Analysis of transmission congestion using power-flow solutions

Abstract

İletim tıkanıklığı, gelişen elektrik iletim şebekelerinde yeni bir rekabet alanı oldu. İletim tıkanıklığı, bazı yüklenme koşullarında elektrik hattında gücün iletilmemesidir. İletim tıkanıklığı, elektrik iletim hatlarının planlanandan daha fazla güç akışı olduğu zaman meydana gelir. Günümüzde, elektrik güç şebekeleri çok yüklenmiştir. Bu durum bundan önce gözlemlenmemiştir. Fazla yüklenmeden dolayı elektrik şebekeleri tıkanır. Hat tıkanıklığının yönetimi, güç sistemlerinin başarılı çalışması için çok önemli bir görevdir. Bizim asıl amacımız, tıkanıklık olmayan yük merkezlerini veya şehirleri yeni kurulacak santraller için belirlenebilir.Yenilenebilir enerjiden elektrik üretimi artmaktadır. Bundan dolayı da elektrik şebekeleri hızlı bir şekilde büyümektedir. Buna karşın, iletim hatları aynı hızla geliştirilmemektedir. Yeni bir santral kurulduğu zaman nereye kurulduğuna ve kapasitesine bağlı olarak artı ve eksi etkileri vardır. İletim tıkanıklığı analizi ile, yeni santralin güç sistemine etkilerini belirleyebiliriz.Bu araştırmada, iki farklı güç sistemi kullanılmıştır. Sistemlerden birisi 20 baralı IEEE sistemi; diğeri ise 225 baralı İstanbul Bölgesi'nin sistemidir. Bizim bu çalışmadaki amacımız, yeni bir jeneratör güç sistemine eklendiği zaman sistemi nasıl etkilediğini bulmaktır. Bilindiği gibi, güç sistemi verileri genellikle IEEE veri formatı ve PTI veri formatı gibi standart formatlarda verilir. İfade ettiklerimizi yapabilmek için, ilk olarak yeni eklenecek baranın sistemin üretim, tüketim ve şebeke verilerinde yapacağı değişiklikleri elimizdeki sistem verisini girişini yaparız ve şebeke ve bara verileri otomatik olarak güncelleriz. Böylece veri, güç-akış programını çalıştırmak için hazır duruma gelir. Bu program sayesinde güç-akış çözümlerine ulaşırız. Güç-akış programında Newton-Raphson yöntemini kullanırız. Kodlamasını MATLAB programında yaparız. Özellikle belirtmek isterim ki, güç-akış çözümlerinde jeneratörlerin reaktif güç limitleri dikkate alınır. Güç-akış çözümlerinin elde ettikten sonra, reel ve reaktif güçlerine belli bir oranda artırmalar uygulanacak aday barayı seçeriz. Aday bara yük baralarından seçilir. Aday baranın reel ve reaktif güç kapasitesinin belirlenmesi için aday baranın P-V ve Q-V eğrilerini çizdiririz. Bu işlemin sonucunda aday baraların reel ve reaktif güç limitlerine ve kullandığımız elektrik şebekelerinin tıkanık kesimlerinin bilgisine sahip oluruz. Bu sayede, elektrik sağlayıcılarının güç sistemini daha verimli yönetmeleri ve elektrik şirketlerinin elektriği daha ucuza satmaları için bilgi sağlarız.Enerji kaynaklarının verimli bir şekilde kullanılmadığından dolayı, birçok ülkede güç sistemlerinin düzensizliği çok gözde bir konu olmuştur. Bu düzensizlik bazen iletim tıknanıklığına sebep olmaktadır. Bu güç sistemlerindeki düzensizlikten dolayı, birçok ülke iletim tıkanıklığı sorunları ile karşılaşıcaklardır. Bu koşullarda, tıkınıklık ile ilgili bilgiler vazgeçilmez olacaktır.Anahtar kelime: Hat Tıkanıklığı, Güç Akışı, P-V Eğrisi, Q-V Eğrisi.

Transmission congestion has become a new challenge in an open-access environment of electric transmission networks. Transmission congestion is the inability of transmission lines to deliver power under some loading conditions. Congestion usually occurs when more power flows across the transmission lines than the scheduled rating of the lines. In today?s world, electric power networks have been so much loaded that such a case has never been observed before. Due to overloading, transmission lines of the networks are congested. Management of transmission congestion is a crucial task for the successful operation of power systems. Our specific problem is to detect load centers or cities that are not congested for power transmission from a specific power plant such as newly-built wind farms and small size hydro dams.Power generation from renewable energy sources has been increasing in the world. Therefore, electric power networks are grown up quickly. However, power transmission lines are not expanded as the same pace. When a new power plant is added to a power system, it may have positive or negative impacts, depending on where the new generator will be installed and what the new amount of its capacity will be. By analysis of transmission congestion, we assess the impacts of a new generator or generators added to the system because of energy demand.In this research study, we use two power systems; one of which is the 20-bus IEEE system and the other is the 225-bus system of Istanbul Region. Our goal of this study is that how a power system is affected when a new generator is added to the system. As you may know, power system data are, in general, given in standart data formats such as IEEE Comman Data Format and PTI (Power Technologies Incorporation) Data Format. To achieve what we promise for an extended power system with new additions, we first modify the power system data based on changes in demand, generation, and network. In order to do so, we add the new bus to the current network and increase the generation and demand. Subsequently, network and bus data are updated automatically. In this way, data become ready for running the power-flow program. Via this program, we reach the power-flow solutions. We code the power-flow program in MATLAB using Newton-Raphson method. Also note that the reactive power limits of generator buses are taken into account in the solutions. After obtaining the base case solution of the power flow, we select a candidate bus from load buses to apply incremental changes in real and reactive power. In order to assess the real and reactive power capacities of the candidate bus, we plot the P-V curve and the Q-V curve of the candidate bus using voltages versus real power P and voltages versus reactive power Q. As a result of this process, we have the real and reactive power capacities of the candidate bus and information about the congested parts of the power network. Therefore, we provide such information for power utilities to manage power efficiently and power marketers to sell power economically.Deregulations of power systems have become very popular in many countries since energy resources are utilized efficiently without rigorous regulations. However, deregulations sometimes result in congestion problems. In the current deregulated environment of power systems, many countries have been faced with the congestion problem, which may lead to various other problems such as voltage stability, blackouts, and machine hunting. Under these circumstances, information about congestion is indispensable. Our study of power-flow solutions for various generation and loading conditions yields information to analyze congestion.Keywords: Transmission Congestion, Power Flow, P-V Curve, Q-V Curve.