Paralelización de estimación de estado usando cómputo en paralelo basado en unidades de procesamiento gráfico

Abstract

The continuous monitoring of the electrical system aims to ensure its safe and operational state. The operating conditions of an electrical system can be known through its network model and the magnitude of voltage and angle at each node of the system. State estimation is a mathematical tool by which the voltage magnitude and angle at each node of an electrical system is obtained from existing measurements and the system topology. The results obtained from the state estimation are used in other studies, of great importance for the monitoring and operation of the electrical system, such as: optimal power flows, contingency analysis, safety studies, among others. Traditionally, measurements in a power system were only obtained through the Data Acquisition Supervision and Control System (SCADA); Later, Phasor Measurement Units (PMUs) began to be used. The cost associated with the use of PMUs has led to the search for new ways to include PMU measurements in the state estimation process. The state estimator presented in this work consists of two stages: in a first stage, the conventional formulation by weighted least squares is used and finally in the second stage, the estimation process is carried out again with the PMU measurements and the vector of estimated state result of the first stage. The execution time of the two-stage state estimation algorithm is optimized through the use of Parallel Computing Based on Graphic Processing Units (GPUs).

El monitoreo continuo del sistema eléctrico tiene como objetivo garantizar el estado operativo y seguro del mismo. Las condiciones operativas de un sistema eléctrico se pueden conocer a través de su modelo de red y la magnitud y ángulo de voltaje en cada nodo del sistema. La estimación de estado es una herramienta matemática mediante la cual se obtiene la magnitud de voltaje y el ángulo en cada nodo de un sistema eléctrico a partir de mediciones existentes y la topología del sistema. Los resultados obtenidos de la estimación de estado se utilizan en otros estudios, de suma importancia para el monitoreo y operación del sistema eléctrico, tales como: flujos óptimos de potencia, análisis de contingencias, estudios de seguridad, entre otros. Tradicionalmente, las mediciones en un sistema eléctrico, se obtenían únicamente a través del Sistema de Supervisión y Control de Adquisición de Datos (SCADA, por sus siglas en inglés); posteriormente se comenzaron a utilizar las Unidades de Medición Fasorial (PMUs, por sus siglas en inglés). El costo asociado al uso de las PMUs ha llevado a buscar nuevas formas para incluir las mediciones PMU en el proceso de estimación de estado. El estimador de estado utilizado en este trabajo consta de dos etapas: en una primera etapa, se utiliza la formulación convencional por mínimos cuadrados ponderados y en la segunda, se lleva a cabo nuevamente el proceso de estimación con las mediciones PMU y el vector de estado estimado resultado de la primera etapa. El tiempo de ejecución del algoritmo de estimación de estado de dos etapas es optimizado a través del uso de Cómputo en Paralelo Basado en Unidades de Procesamiento Gráfico (GPUs por sus siglas en inglés).