Advanced

Coordinated Voltage Control in Electric Power Systems

Larsson, Mats LU (2001)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Det elektriska kraftsystemets uppgift är att ge konsumenter en säker och stabil energitillgång till lägsta möjliga kostnad. Sett ur ett ingenjörsperspektiv tillkommer några extra krav såsom att variationerna i spänning och frekvens skall vara acceptabla, samt att enstaka komponenters kapacitetsgränser ej överskrids. Om dessa krav ej uppfylls kan detta leda till leveransavbrott och/eller skador på dyr produktions- och överföringsutrustning. Runt om i världen ökar energiförbrukningen samtidigt som utbyggnadstakten av näten har bromsats, framför allt av miljöskäl men även av politiska och ekonomiska skäl. Detta innebär att näten i framtiden kommer att arbeta närmare sina stabilitetgränser.... (More)
Popular Abstract in Swedish

Det elektriska kraftsystemets uppgift är att ge konsumenter en säker och stabil energitillgång till lägsta möjliga kostnad. Sett ur ett ingenjörsperspektiv tillkommer några extra krav såsom att variationerna i spänning och frekvens skall vara acceptabla, samt att enstaka komponenters kapacitetsgränser ej överskrids. Om dessa krav ej uppfylls kan detta leda till leveransavbrott och/eller skador på dyr produktions- och överföringsutrustning. Runt om i världen ökar energiförbrukningen samtidigt som utbyggnadstakten av näten har bromsats, framför allt av miljöskäl men även av politiska och ekonomiska skäl. Detta innebär att näten i framtiden kommer att arbeta närmare sina stabilitetgränser. Exempelvis leder avvecklingen av Barsebäcks kärnkraftverk till ökad belastning på ledningarna från norra till södra Sverige. Ny dator- och kommunikationsteknik ger samtidigt möjligher till bättre styrning och övervakning av näten, och dessa möjligheter kan förhoppningsvis användas till att bevara eller till och med öka leveranssäkerheten, även under hårdare belastning.



Syftet med mitt forskningsprojekt är att hitta regleralgoritmer som kan användas för att förhindra eller lindra s.k. spänningsinstabilitet, dvs. att spänningen faller okontrollerat i hela eller delar av nätet. Detta fenomen kan uppträda i hårt lastade nät efter störningar på en eller flera komponenter. Spänningsinstabilitet är det fenomen som orsakade den s.k. storstörningen 1983 då hela södra Sverige blev strömlöst under flera timmar. Risken för spänningsinstabilitet har sedan dess ansetts som en begränsande faktor som bestämmer överföringsgränserna mellan nord- och sydsverige. Det mest effektiva motmedlet är att koppla bort konsumenter, och därigenom minska belastningen på nätet, men dessa ingrepp vill man förstås minimera. Dessa åtgärder måste i så fall ske snabbt-inom ett par minuter efter en störning-varför ett automatiserat skyddssystem är att föredra. Ett sådant system skall automatiskt detektera begynnande spänningsinstabilitet och räkna ut hur mycket och vilken last som måste kopplas bort för att stabilisera systemet.



Jag utnyttjar tekniker tagna från reglertekniken i form av modellprediktiv reglering och sökalgoritmer tagna från forskningen på artificiell intelligens. Forskning på modellprediktiv reglering har pågått sedan sextiotalet och har sina flesta tillämpningar inom processtyrning, framförallt inom oljeindustrin. Dess främsta fördel är att man kan specificera bivillkor som sedan automatiskt kommer att hanteras av regulatorn. Exempelvis kan maximal belastning på nyckelkomponenter specificeras, och regulatorn kommer sedan att automatiskt styra bort last från överlastade komponenter. Sökalgoritmer är en av de mest använda formerna av artificiell intelligens, speciellt som beslutsmetod i datorer for strategispel såsom schack och Othello. Datorspelare baserade på sådana sökalgoritmer spelar nu bättre än mänskliga spelare i några enklare spel såsom Othello, och moderna schackdatorer spelar bättre än de allra flesta mänskliga spelare. Exempelvis blev 1997 schackdatorn Deep Blue den första datorspelaren att vinna en tävlingsmatch mot en regerande världsmästare.



I mitt projekt undersöker jag om sådana beslutsmetoder tagna från schackdatorer i kombination med metoder för modellprediktiv reglering kan användas för att bestämma styringrepp i kraftnät. (Less)
Abstract
This thesis deals with various aspects of coordinated voltage control in electric power systems. It consists of an introduction and six papers. The introduction contains a summary of the thesis and tutorials on voltage control and the search methods that have been applied.



The first part deals with the coordination of cascaded tap changers in radial distribution feeders. A tuning rule for the conventional (local) controllers as well as two new (centralized) schemes are proposed: firstly, an optimal controller based on on-line optimization and secondly, a rule based controller based on a fuzzy inference system. A prototype of the fuzzy-rule based controller has been installed and successfully tested in a distribution... (More)
This thesis deals with various aspects of coordinated voltage control in electric power systems. It consists of an introduction and six papers. The introduction contains a summary of the thesis and tutorials on voltage control and the search methods that have been applied.



The first part deals with the coordination of cascaded tap changers in radial distribution feeders. A tuning rule for the conventional (local) controllers as well as two new (centralized) schemes are proposed: firstly, an optimal controller based on on-line optimization and secondly, a rule based controller based on a fuzzy inference system. A prototype of the fuzzy-rule based controller has been installed and successfully tested in a distribution feeder in the south of Sweden.



The second part of the thesis describes a coordinated system protection scheme (SPS) against voltage collapse based on model predictive control. Using combinatorial optimization and predictions of the system's future behaviour, the SPS optimally coordinates dissimilar and discrete controls such as generator, tap changer and load shedding controls in presence of load dynamics and constraints on controls as well as voltages and currents in the network.



Modelling of power systems has also been addressed. The third part describes a freely available power system library called ObjectStab intended for voltage and transient stability analysis and simulation written in Modelica--a general-purpose object-oriented modelling language. All component models are transparent and can be modified or extended. Power system topology and parameter data are entered in one-line diagram form using a graphical editor. The component library has been validated using comparative simulations with Eurostag. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Dr Van Cutsem, Thierry, University of Liege, Belgium
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Electronics and Electrical technology, trees., search methods, control, predictive, voltage control, power system dynamic stability, Modelica, ObjectStab, multi-machine power system, voltage stability, object oriented methods, modelling, simulation, describing function analysis, tap changer, limit cycle, Elektronik och elektroteknik, Electrical engineering, Elektroteknik
pages
203 pages
publisher
Mats Larsson, IEA, LTH, Box 118, S-221 00 Lund, Sweden,
defense location
room E:1406, E-building, LTH
defense date
2001-01-19 13:15
external identifiers
  • other:ISRN: LUTEDX/(TEIE-1025)/1-203/(2000)
ISBN
91-88934-17-9
language
English
LU publication?
yes
id
29334e5c-764a-49d2-b637-af7013af77b3 (old id 41251)
date added to LUP
2007-07-31 15:56:18
date last changed
2016-09-19 08:45:09
@phdthesis{29334e5c-764a-49d2-b637-af7013af77b3,
  abstract     = {This thesis deals with various aspects of coordinated voltage control in electric power systems. It consists of an introduction and six papers. The introduction contains a summary of the thesis and tutorials on voltage control and the search methods that have been applied.<br/><br>
<br/><br>
The first part deals with the coordination of cascaded tap changers in radial distribution feeders. A tuning rule for the conventional (local) controllers as well as two new (centralized) schemes are proposed: firstly, an optimal controller based on on-line optimization and secondly, a rule based controller based on a fuzzy inference system. A prototype of the fuzzy-rule based controller has been installed and successfully tested in a distribution feeder in the south of Sweden.<br/><br>
<br/><br>
The second part of the thesis describes a coordinated system protection scheme (SPS) against voltage collapse based on model predictive control. Using combinatorial optimization and predictions of the system's future behaviour, the SPS optimally coordinates dissimilar and discrete controls such as generator, tap changer and load shedding controls in presence of load dynamics and constraints on controls as well as voltages and currents in the network.<br/><br>
<br/><br>
Modelling of power systems has also been addressed. The third part describes a freely available power system library called ObjectStab intended for voltage and transient stability analysis and simulation written in Modelica--a general-purpose object-oriented modelling language. All component models are transparent and can be modified or extended. Power system topology and parameter data are entered in one-line diagram form using a graphical editor. The component library has been validated using comparative simulations with Eurostag.},
  author       = {Larsson, Mats},
  isbn         = {91-88934-17-9},
  keyword      = {Electronics and Electrical technology,trees.,search methods,control,predictive,voltage control,power system dynamic stability,Modelica,ObjectStab,multi-machine power system,voltage stability,object oriented methods,modelling,simulation,describing function analysis,tap changer,limit cycle,Elektronik och elektroteknik,Electrical engineering,Elektroteknik},
  language     = {eng},
  pages        = {203},
  publisher    = {Mats Larsson, IEA, LTH, Box 118, S-221 00 Lund, Sweden,},
  school       = {Lund University},
  title        = {Coordinated Voltage Control in Electric Power Systems},
  year         = {2001},
}