master's thesis
Jovica Perevski (Author), Urban Rudež (Mentor)

Abstract

Stability problems are inherent to power systems due to their nonlinear and dynamic nature. Adding to that dynamics is the unavoidable and constant development of power systems to satisfy the increased need for electricity. Furthermore, the rapid progress in the transition to renewable energy, the modernization of power systems and the progress in the technologies involved, certainly adds to the issue. It is clearly evident that we are quickly outgrowing our present power system and its capabilities. The final result is a power system, exploited at its limits, very much susceptible to stability issues. Small-signal stability problems - the topic of interest in this thesis, are observable when one generator, or a group of generators, tend to swing relative to each other. Left unchecked, without adequate countermeasures, these oscillations may increase and further worsen the system stability, potentially ending in a wide system blackout. Offline modal analysis has proven itself as a great approach to study poorly damped oscillations appearing due to small disturbances. Moreover, modal analysis provides important information on the small signal dynamics of the system as a whole. On the other hand, real time mode estimation methods, made possible with the addition of phasor measurement units, are able to estimate the mode of oscillation from actual system measurements, but lack the information abundance which modal analysis offers. The scope of this thesis provides a method utilizing principal components analysis, capable of linking the real time estimated mode with a mode from an offline simulation, consequently adding valuable information to the real time method in question. The key steps of the proposed method are as follows. Principal components analysis is used on a large database of mode shapes, obtained by offline modal analysis of various power system scenarios. Following is the estimation of the mode shape of an actual power system oscillation using spectral analysis. More correctly, the mode shape magnitude and mode shape phase are determined using the power spectral density and the cross power spectral density of the measurements. The obtained mode shape is compared with the database using the calculated principal components from the first step. The objective is to distinguish one or several modes from the database which show similarities with the estimated mode. The method is evaluated on the New England 39 bus test system. Five scenarios are used to create the database. Small-signal disturbances are applied to each scenario to provide the ambient oscillations. The results show that the proposed method is an effective tool in finding similar modes. With only one dominant mode present, it recognizes that the oscillation comes from a scenario in the database where the online simulation is conducted. When analyzing an oscillation where two dominant modes are present, it appears that the method falls short in the same task. However, it manages to provide a set of similar modes on which we can make our educated assumptions and base our further analysis.

Keywords

small-signal stability;principal components analysis;spectral analysis;power system oscillations;modal analysis;mode shape;

Data

Language: English
Year of publishing:
Typology: 2.09 - Master's Thesis
Organization: UL FE - Faculty of Electrical Engineering
Publisher: [J. Perevski]
UDC: 621.31(043.2)
COBISS: 127119619 Link will open in a new window
Views: 29
Downloads: 13
Average score: 0 (0 votes)
Metadata: JSON JSON-RDF JSON-LD TURTLE N-TRIPLES XML RDFA MICRODATA DC-XML DC-RDF RDF

Other data

Secondary language: Slovenian
Secondary title: Identifikacija elektromehanskih nihanj v elektroenergetskih sistemih v realnem času z uporabo analize glavnih komponent
Secondary abstract: Težave s stabilnostjo so inherentne za elektroenergetske sisteme zaradi njihove nelinearne in dinamične narave. K tej dinamiki prispeva neizogibni in stalni razvoj elektroenergetskih sistemov, da bi zadovoljili vse večje potrebe po električni energiji. Poleg tega k temu zagotovo prispeva tudi hiter prehod na obnovljive vire energije, modernizacija elektroenergetskih sistemov in vključevanje naprednih tehnologij. S tem pa hitro preraščamo sedanji elektroenergetski sistem in njegove zmogljivosti. Končni rezultat je elektroenergetski sistem, ki je izkoriščen do skrajnih meja in s tem zelo dovzeten za težave s stabilnostjo. Izzivi stabilnosti pri majhnih motnjah, ki so predmet te disertacije, so opazni, kadar generator ali skupina njih niha relativno drug na drugega. Nenadzorjevanje teh nihanj, brez ustreznih protiukrepov, vodi do njihovega povečanja in posledično poslabšanje stabilnosti sistema, kar lahko privede do razpada celotnega sistema. Modalna analiza se je izkazala kot odličen pristop za preučevanje slabo dušenih nihanj, ki se pojavljajo zaradi majhnih motenj. Poleg tega, modalna analiza zagotavlja pomembne informacije o dinamiki v okviru celotnega sistema. Po drugi strani pa, metode ocenjevanja stanja nihanj v realnem času, ki potrebujejo meritve fazorjev, omogočajo oceno nihanja iz dejanskih meritev sistema, vendar z obilico informacij manj kot jih pridobimo z modalno analizo. Obseg te disertacije ponuja metodo, ki uporablja analizo glavnih komponent in lahko poveže analizo v realnem času z simulacijo, kar posledično doda koristne informacije k metodi ocenjevanja stanja nihanj v realnem času. Modalna analiza (analiza v frekvenčni domeni) se že vrsto let uporablja kot orodje za ocenjevanje stabilnosti elektroenergetskih sistemov pri majhnih motnjah. Metoda je povsem matematična in je sestavljena iz linearizacije diferencialnih enačb, ki definirajo elektroenergetski sistem, in reševanja njegovih lastnih vrednosti in lastnih vektorjev (levega, imenovanega vodljivost načina, in desnega, imenovanega spoznavnost načina), ki zagotavljajo obilico informacij o dinamiki sistema. Ena težava pri modalni analizi je povezana z obnašanjem elektroenergetskih sistemov v realnem času. Ker se razmere nenehno spreminjajo, ne moremo domnevati, da matematični model tega sistema ostaja enak. Tako izvedena modalna analiza ne more zajeti dinamike razvijajočega se sistema. Pojav fazorskih merilnih enot je privedel do možnosti ocenjevanja načina v realnem času. Prvič, z obravnavanimi metodami je bilo mogoče oceniti frekvenco in dušenje nihanja, kar je bil velik korak naprej pri ocenjevanju stabilnosti v realnem času. V zadnjem času se poleg realno-časovne ocene frekvence in dušenja načina, veliko zanimanja posveča oceni spoznavnosti načina. Natančna ocena spoznavnosti načina lahko pomaga pri ublažitvi nihanja elektroenergetskega sistema z zagotavljanjem informacij za izvajanje ustreznih nadzornih ukrepov. Poznavanje spoznavnosti načina skupaj s frekvenco in dušenjem nihanj je dobra osnova za oceno stabilnosti za majhne motnje. Ključni koraki predlagane metode v tej disertaciji so naslednji. Analiza glavnih komponent se opravi na veliki bazi podatkov stanja, pridobljenih z modalno analizo za različne scenarije elektroenergetskega sistema. Sledi ocena stanja dejanskega nihanja elektroenergetskega sistema z uporabo spektralne analize. Natančneje, velikost spoznavnosti načina in faza spoznavnosti načina se določita z uporabo spektralne gostote moči in vmesne spektralne gostote moči meritev. Dobljena spoznavnost načina se primerja s podatkovno bazo iz prvega koraka s pomočjo izračunanih glavnih komponent. Cilj je prepoznati enega ali več načinov iz podatkovne baze, ki so podobni dejanskemu sistemu. Metoda je bila preizkušena na 39 vozliščnem preizkusnem sistemu. Podatkovna baza je bila pridobljena iz petih različnih scenarijev sistema. V vsakem scenariju je bila prisotna majhna motnja, da se zagotovi dejanska nihanja. Magistrsko delo pa je organizirano na naslednji način. Najprej predstavimo teoretično ozadje stabilnosti elektroenergetskega sistema. Poudarek je na kotni stabilnosti, in sicer na stabilnosti za majhne motnje in modalni analizi. Začnemo s splošnim fizikalnim ozadjem stabilnosti elektroenergetskega sistema, nato pa se obrnemo na nihajno enačbo, iz katere izpeljemo, kako pride do oscilacij rotorja. Poglavje zaključujemo s tem kako poteka modalna analiza in kako pomaga pri oceni stabilnosti elektroenergetskega sistema. Drugič, predlagamo našo metodo za oceno stabilnosti za majhne motnje in jo razdelimo na dva dela. Prvi prikazuje metodo ocenjevanja spoznavnosti načina, ki temelji na spektralni gostoti moči in vmesne spektralne gostote moči ambientalnih meritev. Zagotavljamo tudi teoretično ozadje spektralne analize in kako nam pomaga, da lahko pridemo do spoznavnosti načina iz ambientalnih meritev. Drugi del je namenjen analizi glavnih komponent. Posredujemo teorijo za analizo glavnih komponent in kako se uporablja kot tehnika zmanjševanja dimenzij. Predstavljamo grafični uporabniški vmesnik narejen v programskem okolju Matlab, ki prikazuje kako se PCA uporablja pri prepoznavanju podobnih načinov iz baze podatkov. Nazadnje izvajamo simulacije na testnem 39 vozliščnem sistemu, iz katerega pridobimo meritve in nadaljujemo s testiranjem veljavnosti metode. Rezultati kažejo, da je predlagana metoda učinkovito orodje za iskanje podobnih nihanj. Ob prisotnosti le enega prevladujočega načina metoda prepozna, da nihanje izvira iz scenarija v podatkovni bazi, kjer se izvaja dejanska analiza. Pri analizi nihanja, kjer sta prisotna dva ali več prevladujočih načinov se zdi, da je metoda pri isti nalogi pomanjkljiva. Kljub temu ji uspe zagotoviti niz podobnih načinov, na podlagi katerih lahko oblikujemo svoje utemeljene domneve in utemeljimo nadaljnjo analizo.
Secondary keywords: stabilnost za majhne motnje;analiza glavnih komponent;spektralna analiza;oscilacije;modalna analiza;spoznavnost načina;magisteriji;
Type (COBISS): Master's thesis/paper
Study programme: 1000316
Embargo end date (OpenAIRE): 1970-01-01
Thesis comment: Univ. v Ljubljani, Fak. za elektrotehniko
Pages: XXII, 93 str.
ID: 16800867