A real-time solution for intentional controlled islanding and restoration of power systems

Abstract

Παρά τις σημαντικές εξελίξεις στην τεχνολογία, τα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν κλιμακωτές βλάβες που οδηγούν σε μεγάλης έκτασης συσκοτίσεις. Η ηθελημένη ελεγχόμενη νησιδοποίηση, ή αλλιώς διάσπαση συστήματος ή ελεγχόμενος διαχωρισμός συστήματος, έχει προταθεί ως ένα αποτελεσματικό διορθωτικό μέτρο ελέγχου για τον περιορισμό αυτών των καταστροφικών γεγονότων. Η ελεγχόμενη νησιδοποίηση αποσκοπεί στο να χρησιμοποιηθεί ως μια έσχατη λύση για να προσπαθήσει να σώσει το σύστημα από μια μερική ή πλήρη συσκότιση. Όταν το σύστημα υποστεί μια σοβαρή διαταραχή και τα συμβατικά συστήματα ελέγχου δεν είναι σε θέση να το διατηρήσουν σε ευστάθεια, η ελεγχόμενη νησιδοποίηση μπορεί να καθορίσει σε πραγματικό χρόνο (μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα στην πράξη) ένα σύνολο γραμμών που θα αποσυνδεθούν από το σύστημα μεταφοράς ώστε να δημιουργηθούν βιώσιμα και ευσταθή υποσυστήματα, γνωστά και ως νησίδες. Κατά την υιοθέτηση της ηθελημένης ελεγχόμενης νησιδοποίησης, πρέπει να εξεταστούν τρεις βασικές πτυχές: “σε ποια σημεία να διαχωριστεί το σύστημα”, “πότε να διαχωριστεί το σύστημα” και ”τι πρέπει να γίνει μετά τον διαχωρισμό του συστήματος”. Σε αυτή τη διατριβή, προτείνονται αρκετές μέθοδοι ελεγχόμενης νησιδοποίησης για την επίλυση της πρώτης πτυχής. Οι προτεινόμενες μέθοδοι αποσκοπούν στη διάσπαση του συστήματος με ελάχιστη διαταραχή της ροής ισχύος ή ελάχιστη ανισορροπία της ισχύος στις νησίδες, για οποιοδήποτε δεδομένο αριθμό νησίδων, διατηρώντας παράλληλα τις συνοχές των γεννητριών και άλλους στατικούς και δυναμικούς περιορισμούς (π.χ. διαθεσιμότητα μιας γραμμής μεταφοράς, συνδεσιμότητα). Δεδομένου ότι η ευστάθεια των νησίδων που δημιουργούνται εξαρτάται κυρίως από τη συνοχή των γεννητριών εντός των νησίδων, προτείνεται επίσης μια εφαρμογή δύο σταδίων για τον καθορισμό συνεκτικών γεννητριών σε διαταραγμένα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. Η εφαρμογή αυτή βασίζεται στην ομοιότητα μεταξύ των διασυνδετικών ταλαντώσεων και των καμπυλών ταλάντωσης των γεννητριών. Το ερώτημα για το πότε πρέπει να διαχωριστεί το σύστημα είναι κρίσιμο για την επιτυχία της μεθόδου ελεγχόμενης νησιδοποίησης, δεδομένου ότι πρέπει να αντιμετωπιστούν τα πιθανά προβλήματα λανθασμένου συναγερμού και λανθασμένης χρονικής εκτέλεσης. Μια ενοποιημένη μεθοδολογία που βασίζεται σε ένα area-based Center of Inertia (COI)-referred rotor angle δείκτη εισάγεται για να προσδιορίσει τον καταλληλότερο χρόνο διαχωρισμού του συστήματος. Αυτός ο έγκαιρος καθορισμός του χρόνου για ελεγχόμενη νησιδοποίηση μπορεί να συνδυαστεί με εφαρμογές που καθορίζουν τα σημεία διαχωρισμού του συστήματος. Επιπλέον, σε αυτή τη διατριβή, εξετάζεται η έννοια μιας στρατηγικής για ελεγχόμενη νησιδοποίηση συνδυασμένη με μια εφαρμογή για παράλληλη αποκατάσταση του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Για το λόγο αυτό, ένας αλγόριθμος ελεγχόμενης νησιδοποίησης εξελίσσεται λαμβάνοντας υπόψιν περιορισμούς αποκατάστασης του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας (π.χ. πλήρης παρατηρησιμότητα, επαρκής ικανότητα “blackstart” και επαρκής ικανότητα παραγωγής για να καλύπτει την ζήτηση φορτίου σε κάθε νησίδα). Αυτοί οι νέοι περιορισμοί μπορούν να θεωρηθούν ως ένα στάδιο προγραμματισμού της αποκατάστασης του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια, προτείνεται μια καινοτόμα μέθοδος για να παρέχει λύσεις σε πραγματικό χρόνο τόσο για ελεγχόμενη νησιδοποίηση όσο και για αποκατάσταση του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας βασιζόμενη σε εκτιμημένες καταστάσεις του συστήματος. Η συγκεκριμένη μέθοδος, που αποτελείται από τον προαναφερθέντα αλγόριθμο ελεγχόμενης νησιδοποίησης που εξελίχθηκε, έναν εκτιμητή κατάστασης πραγματικού χρόνου και μια διαδικασία αποκατάστασης του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας, δίνει στο χειριστή του συστήματος την ευελιξία να παρακολουθεί τις νησίδες μετά τη νησιδοποίηση και να τις επανασυνδέει σε σχεδόν πραγματικό χρόνο, μόλις ικανοποιηθούν οι συνθήκες συγχρονισμού τους. Επιπλέον, προτείνεται ένα ενοποιημένο πλαίσιο που αποτελείται από μια καινοτόμα μέθοδο ελεγχόμενης νησιδοποίησης και μια μεθοδολογία εκτίμησης κινδύνου για να αξιολογήσει τον κίνδυνο των μεθόδων ελεγχόμενης νησιδοποίησης στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Το ενοποιημένο πλαίσιο παρέχει στατιστικά στοιχεία σχετικά με τα οφέλη και τους κινδύνους της εφαρμογής μιας ελεγχόμενης νησιδοποίησης, λαμβάνοντας υπόψη τις αβεβαιότητες και τις ανησυχίες που σχετίζονται με την αξιοπιστία της. Για την ολοκλήρωση αυτής της έρευνας, αναπτύχθηκαν δυναμικά δοκιμαστικά συστήματα κατάλληλα για μελέτες μεταβατικής ανάλυσης τα οποία παρέχονται σε ανοικτή πρόσβαση.

Despite major advances in technology, modern power systems still experience cascading outages leading to large-scale blackouts. Intentional controlled islanding (ICI), also called system splitting or controlled system separation, has been proposed as an effective corrective control action to mitigate these catastrophic events. ICI is aimed to be used as a final resort to attempt to save the system from a partial or a complete blackout. When the system is subject to a severe disturbance and the conventional control systems are unable to keep the system stable, ICI can determine in real-time (within a few seconds in practice) a set of lines to be disconnected across the transmission system to create sustainable and stable subsystems, also known as islands. When adopting ICI, three key aspects must be addressed: “where to island”, “when to island” and “what to do after islanding”. In this thesis, several ICI schemes are proposed for addressing the first one. The proposed schemes aim to split the system with minimal power-flow disruption or minimal power imbalance within islands, for any given number of islands, while maintaining generator coherencies and other static and dynamic constraints (e.g., transmission line availability, connectivity). Since the stability of islands created is mainly dependent on the coherency of the generators inside the islands, a two-step approach for defining coherent generators in disturbed power systems based on the similarity among their inter-area oscillations and swing curves is also proposed. The question of when to island is critical for the success of the ICI scheme, since the possible issues of false alarm and false dismissal have to be handled. A unified methodology based on area-based Center of Inertia (COI)-referred rotor angle index is introduced to determine the most suitable time for splitting the system. This timely definition of the time for islanding can be combined with approaches to determine the points where to island the system. Furthermore, in this thesis, the concept of a controlled islanding strategy combined with an approach of Parallel Power System Restoration (PPSR) is considered. A proposed ICI algorithm is extended to consider power system restoration constraints (e.g., complete observability, sufficient blackstart (BS) capability and sufficient generation capacity to match the load consumption within each island). These new constraints can be viewed as a power system restoration planning stage. Next, a novel scheme is proposed to provide real-time solutions for both ICI and power system restoration based on estimated states. The particular scheme, which consists of the aforementioned extended ICI algorithm, a real-time state estimator and a power system restoration process, gives the system operator the flexibility to monitor the islands during the post-islanding stage and reconnect them in quasi real time, as soon as their synchronizing conditions are met. In addition, a unified framework that consists of a novel ICI scheme and a risk assessment methodology is proposed to assess the risk of ICI schemes on the electricity system. The unified framework provides insights on the benefits and risks of implementing ICI, considering the uncertainties and concerns related to its reliability. For the completion of this research, dynamic test bed systems suitable for transient analysis studies are developed and provided in open access.