Perception, Prediction and Prevention of Extraordinary Events in the Power System

Abstract

Conventional risk and reliability assessment techniques are insufficient when it comes to analysing extraordinary events on-line. The reason for this lies in the nature of extraordinary events, which are the result of dependent or multiple failures leading to an unstable operation. Thus, novel and unconventional techniques are required to analyse and quantify the risk related to extraordinary events. This thesis describes advances regarding perception, prediction, and prevention of extraordinary events. The focus of this work has been on the operation of the power system, where prediction and prevention of extraordinary events are required on-line and in the day-ahead operation planning. A central part of the perception of extraordinary events lies in the identification of the transition from a stable to an unstable state being a fundamental and critical characteristic of extraordinary events. Together with the realisation that situational awareness is a requirement for the implementation of remedial actions, this provides a basis for the development of solutions to predict and prevent extraordinary events. A methodology for analysing extraordinary events is presented in this thesis, identifying the requirement to perform transient dynamic multi-level contingency studies to properly address the risk of extraordinary events. Measures to improve the situational awareness are presented, in form of vulnerability indicators. These measures are of both a predictive and preventive nature, with vulnerability indicators supporting the operator to predict the risk of extraordinary events providing a decision base regarding implementation of manual preventive actions. Furthermore, a concept to assess the transfer capacity of critical power transfer corridors is presented. This concept is proposed to be utilised in the development of automatic controls, to prevent extraordinary events through appropriate mitigating actions. The predictive and preventive measures presented in this thesis describe conceptual solutions for decreasing the risk of extraordinary events. These measures depend on further development of tools and techniques in order to be integrated in, and supportive for, the tools used for operating the power system.

SAMMANFATTNING: Denna avhandling beskriver forskningsresultat relaterade till stora strömavbrott av ett tekniskt ursprung, d.v.s. avbrott som inte är resultat av extrema väderpåkänningar eller andra icketekniskt relaterade orsaker. Stora strömavbrott kan innebära kostnader för samhället med upp till flera miljoner kronor per avbrott. Underliggande orsaker till stora störningar i elkraftsystemet är i allmänhet komplexa att analysera då dessa händelser ofta innebär aktivering av många komponentskydd samt bortkoppling av en mängd komponenter i elkraftsystemet. Avhandlingen ger en beskrivning av underliggande orsaker och händelseförlopp för att ge en ökad förståelse av stora strömavbrott. Då risken för strömavbrott är svår att uppskatta med hjälp av vedertagna verktyg, så innehåller denna avhandling en beskrivning av metoder specifikt utvecklade för att analysera dessa händelser. Avhandlingen innehåller även beskrivning av metoder för att motverka framtida strömavbrott. En slutsats av denna forskning är att den studerade typen av strömavbrott är ett resultat av att elkraftsystemet blir instabilt. Detta innebär att åtgärder för att öka stabiliteten eller lösningar som snabbt kan tillämpas för att motverka instabilitet är av stor vikt för att hindra framtida strömavbrott. Även verktyg som förbättrar insikten i elkraftsystemets störningskänslighet bidrar till att öka systemoperatörens möjligheter att styra systemet med en godtagbar risknivå.