Voltage security assessment using P-V and Q-V curves

Abstract

Son yıllarda gerilim kararsızlığı ve gerilim çökmesi birçok ülkede gözlemlenmekte; benzer sorunlar, kısıtlayıcı şartların kaldırılmasından dolayı, gelişmiş ülkelerde daha sıklıkla oluşmaktadır. Günümüzde, güç sistemlerinin başarılı şekilde işletimi için gerilim güvenliği büyük önem arz etmektedir. Gerilim güvenliğinin saptanması, güç iletim kapasitesinin etkin şekilde kullanımı ve sistemin kesintisiz işletimi için gereklidir.Araştırmamızda, iki farklı güç sisteminin gerilim güvenliği üzerine çalışma yapmaktayız. Sistemlerden birisi 20 baralı IEEE sistemi; diğeri ise 225 baralı İstanbul Bölgesi'nin sistemidir. Bu sistemlerin gerilim güvenliğini P-V ve Q-V eğrilerini kullanarak saptamaktayız. Başka şekilde söylemek gerekirse, uygulanabilir aktif güç ve reaktif güç sınırlarını hesaplamaktayız. İfade ettiklerimizi başarmak için, ilk olarak eldeki verileri kullanarak güç-akış çözümünü bulmaktayız. Çözümü bulmak için MATLAB ortamında yazdığımız güç-akış programını çalıştırmaktayız. Elde edilen çözüm temel durum olarak alınmaktadır. İkinci olarak, aday baraları seçiyoruz. P-V eğrileri ve Q-V eğrilerini çizmek için aday baralardaki aktif güç ve reaktif gücü artırarak değiştirmekteyiz. P ve Q sınırları talepteki artışa karşı hesaplansın diye aday baraları yük baralarından seçmekteyiz. Üçüncü olarak, güç-akış programını aday baradaki aktif güç artımsal değişimleri ve reaktif güç artımsal değişimleri için çalıştırmaktayız. Kritik bir nokta ötesinde güç-akış programı yakınsamaz. Güç akışı yakınsamasının artık mümkün olamayacağı nokta kritik noktadır. Kritik noktaya kadar, aday baradaki değişen aktif güçlere karşı düşen gerilim değerlerini elde etmekteyiz. Benzer şekilde, aday baradaki değişen reaktif güce karşı düşen gerilimleri hesaplamaktayız. Dördüncü olarak, P değerlerine karşı düşen gerilim değerlerini ve Q değerlerine karşı düşen gerilim değerlerini kullanarak, aday baralar için P-V ve Q-V eğrilerini çizmekteyiz. Son olarak, aday barada kritik noktada talep edilen aktif güç ile aynı barada temel durumdaki aktif güç arasındaki fark bize aday bara için hesaplanan P sınırını vermektedir. Benzer olarak, aday barada kritik noktada talep edilen reaktif güç ile temel durumdaki güç arasındaki fark, aday bara için hesaplanan Q sınırını vermektedir.20 baralı IEEE sistemi ve 225 baralı İstanbul Bölgesi sisteminin güç-akış çözümleri, P-V eğrileri ve Q-V eğrileri üzerine yaptığımız incelemeler gösteriyor ki Newton-Raphson yötemini kullanarak güç-akış çözümünü, önceden belirlenen kesinlikte elde edilmekte ve gerilim güvenliği sınırlarını yine önceden belirlediğimiz aralıkta hesaplamaktayız. Bu tür hesaplamalar, güç sistemlerinin güvenli ve etkin işletimi için bize çok yararlı bilgiler sağlamaktadır.Anahtar Kelimeler: Gerilim Güvenliği, Gerilim Kararsızlığı, Gerilim Çökmesi, Güç Akışı, P-V Eğrisi, Q-V Eğrisi.

In recent years, voltage instability and voltage collapse have been observed in power systems of many countries. Such problems have occurred even more often in developed countries because of utility deregulation. Currently, voltage security is of major importance for successful operation of power systems. Assessment of voltage security is needed to utilize power transmission capacity efficiently and to operate the system uninterruptedly.In our research work, we study voltage security of two different power systems; one is the 20-bus IEEE system and the other is the 225-bus system of Istanbul Region. We assess voltage security of these systems using P-V and Q-V curves. In other words, we compute margins of real power (P) and reactive power (Q). To achieve what we promise, we first obtain the power-flow solution for the given data by running the power-flow program that we have coded using MATLAB. The solution is taken as the base case. Second, we choose candidate buses at which we incrementally change real power for plotting P-V curves and reactive power for plotting Q-V curves. The candidate buses are of load buses so that P and Q margins are computed against increase in demand. Third, we run the power-flow program for incremental changes in real power at the candidate bus and incremental changes in reactive power at the candidate bus. Beyond a critical point, the power-flow program does not converge. The point at which power-flow convergence is no more available is the critical point. Up to the critical point, we obtain voltages at the candidate bus corresponding to changing real power at the same bus. In a similar manner, we get voltages corresponding to changing reactive power at the candidate bus. Fourth, we plot P-V curves and Q-V curves using voltages versus P and voltages versus Q, respectively, for candidate buses. Finally, the difference between the real power demanded at the candidate bus at the critical point and that at the base case gives us the P-margin computed for the candidate bus. Similarly, the difference between the reactive power demanded at the candidate bus at the critical point and that at the base case gives us the Q-margin computed for the candidate bus.Our investigation of power-flow solutions, P-V curves, and Q-V curves of the 20-bus IEEE system and the 225-bus system of Istanbul Region shows that we obtain power-flow solution using Newton-Raphson method and compute margins of voltage security with predefined tolerance. Such computations provide us indispensable information for the secure and efficient operation of power systems.Keywords: Voltage Security, Voltage Instability, Voltage Collapse, Power Flow, P-V Curve, Q-V Curve.