88
جدول (5-16) باس بارهای منتخب در روش گام به جلو  با بهره گرفتن از SVM و مقایسه آنها با باس بارهای کاندید برای نصب PMU به روش کلاسیک و روش گام به جلو با DT 89
جدول(5-17) میانگین خطای دسته بندی SVM به ازای ده سری داده ی آزمایش و آموزش تصادفی  برای 39 باس موجود در سیستم. 89
جدول (5-18) باس بارهای منتخب در روش گام به عقب با بهره گرفتن از SVM و مقایسه آنها با باس بارهای کاندید برای نصب PMU به روش کلاسیک و روش های گام به جلو. 90
جدول(5-19) میانگین خطای دسته بندی DT به ازای چند سری داده ی آزمایش و آموزش تصادفی  برای 39 باس موجود در سیستم. 91
جدول (5-20) باس بارهای منتخب در روش گام به عقب  با بهره گرفتن از DT و مقایسه آنها با باس بارهای کاندید برای نصب PMU به روش کلاسیک و روش های گام به جلو و گام به عقب با SVM. 92