Power System Restoration After a System Level Blackout : Measures for system operation to manage technical uncertainties during the bottom-up restoration of a transmission network

Abstract

Yhteiskunnat ovat yhä riippuvaisempia sähköstä. Häiriötilanteissa verkkoyhtiöiden tulee palauttaa sähkövoimajärjestelmä normaaliin tilaan mahdollisimman nopeasti. Tämän vuoksi järjestelmän nopea ja luotettava käytönpalautus on tärkeää.

Tämä väitöskirja tutkii sähköisiin ilmiöihin ja suojaus- ja automaatiojärjestelmiin liittyviä epävarmuuksia sähkönsiirtoverkon käytönpalautuksen aikana. Väitöskirja keskittyy sähkövoimajärjestelmän laajuisiin häiriöihin, jolloin käytönpalautus suoritetaan alhaalta ylös menetelmällä. Tällöin sähkövoimajärjestelmä on heikko ja altis ongelmille, jotka esiintyvät harvoin normaalin käytön aikana. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että tutkitut epävarmuudet voivat viivästyttää tai jopa estää käytönpalautuksen. Tämän vuoksi verkkoyhtiöiden tulee hallita ja pienentää käytönpalautuksen suunnitteluun ja sen suorittamiseen liittyviä epävarmuuksia.

Tässä väitöskirjassa esitetään sähkönsiirtoverkon käytönpalautuksen suunnitteluprosessi, joka pyrkii tunnistamaan ja hallitsemaan epävarmuuksia. Lisäksi väitöskirjassa esitetään toimenpiteitä neljän ei-toivotun sähköisen ilmiön hallitsemiseksi palautuksen aikana: pimeäkäynnistysgeneraattorin itseherääminen, harmoninen resonanssi muuntajakytkennöissä, rinnakkaisresonanssi vierekkäisen voimajohdon yhteydessä ja ferroresonanssi ja tätä seuraava rinnakkaisresonanssi.

Väitöskirjan tulokset osoittavat, että tietokonesimuloinnit eivät yksin riitä epävarmuuksien tunnistamiseen. Siksi käytönpalautuksen suunnitteluun tulee sisältyä myös kenttäkokeita. Pimeäkäynnistysgeneraattorin testaaminen kenttäkokeilla ei riitä. Tämän lisäksi myös käytönpalautuksen alkuvaiheessa käytettävän sähkönsiirtoverkon käytönpalautus tulee testata. Tämä siirtoverkko mahdollistaa kulutuksen ja muun sähköntuotannon yhdistämisen pimeäkäynnistysgeneraattoriin.

Tulokset osoittavat myös, että normaaliin käyttöön laaditut simulointimallit eivät sovellu käytönpalautuksen suunnitteluun sähkövoimajärjestelmän erilaisesta käyttäytymisestä johtuen. Siksi järjestelmän käyttäytyminen kenttäkokeiden ja todellisen käytönpalautuksen aikana tulee rekisteröidä riittävän tarkoilla mittauksilla, jotta simulointimalleja voidaan muokata käytönpalautuksen suunnitteluun sopiviksi.

Käytönpalautuksen toimintamallit voivat olla epätavanomaisia ja hyvin erilaisia kuin sähkövoimajärjestelmän normaali käyttö. Siksi toimintamallit tulee suunnitella ennakkoon, todentaa kenttäkokeilla ja kouluttaa säännöllisesti käyttöhenkilöstölle.

Societies have become increasingly dependent on electricity. If a blackout occurs, the utilities must restore the electricity system back to normal operation as soon as possible. Therefore, fast and robust system restoration is important.

This thesis studies the technical uncertainties related to electrical phenomena and protection and automation systems during transmission network restoration. This thesis focuses on a system level blackout. In this situation, the restoration is performed using a bottom-up approach. Consequently, the network being restored is extremely weak and prone to issues seldom encountered during normal operation. As the thesis shows, the uncertainties may delay or even prevent restoration using specific restoration paths. Therefore, the utilities must manage and mitigate the uncertainties in restoration planning and when restoring the system from a blackout. This thesis proposes a restoration planning process to identify and manage the uncertainties. In addition, this thesis presents measures to manage four unwanted electrical phenomena during restoration: black-start generator self-excitation, harmonic resonance during transformer energization, parallel line resonance and ferroresonance and subsequent sustained parallel resonance.

This thesis shows that simulations alone are not sufficient for the identification of the uncertainties related to system restoration. Therefore, restoration field-tests are a mandatory part of the restoration planning. However, testing only the black- start generator is not sufficient. In addition, the restoration field-tests must always include the restoration of the initial transmission network which allows the connection the black-start generator with consumption and other generation.

This thesis shows that simulation models tuned for normal system operation are not suitable for restoration studies since the dominant system dynamics during restoration are significantly different than during normal operation. Thus, sufficient measurements during field-tests and actual restoration actions are required to capture system dynamics and calibrate simulation models for restoration studies.

Restoration procedures may be unconventional and significantly different than normal system operation. Therefore, the restoration procedures must be properly planned, validated with field-tests and trained regularly for the operational personnel.