State Estimation of Power System Considering Thermal States of Transmission Line and Power Transformer

Abstract

The problem of the voltage stability assessment considering the thermal limit of the transmission line has been addressed in this dissertation. Two indicators, namely line voltage stability and line ampacity indices, to determine the voltage stability states and line security of power systems under various operating conditions have been proposed. Both indices rely on the measured values that are already obtained from conventional measurements used in power systems. The identification of weak buses and critical lines based on the proposed indices is possible using only voltage magnitude and real power measurements. Numerical experimental results on two power networks have been tested under increasing system loading and line outage conditions indicate that by considering both line voltage stability and line ampacity indices, power systems could mitigate the risks of voltage collapse and excessive current in transmission lines. The influence of the thermal states of the transmission line and the power transformer on state estimation of electric power systems has also been studied. The three - phase state estimation algorithm based on the weighted least square method has also been proposed. The node admittance matrix model of the three - phase transformer and the weather - dependent thermal model of the overhead transmission line are integrated into the state estimation problem. It is then formulated as a nonlinear optimization with equality and inequality constraints. The estimated state variables consist of the bus voltage phasors, the transformer parameters, the transmission line conductor temperatures, and the weather states. Then, the top - oil and the hot - spot winding temperatures of the transformers can be evaluated using the estimates states. The IEEE 30 - bus and 118 - bus systems have been modified as three - phase test systems and the numerical results indicate that the proposed state estimation can be used to estimate the thermal states of the transmission line and the power transformers and the accuracy of the estimated states is also improved.

ปัญหาของการประเมินความเสถียรของแรงดันไฟฟ้าเมื่อพิจารณาขีดจำกัดความร้อนของสายส่งได้ถูกกล่าวถึงในวิทยานิพนธ์นี้ ได้นำเสนอสองดัชนี ได้แก่ ดัชนีความเสถียรแรงดันไฟฟ้าและกระแสดัชนี เพื่อกำหนดสถานะความเสถียรของแรงดันไฟฟ้าและความปลอดภัยของสายส่งของระบบไฟฟ้าภายใต้สภาวะการทำงานต่างๆ ทั้งสองดัชนีอาศัยค่าที่วัดได้ที่ได้รับจากการวัดแบบดั้งเดิมที่ใช้ในระบบไฟฟ้า การระบุบัสที่อ่อนแอและวิกฤตสายส่งตามดัชนีที่เสนอสามารถทำได้โดยใช้ค่าการวัดขนาดแรงดันไฟฟ้าและกำลังไฟฟ้าจริงเท่านั้น ผลการทดลองเชิงตัวเลขบนโครงข่ายสองบัส ได้รับการทดสอบภายใต้สภาวะการโหลดของระบบที่เพิ่มขึ้นและเงื่อนไขการหยุดทำงานของสายส่ง บ่งชี้ว่าเมื่อพิจารณาค่าดัชนีความเสถียรแรงดันไฟฟ้าและกระแสดัชนี ระบบไฟฟ้าสามารถลดความเสี่ยงของแรงดันไฟฟ้าตกและกระแสไฟฟ้าที่มากเกินขีดกำกัดสายส่งได้

อีกทั้งยังศึกษาอิทธิพลของสถานะความร้อนของสายส่งและหม้อแปลงกำลังที่มีต่อการประมาณค่าสถานะของระบบกำลังไฟฟ้า มีการเสนออัลกอริธึมการประมาณค่าสถานะแบบสามเฟสโดยใช้วิธีกำลังสองน้อยที่สุดแบบถ่วงน้ำหนัก แบบจำลองเมทริกซ์โนดแอดมิตแตนซ์ของหม้อแปลงสามเฟสและแบบจำลองความร้อนที่ขึ้นกับสภาพอากาศของสายส่งเหนือศีรษะถูกรวมเข้ากับปัญหาการประมาณค่าสถานะ จากนั้นจึงกำหนดสูตรให้เป็นการหาค่าเหมาะที่สุดแบบไม่เชิงเส้นโดยมีข้อจำกัดด้านความเท่าเทียมและความไม่เท่าเทียมกัน ตัวแปรสถานะที่ประมาณประกอบด้วยเฟสเซอร์แรงดันบัส พารามิเตอร์ของหม้อแปลง อุณหภูมิตัวนำของสายส่ง และสถานะสภาพอากาศ จากนั้น สามารถประเมินอุณหภูมิน้ำมันด้านบน และอุณหภูมิจุดร้อนขดลวดของหม้อแปลงได้ โดยใช้สถานะการประมาณ ระบบทดสอบสามเฟสเป็นระบบ IEEE 30 บัส และ IEEE 118 บัส ผลลัพธ์เชิงตัวเลขบ่งชี้ว่าการประมาณสถานะที่เสนอมีความแม่นยำที่สามารถนำมาใช้ในการประมาณสถานะความร้อนของสายส่งและหม้อแปลงกำลังได้