SUPERVISOR
Mohamad-Esmail Hamedani-Golshan
محمداسماعیل همدانی گلشن (استاد راهنما)
STUDENT
Farzad Dalavi
فرزاد دعلاوی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1397
TITLE
Identification of Power System Oscillation Modes Characteristics with Phasor Measurement Units
With increasing electrical energy demand and loading of transmission lines, inter-area oscillations within a frequency range of 0.2 to 0.8 Hz are more obvious in modern power systems which are the most important reason for oscillatory rotor angle instability. When inter-area modes are excited, the power system is divided into areas in which generators at each area are coherent but they are anti-phase oscillation respect to other generator groups. The interarea oscillations have a lower frequency and damping ratio than local modes, and they cause power oscillation at tie-lines between areas that restricts the power transmission capacity. Therefore, online monitoring and control of inter-area modes are vital for secure and reliable operation of the power system. With the recent advancement of the technology and the emergence of wide area measurement systems (WAMSs) and the possibility of measure phasor quantities using phasor measurement units (PMUs), the dynamic response of power system can be online monitored using data analysis and signal processing techniques. The main feature of signal processing techniques is that they don’t need any knowledge about the power system order or power equipment models. In this thesis, a hybrid method based on WAMS for the detection of dominant inter-area oscillation modes and evaluation of generators oscillation patterns at each considerable mode is proposed. The proposed method can also detect the most efficient damping controller loops for improving the damping of dominant oscillation modes. The proposed method uses the empirical mode decomposition (EMD) algorithm and correlation analysis (CA) technique. In the first step, the frequency components of measured signals are decomposed from highest to lowest frequency by the EMD algorithm and then, the instantaneous frequency characteristics of each extracted component are calculated by hilbert huang transform (HHT). Power system oscillation modes are identified by comparing the frequency averages with the typical frequency range of low-frequency electromechanical oscillations (LFEOs), and finally, the dominant oscillation modes are determined by comparing the instantaneous energy level of oscillation modes. One feature of the EMD algorithm is the ability to extract waveforms of oscillation modes. Considering dominant mode waveforms as the input for correlation analysis, it can determine how generators oscillate against each other by calculating the phase difference between signals. Furthermore, efficient feedback signals can be determined by estimation relative magnitude of mode shape or right eigenvectors. Moreover, by comparing left eigenvectors magnitudes, efficient damping controllers can be specified. In other words, the efficient damping controller loops based on observability and controllability concepts related to right and left eigenvectors can be identified. The applicability of the proposed method in this thesis is demonstrated by several analyses and simulations on IEEE-9 bus and IEEE-39 bus test systems. Keywords Inter-Area Oscillations, Phasor Measurement Unit (PMU), Empirical Mode Decomposition (EMD) Algorithm, Correlation Analysis (CA), Mode Shape, Wide Area Damping Controller (WADC)
با افزایش تقاضای انرژی الکتریکی و افزایش بارگذاری از خطوط انتقال سیستمهای قدرت، نوسانات بین ناحیهای با فرکانس بین 2/0 تا 8/0 هرتز که عامل اصلی ناپایداری نوسانی زاوی? روتور هستند، محتملتر شده است. براثر تحریک اینگونه مُودها، سیستم قدرت به چند ناحیه بهگونهای تقسیمبندی میشود که ژنراتورهای هر ناحیه بایکدیگر همنوسان بوده ولی نسبتبه ژنراتورهای دیگر نواحی در فاز مخالف نوسان میکنند. مُودهای نوسان بین ناحیهای نسبتبه مُودهای محلّی، فرکانس و نسبت میرایی کمتری دارند و باعث نوسان توان در خطوط ارتباطی بین نواحی تشکیل شده میشوند که نتیج? آن، محدود شدن ظرفیت انتقال توان بین نواحی است. بنابراین، پایش و کنترل آنلاین مُودهای نوسان بین ناحیهای برای بهرهبرداری امن و قابل اطمینان از سیستم قدرت، از اهمیّت ویژهای برخوردار است. با پیشرفت فنّاوری و ظهور سیستم های اندازه گیری ناحیه گسترده (WAMS) و امکان اندازهگیری کمیّتهای فازوری شبکه توسط واحدهای اندازهگیری فازوری (PMU)، میتوان پاسخ دینامیکی سیستمهای قدرت را تنها از طریق تجزیه و تحلیل دادههای اندازهگیری شده براساس روشهای پردازش سیگنال بهصورت آنلاین پایش نمود. مزیّت اصلی این روشها، عدم نیازبه آگاهی از مرتبه و مُدل تجهیزات سیستم قدرت است. در این پایاننامه یک روش ترکیبی مبتنیبر WAMS برای شناسایی مُودهای نوسان بین ناحیهای غالب و ارزیابی وضعیت نوسان ژنراتورهای شبکه نسبتبه یکدیگر در هر مُود نوسانی دلخواه ارائه شده است. همچنین از طریق روش ارائه شده میتوان حلقههای کنترلی میراساز مؤثر جهت بهبود میرایی نوسانات غالب را بهطور مناسبی شناسایی نمود. روش ارائه شده، ترکیب روش تجربی تجزی? سیگنال به توابع مُود ذاتی (EMD) با روش تحلیل همبستگی (CA)است. بهطوریکه، از طریق EMD مؤلفههای فرکانسی موجود در سیگنالهای اندازهگیری شده بهترتیب از بالاترین به کمترین فرکانس جداسازی میشوند و سپس با استفاده از تبدیل هیلبرت (HHT) مشخّص? فرکانس لحظهای هریک از مؤلفههای استخراجی، محاسبه میشود. با مقایس? متوسط فرکانسهای لحظهای با فرکانس معمول نوسانات الکترومکانیکی سیستم قدرت، مُودهای نوسانی در سیستم قدرت شناسایی میشوند و درنهایت مُودهای نوسانی غالب سیستم ازطریق مقایس? سطح انرژی لحظهای مُودهای نوسانی با یکدیگر شناسایی میشوند. یکی از ویژگیهای الگوریتمEMD استخراج مؤلفهها به همراه شکلموج زمانی آنها است. از این جهت، میتوان شکلموجهای متناظربا مُودهای نوسانی غالب سیستم را به عنوان ورودیهای روش همبستگی درنظرگرفت و سپس از طریق تخمین اختلاف زاوی? فاز بین سیگنالها، وضعیت نوسان ژنراتورهای شبکه نسبتبه یکدیگر را براثر تحریک مُودهای غالب، مشخص نمود. همچنین، با تخمین دامن? صورت مُود (بردارویژة راست)، سیگنالهای فیدبک مؤثر شناسایی میشوند. همچنین از طریق مقایس? اندازة بردارهای ویژة چپ، کنترلکنندههای میراساز مؤثر مشخّص میشوند. بهعبارتدیگر، حلقههای کنترلی میراساز مؤثر جهت بهبود میرایی مُودهای نوسانی غالب، براساس مفاهیم رویتپذیری و کنترلپذیری که بهترتیب با بردارهای ویژة راست و چپ در ارتباط هستند، شناسایی خواهند شد. با انجام مطالعات و شبیهسازیهای متعدد تحت سناریوهای مختلف برروی شبکههای آزمون 9 و 39 باسIEEE ، کارایی روش پیشنهادی در این پایاننامه نشان داده شده است. کلمات کلیدی نوسانات بین ناحیهای، واحدهای اندازهگیری فازوری (PMU)، الگوریتم EMD، تحلیل همبستگی (CA)، صورت مُود، کنترلکنند? میراساز ناحیهگسترده (WADC)