Determination of power transfer capability

Abstract

Yüksek lisans tezimizde, iletim hatlarının güç aktarım kapasitesinin belirlenmesi üzerine çalışmaktayız. Bölgeler arası güç aktarımı, çalışan elektrik güç sisteminin temel bir işlevidir. Ancak, iletim ağlarının güç aktarım kapasitesi sınırlıdır. Maksimum güç aktarım miktarına, güç aktarım kapasitesi denir. Aslında, aktarım yeterliliği maksimum güç aktarımını ölçer. Güç aktarımın belirlenmesi çoğunlukla çeşitli işletim senaryoların bigisayar simülasyonlarına dayanır. Bu simülasyonlar güç-akış çözümleri sonucu elde edilir. Burada öngörülene benzer senaryoların bilgisayar simülasyonları, güç sistemlerinin değişik miktarlardaki yük aktarımı altında başarılı işletilmesi için hayati bilgiler sağlar.Güç aktarım kapasitesini hesaplamak için çeşitli senaryolar önermekteyiz. Bu senaryolar güç aktarım kapasitesinin kolay ve pratik hesaplanmasına katkıda bulunur. Amaçladığımız senaryolar güç aktarım kapasitesini pratik bir biçimde kestirmek içindir. Aktarım kapasitesini değerlendirmek için öncelikle, geliştirdiğimiz güç-akış programını çalıştırarak, eldeki veriye karşı düşen güç-akış çözümünü elde ederiz. Bahsedilen güç-akış programını modüler bir şekilde gerçekleştirmeyi denemekteyiz. Böylece güç-akış programı, güç akış konularıyla ilgili ek amaçlar için genişletilmek üzere çok uygun ve kolay hale gelmiştir. Program, 20 baralık IEEE ve 225 baralık İstanbul Bölgesi deneme sistemlerinin güç-akış çözümü için çalıştırılmıştır. Güç-akış çözümünü, Newton-Raphson yöntemini kullanarak, üreteç reaktif güç sınırlarını hesaba katarak da katmayarak elde ederiz.İlk seçenek güç-akış programını reaktif güç sınırlarını hesaba katmayarak, ikinci seçenek ise reaktif güç sınırlarını göz önüne alarak çözer. Bu seçenekler kullanıcının isteğine bağlıdır. Ayrıca, Jakobiyen matrisi seyrek matris ve vektörel hesaplama tekniklerini kullanarak oluştururuz. Kullandığımız teknikler, güç-akış programımız için yüksek hız ve güvenilir yakınsama sağlar. Güç-akış programları sürekli durum koşulları altında her baradaki voltaj genliklerini ve açılarını saptar. Program, verilen şebeke, üretim ve yük verileri için temel durum çözümünü elde eder. Temel durum güç sistemini işletme koşulunda güç aktarımı uygulandığı durum olarak kabul edilir.Temel durum için güç-akış çözümleri elde ettikten sonra programı, değişik senaryolar için ilgili üretim ve tüketim baraları arasındaki güç aktarım kapasitesini hesaplamak için çalıştırırız. Senaryomuza göre iki bara seçeriz; bunlar enerji üreteç barası ve enerjiyi talep eden tüketim barasıdır. İletilecek olan gücün artırım değeri ile harcanacak olan gücün artırım değerini belirleriz. Enerjinin korunumu yasasına göre iletilecek olan enerjinin değeri ile harcanacak olan gücün değerine eşit olmalıdır. Seçilmiş iki bara takip ederek üretim barasındaki üretim miktarı ile tüketim barasındaki talep edilen güç miktarı aynı değerde arttırırız. Sonra, güç-akış programını değişmiş durum için çalıştırılır. Eğer güç artışı yeteri kadar küçükse, güç-akışı için yakınsayan bir çözümünü elde ederiz. İşleme, seçilmiş üretim ve tüketim baralarına güç eklemesi yaparak devam ederiz ve değişmiş durumlar için güç-akış programını çalıştırmayı, yakınsama ortadan kalkıncaya kadar sürdürürüz. Bu şekilde, maksimum güç aktarım kapasitesi aşılmış olur. Böylece güç aktarım kapasitesi saptanır. Seçilmiş baralardaki, üretim ya da yük seviyesi, bu seviyenin ötesinde güç akışının yakınsamaması durumunda, şeçilmiş üreteç ve yük baraları arasındaki güç aktarım kapasitesini belirler. Gerçekten temel durumdan son duruma kadar olan toplam artış güç aktarım kapasitesini verir. Bu araştırma çalışması sistem operatörlerinin ve elektrik güç satıcılarının var olan iletim hatlarını verimli kullanabilmelerine yardımcı olur.Anahtar Kelimeler: Güç Aktarım Kapaitesi, Güç Akış Programı, Temel Durum Güç Akış Çözümü

In this master?s thesis, we study how to determine power transfer capability of transmission lines. Power transfer between areas is a major function of a running electric power system. However, transmission networks have limited capability to transfer power. The maximum amount of power transfer, which is the limit of the capability, is called power transfer capability. In fact, transfer capability measures the maximum power transfer. The determination of transfer capability is mostly based on computer simulations of various scenarios of operations. These simulations are performed by power-flow solutions. The computer simulations of such scenarios envisioned here are to provide us indispensible information for successful operations of power systems under various amount of power transfer.We propose to build scenarios for the calculation of power transfer capability. These scenarios contribute to practical and easy computations of power transfer capability. The purpose of our scenarios is to estimate power transfer capability in a practical manner. To assess the transfer capability, we first obtain the power-flow solution for the given data by running the power-flow program that we have developed. We try to implement the power-flow program in a modular way. Thus, the power-flow program is very efficient and easy to extend to any additional purposes related to power flow. The program is run for the power-flow solutions of the test cases, which are the 20-bus IEEE test system and the 225-bus system of Istanbul Region. We obtain power-flow solution using Newton-Raphson method with and without reactive power limits of generators.First option solves the power-flow program with no limits and the second one obtains the solution, taking into account reactive power limits of generators. These options depend on user?s demand. In addition, we use the highly sparse and vectorized computation techniques to construct the Jacobian matrix. The technique we have used provides high speed and reliable converge for our power-flow program. Power-flow programs determine the voltage magnitudes and phase angle at each bus of the network under steady-state operating conditions. For the given data of network, generation, and load, the program obtains the base case solution. The base case is accepted as power system operating condition at which the power transfer is applied.After obtaining power-flow solutions for the base case, we start to run the program for the scenarios in order to determine power transfer capability of the transmission lines between a generator bus and a load bus of interest. According to our scenario, we choose two buses; at the generator bus, power is injected and at the load bus, power is demanded. We specify amount of increment in injected power and demanded power. The amount of injected power and that of demanded power must be equal owing to conservation of power. Following the selection of the two buses, we increase the generation at the generator bus and the demand at the load bus by same amount of increment. Then, the power-flow program is executed for the changed case. If the increment is small enough, we get convergent solutions of power-flow. We continue the process of adding increments to generation and load at the selected buses and running the program for the changed cases until the convergence of the power-flow does not occur. In this way, the maximum power transfer capability is exceeded. Thus, the power transfer capability is determined. The generation or load level at the selected buses beyond which the power flow does not convergence specifies the power transfer capability between the selected generator and load buses. Indeed, the total increment from the base case to the final case provides the power transfer capability. This research work helps system operators and power marketers use the existing transmission lines efficiently.Keywords: Power Transfer Capability, Power-Flow Program, Base Case Power-Flow Solution