PMU-based estimation of the moving power of an area for inertia

Electric power systems are undergoing a transition aiming at sustainable development, leading to the replacement of conventional generation for Renewable Energy Sources (RES). This change is bringing new challenges to power system operators such as reduced inertia. The constant of inertia determines the frequency response after a power mismatch, such that an insufficient value of inertia may cause frequency instability after a disturbance. For this reason, estimating inertia in real-time is becoming indispensable for the overall security assessment of the system. Several methods have been proposed to estimate the inertia based on PMU measurements. The interarea Model Estimation (IME) method, which is studied in this thesis, is based on estimating dynamic equivalents for areas interconnected by a radial path. After determining the dynamic equivalents, the method estimates inertia solving the swing equation through Least Squares (LS) method, assuming the moving power of the area as constant. However, this assumption only stands in areas that do not contain a perturbation or high voltage-dependent loads. In these cases, an equivalent moving power should be estimated. This dissertation proposes a method to estimate the moving power of an area based on PMUs together with SCADA or pseudo measurements. The method can be divided in two processes: first the load behaviour is estimated and at a second moment, the contribution of the total mechanical power of synchronous generators and the total losses of the area are taken into consideration. The load power is obtained through load modelling and parameter estimation. For the contribution of the total mechanical power and total losses, two approaches are suggested: the first one considers a constant behaviour. The second one considers a first order transition from the quasi steady pre and post disturbance states. The proposed methods have been tested using an 11-bus test system under different disturbances. For this purpose, the software DIgSILENT Power Factory was used. The results of the simulations were used as measurements, which were processed in Matlab to test the methods.

I sistemi elettrici di potenza stanno attraversando una transizione volta allo sviluppo sostenibile, portando alla sostituzione della generazione convenzionale per fonti di energia rinnovabile (RES). Questa trasformazione sta portando nuove sfide agli operatori dei sistemi di trasmissione come la riduzione dell’inerzia. La costante d'inerzia determina la risposta dopo squilibri di potenza sulla rete, in modo tale che un valore insufficiente di inerzia può causare instabilità di frequenza dopo una perturbazione. Per questo motivo, la stima dell'inerzia in tempo reale sta diventando indispensabile per la valutazione complessiva della sicurezza del sistema. Sono stati proposti diversi metodi per la stima dell'inerzia basato sulle misure provenienti da PMU. Il metodo Interarea Model Estimation (IME), che viene studiato in questa tesi, si basa sulla stima di equivalenti dinamici per aree interconnesse da un percorso radiale. Dopo aver determinato gli equivalenti dinamici, il metodo stima l'inerzia risolvendo la swing equation attraverso il metodo dei minimi quadrati (LS), assumendo costante il moving power dell'area. Tuttavia, questo presupposto é verificato solo in aree che non contengono perturbazioni o carichi dipendenti dalla tensione. In questi casi, si dovrebbe stimare la moving power equivalente. Questa tesi propone un metodo per stimare la moving power di un'area ed é basate su PMU insieme a SCADA o pseudo misure. Il metodo può essere suddiviso in due processi: in primo luogo viene stimato il comportamento del carico e in un secondo momento vengono presi in considerazione il contributo della potenza meccanica totale dei generatori sincroni e le perdite totali dell'area. La potenza del carico è ottenuta attraverso la modellazione del carico e la stima dei parametri. Per il contributo della potenza meccanica totale e delle perdite totali, vengono suggeriti due approcci: il primo considera un comportamento costante. Il secondo considera una transizione di primo ordine dagli stati pre e post disturbo. I metodi proposti sono stati testati utilizzando un sistema di test di 11 bus con diversi disturbi. A tale scopo è stato utilizzato il software DIgSILENT Power Factory. I risultati delle simulazioni sono stati utilizzati come misurazioni, che sono state elaborate in Matlab per testare i metodi.