Determining the maximum power system loadability, as well as preventing the system from being operated close to the stability limits is very important in power systems planning and operation. The application of optimization techniques to power systems security and electricity markets is a rather relevant research area in power engineering. The study of optimization models to determine critical operating conditions of a power system to obtain secure power dispatches in an electricity market has gained particular attention. This thesis studies and develops optimization models and techniques to detect or avoid voltage instability points in a power system in the context of a competitive electricity market. A thorough analysis of an optimization model to determine the maximum power loadability points is first presented, demonstrating that a solution of this model corresponds to either Saddle-node Bifurcation (SNB) or Limit-induced Bifurcation (LIB) points of a power flow model. The analysis consists of showing that the transversality conditions that characterize these bifurcations can be derived from the optimality conditions at the solution of the optimization model. The study also includes a numerical comparison between the optimization and a continuation power flow method to show that these techniques converge to the same maximum loading point. It is shown that the optimization method is a very versatile technique to determine the maximum loading point, since it can be readily implemented and solved. Furthermore, this model is very flexible, as it can be reformulated to optimize different system parameters so that the loading margin is maximized. The Optimal Power Flow (OPF) problem with voltage stability (VS) constraints is a highly nonlinear optimization problem which demands robust and efficient solution techniques. Furthermore, the proper formulation of the VS constraints plays a significant role not only from the practical point of view, but also from the market/system perspective. Thus, a novel and practical OPF-based auction model is proposed that includes a VS constraint based on the singular value decomposition (SVD) of the power flow Jacobian. The newly developed model is tested using realistic systems of up to 1211 buses to demonstrate its practical application. The results show that the proposed model better represents power system security in the OPF and yields better market signals. Furthermore, the corresponding solution technique outperforms previous approaches for the same problem. Other solution techniques for this OPF problem are also investigated. One makes use of a cutting planes (CP) technique to handle the VS constraint using a primal-dual Interior-point Method (IPM) scheme. Another tries to reformulate the OPF and VS constraint as a semidefinite programming (SDP) problem, since SDP has proven to work well for certain power system optimization problems; however, it is demonstrated that this technique cannot be used to solve this particular optimization problem.

Determining the maximum power system loadability, as well as preventing the system from being operated close to the stability limits is very important in power systems planning and operation. The application of optimization techniques to power systems security and electricity markets is a rather relevant research area in power engineering. The study of optimization models to determine critical operating conditions of a power system to obtain secure power dispatches in an electricity market has gained particular attention. This thesis studies and develops optimization models and techniques to detect or avoid voltage instability points in a power system in the context of a competitive electricity market. A thorough analysis of an optimization model to determine the maximum power loadability points is first presented, demonstrating that a solution of this model corresponds to either Saddle-node Bifurcation (SNB) or Limit-induced Bifurcation (LIB) points of a power flow model. The analysis consists of showing that the transversality conditions that characterize these bifurcations can be derived from the optimality conditions at the solution of the optimization model. The study also includes a numerical comparison between the optimization and a continuation power flow method to show that these techniques converge to the same maximum loading point. It is shown that the optimization method is a very versatile technique to determine the maximum loading point, since it can be readily implemented and solved. Furthermore, this model is very flexible, as it can be reformulated to optimize different system parameters so that the loading margin is maximized. The Optimal Power Flow (OPF) problem with voltage stability (VS) constraints is a highly nonlinear optimization problem which demands robust and efficient solution techniques. Furthermore, the proper formulation of the VS constraints plays a significant role not only from the practical point of view, but also from the market/system perspective. Thus, a novel and practical OPF-based auction model is proposed that includes a VS constraint based on the singular value decomposition (SVD) of the power flow Jacobian. The newly developed model is tested using realistic systems of up to 1211 buses to demonstrate its practical application. The results show that the proposed model better represents power system security in the OPF and yields better market signals. Furthermore, the corresponding solution technique outperforms previous approaches for the same problem. Other solution techniques for this OPF problem are also investigated. One makes use of a cutting planes (CP) technique to handle the VS constraint using a primal-dual Interior-point Method (IPM) scheme. Another tries to reformulate the OPF and VS constraint as a semidefinite programming (SDP) problem, since SDP has proven to work well for certain power system optimization problems; however, it is demonstrated that this technique cannot be used to solve this particular optimization problem.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:50Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-11-06Bitstream added on 2014-06-13T19:00:48Z : No. of bitstreams: 1 garbelini_e_dr_ilha.pdf: 758680 bytes, checksum: 9f08146d542679d2c1da479912ffd576 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O fluxo de carga convencional é considerado inadequado para a obtenção do ponto de máximo carregamento devido a singularidade da matriz Jacobiana. Os métodos da continuação são ferramentas eficientes para a solução deste tipo de problema, e diferentes parametrizações são utilizadas para evitar a singularidade da matriz. Neste trabalho apresentase uma técnica de parametrização geométrica que possibilita o traçado completo das curvas PV sem os problemas de mal condicionamento. A técnica proposta associa a robustez com a simplicidade e a facilidade de compreensão. A singularidade da matriz Jacobiana é eliminada pela adição da equação de uma reta que passa por um ponto no plano formado pelas variáveis perdas de potência ativa totais e o fator de carregamento, dois parâmetros físicos de fácil compreensão. A técnica, aplicada aos sistemas do IEEE (14, 30, 57, 118 e 300 barras) e ao sistema brasileiro sul-sudeste (638 e 787 barras), mostra que as características do fluxo de carga não só são preservadas, mas também melhoradas. Diversos testes são realizados para proporcionar a comparação do desempenho do esquema de parametrização proposto para o método do fluxo de carga continuado. / The conventional Newton’s method has been considered inadequate to obtain the maximum loading point of power systems due to the Jacobian matrix singularity. Continuation methods are efficient tools for solving this kind of problem, and different parameterizations are used to avoid the matrix singularity. This paper presents a new geometric parameterization scheme that allows the complete tracing of the PV curves without ill-conditioning problems. The proposed technique associates the robustness to the simplicity and easy understanding. The Jacobian matrix singularity is overcome by the addition of a line equation, which passes through a point in the plane, determined by the real power losses and loading factor variables, two parameters with clear physical meaning. The application of this new technique to the IEEE systems (14, 30, 57, 118 and 300 buses) and to the Brazilian systems south-southeast (638 and 787 buses) shows that the characteristics of the conventional Newton’s method are not only preserved but also improved. Several tests are carried out to compare the performance of the proposed parameterization scheme for the continuation power flow method.

Orientador: Carlos Alberto de Castro Jr / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-04T04:11:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JimenezCifuentes_Alberto_M.pdf: 868822 bytes, checksum: 18c5f2e3c043eab417e1404db98cf0d0 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: As mudan¸cas no setor eletrico tem influido de maneira dr'astica nas condicoes de operacao dos sistemas, levando-os a operar proximos da sua maxima capacidade. Por esta razao, estimar a proximidade do ponto de operacao da rede aos limites do sistema de forma eficiente tem se tornado uma tarefa fundamental na operacao de sistemas el'etricos de pot¿encia. Do ponto de vista da estabilidade de tensao e interessante conhecer a margem de carregamento, ja que ela fornece uma id'eia precisa da proximidade do sistema ao colapso de tensao.Este trabalho propoe o treinamento de redes neurais artificiais para avaliar a margem de carregamento sob condicoes de operacao normais e de contingencia a partir das informacoes coletadas da previs¿ao de carga e usando diferentes grandezas mensuraveis diretamente do sistema ou atraves de calculos simples, visando a aplicacao desta metodologia num ambiente de tempo real / Abstract: Deregulation of electricity industry has drastically changed the operating conditions of power systems (PS). This fact leads them to operate close to their maximum capability. Thus, estimating efficiently the proximity of the operating point to its limits has become an essential task in PS. In static voltage stability analysis it is interesting to know the load margin (LM), which gives the proximity to the collapse point. This work proposes a neural network training in order to evaluate the LM not only under normal operating conditions, but also disturbance conditions, using either collected data of several measured parameters available from the system or through simple computations toward applying this methodology on real systems under on-line analysis / Mestrado / Energia Eletrica / Mestre em Engenharia Elétrica

[pt] O fenômeno de estabilidade de tensão é um problema associado ao fluxo de potência ativa e reativa nas linhas de transmissão. A manifestação mais conhecida do fenômeno é a existência de uma máxima carga que pode ser alimentada pela rede. Assim, é importante conhecer a proximidade ao ponto de máximo carregamento da rede de transmissão. Nesta dissertação foram estudados métodos existentes na literatura para determinar o ramo de transmissão mais carregado, foi avaliada a veracidade dos resultados obtidos quando são estudados os ramos de transmissão individualmente e, finalmente, foi apresentada uma alternativa para identificar o ramo de transmissão mais carregado observando as variações dos índices de estabilidade de tensão em cada ramo. Mostrou-se que é inadequada a avaliação de cada linha individualmente em um sistema multi-nó. / [en] The voltage stability phenomenon is a problem related with the flow of active and reactive power in transmission lines. The main characteristic of this phenomenon is the existence of a maximum load that can be supplied by the network. Therefore, did the importance of knowing the proximity to the point of maximum loading of the transmission network. In this dissertation, the existing methods in the literature for determining the most heavily loaded transmission branch were studied, was assessed the accuracy of the results obtained when the transmission branches are studying individually, and finally was displayed an alternative to identify the most heavily loaded transmission branch observing variations in voltage stability indices in each branch. It has been shown that it is inappropriate to evaluate each line individually in a multi-node system.

[pt] O fenômeno de estabilidade de tensão é um problema associado ao fluxo de potência ativa e reativa nas linhas de transmissão. A manifestação mais conhecida do fenômeno é a existência de uma máxima carga que pode ser alimentada pela rede, mas, atualmente também se sabe da existência de uma máxima injeção de potência ativa e reativa na rede por geradores e compensadores. É apresentado um método para avaliar as condições de carregamento da rede e detectar barras críticas. Identifica-se a sub-rede utilizada para transmitir potência ativa de ou para a barra critica, determinam-se os caminhos de transmissão que a compõem e identifica-se o ramo crítico do caminho mais carregado. É o ramo a ter seu fluxo de potência diminuído. Nesta dissertação foi proposta a determinação da sub-rede quando a barra em análise é de tensão controlada por compensador. Além disso, foram propostas modificações no método existente: injeção de potência ao invés de admitância equivalente no isolamento da sub-rede e dos caminhos de transmissão, e índices de estabilidade ao invés de fórmulas analíticas na determinação do caminho mais carregado e do ramo crítico. / [en] The voltage stability phenomenon is a problem related with the flow of active and reactive power in transmission lines. The main characteristic of this phenomenon is the existence of a maximum load that can be supplied by the network, but actually it is also known the existence of a maximum active and reactive power injection at the network supplied by generators and compensators. In this dissertation, a method is presented to evaluate the conditions of the network loadability and the critical buses identification. The network used to transmit the active power from or to a critical bus and its transmissions lines are identified, and identify the critical branch of the most loaded transmission path. This critical branch will have its power flow reduced. In this dissertation, is proposed the determination of the sub-transmission network when the bus under analysis has its voltage controlled by compensator. Furthermore, were proposed modifications to the current method: power injection rather than equivalent admittance in isolation of the sub-transmission network and the transmission paths and also, using voltage stability indexes rather than using analytical formulas to determine the most loaded path and critical branch.

[pt] Na medida em que as redes de transmissão de energia elétrica ficaram mais malhadas, os limites térmicos de linhas e transformadores passaram a restringir menos a transmissão de potência. Similarmente, o uso de sistemas estáticos de compensação de potência reativa e estabilizadores na excitação dos geradores aumentou a capacidade de transmissão de potência nos sistemas antes limitados por problemas de estabilidade angular. Hoje as linhas de transmissão estão mais carregadas e isto deu origem ao problema da instabilidade de tensão.Neste trabalho, as condições de estabilidade de tensão são avaliadas por condições nodais associadas ao máximo fluxo de potência ativa e reativa que pode ser transmitida dos geradores para as cargas. Estas condições nodais são avaliadas por uma ferramenta analítica com base em modelo matemático, simples mas poderoso, de uma direta interpretação física do fenômeno.Índices abrangentes e significativos são obtidos a partir da matriz Jacobiano do sistema. Eles indicam a região de operação na curva V x P, Q , a margem em MVA para o máximo carregamento, a importância relativa entre as barras, uma medida de dificuldade de transmissão, e o índice de influência que relaciona as margens de potência entre dois pontos de operação, o que caracteriza a eficácia ou não, por exemplo, de uma ação de controle. O método proposto nesta tese para reforçar as condições de estabilidade de tensão consiste de três etapas seqüenciais. Primeiramente, avalia-se as condições de estabilidade de tensão determinando-se a barra crítica da rede através do cálculo da margem de potência. Determinase o caminho de transmissão crítico, conceito novo usado neste trabalho, entre os vários existentes para transportar potência de geradores para aquela barra crítica. Determina-se então o ramo crítico deste caminho, conceito introduzido neste trabalho. Um programa de fluxo de potência ótimo é usado para aliviar o carregamento desse ramo crítico. A seqüência começa novamente com a avaliação das condições no novo ponto de operação. Todas as etapas são repetidas até que as margens resultantes sejam julgadas adequadas.Barras de carga, de geração e de tensão controlada por compensadores de potência reativa em paralelo com a rede podem ser eleitas como a barra crítica. Somente o método de avaliação nodal usado é capaz de lidar com qualquer tipo de barra. Da mesma forma, o procedimento proposto para reforçar as condições de estabilidade de tensão é adequado para qualquer tipo de barra.São mostrados inúmeros testes, tanto ilustrativos como com sistemas reais, em pontos de operação também reais, inclusive na situação de iminente colapso de tensão. Verifica-se que o método proposto realmente produz os resultados desejados. / [en] As the electric power transmission networks became more interconnected, the thermal limits of lines and transformers restrict less the power transmission. Similarly, the use of static systems of reactive power compensation increases the power transmission capacity in systems whereas before they were limited by problems of angular stability. Actually, transmission lines are more loaded and create the voltage stability problem. In this work, voltage stability conditions are assessment by nodal conditions associated to the maximum active and reactive power flow that can be transmitted from generators to loads.These nodal conditions are assessment using an analytical tool, based on a simple but sound mathematical background, modelling a straightforward physical haracterisation of the phenomena. Comprehensive and meaningful indices are obtained from system Jacobean matrix. They indices indicate the operating region in V x P,Q curve, the MVA margin to the maximum load, the relative importance among buses, the buses loading ranking, a measure of difficult for power transmission, and the influence indices that relates power margins between two operating points, which characterises efficiency or not, for example, of a control action.In order to reinforce voltage stability condition, the thesis proposes a method consisting of three sequential stages. Firstly, voltage stability is analysed, deciding network critical bus using the power margin calculation. Next, the critical transmission path is decided, which is a new concept used in this work, in between several existing used to transport generators power for that critical bus. Then, critical branch is obtained through this path, concept introduced in this work. An optimal power flow program is used to alleviate load flow in the critical branch. The sequence starts again with the stability condition assessment in the new operating point. All stages are repeated until resultant margins are judged suitable. Load, generation and voltage-controlled bus by shunt reactive power compensators could be considered critical bus. The nodal method used is the only one capable of handling any bus type.Several cases are shown, illustrative as well as real systems using real operating points,including imminent voltage collapse situations. It is verified that the proposed method really produces the desired results.

[pt] O surgimento do fenômeno de estabilidade de tensão na operação dos sistemas elétricos motivou centenas de pesquisadores a desenvolverem métodos que permitam detectar a proximidade à instabilidade de tensão, com eficiência computacional, e tomar medidas acertadas para garantir a operação confiável e segura. Neste trabalho são utilizados e comparados diferentes métodos associados à análise de estabilidade de tensão. Para testes, foram utilizados vários sistemas sob diferentes níveis de carregamento, desde carga leve até o máximo carregamento, este obtido a partir do algoritmo de fluxo de potência continuado. O objetivo é localizar as barras críticas, isto é, aquelas onde não se pode aumentar a injeção de potência e que impedem o crescimento da carga do resto do sistema. / [en] The rise of voltage stability phenomenon in the operation of the electrical systems motivated hundreds of researchers to develop methods that allow them to detect the proximity to voltage instability, with computational efficiency, and take the right steps to ensure reliable and safe operation. This work used and compared different methods associated with the voltage stability analysis. For the tests were used various systems under different levels of loading, from light load to maximum load, this point obtained from the continuous power flow algorithm. The goal is to find the critical buses, that is, those at which the power injection cannot be increased and that avoid the growth of load in the rest of the system.

[pt] Nos sistemas de potência ao redor do mundo, inclusive o brasileiro, são feitas as medições dos níveis de tensão nos barramentos e a corrente nos ramos de transmissão durante algum tipo de contingência em tempo real. A lista de contingências inclui: a perda de qualquer ramo de transmissão, a perda de alguns pares de ramos e, de menor importância, a perda de geração. Nesse momento, também são avaliadas as condições de estabilidade de tensão. A inclusão na lista de contingências de perda de controle de tensão devido ao esgotamento da fonte controladora (gerador, compensador, tap de LTC) em todas as barras de tensão controlada e também a perda de capacidade de aumentar/diminuir a geração de potência ativa em todos os geradores da rede permite identificar o grau de sensibilidade de cada grandeza contingenciada sobre a margem de estabilidade de tensão. Depois de feita a análise dos esgotamentos, é determinado em ordem decrescente as tensões e as gerações que mais influenciam a margem de estabilidade de tensão de uma determinada barra. Esse resultado indica as direções do movimento das grandezas. Portanto, para melhorar a margem da barra crítica, devem-se calcular ações de controle, ou seja, variar a tensão e/ou a potência ativa dos geradores, encontrando assim um novo ponto de operação. Esse novo ponto de operação deve ser buscado através de algoritmos genéticos. O desvio mínimo quadrático em relação ao ponto de operação do caso base deve ser observado, ou seja, busca-se um novo ponto de operação que não seja muito distante ao caso base. No algoritmo genético, a tensão dos geradores é a variável; a sua variação é discreta em degraus de 0,01 pu (em módulo). Também há casos em que potência ativa dos geradores será variável do GA e tendo suas variações em degraus de 5 porcento em módulo em relação ao caso base. São realizados diversos testes para encontrar o novo ponto de operação, buscando encontrar os menores desvios possíveis enquanto melhora-se a margem de potência. No primeiro sistema utilizado (CEPEL-34) duas configurações dentre os testes feitos para o GA se sobressaem das demais e por isso são usadas para outro sistema (Nórdico). Em ambos os sistemas o objetivo inicial é cumprido. / [en] Power systems around the world, including the Brazilian one, measure the voltage levels on the buses and the current in the transmission branches during some type of contingency in real time. The list of contingencies includes: the loss of any branch of transmission, the loss of some pairs of branches and, of less importance, the loss of generation. At that time, the voltage stability conditions are also evaluated. The inclusion in the list of contingencies of loss of voltage control due to the exhaustion of the controlling source (generator, compensator, LTC tap) in all controlled voltage bars and also the loss of capacity to increase / decrease the generation of active power in all generators in the network make it possible to identify the degree of sensitivity of each contingent quantity on the voltage stability margin. After the analysis of the exhausts, the tensions and generations that most influence the voltage stability margin of a given bar are determined in decreasing order. This result indicates the directions of movement of the quantities. Therefore, to improve the margin of the critical bar, control actions must be calculated, that is, vary the voltage and / or the active power of the generators, thus finding a new point of operation. This new point of operation must be sought through genetic algorithms. The minimum quadratic deviation in relation to the operating point of the base case must be observed, that is, a new operating point that is not far from the base case is sought. In the genetic algorithm, the voltage of the generators is the variable; its variation will be discrete in steps of 0.01 pu (in module). There will also be cases in which the active power of the generators will be variable in the GA and having their variations in steps of 5 percent in module in relation to the base case. Several tests are carried out to find the new operating point, seeking to find the smallest possible deviations while improving the power margin. In the first system used (CEPEL-34) two configurations among the tests made for GA stand out from the others and therefore replicated to another system (Nordic). In both systems the initial objective is fulfilled.

In the search for green energy to combat climatechange, a shift from conventional energy sources such as coal,oil, and nuclear towards Renewable Energy Sources (RES) isneeded. This shift poses a threat to the stability of the powergrids as RES do not contribute with rotating mass in the system.A lack of rotating mass, or in other words inertia, jeopardizesthe ability of power systems to counteract large disturbances.Frequency Containment Reserves (FCR) units are responsiblefor controlling the frequency in power systems by regulatingthe balance between the generated and consumed power. If thefrequency deviates outside of the defined range from the nominalvalue, it can lead to system separation, blackouts, and systemequipment damage. The frequency deviations are faster in lowinertia systems, making it more difficult for FCR to keep thefrequency within accepted ranges. Hydro turbines are often usedas FCR units, but additional means of support could be neededfor low inertia systems. Viable support could be battery systems.This project investigates the change towards low inertia and thepossible implementation of a battery system as fast step-wisepower support with a frequency trigger. The investigation is donethrough case studies of simulated system models in Matlab andSimulink. / I jakten på grön energi för att bekämpa klimatförändringarna behövs en övergång från konventionella energikällor som kol, olja och kärnkraft mot förnyelsebara energikällor. Denna övergång utgör ett hot mot kraftnätens stabilitet då förnyelsebara energikällor inte bidrar med roterande massa. Brist på roterande massa eller med andra ord tröghet äventyrar kraftsystemens förmåga att motverka stora störningar. Frequency Containment Reserves (FCR) är system som aktivt arbetar med att styra frekvensen i kraftsystemet genom att reglera balansen mellan den producerade och konsumerade effekten. Om detta misslyckas och frekvensen avviker för mycket från den nominella frekvensen kan detta leda till systemseparation, strömavbrott eller skada hos systemkomponenter. I ett system med låg tröghet blir frekvensavvikelserna snabbare. Detta gör det svårare att använda sig av FCR för att hålla frekvensen inom accepterade intervall. Vattenkraftverk används ofta som FCR enheter, men för system med låg tröghet kan ytterliggare stöd behövas. Ett möjligt effektstöd kan vara batterisystem. Detta projekt undersöker förändringen till lägre tröghet i ett kraftsystem och möjlig implementering av ett batterisystem med ett snabbt stegsvar för effektstöd, vilket aktiveras vid en förbestämd frekvens. Undersökningen görs genom studier av specifika fall med en linjäriserad modell av ett kraftsystemet, lerade i Matlab och Simulink. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2021, KTH, Stockholm