Forced oscillation monitoring and control in the Nordic power system : a NEWEPS approach

Английский. Through the European Green Deal, the European Union is aiming to become the first carbon-neutral continent by 2050. To achieve this goal much of the heavy industry and transportation sector is undergoing electrification or a transition to green hydrogen as the main energy source. This will lead to an increased demand for electricity. Renewable energy sources (RES) are overtaking coal and gas as the main electricity sources in order to decarbonize the production side.These RESs are much less regulatable than traditional energy sources, which is putting an increased amount of stress on the power grid. The main challenges facing the power systems are decreasing levels of flexibility, inertia, generation and transmission adequacy and frequency quality. For power system operators to better be able to monitor and control the increasingly stressed power system new and superior sensors have to be implemented into the system. One such sensor is a Phasor Measurement Unit (PMU), which can measure voltage and current phasors with a sampling rate of 30-60 measurements per second. PMU data is also time-synchronized to gain a better overview of the system.A project set up by the Nordic Transmission System Operators (TSOs) to create a joint monitoring and control system is the New Early Warning Early Prevention System (NEWEPS). The NEWEPS project contains nine Work Packages (WP) and this thesis is focusing on WP5, and more specifically on forced oscillations (FOs). A case study was performed to study the interesting characteristic most FOs have, that their amplitude is largest close to the source. Two scenarios were studied. Scenario 1 performed as expected, but scenario 2 yielded some interesting results. Here the amplitude remained almost the same even far from the source, indicating some possible resonating effects with an electromechanical mode in the system. Furthermore, a literature search was performed, aimed at researching methods for detecting FOs in a power system and locating their sources. From each search, one method was chosen and studied in detail. They both show great performance on simulated data from the miniWECC model. In addition, the detection algorithm performed very well on real-world historic PMU data and was even able to detect a previously unknown FO. The author of this master's thesis advises the NEWEPS project to further research their effectiveness in a power system resembling the Nordic power system and to continue the development and integration of these methods.This thesis studied to what extent FOs can be monitored and controlled in a modern power system. It was found that currently FOs are not monitored during real-time operations in the Nordic system. However, it is the author of this thesis's belief that through the NEWEPS project, the Nordic TSOs will develop well-functioning applications to achieve the goal to monitor and control FOs in real-time using the methods put forth in this thesis.

Немецкий. Gjennom “the European Green Deal”, tar den europeiske unionen sikte på å bli det første karbon-nøytrale kontinentet innen 2050. For å oppnå dette målet gjennomgår mye av den tunge industrien og transportsektoren en elektrifisering eller overgang til grønt hydrogen som sin primære energikilde. Dette vil føre til en økt etterspørsel etter elektrisitet. Videre må den elektriske produksjonen dekarboniseres. Denne prosessen er godt i gang da fornybare energikilder har overtatt kull og gass som primær kilde til elektrisitet i Europa. Disse fornybare energikildene er mye mindre regulerbare enn de tradisjonelle energikildene, som setter et større press på kraftnettet. Hovedutfordringene til kraftnettet er synkende nivåer av fleksibilitet, treghet, tilstrekkelighet av generasjon og transmisjon og frekvenskvalitet. For at kraftoperatørene skal kunne mer optimalt observere og kontrollere et kraftsystem under økt stress, så må nye og bedre sensorer bli implementert inn i systemet. En av disse sensorene er en “Phasor Measurement Unit” (PMU). Denne kan måle fasevektoren til strøm og spenning 30-60 ganger i sekundet, hvor disse målingene også er tidssynkronisert for å få en bedre oversikt over nettet. Et prosjekt startet av de nordiske systemoperatørene for å lage et felles overvåknings- og kontrollsystem er “New Early Warning Early Prevention System’ (NEWEPS). NEWEPSprosjektet består av ni arbeidspakker (WP), og denne master oppgaven fokuserer på WP5 nærmere bestemt på tvungne svingninger. En casestudie ble utført for å studere en interessant egenskap de fleste tvungne svingninger har, nemelig at amplituden deres er størst nær kilden til svingningen. To scenarier ble studert. Scenario 1 ga forventede resultater, mens scenario 2 ga uforutsette resultater. Her forble amplituden nesten like stor, selv langt fra kilden, noe som indikerer mulige resonanseffekter mellom den tvungne svingningen og en elektromekanisk svingning i systemet. Videre ble det utført et litteratursøk, rettet mot å undersøke ulike metoder for å oppdage tvungne svingninger i et kraftsystem og lokalisere kildene. Fra hver kategori ble en metode valgt og studert i detalj. Begge de studerte metodene viser god ytelse på simulerte data fra miniWECC-modellen. I tillegg fungerte deteksjonsalgoritmen veldig godt på historiske PMU-data, hvor den også klarte å oppdage en tidligere ukjent tvungen svingning. Forfatteren av denne masteroppgaven anbefaler NEWEPS-prosjektet å undersøke effektiviteten til metodene i et kraftsystem som ligner det nordiske kraftsystemet og fortsette utviklingen og integreringen av disse metodene. Denne oppgaven har studert i hvilken grad tvungne svingninger kan overvåkes og kontrolleres i et moderne kraftsystem. Foreløpig blir ikke tvungne svingninger overvåket under sanntidsoperasjon i det nordiske systemet. Forfatteren av denne oppgaven tror derimot at de nordiske systemoperatørene kan utvikle velfungerende applikasjoner, for å oppnå målet om å overvåke og kontrollere tvungne svingninger i sanntid. Dette vil bli gjort i NEWEPS prosjektet ved hjelp av metodene denne oppgaven har presentert.

M-MF