Σχεδίαση συστημάτων ανίχνευσης αστάθειας τάσεως και προστασίας από κατάρρευση

Abstract

The scope of this thesis is the design and development of on-line voltage instability detection systems and protection schemes against voltage collapse.For this purpose, the Local Identification of Voltage Emergency Situations (LIVES) method is utilized. This method relies on monitoring of secondary controlled voltage of bulk power delivery transformers equipped with Load Tap Changer (LTC) in order to detect instability. LIVES is incorporated in a simple detection system which can be used either for stability monitoring only, or as a part of a System Protection Scheme (SPS) against voltage collapse. All SPS designed in the framework of this thesis are local, closed-loop systems.The first SPS designed is based in emergency tap control, after the detection of instability and up to the point where stability is restored. The emergency control is based on the reverse operation of LTC in favor of transmission voltage. Furthermore, this SPS is equipped with a module for restoring LTC control range in case a hard tap limit is reached and thus restoring the operability of the SPS, which is based on active LTCs.The second SPS is a variation of the previous one, with the additional function of direct load shedding from the respective substation when an instability alarm is issued and the transmission or the distribution side voltage is below predefined thresholds. The direct load shedding is inevitable in case the loads are self-restored with dynamics other than LTCs.The third SPS applies a pre-specified percentage of firm load shedding from the distribution substation where the instability is detected by the LIVES detection system. The LIVES method is then extended into a New LIVES Index (NLI), suitable for any transmission bus feeding a weak area, regardless if the bus is controlled by LTC or not. The NLI can be easily computed using voltage and current phasor measurements from PMUs. All detection and protection schemes are modeled and incorporated into the WPSTAB software package, suitable for long term simulation and voltage stability analysis. WPSTAB is then used for simulation of all the detection and protection schemes in various test systems as well as, in the Hellenic Interconnected System.The main test system used is the IEEE Nordic Test System, proposed for voltage stability studies by the relevant IEEE Task Force. Also, stable and unstable scenarios from the Hellenic Interconnected System where used, based on the historical data from July 12, 2004 blackout, as well as from the summer of 2010. In the latter case, a study is carried out to determine the improvement of system security margins by using dispersed and centralized static compensation in the wind farms of Peloponnese and Megalopoli thermal plant respectively.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η σχεδίαση συστημάτων ανίχνευσης αστάθειας τάσης και προστασίας από κατάρρευση. Για το σκοπό αυτό σε πρώτη φάση χρησιμοποιείται η μέθοδος ανίχνευσης αστάθειας τάσης σε πραγματικό χρόνο με το ακρωνύμιο LIVES (Local Identification of Voltage Emergency Situations), η οποία βασίζεται στην παρακολούθηση της ρυθμιζόμενης δευτερεύουσας τάσης των ΣΑΤΥΦ που βρίσκονται εγκατεστημένα στους μετασχηματιστές υποβιβασμού των υποσταθμών ΥΤ/ΜΤ. Η μέθοδος LIVES ενσωματώνεται αρχικά σε σύστημα απλής επιτήρησης ευστάθειας τάσης, για σήμανση μόνο συναγερμού, το οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιείται από αυτόνομα ολοκληρωμένα συστήματα προστασίας. Τα συστήματα αυτά μετά την ανίχνευση της αστάθειας εφαρμόζουν αποτρεπτικά μέτρα για την αποφυγή της κατάρρευσης τάσης. Όλα τα συστήματα προστασίας που αναπτύσσονται είναι τοπικά, με λογική κλειστού βρόχου και δυνατότητα επαναληπτικών εφαρμογών.Το πρώτο σύστημα προστασίας που αναπτύσσεται στηρίζεται σε λογική εκτάκτου ελέγχου των αντίστοιχων ΣΑΥΤΦ, με αντιστροφή της λειτουργίας τους, μόλις σημανθεί συναγερμός και μέχρι να αποκατασταθεί η ευστάθεια, εφαρμόζοντας στην ουσία έμμεση αποκοπή φορτίου. Επιπλέον, διαθέτει υποσύστημα για την αποκατάσταση της λειτουργίας των ΣΑΤΥΦ, όταν αυτά εξαντλήσουν το εύρος των διαθέσιμων λήψεων τους, αποκαθιστώντας έτσι τη λειτουργικότητα του συστήματος ανίχνευσης και προστασίας, το οποίο στηρίζεται σε ενεργά ΣΑΤΥΦ. Το δεύτερο σύστημα προστασίας είναι παραλλαγή του προηγούμενου, ενσωματώνοντας επιπλέον τη δυνατότητα εφαρμογής άμεσης αποκοπής φορτίου όταν σημανθεί συναγερμός αστάθειας και η τάση πρωτεύοντος ή δευτερεύοντος είναι κάτω από συγκεκριμένα κατώφλια. Η άμεση αποκοπή φορτίου είναι απαραίτητη για την περίπτωση που η αποκατάσταση των φορτίων στα κατάντη των ΣΑΤΥΦ γίνεται και με άλλους δυναμικούς μηχανισμούς, με αποτέλεσμα η έμμεση αποκοπή φορτίου να προσφέρει μόνο προσωρινή ανακούφιση στο σύστημα.Το τρίτο σύστημα προστασίας χρησιμοποιεί τη σήμανση αστάθειας LIVES για απευθείας εφαρμογή άμεσης αποκοπής φορτίου στον υποσταθμό που σημαίνεται συναγερμός.Στη συνέχεια η μέθοδος ανίχνευσης LIVES επεκτείνεται για χρήση σε ζυγούς όπου δεν υπάρχουν ΣΑΤΥΦ, όπως για παράδειγμα ζυγούς ΥΤ και ΥΥΤ του συστήματος μεταφοράς, με χρήση μόνο μετρήσεων φασιθετών τάσεως και ρεύματος. Με αυτόν τον τρόπο σχεδιάζεται ένα νέο σύστημα ανίχνευσης που κάνει χρήση των προαναφερθεισών μετρήσεων για την εξαγωγή ενός δείκτη NLI (New LIVES Index), ο οποίος μπορεί να σημάνει την αστάθεια σε μια ευάλωτη περιοχή του συστήματος στα πρώιμα στάδια εκδήλωσης της.Όλα τα συστήματα ανίχνευσης αστάθειας και προστασίας ενσωματώνονται στο ψηφιακό πρόγραμμα μακροπρόθεσμης προσομοίωσης και ανάλυσης ευστάθειας τάσης WPSTAB, του εργαστηρίου ΣΗΕ του ΕΜΠ, το οποίο χρησιμοποιείται για την προσομοίωση των προαναφερθέντων συστημάτων ανίχνευσης αστάθειας και προστασίας τόσο σε συστήματα δοκιμών όσο και στο Ελληνικό Διασυνδεδεμένο Σύστημα.Τα βασικό σύστημα δοκιμών που χρησιμοποιείται είναι το πρότυπο δίκτυο για ανάλυση ευστάθειας τάσης του IEEE με την επωνυμία Nordic Test System, ενώ από το Ελληνικό Διασυνδεδεμένο Σύστημα χρησιμοποιούνται ευσταθή και ασταθή σενάρια που παρήχθησαν από τα ιστορικά αρχεία της ολικής διακοπής του Νοτίου τμήματος τον Ιούλιο του 2004, αλλά και νεότερα στιγμιότυπα από το καλοκαίρι του 2010. Στην τελευταία περίπτωση γίνεται μελέτη αύξησης των περιθωρίων φόρτισης του συστήματος με χρήση στατής άεργης αντιστάθμισης στα αιολικά πάρκα της Πελοποννήσου και στον ΑΗΣ Μεγαλόπολης.