- / -

Σε αυτή την διπλωματική εργασία θα γίνει μελέτη της συμπεριφοράς γραμμών διανομής σε καταπονήσεις από κεραυνούς. Οι κεραυνοί αποτελούν ένα φυσικό φαινόμενο με επικίνδυνα αποτελέσματα για την ασφάλεια των ανθρώπων, των κτιρίων και των ηλεκτρικών συστημάτων. Έτσι, κεραυνοί που πλήττουν άμεσα γραμμές διανομής ή γειτονικό σε αυτές έδαφος, είναι υπεύθυνοι για τα σφάλματα που λαμβάνουμε στο ηλεκτρικό σύστημα. Το αποτέλεσμα της πτώσης κεραυνού μπορεί να οδηγήσει σε στιγμιαίο ή μόνιμο σφάλμα. Στιγμιαίο λέγεται αν αυτό “καθαριστεί” από τις διατάξεις προστασίας και το κύκλωμα να ξαναμπεί σε λειτουργία, ενώ το μόνιμο απαιτεί την εξωτερική παρέμβαση από τεχνικούς για την επαναλειτουργία του κυκλώματος. Οι προβλέψεις για την συμπεριφορά των εναερίων γραμμών διανομής εμπεριέχουν πολλές αβεβαιότητες. Mερικές βασικές παράμετροι όπως η πυκνότητα των κεραυνών, που μετριέται με την πυκνότητα των κεραυνών στο έδαφος (GFD), ή ο υπολογισμός του αριθμού των απευθείας πληγμάτων στην γραμμή απέχουν από την πραγματικότητα. Μελετώντας την εργασία αυτή μπορούμε να δώσουμε ακριβείς προβέψεις σφαλμάτων λόγω κεραυνών σε μια γραμμή διανομής. Στο πρώτο μέρος της εργασίας αναφέρεται η οδηγία της ΙΕΕΕ για τη συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής ηλεκτρικής ενέργειας έναντι κεραυνών. Σκοπός της είναι να παρουσιάσει εναλλακτικές λύσεις για τη μείωση των βραχυκυκλωμάτων που προκαλούνται από κεραυνό στις εναέριες γραμμές. Συγκεκριμένα θα προσδιοριστεί η συμπεριφορά των εναέριων γραμμών διανομής σε περίπτωση πτώσης κεραυνού (πλήγματα κεραυνών και βραχυκυκλώματα από επαγόμενη τάση), το επίπεδο μόνωσης των γραμμών διανομής, η προστασία των γραμμών διανομής με προστατευτικό αγωγό καθώς επίσης και η προστασία των γραμμών με αλεξικέραυνα. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας, θα αναπτυχθεί η καταγραφή σφαλμάτων και βλαβών λόγω πτώσεως κεραυνών στο δίκτυο της Μ.Τ. σε μετασχηματιστές καθώς και στις γραμμές διανομής Μ.Τ. τα τελευταία πέντε χρόνια (2003 – 2008) στην περιοχή της Αχαίας. Επίσης υπολογίζεται αναλυτικά ο αριθμός των θεωριτικών σφαλμάτων που προκείπτουν σύμφωνα με την παραπάνω οδηγία και γίνεται η συσχέτισή τους με τα πραγματικά αποτελέσματα. Τέλος ακολουθούν κάποια ραβδογράμματα για καλύτρερη κατανόηση των αποτελεσμάτων. / This diploma thesis studies the lightning performance of electric power overhead distribution lines. Lightning is a physical phenomenon which usually has dangerous consequences on people or buildings, and it is also the major cause of faults on typical overhead distribution lines. So a lightning that strikes directly to a distribution line, or to the nearby area is responsible for the damage happening to the electric circuit. Lightning usually causes temporary faults on overhead distribution lines. If the fault is cleared by a breaker or a recloser, the circuit may be successfully reclosed. But it can also cause permanent faults by damaging the equipment, which needs external help in order to restore the damage. Estimates of the lightning performance of distribution lines contain many uncertainties. Some of the basics such as lightning intensity measured by ground flash density (GFD), or estimating the number of direct strikes to a distribution line may have significant errors. Often, rough estimates or generally accepted practices are just as effective as detailed calculations. This guide is intended to provide straightforward estimates of lightning-caused faults. To the first part of this project we can find the “IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines” it’s goal is to present alternative solutions for the reduction of the flashovers caused by the lightning strike on overhead distribution lines. Specifically we deal with the lightning performance of the overhead distribution lines during a lightning case (direct strike or induced flashover), the insulation level of distribution lines, the protection of the distribution lines with a shield wire or with arresters. To the second part of this diploma thesis we can find real fault situations that have happened to the middle voltage distribution circuit to the region of Aegio GREECE the last five years (2003-2008). Moreover there is a detailed way of providing the theoretical number of faults according to this guide, after that follows a comparison between experimental and real values as well as some charts for better understanding of the results.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο τη μελέτη μεταβατικής ευστάθειας και την εφαρμογή προληπτικού ελέγχου στα ΣΗΕ. Ειδικότερα επισημαίνει και αναλύει μια μέθοδο αξιολόγησης της μεταβατικής ευστάθειας των συστημάτων για μια συγκεκριμένη διαταραχή, γνωστή ως Γενικευμένο Κριτήριο Ίσων Εμβαδών (Extended Equal Area Criterion) και με βάση αυτή, προτείνει μια μέθοδο προληπτικού ελέγχου, εφόσον η διαταραχή αυτή είναι επικίνδυνη για το σύστημα. Στο πρώτο κεφάλαιο εισάγεται η έννοια της μεταβατικής ευστάθειας, η σημασία της για την ορθή λειτουργία των ΣΗΕ, οι μέθοδοι πραγματοποίησης των μελετών της, καθώς και οι στόχοι τους. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην εξίσωση ταλάντωσης, που περιγράφει τη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος και τον καθοριστικό ρόλο αυτής στις μελέτες μεταβατικής ευστάθειας είτε μέσω των μεθόδων έμμεσης λύσης είτε μέσω των άμεσων μεθόδων. Στις τελευταίες συμπεριλαμβάνεται και το Κριτήριο Ίσων Εμβαδών, το οποίο αναλύεται στο τέλος του κεφαλαίου και αποτελεί τη βάση για τη διαμόρφωση του Γενικευμένου Κριτηρίου Ίσων Εμβαδών (ΓΚΙΕ). Το τελευταίο εισάγεται και εξετάζεται εκτενώς στο δεύτερο κεφάλαιο. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζονται οι θεωρήσεις που χρησιμοποιεί, οι δυνατότητες εφαρμογής του, τα στάδια στα οποία ολοκληρώνεται η μελέτη ευστάθειας μέσω της μεθόδου, καθώς και οι δείκτες ευστάθειας που παρέχει. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται μια αξιολόγηση της μεθόδου, παρουσιάζοντας τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της. Το τρίτο κεφάλαιο ξεκινάει με την αναφορά σε ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα του ΓΚΙΕ, που έγκειται στην παροχή της αναλυτικής έκφρασης του περιθωρίου ευστάθειας n. Το περιθώριο n αποτελεί έναν ποσοτικό δείκτη ευστάθειας του συστήματος για συγκεκριμένο χρόνο εκκαθάρισης μιας διαταραχής. Πέραν όμως των πλεονεκτημάτων της γνώσης του πόσο κοντά ή μακριά από την ευστάθεια βρίσκεται το σύστημα για μια διαταραχή, η αναλυτική έκφραση του n δίνει τη δυνατότητα της ανάλυσης της ευαισθησίας του ως προς τις παραμέτρους του συστήματος. Μέσα από την τελευταία αντικατοπτρίζεται η επίδραση που έχει η κάθε παράμετρος στην τιμή του n και επομένως στην ευστάθεια του συστήματος. Έτσι προτείνεται μια μέθοδος ελέγχου, που βασίζεται στην ανάλυση ευαισθησίας του περιθωρίου ευστάθειας. Διατυπώνονται οι θεωρήσεις και η λογική ερμηνεία των βημάτων που ακολουθεί η μέθοδος, ενώ διασαφηνίζεται κάθε της πτυχή, με την ποιοτική εφαρμογή της στις παραμέτρους και Μ, όπου οι μηχανικές ισχείς των γεννητριών και Μ οι αδράνειες τους. Η πρώτη περίπτωση αναφέρεται ως μέθοδος ελέγχου με ανακατανομή της συνολικής ισχύος του συστήματος, ενώ η δεύτερη ως μέθοδος ελέγχου με μεταβολή των αδρανειών των γεννητριών. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων του ΓΚΙΕ και των μεθόδων προληπτικού ελέγχου, στο μαθηματικό λογισμικό Matlab, για τριφασικό βραχυκύκλωμα στους ζυγούς του συστήματος τριών μηχανών και εννέα ζυγών της ΙΕΕΕ ((three machine test system). Ακολουθεί ο σχολιασμός των αποτελεσμάτων και κάποιες γενικές παρατηρήσεις που θεωρήθηκε απαραίτητο, για την ανάλυση των υπό μελέτη μεθόδων σε μεγαλύτερο βάθος, να καταγραφούν. Στο πέμπτο κεφάλαιο συνοψίζονται τα συμπεράσματα που έχουν προκύψει από τις εξομοιώσεις των υπό μελέτη μεθόδων, γίνεται μια θεωρητική αξιολόγηση αυτών και εκτίμηση της γενικής τους εικόνας. / The object of this dissertation is about transient stability and preventive control of Power Systems. Specifically it refers to Extended Equal Area Criterion (EEAC), as a way of tackling transient stability and suggest a method of preventive control, based on it. The introductory chapter aims at giving a complete picture of the concept, the methods and the purposes of transient stability assessment at sound operation of Power Systems. The chapter 2 traces the origin of EEAC and links it with EAC (Equal Area Criterion), emphasizing its implement at multimachine systems. In turn states the principle of the former and define the algorithm and the meaning of being the critical machines’ identification the right one. Chapter 3 scrutinizes the derivation of stability margins from EEAC, highlighting the significance of analytical expression of margin for being possible its sensitivity analysis. The stability margin constitutes an index of the degree of system’s stability and in combination with sensitivity analysis, provides the opportunity for applying preventive control. In turn, a method of preventive control based on margin’s sensitivity analysis is suggested. At chapter 4, the simulation results of EEAC and control method, for faults on the three machine test system of IEEE, are presented. Finally, chapter 5 contains the conclusions from the theoretical and practical analysis of EEAC and control methods.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, διερευνήθηκε η συμπεριφορά μονωτήρων πορσελάνης και μονωτήρων πορσελάνης με επικάλυψη από RTV SIR, σε πραγματικές και εργαστηριακές συνθήκες, με μετρήσεις του ρεύματος διαρροής. Στην περίπτωση των μετρήσεων σε πραγματικές συνθήκες, με την χρήση κατάλληλου εξοπλισμού, κατέστη δυνατή η συνεχής καταγραφή της συμπεριφοράς δώδεκα μονωτήρων πορσελάνης 150kV, οι οποίοι αποτελούσαν ενεργές συνιστώσες δύο υποσταθμών του Συστήματος Μεταφοράς Κρήτης. Από αυτούς σε δέκα είχαν τοποθετηθεί επικαλύψεις από RTV SIR. Παράλληλα πραγματοποιήθηκαν και μετεωρολογικές μετρήσεις, σε συγχρονισμό με αυτές του ρεύματος διαρροής, δίνοντας την δυνατότητα συσχέτισης των μετεωρολογικών παραμέτρων με την αντίστοιχη συμπεριφορά των μονωτήρων. Οι μετρήσεις του ρεύματος διαρροής ανέδειξαν δύο περιόδους δραστηριότητας. Στην περίπτωση των μονωτήρων πορσελάνης η περίοδος αιχμής καταγράφεται στο τέλος της καλοκαιρινής περιόδου, από τον μήνα Αύγουστο μέχρι και τον Οκτώβριο. Τον υπόλοιπο χρόνο καταγράφεται δραστηριότητα, ιδιαίτερα την άνοιξη, σε σημαντικά χαμηλότερα επίπεδα όμως. Η συμπεριφορά αυτή είναι σε συμφωνία με την μηνιαία κατανομή των σφαλμάτων λόγω ρύπανσης στο Σύστημα Κρήτης, την περίοδο 1969 – 2005. Αντίθετα, στην περίπτωση των μονωτήρων με επικάλυψη από RTV SIR, την περίοδο από τον Αύγουστο μέχρι και τον Οκτώβριο, κατεγράφησαν εξαιρετικά χαμηλά ως και μηδενικά επίπεδα δραστηριότητας. Για τα υλικά αυτά, η αιχμή της επιφανειακής δραστηριότητας καταγράφεται κατά την χειμερινή περίοδο. Βέβαια πρέπει να σημειωθεί ότι ακόμη και τότε, η δραστηριότητα στην επιφάνεια των επικαλύψεων από RTV SIR είναι σαφώς ασθενέστερη σε σχέση με αυτήν των μονωτήρων πορσελάνης, το αντίστοιχο χρονικό διάστημα. Η ταυτόχρονη καταγραφή των μετεωρολογικών παραμέτρων ανέδειξε ως παράμετρο κλειδί τον παρατηρούμενο μηχανισμό ύγρανσης σε κάθε περίοδο. Η καλοκαιρινή αιχμή των μονωτήρων πορσελάνης αποδίδεται στην υγροσκοπική συμπεριφορά των ρύπων και στον μηχανισμό της συμπύκνωσης. Είναι σημαντικό ότι οι δύο αυτοί μηχανισμοί δεν μπορούν να μεταβάλουν την κατάσταση της επιφάνειας, ενώ προσβάλλουν το συνολικό μήκος ερπυσμού. Έτσι απουσία βροχοπτώσεων, ο φυσικός καθαρισμός των μονωτήρων το καλοκαίρι είναι δύσκολος, επιτρέποντας την προοδευτική συγκέντρωση της κρίσιμης ποσότητας ρύπανσης. Αντίθετα στους μονωτήρες με RTV SIR, παρά την παρουσία υγρασίας, διατηρείται η υδρόφοβη συμπεριφορά της επιφάνειας, η οποία επιβάλει τελικά την καταστολή της επιφανειακής δραστηριότητας. Αντίθετα τον χειμώνα, η εμφάνιση ασθενών βροχοπτώσεων μπορεί να οδηγήσει σε μεταβολή της κατάστασης της επιφάνειας των μονωτήρων. Στην περίπτωση της πορσελάνης προκύπτει ο καθαρισμός αυτής, ενώ στις επικαλύψεις από RTV SIR, όπου ο καθαρισμός είναι δυσκολότερος, παρατηρείται απώλεια της επιφανειακής υδροφοβίας, με αποτέλεσμα την καταγεγραμμένη δραστηριότητα. Είναι πάντως σημαντικό ότι σε κάθε περίπτωση, τα επίπεδα επιφανειακής δραστηριότητας στις επικαλύψεις από RTV SIR ήταν σαφώς χαμηλότερα από αυτά των μονωτήρων πορσελάνης. Στα πλαίσια των μετρήσεων σε πραγματικές συνθήκες, κατέστη δυνατή και η καταγραφή στιγμιότυπων του ρεύματος διαρροής. Στην περίπτωση των μονωτήρων πορσελάνης, προέκυψε ότι το απαιτούμενο ρεύμα για τον σχηματισμό ξηρών ζωνών, εξαρτάται από τον μηχανισμό ύγρανσης. Στην περίπτωση μηχανισμών όπως η συμπύκνωση, ένα ρεύμα της τάξης των 2mA αρκεί. Αντίθετα στην περίπτωση των βροχοπτώσεων έχουν καταγραφεί ρεύματα της τάξης των 15mA, χωρίς σημάδια ανάπτυξης ξηρών ζωνών. Η ανάπτυξη ξηρών ζωνών υποδηλώνεται στην κυματομορφή του ρεύματος από την εμφάνιση διαστημάτων μηδενικού ρεύματος σε κάθε ημιπερίοδο, τα οποία μάλιστα μεσολαβώντας μεταξύ των διαδοχικών εκκενώσεων υποδεικνύουν την ανεξαρτησία αυτών. Τα μη γραμμικά χαρακτηριστικά του ρεύματος στην περίπτωση αυτή αντικατοπτρίζονται στην εμφάνισης μιας συνιστώσας του ρεύματος στα 150Hz. Αυτά ισχύουν για το εύρος των τιμών ρεύματος που κατεγράφησαν στην περίπτωση αυτή (14mA<ILC<140mA). Αντίστοιχα χαρακτηριστικά προκύπτουν και στην περίπτωση των μονωτήρων με επικάλυψη από RTV SIR. Επιπλέον όμως στην περίπτωση αυτή, κατεγράφησαν εκκενώσεις που δεν σχετίζονται με ξηρές ζώνες, αλλά περισσότερο με το ενδεχόμενο διατήρησης υδρόφοβης συμπεριφοράς για τμήματα της επιφάνειας του μονωτήρα. Επιπλέον η αλλοίωση της κυματομορφής του ρεύματος είναι εντονότερη στην περίπτωση αυτή, κάτι που συνεπάγεται υψηλότερα επίπεδα στην αρμονική των 150Hz. Παράλληλα με τις μετρήσεις σε πραγματικές συνθήκες, οι συνθέσεις των υλικών RTV SIR που χρησιμοποιήθηκαν, αξιολογήθηκαν και σε εργαστηριακές συνθήκες. Πραγματοποιήθηκαν δύο δοκιμές σε θάλαμο υδατονέφωσης άλατος, όπου οι συνθήκες καταπόνησης μοιάζουν με το ενδεχόμενο της βροχόπτωσης σε πραγματικές συνθήκες. Από την συμπεριφορά των υλικών στις συγκεκριμένες συνθήκες και τις μετρήσεις που έγιναν, προκύπτει ότι οι συνθέσεις με ΑΤΗ είναι περισσότερο ανθεκτικές, τόσο όσον αφορά το φαινόμενο corona (υδρόφοβη επιφάνεια), όσο και την καταπόνηση από ξηρές ζώνες, στην περίπτωση απώλειας της υδροφοβίας, σε σχέση με αυτές όπου χρησιμοποιείται silica. Η διαφορά οφείλεται στον τρόπο προστασίας που προσφέρει ο κάθε τύπος πρόσμιξης. Πάντως πρέπει να σημειωθεί ότι είναι απαραίτητη η περαιτέρω εργαστηριακή διερεύνηση της επίδρασης του τύπου της πρόσμιξης, όσον αφορά την επίδραση τόσο των εκκενώσεων corona όσο και των εκκενώσεων ξηρών ζωνών. / In the present study the performance of porcelain and RTV SIR coated porcelain insulators has been investigated in field and laboratory conditions, by leakage current measurements. In field conditions, by the use of the appropriate equipment it was possible to continuously monitor a group of twelve 150kV porcelain insulators, installed in two high voltage substations, of the Transmission System in Crete. Ten of them were coated with RTV SIR. In addition simultaneous measurements of meteorological parameters were performed, allowing the correlation of the LC measurements to the environmental conditions. The leakage current measurements performed indicated two periods of intense surface activity. In the case of porcelain, the summer period and especially the months From August to October, represent the period of intense surface activity. During the rest of the year the recorded LC levels are remarkably lower. This monthly distribution comes in agreement with the observed pollution flashovers distribution, for the period 1969-2005. The opposite activity distribution is observed for the RTV SIR coated insulators. In this case the levels of surface activity in the summer period are remarkably low and the period of intense activity for the coatings is observed during the winter. It is worth mentioning however that even in this case the levels of activity are remarkably lower than the corresponding levels in the case of porcelain, for the same time period. The opposite behavior of porcelain and coated porcelain insulators can be correlated to the environmental conditions and especially the wetting mechanism present. During the summer, insulator wetting is possible as the result of two mechanisms, the hydroscopic behavior of the pollution layer and condensation. Both mechanisms are capable of wetting the total leakage creepage distance, without cleaning the insulators surface in the same time. As a result a critical amount of pollution can be formed on the insulator surface, considering also the low levels of precipitation. So in the case of porcelain the formation of surface conductivity is possible in contradiction to the RTV SIR coated insulator, where the formed surface hydrophobicity is maintained. On the other hand during the winter, light precipitation can support the development of surface activity, since it is possible to disturb the surface condition. In the case of porcelain this will result to the cleaning of the surface. However in the case of RTV SIR coatings a loss of hydrophobicity is observed which allows the development of surface activity, considering also that cleaning is more difficult in this case. It is worth noticing however that in all cases the observed activity on the RTV SIR coated insulators is remarkably lower than the corresponding activity in the case of uncoated porcelain insulators. The leakage current waveforms for finite time periods are also included in the information provided by the field measurements performed. In the case of porcelain insulators, the analysis of the corresponding waveforms indicated that the current required for the formation of dry bands depends on the wetting mechanism present. In the case of mechanisms such as condensation, a current in the range of 1 – 2mA is capable to support the formation of dry bands. However in the case of precipitation the necessary current is higher, reaching a level of 15mA. Further the formation of dry bands is reflected to the leakage current waveform by zero current periods which are observed between the current conduction periods. This behavior indicates that the observed activity can be considered as a sequence of independent current pulses. Additionally the FFT analysis correlates the non linear current behavior to an increased 150Hz component. These characteristics have been traced in all the waveforms recorded, in the range from 14mA to 150mA. In the case of RTV SIR coated insulators the recorded waveforms are in large extent similar to the waveforms on the porcelain insulators. However additional phenomena, correlated with the existence of areas which maintain the hydrophobic behavior. In addition the non linear behavior is enhanced in this case, something that results in higher levels of a current component at 150Hz. The performance of the employed RTV SIR coatings was also investigated in laboratory conditions. Two tests were performed in a salt fog chamber, were the stress conditions are similar to the conditions observed in the case of light rain. The material performance observed and the corresponding measurements performed in both tests, indicate that the formulations tested, the endurance of the ATH filled coatings is higher than the silica filled, both in the case of corona and dry band discharge stress. The difference observed can be correlated with the action of each filler type. However the influence of the filler action needs to be further investigated.

- / -

Η παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζει τα Ευφυή Συστήματα ελέγχου και τις εφαρμογές τους στον έλεγχο συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Τα διάφορα είδη Σταθεροποιητών Συστημάτων Ισχύος (ΣΣΙ) παρουσιάζονται επίσης. Τα ηλεκτρικά συστήματα είναι δυναμικά συστήματα και υποβάλλονται συνεχώς σε διαταραχές. Είναι σημαντικό οι διαταραχές αυτές να μην οδηγούν το σύστημα σε αστάθεια. Για αυτόν το λόγο, πρόσθετα σήματα που προέρχονται από την απόκλιση ταχύτητας, την απόκλιση διέγερσης και την ροπή επιτάχυνσης εισάγονται στους ρυθμιστές τάσης. Η συσκευή που παρέχει αυτά τα σήματα αναφέρεται ως Σταθεροποιητής Συστημάτων Ισχύος. Η χρήση των Σταθεροποιητών Συστημάτων Ισχύος είναι πολύ συχνή στη λειτουργία των μεγάλων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Οι συμβατικοί Σταθεροποιητές Συστημάτων Ισχύος που χρησιμοποιούν την αντιστάθμιση προήγησης-καθυστέρησης φάσης, όπου οι ρυθμίσεις κέρδους σχεδιάζονται για τις συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας, δίνουν φτωχές επίδοσεις υπό τις διαφορετικές συνθήκες φόρτισης. Επομένως, είναι πολύ δύσκολο να σχεδιαστεί ένας σταθεροποιητής που θα μπορούσε να επιτύχει καλές επιδόσεις σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Σε μία προσπάθεια να καλυφθεί ένα ευρύ φάσμα των συνθηκών λειτουργίας,τα Ευφυή Συστήματα ελέγχου έχουν προταθεί ως πιθανή λύση για να υπερνικηθεί αυτό το πρόβλημα. Σε αυτήν την εργασία, μια συστηματική προσέγγιση στο σχέδιο ελέγχου Ασαφούς λογικής προτείνεται. Παρουσιάζεται η μελέτη του Σταθεροποιητή Συστημάτων Ισχύος Ασαφούς λογικής για την αύξηση της ευστάθειας ενός συστήματος μιας μηχανής συνδεδεμένης σε άπειρο ζυγό. Προκειμένου να ολοκληρωθεί η αύξηση της ευστάθειας, η απόκλιση ταχύτητας και η επιτάχυνση του ρότορα της σύγχρονης γεννήτριας λαμβάνονται ως είσοδοι στον ελεγκτή ασαφούς λογικής. Αυτές οι μεταβλητές έχουν σημαντική επίδραση στην απόσβεση των μηχανικών ταλαντώσεων των αξόνων των γεννητριών. Τα σήματα ευστάθειας υπολογίστηκαν χρησιμοποιώντας την ασαφή συνάρτηση συμμετοχής ανάλογα με αυτές τις μεταβλητές. Το Simulink/Μatlab χρησιμοποιήθηκε στην εφαρμογή της μελέτης. Η απόδοση του συστήματος με το Σταθεροποιητή Συστημάτων Ισχύος Ασαφούς λογικής συγκρίνεται με το σύστημα με το συμβατικό Σταθεροποιητή Συστημάτων Ισχύος καθώς και με το σύστημα χωρίς Σταθεροποιητή Συστημάτων Ισχύος. / In this thesis the different types of intelligent control systems and the various techniques used in power system stabilizers are considered. The power system is a dynamic system and it is constantly being subjected to disturbances. It is important that these disturbances do not drive the system to unstable conditions. For this purpose, additional signals derived from speed deviation, excitation deviation and accelerating power are injected into voltage regulators. The device to provide these signals is referred as power system stabilizer. The use of power system stabilizers has become very common in operation of large electric power systems. The conventional PSS which uses lead-lag compensation, where gain settings designed for specific operating conditions, is giving poor performance under different loading conditions. Therefore, it is very difficult to design a stabilizer that could present good performance in all operating points of electric power systems. In an attempt to cover a wide range of operating conditions, intelligent control systems have been suggested as a possible solution to overcome this problem. Inittialy in this thesis, an introduction of power system control and the different types of stabilizers is briefly described. Afterwards, the system modeling and power system stabilizer model is presented. Finally, a systematic approach to fuzzy logic control design is proposed. The study of fuzzy logic power system stabilizer for stability enhancement of a single machine infinite bus system is presented. In order to accomplish the stability enhancement, speed deviation and acceleration of the rotor synchronous generator are taken as the inputs to the fuzzy logic controller. These variables take significant effects on damping the generator shaft mechanical oscillations. The stabilizing signals were computed using the fuzzy membership function depending on these variables. Simulink Block Design and Matlab is utilized in implementing the study. The performance of the system with fuzzy logic based power system stabilizer is compared with the system having conventional power system stabilizer and system without power system stabilizer.

Κατά τη μελέτη ηλεκτρικών μεγεθών υπό μη ημιτονοειδείς συνθήκες ιδιαίτερο αντικείμενο μελέτης αποτελούν τα φαινόμενα που σχετίζονται με την ισχύ. Οι γνωστές προσεγγίσεις για την ισχύ σε ημιτονοειδείς καταστάσεις δεν επαρκούν και είναι εσφαλμένες. Η παρουσία ανώτερων αρμονικών, καθώς και επίσης η ασυμμετρία τάσεων και ρευμάτων μας οδηγούν σε μία διαφορετική προσέγγιση της ηλεκτρικής ισχύος. Είναι φανερό λοιπόν γιατί έχει προκύψει η ανάγκη να ορισθούν ορθά οι συνιστώσες ισχύος ώστε να: 1) Περιγράψουμε τα φυσικά φαινόμενα ισχύος και τις ιδιότητες των κυκλωμάτων παρουσία αρμονικών 2) Αντισταθμίσουμε κάποιες συνιστώσες ώστε να επιτύχουμε διόρθωση του συντελεστή ισχύος 3) Μετρηθούν κάποιες ποσότητες για τη διαμόρφωση κατάλληλου τιμολογίου ηλεκτρικής ενέργειας 4) Καθορισθούν δείκτες για την επίπτωση αρμονικών στον εξοπλισμό Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τα άνωθεν και περιλαμβάνει τα ακόλουθα κεφάλαια: Το κεφάλαιο 1 αποτελεί μια γενική εισαγωγή του θέματος που πραγματεύεται η παρούσα διπλωματική εργασία Το κεφάλαιο 2 ασχολείται με τη παρουσία αρμονικών στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας Το κεφάλαιο 3 και 4 ασχολείται με την ισχύ σε ημιτονοειδή και μη ημιτονοειδή μονοφασικά κυκλώματα αντιστοίχως Τα κεφάλαια 5 έως 10 παρουσιάζουν τις κυριότερες θεωρίες ισχύος σε μονοφασικά συστήματα παρουσία αρμονικών Συγκεκριμένα, το κεφάλαιο 5 ασχολείται με τη μέθοδο BUDEANU, το κεφάλαιο 6 με τη μέθοδο FRYZE, το κεφάλαιο 7 με τη μέθοδο SHEPHERD-ZAKIKHANI, το κεφάλαιο 8 με τη μέθοδο CZARNECKI, το κεφάλαιο 9 με τη μέθοδο IEEE και τέλος το κεφάλαιο 10 με τη μέθοδο της ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΗΣ ΑΛΓΕΒΡΑΣ Τέλος, το κεφάλαιο 11 παρουσιάζει τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τη παρούσα διπλωματική εργασία / When studying electrical quantities under nonsinusoidal conditions are particularly studied the phenomena related to the force. Major approaches to power in sinusoidal conditions are inadequate and incorrect. The presence of higher harmonics and also the asymmetry of voltages and currents lead us to a different approach of power. It is obvious, then, why the need has arisen to define correctly the power components to: 1) Describe physical phenomena and power properties of circuits in the presence of harmonics 2) Offsetting components to achieve power factor correction 3) Measure some quantities to formulate appropriate energy tariff 4) Determine the impact indicators for harmonic equipment This thesis addresses the above and includes the following chapters: Chapter 1 provides a general introduction to the topic discussed in this thesis Chapter 2 deals with the presence of harmonics in power systems Chapter 3 and 4 deal with the power in sinusoidal and non-sinusoidal single-phase circuits respectively Chapters 5 to 10 are the main theories of power in single-phase systems in the presence of harmonics Specifically, Chapter 5 deals with the method BUDEANU, Chapter 6 deals with the method FRYZE, chapter 7 deals with SHEPHERD-ZAKIKHANI, Chapter 8 deals with method CZARNECKI, Chapter 9 deals with method IEEE and finally Chapter 10 deals with method of GEOMETRIC ALGEVRA Finally, Chapter 11 presents the conclusions from this thesis

- / -

Les réseaux électriques industriels sont des micro-réseaux se trouvant au prolongement du réseau de distribution auquel ils se raccordent via un ou plusieurs transformateurs. Aujourd’hui dans ces micro-réseaux, on assiste à une croissance de l’utilisation de l’électronique de puissance pour les alimentations à découpage, les moteurs alimentés par des variateurs de vitesse, les ASI en amont des charges sensibles et les compensateurs d’énergie. Néanmoins, si certaines précautions ne sont pas prises, ces éléments risquent d’affecter fortement la stabilité du système particulièrement en mode de fonctionnement îloté où la puissance disponible est limitée. Dans cette thèse, différents facteurs contribuant au départ de l'instabilité sur un micro-réseau sont étudiés et des solutions pour repousser la limite de stabilité sont proposées. D’abord, les études de stabilité petit-signal sont utilisées pour connaître les paramètres affectant le plus la stabilité du système, et les études large-signal sont plutôt utilisées à des fins de quantification des perturbations que peut subir le système sans devenir instable. Ensuite, un stabilisateur indépendant sur le modèle du FACTS et un stabilisateur qui agit directement par les charges du micro-réseau ont été proposés. Plusieurs lois de stabilisation sont étudiées, basées soit sur les retours d'état petit-signal, soit sur des outils large-signal. Enfin, l'emplacement optimal des stabilisateurs sur un micro-réseau a été étudié. Un dernier point concerne le choix de l’intelligence centralisée ou répartie pour la stabilisation / Industrial power grids are micro-grids connected to the distribution grid via transformers. Recently in these micro-grids, there is a growth in the use of power electronic devices for switch mode power supplies, variable speed drives, UPS, critical loads and energy compensators. Nevertheless, if certain precautions are not taken, these devices may significantly affect the system stability especially in islanded operating mode where the available power is limited. In this work, main causes of instability in micro-grids are studied and solutions to improve the stability margins are proposed. First, small-signal stability analysis tools are applied to identify most sensitive components of the system. Then, large-signal tools are used to estimate the domain of attraction of the stable operating point leading to quantify allowable disturbances. Afterward, a dedicated stabilizer similar to FACTS and another stabilizer taking action directly on loads are proposed. Several stabilization laws are studied, based on either small-signal design tools, or on large-signal tools. Finally, the optimal placement of distributed stabilizers in a micro-grid was studied. A final point concerns the choice of centralized or decentralized computers for stabilization.

- / In this thesis new advanced nonlinear control methods that solve the power system stabilization problem in a more efficient and integrated manner are considered. The proposed methods mainly concern with the primary level control of a power system that plays a central role in maintaining transient stability and obtaining a desired system performance. To this end, several new nonlinear control schemes mainly applicable on power system stabilizers (PSS) have been designed and extensively analyzed. For a theoretical assessment of the system operation the concepts of passivity and passivity margin are analyzed while the concept of Ω--passivity is introduced. Using partial feedback linearization and backstepping design techniques on suitable models of the system under consideration (power system) the Ω--passivity property of the system is proved. This property is further improved through the control in the closed-loop design. To this end, several control schemes are developed and a series of different theoretical problems have been solved on using simple output feedback and advanced nonlinear control methods like sliding mode control, adaptive control or a combination of them. A significant breakthrough has been achieved with the use of fuzzy techniques in these schemes yielding designs with combined advantages of both fuzzy and adaptive control methods. A detailed stability analysis, based on Lyapunov functions, has been used to prove that the proposed controllers guarantee either uniform ultimate boundedness or asymptotic stability for the closed-loop system. The proposed schemes are examined assuming that the system operates under parameter uncertainties as well as external disturbances. The theoretical analysis indicates that regulating some design parameters of the proposed controllers one can significantly improve the robustness and the disturbance attenuation capability of the system. Extensive simulations on a two machines infinite bus test system have been carried out to evaluate the effectiveness of the proposed schemes as these are applied on the PSS of each machine. Hard cases of three phase faults or significant power demand changes have been simulated. The simulation results show that the proposed nonlinear controllers enhance the damping of the electromechanical oscillations with respect to classical AVR/PSS and improve their robustness to parameter uncertainties and disturbance attenuation capability. Using similar techniques, speed governor controls (SGC) are also designed. An adaptive control scheme is proposed that ensures asymptotic stabilization of the closed-loop system as proved by standard Lyapunov techniques. Simulations are carried out for the one generator system connected to infinite bus. The simulation results confirm a significant improvement in the electromechanical oscillations damping compared to conventional speed governor controls. An important contribution of the thesis involves the coordination and management of the controls at the primary level. The design is carried out so that each control is not competing with the action of the other and it is cooperating to complement the action of the other. In this frame, first, the coordinated operation of the designed nonlinear power system stabilizers with the classical AVR/PSS is proposed. Particularly, the sequential operation of these controllers is considered in the following way: immediately after a fault, only the nonlinear controller operates but when the fault attenuates the classical AVR/PSS takes over. In this way, significant transient enhancement and voltage regulation after the large transients can be achieved. To implement this kind of operation a soft-switching logic from the one controller to the other is proposed by using a fuzzy logic mechanism to determine which controller will act each time period. In this way, it is avoided a discontinuous switching that can create a number of problems and may even lead to instabilities. The analysis and the simulation results confirm the validity of this approach since it is shown that the coordinated control scheme has an almost identical transient performance with the nonlinear controllers ensuring simultaneously the voltage regulation at the desired set-point. The same approach is used for the coordinated operation of FACTS with the excitation controllers. To this end, a static var compensator (SVC) controller is developed which, during a fault, acts to improve the transient stability. During the transient period, the SVC uses as inputs not the voltage at the connecting point but suitable signals from neighbor stations in order to contribute to the electromechanical oscillations damping; in the sequel, it returns to its normal operation maintaining the voltage level at the connecting point at a specified value. A soft switching scheme is also applied while signal transmission delays are taken into the account. The simulation results of a three phase short-circuit in a system with a single machine connected to infinite bus through a bus that has a SVC attached, indicate that this coordinated control scheme improves the transient stability even more (in comparison to the previous coordinated scheme). Finally, coordinated control logic is used for the design of both the speed governor control and the PSS. This is needed when the operation of the PSS cannot be considered completely independent and decoupled from the speed governor dynamics (in the case of fast valve operation). In this combined system a parallel design of both the SGC and the PSS ensures the uniform ultimate boundedness of the complete closed-loop system. Moreover, the use of continuous switching through fuzzy logic, as mentioned before, between these controllers and the classical AVR/PSS (for the excitation system) and a PID control (for the SGC) is proposed. The simulation results on the two machines infinite bus system clearly confirm the superiority of the coordinated control scheme with respect to the classical AVR/PSS excitation controllers and PID speed governor controllers. As a conclusion, new combined advanced nonlinear control schemes are analyzed and proposed for power systems. From the stability analysis and the simulation results it is clearly confirmed that the application of these nonlinear controls can be effectively improve the transient behavior as well as the robustness and disturbance attenuation of a power system. It is also proved that, without extreme cost, coordinated control schemes implemented through the proposed soft-switching techniques further enhance the transient and dynamic performance of the system.