Prilagodljivo decentralizirano pod-frekvenčno razbremenjevanje v elektroenergetskih sistemih

ŠKRJANC, TADEJ (avtor), Rudež, Urban (mentor)

Elektroenergetski sistem je eden od največjih umetnih sistemov, kar jih je ustvaril človek in omogoča kakovost življenja, ki ga človeštvo do sedaj še ni imelo. Električna energija je globoko vpeta v naše vsakdanje življenje, zato ima vsak dolgotrajen izpad velike negativne družbene in gospodarske posledice. Da ublažimo posledice okvar v elektroenergetskem sistemu, uporabljamo različne zaščitne ukrepe. Eden izmed njih, povezan s frekvenčno stabilnostjo elektroenergetskega sistema, je pod-frekvenčno razbremenjevanje. Glavni cilj zaščite pod-frekvenčnega razbremenjevanja je obnovitev ravnovesja med proizvedeno in porabljeno delovno močjo po nastanku velikega primanjkljaja, kar se doseže s pomočjo odklapljanja odjema. Več desetletne izkušnje uporabe pod-frekvenčne zaščite razkrivajo, da so obstoječe sheme pod-frekvenčnega razbremenjevanja hitre in robustne, a zaradi statičnih nastavitev nesposobne prilagajanja svojega odziva na spremenljive obratovalne razmere. Posledica tega je, da v situacijah za katere konvencionalna zaščita ni bila načrtovana, pride do odklopa neustrezne količine odjema, kar pa lahko v skrajnih razmerah vodi v razpad elektroenergetskega sistema. Ta težava z leti postaja čedalje bolj izrazita, saj so obratovalni pogoji v sodobnem elektroenergetskem sistemu ves čas podvrženi hitrim in nepredvidljivim spremembam, ki jih povzročajo naprave priključene preko pretvorniškega vmesnika. Obstaja torej potreba po rešitvi, ki bo zaščiti pod-frekvenčnega razbremenjevanja omogočala bolj natančno prilagajanje primanjkljaja delovne moči v različnih obratovalnih razmerah sistema. V doktorski disertaciji je obravnavana shema pod-frekvenčnega razbremenjevanja decentraliziranega (lokalnega) tipa, ki se aktivira na podlagi prepoznavanja tipičnih frekvenčnih vzorcev in svoje delovanje prilagaja vsakokratnim obratovalnim razmeram s pomočjo kratkoročnega napovedovanja frekvence. V prvem delu so predstavljeni aktualni problemi in izzivi na področju zagotavljanja frekvenčne stabilnosti elektroenergetskega sistema. Glavni izziv predstavlja predvsem obvladovanje težav povezanih z distribuiranimi pretvorniško-priključenimi napravami za proizvodnjo električne energije. V drugem delu je predstavljeno teoretično ozadje odziva sinhronskih generatorjev v primeru nastanka nenadnega neravnovesja delovne moči v elektroenergetskem sistemu. Dejstvo je, da je frekvenca lokalni parameter, katerega obnašanje je močno odvisno od vztrajnostnih konstant posameznih generatorjev, sinhronizacijskih koeficientov in prehodnih pojavov. Prehodni pojavi na različnih lokacijah v elektroenergetskem sistemu povzročajo različno izrazita nihanja, kar pa lahko negativno vpliva na delovanje zaščite pod-frekvenčnega razbremenjevanja. V tretjem delu je izvedena obširna analiza obstoječe literature s področja pod-frekvenčnega razbremenjevanja. Zaradi velikega števila publikacij ni mogoče enostavno identificirati trendov razvoja in vseh potencialnih možnosti za raziskovanje. Zato v tej doktorski disertaciji predstavimo metodologijo za sistematično ovrednotenje obstoječe literature. Metodologija temelji na uporabi metod za zmanjševanje dimenzij podatkov in metod za združevanje podatkov v skupine. V ta namen smo 381 publikacij s področja pod-frekvenčnega razbremenjevanja ovrednotili s 15 splošnimi in 39 specifičnimi značilkami. Prve opisujejo tip sheme pod-frekvenčnega razbremenjevanja, druge pa metode in orodja s pomočjo katerih se skuša zagotoviti čim boljše delovanje nekega tipa sheme. V disertaciji pokažemo, da lahko na podlagi analize značilk prepoznamo trende iz različnih časovnih obdobij ter vrzeli za nadaljnje raziskovanje. V četrtem delu je podan predlog inovativne rešitve pod-frekvenčnega razbremenjevanja, ki jo lahko po tipu uvrstimo med lokalne in hibridne (kombinacija pasivne in aktivne) tipe shem, saj je njen osnovni namen izboljšanje delovanja konvencionalne (lokalne in pasivne) sheme. Predlog ohranja obstoječe nastavitve frekvenčnih relejev (tj. frekvenčne pragove) in uvaja dodatno dinamično stopnjo pod-frekvenčnega razbremenjevanja s pomočjo manjše vendar specializirane skupine pametnih elektronskih naprav, opremljenih s funkcionalnostjo strojnega učenja in napovedovanja. Njeno delovanje temelji na štirih glavnih korakih: i) razpoznavanje (osmih) tipičnih frekvenčnih vzorcev s pomočjo analize glavnih komponent in k-najbližjih sosedov, ii) kratkoročno napovedovanje poteka frekvence s pomočjo prilagoditve modela frekvenčnega odziva elektroenergetskega sistema na lokalno zajete meritve frekvence v smislu najmanjše vsote kvadratov odstopanj, iii) uporaba napovedi za določitev predvidenega časa in frekvenčnega pasu do kršitve naslednje statične stopnje konvencionalne zaščite pod-frekvenčnega razbremenjevanja in iv) avtomatsko prilagajanje nastavitev dinamične stopnje na podlagi informacije, ki jo predviden čas in frekvenčni pas nudita v vzletni karakteristiki. V petem delu je predstavljen analitični model konvencionalne in predlagane sheme pod-frekvenčnega razbremenjevanja. Analitično smo izpeljali šest kazalnikov: frekvenčno-časovni odziv elektroenergetskega sistema, prvi časovni odvod frekvence, odstopanje frekvence v ravnovesnem stanju, odstopanje minimalne tranzientne frekvence, trenutek delovanja in število stopenj razbremenjevanja ter vzletna karakteristika. Analitična modela shem in izpeljani kazalniki so v nadaljevanju uporabljeni za primerjavo učinkovitosti delovanja. V šestem delu je delovanje nove rešitve preizkušeno z dinamičnimi simulacijami na manjšem (severnoprimorska zanka) in večjem (slovenski elektroenergetski sistem) testnem modelu. Kriterij za učinkovitost delovanja predstavlja skupna količina izključenega odjema, minimalna in maksimalna dosežena frekvenca ter vrednost prvega časovnega odvoda frekvence tik po zadnjem posredovanju zaščite pod-frekvenčnega razbremenjevanja. Izvedena je primerjava s konvencionalno shemo, ki je trenutno v uporabi v slovenskem elektroenergetskem sistemu ter primerjava z eno od naprednih shem, ki zasleduje podobne cilje. Poleg tega so izvedene analize vpliva razporeditve pametnih elektronskih naprav, števila stopenj razbremenjevanja in negotovosti pri proizvodnji električne energije. Pokazano je tudi delovanje predloga v primeru kaskadnih izpadov elektrarn. V sedmem delu so predstavljena uporabljena orodja ter računske in programske zahteve potrebne za praktično implementacijo predlaganega algoritma. Rezultati pokažejo, da predlagana rešitev ohrani hitrost in robustnost konvencionalne sheme pod-frekvenčnega razbremenjevanja, hkrati pa zagotovi želeno fleksibilnost. Izkaže se, da je konvencionalna shema v kombinaciji z dinamično stopnjo s tremi segmenti, enakovredna konvencionalni shemi z več deset statičnimi stopnjami. Primerjava učinkovitosti s konvencionalno shemo pokaže, da je izboljšanje najbolj izrazito pri uporabi predloga v omrežjih z majhnimi vztrajnostnimi masami. Prav tako posredovanje predloga povzroči tudi manj agresiven poseg v delovanje sistema, kar se odraža v bolj zveznem poteku frekvence in odsotnosti prenihajev. Največja prednost v primerjavi z drugimi obstoječimi metodami je predvsem v lažji in ekonomsko bolj učinkoviti implementaciji v obstoječ elektroenergetski sistem ter dejstvo, da ne zahteva kakršne koli medsebojne komunikacije med izvršilnimi napravami.

• Jezik: Slovenski jezik
• Ključne besede: frekvenčna stabilnost elektroenergetskega sistema, prilagodljiva zaščita elektroenergetskega sistema, pod-frekvenčno razbremenjevanje, otočno obratovanje, nihajna enačba, rudarjenje podatkov, strojno učenje, prepoznavanje vzorcev, t-SNE, PCA, DBSCAN, SFR model, pametne elektronske naprave
• Vrsta gradiva: Doktorsko delo/naloga
• Organizacija: FE - Fakulteta za elektrotehniko
• Leto izida: 2022
• PID: 20.500.12556/RUL-137664
• COBISS.SI-ID: 113036035
• Datum objave v RUL: 24.06.2022

Sekundarni jezik

• Jezik: Angleški jezik
• Naslov: Adaptive decentralized under-frequency load shedding in power systems

Izvleček

The electric power system is one of the largest human-made artificial systems and provides a quality of life to humans never available before. Since the electrical energy is an integral part of our daily lives, prolonged power outages have significant negative social and economic impacts. To mitigate the consequences of power system malfunctions and serious incidents, various protective measures are implemented. One of these measures, which is related to the frequency stability of the power system, is under-frequency load shedding. The main objective of under-frequency load shedding is to restore the balance between the generated and consumed active power after a major deficit, which is achieved by disconnecting loads. Decades of experiences with under-frequency protection show that existing under-frequency load shedding schemes, while fast and robust, are unable to adjust their response to volatile operating conditions due to static settings. This results in inadequately sized load shedding in situations for which conventional protection was not designed, which can lead to the power system blackout under extreme conditions. Over the years, this issue is becoming more and more evident as operating conditions in the modern power system are constantly subject to rapid and unpredictable changes caused by newly connected converter-interfaced generation. Thus, there is a need for a solution that enables the under-frequency load shedding protection to more accurately control the active power deficit under different operating conditions. This dissertation deals with the decentralized (local) type of under-frequency load shedding scheme, which is activated based on the detection of typical frequency patterns and adjusts its operation to the prevailing operating conditions using short-term frequency prediction. The first part presents current problems and challenges in ensuring frequency stability of the power system. The main challenge is to overcome the problems related to converter-interfaced generation. The second part presents the theoretical background of the response of synchronous generators in case of a sudden active power imbalance in the power system. In fact, frequency is a local parameter whose behaviour depends strongly on the inertia constants of the individual generators, the synchronization coefficients and the transients. Transients at different locations in the power system cause different fluctuations that can have a negative impact on the operation of the under-frequency load shedding protection. The third part carries out a comprehensive analysis of the existing literature in the field of under-frequency load shedding. Due to the large number of publications, it is not easy to find development trends and all potential opportunities for research. Therefore, this dissertation also presented the methodology to systematically evaluate the literature. The methodology is based on the use of dimensionality reduction techniques of data and clustering methods. For this purpose, 381 publications in the field of the under-frequency load shedding were evaluated with 15 general and 39 specific features. The former describe the type of under-frequency load shedding scheme, while the latter describe the methods and tools used to try to ensure the best possible operation of a particular type of scheme. It has been shown that based on the analysis of features, we can identify trends from different time periods and gaps for further research. The fourth part proposes an innovative solution that can be classified as a local and hybrid (combination of passive and active) types of schemes, as its main purpose is to improve the functioning of the conventional (local and passive) scheme. The proposed solution maintains the existing settings of the under-frequency protection relays (i.e. frequency thresholds) and introduces in parallel an additional dynamic under-frequency load shedding stage using a small and specialized group of intelligent electronic devices equipped with machine learning and prediction functionality. The operation is based on four main steps: i) detection of (eight) typical frequency patterns by principal component analysis and k-nearest neighbours, ii) short-term prediction of the frequency response by fitting the frequency response model of the power system to locally acquired frequency measurements in a least-squares sense, iii) use of the prediction to determine the time and frequency band, until the next static stage of the conventional under-frequency load shedding protection is violated, and iv) automatic adjustment of the settings of the dynamic stage based on the information provided by the estimated time and frequency band in the take-off characteristics. The fifth part presents an analytical model of conventional and proposed under-frequency load shedding scheme. Six indicators were analytically derived: the frequency-time response of the power system, the first frequency-time derivative, the steady-state frequency deviation, the minimum transient frequency deviation, the timing and number of load shedding stages and the take-off characteristic. The analytical models of the schemes and the derived indicators were then used to compare performance. The sixth part tests the novel solution with dynamic simulations on a smaller (western part of the Slovenian power system) and a larger (Slovenian power system) test model. The criteria for operational efficiency were the total amount of disconnected loads, the minimum and maximum frequency reached and the value of the first frequency-time derivative immediately after the last intervention of the under-frequency load shedding. A comparison was made with the conventional scheme currently used in the Slovenian power system and a comparison with another advanced solution that has similar objectives. In addition, the impact of the deployment of the intelligent electronic devices, the number of stages and the operational uncertainties in power generation were analysed. The operation of the proposal in the case of cascading power plant outages was also demonstrated. The seventh part presents the tools used and the computational and software requirements necessary for the practical implementation of the proposed algorithm. The results show that the proposed solution maintains the speed and robustness of conventional under-frequency load shedding scheme while providing the desired flexibility. A conventional scheme combined with a dynamic stage with three sub-stages was found to be equivalent to a conventional scheme with dozens of static stages. A comparison of the efficiency with the conventional scheme showed that the improvement is most significant when the proposed solution is used in networks with low inertia. Moreover, the intervention of the proposed solution leads to less aggressive interference in the operation of the power system, which is reflected in a more continuous frequency response and the absence of over-shedding. The main advantage compared to other existing methods is the simpler and more cost-effective implementation in the existing power system and the fact that no communication is required.

• Ključne besede: power system frequency stability, adaptive power system protection, under-frequency load shedding, island operation, swing equation, data mining, machine learning, pattern recognition, t-SNE, PCA, DBSCAN, SFR model, intelligent electronic devices