Online identification of interconnected power system coherency using WAMS

The goal of the proposed procedure in this dissertation is implementing a software algorithm based on Wide Area Measurement System (WAMS) data in order to recognize and cluster coherent areas of interconnected power networks. Power system coherency refers to the property of generators having similar time-domain responses during a system transient. The key step in the construction of coherency-based dynamic equivalents is the recognition of coherent generators which involves obtaining the response curve of each generator during a system transient and then processing those response curves by using a clustering algorithm to determine the coherent groups. Generators belonging to a certain coherent group have similar response curves with each other after a system disturbance. The networks have suffered from cascading blackouts over the decades with evident economic and social consequences. In power system formed by interconnected coupled generation/load areas through relatively weak ties, the generators in each area are close to being coherent in the inter-area oscillations. The proposed algorithm uses angle data coming from Phase Measurement Units, (PMUs) to identify and cluster coherent areas of the systems using their distances obtained from Dynamic Time Warping (DTW) algorithm. As a further matter, it also identifies the buses, without PMU, having angles which oscillate coherently with the buses with PMU. This divides system into sets of coherent buses, loads, and generators, in which the cut sets of the areas can be found. The tie lines between one coherent group and another are the weak connections which are the root cause of the oscillations. Moreover, analyzing the speed of each coherent area provides a measure to find whether the area is out of step or not. This procedure will be implemented on “IEEE 39 buses” grid to show its capability and speed to recognize coherent areas online.

L’obiettivo della procedura proposta in questa tesi è l’implementazione di un algoritmo software basato sul “Wide Area Measurement Unit” (WAMS) il cui scopo è riconoscere e raggruppare area coerenti in reti elettriche interconnesse. Con il termine “Power System Coherency” ci si riferisce alla proprietà dei generatori di avere una risposta simile nel dominio del tempo durante un transitorio. Il punto chiave nella costruzione dell’equivalente dinamico basato sulla “coerenza” è il riconoscimento di generatori sincroni “coerenti”; questo implica l’acquisizione della curva di risposta di ciascun generatore durante il transitorio e, successivamente, l’analisi di queste curve attraverso un algoritmo di clustering volto a determinare i gruppi di generatori coerenti. I generatori che fanno parte di un determinato gruppo, se soggetti ad una perturbazione del sistema, avranno curve di risposta simili tra loro. Nel corso dei decenni le reti elettriche hanno subito blackout con effetti a cascata ed evidenti conseguenze economiche e sociali. In un sistema di elettrico costituito da aree di generazione e carico accoppiati attraverso legami relativamente deboli, i generatori di ciascuna zona presentano comportamenti coerenti nelle oscillazioni inter-area. L'algoritmo proposto utilizza i dati delle misure di angolo provenienti da “Phasor Measurement Units” (PMU) per misurare le loro distanze attraverso un algoritmo di “Dynamic Time Warping” (DTW) e quindi identificare e raggruppare le aree coerenti del sistema analizzato. In aggiunta, esso identifica anche i bus non provvisti di PMU che oscillano coerentemente con i bus dotati di PMU. Questo divide il sistema in gruppi coerenti di bus, carichi e generatori, in cui possono essere chiaramente identificati i punti di taglio delle aree. Le linee di collegamento tra un gruppo coerente e un altro rappresentano le connessioni deboli che sono la causa principale delle oscillazioni. Inoltre, l’analisi della velocità di ciascuna area coerente fornisce una misura per determinare se l’area “ha perso il passo” o meno. Questa procedura è stata implementata nella rete IEEE a 39 nodi per dimostrarne la validità e la velocità nel riconoscere aree coerenti in tempo reale.