lab manual 180906 aps-ii

30
Advanced Power System-II (180906) B.E. Electrical (Semester‐8) Department of Electrical Engineering 1 G.H.PATEL COLLEGE OF ENGINEERING & TECHNOLOGY VALLABH VIDYANAGAR388 120 DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING LABORATORY MANUAL BACHELOR OF ENGINEERING SUBJECT CODE: 180906 SUBJECT NAME: ADVANCED POWER SYSTEM‐II

Upload: chintan-patel

Post on 15-Jan-2016

219 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

lab manual of APS-2

TRANSCRIPT

Page 1: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   1 

 G.H.PATEL COLLEGE OF ENGINEERING & TECHNOLOGY 

VALLABH VIDYANAGAR­388 120   

  

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING  

LABORATORY MANUAL   

BACHELOR OF ENGINEERING  

SUBJECT CODE: 180906 SUBJECT NAME: ADVANCED POWER SYSTEM‐II 

                  

Page 2: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   2 

  

List of Experiment   

1.  Introduction to Power World Simulator and creating a new case. 

2. To  study  the  effect  of  generation  outage  and  transmission  line  outage  in  power  system using Power World Simulator. 

3. To study and calculate the Linear Sensitivity Factors for contingency analysis using Power World Simulator. 

4.  To study the preventive and emergency control using Power World Simulator. 

5.  To study the state estimation of power system. 

6.  To study the effect of reactive power on voltage of the system. 

7. To understand the method of voltage control by tap‐changing transformer using     Power World Simulator. 

8.  To study voltage control using Capacitor bank connected at the receiving end‐bus. 

9.  Assignment on Load Forecasting Techniques. 

10.  Assignment on Power System Restructuring. 

                   

Page 3: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   3 

Experiment: 1       Date:___________ 

 Aim: Introduction to Power World Simulator and creating a new case.  Introduction:  PowerWorld  Simulator  (PowerWorld)  version  15  is  a  commercial‐grade  power  system analysis and simulation package that accompanies this text. The purposes of integrating PowerWorld with the  text  are  to  provide  computer  solutions  to  examples  in  the  text,  to  extend  the  examples,  to demonstrate  topics  covered  in  the  text,  to  provide  a  software  tool  for  more  realistic  design projects,  and  to  provide  the  readers  with  experience  using  a  commercial  grade  power  system analysis package.  Simulator  is  a  full‐featured  power  flow  analysis  package  capable  of  solving  systems  of  up  to 100,000 buses. It is a power system package that actually shows the flow of power in the system as  flowing  animations.  Colored  arrows  on  the    transmission  lines,  loads,  and  generators  are animated, with their movement, size, and direction proportional to the magnitude and direction of the power flow.  All model parameters, functions, and tools are accessed easily through Simulator's graphical user interface  (GUI),  which  offers  unparalleled  ease‐of‐use  and,  thus,  a  very modest  learning  curve. Simulator's GUI, which has long been its strongest selling point (because it is the product's most obvious  advantage over  its  competitors),  aids both  in using  the program and  in  interpreting  its results.  Using  Simulator's  one‐line  displays  and  information  dialogs,  it  is  possible  to  build  and modify a model graphically and to verify in a convenient way that the changes you have made are indeed correct. In Edit Mode, the package allows you to build new cases either from scratch or by starting with an existing power flow case. This module is fully integrated into the simulator.  Along  with  the  simple  power  system  operations  following  advanced  options  are  available  in PowerWorld.  Contingency Analysis – Automatically run through a list of 1000’s of contingency and create a list of  system  overloads  and  voltage  problems  seen  during  these  contingencies.  Also  compare  the results of two contingencies runs.  Unbalanced Fault Analysis – Determine the A, B, and C phase currents and voltages after a fault in the system. Includes support for all unbalanced fault types as well as mutual  impedances and fault impedances.  Sensitivity Calculations – Determine the linear sensitivity of line flows and voltages to power injections, transfers or line outages/insertions. This includes the calculation of Power Transfer 

Page 4: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   4 

Distribution  Factors  (PTDFs),  Line  Outage  Distribution  Factors  (LODFs),  Transmission  Loading Relief  Sensitivities  (TLRs),  and  Generation  Shift  Factors  (GSFs).  You  can  also  calculate  Loss Sensitivities using the sensitivity tools.  Optimal Power Flow (OPF) – Optimally dispatch your system to remove transmission line overloads, while also calculating spot prices (also known as locational marginal prices). OPF is available as an add‐on to Simulator.  Available Transfer Capability Tool (ATC) – Calculate ATC values in seconds using linear analysis techniques. ATC is available as an add‐on to Simulator.    PV and QV Curves Tool (PVQV) – Study voltage stability problems in your system using PVQV. PVQV is available as an add‐on to Simulator.   Security  Constrained  Optimal  Power  Flow  (SCOPF)  –  Optimally  dispatch  your  system  to remove  transmission  line  overloads  under  the  base  case  and under any  contingency, while  also calculating spot prices (also known as locational marginal prices). SCOPF is available as an addon to Simulator.  Creating a new case:   To  begin,  double‐click  on  the  PowerWorld  Simulator  icon.    This  starts  Simulator.  Simulator  is used  to  create  new  cases,  modify  existing  cases,  and  (of  course)  simulate  power  systems.    To create a new case, select New Case from PowerWorld icon in the upper left corner of the program. The  screen background will  turn white,  the default  background  color  for new PowerWorld one line diagram. One line diagrams are used in power system analysis to represent the actual three‐phase power system using a single line to represent each three‐phase device.   Inserting a Bus: The most important component of the power system model is the bus. Buses are used to represent junction points in the power system where a number of devices are connected together. To insert a bus:   Select Network > Bus  from  the  Individual  Insert  ribbon  group  on  the Draw  ribbon  tab. 

This prepares Simulator to insert a new bus.   Left‐click on the one line background at the location where you want to place the new bus. This 

invokes the Bus Option Dialog (pictured below), which is used to specify the name, orientation, shape,  size, width,  area,  zone,  and nominal voltage of  the bus,  as well  as  the  load and  shunt compensation connected to the bus .  

 

Page 5: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   5 

Insert the necessary data in the dialogue box and then click ok. After the dialog box closes, the new bus appears on the one line at the location you specified.   Inserting a Generator: 

Generators may be inserted in a manner similar to inserting a bus:  

  Select Network > Generator  from the  Individual  Insert  ribbon group on  the Draw ribbon 

tab.   Left‐click the bus on the one  line diagram to which you want to attach the generator (for 

this  example,  click  on  the  slack  bus  –  bus  One.)  The  Generator  Option  Dialog  (pictured below)  will  automatically  open.  The  dialog  is  used  to  specify  the  new  generator’s  unit identifier, display size, orientation, MW output and limits, reactive power limits, set point voltage, and cost model.  

 

   

Page 6: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   6 

    

Insert the necessary data in the dialogue box and then click ok. After the dialog box closes, the new generator will appear on the one line attached to the previously selected bus. The oneline diagram should resemble the image shown below.    

    Entering a Second Bus with Load 

To enter the second bus: 

  Select Network > Bus from the Individual Insert ribbon group on the Draw ribbon tab.  

Page 7: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   7 

Click on the one  line diagram somewhere  to  the right of  the  first bus.  In  the Bus Options Dialog (pictured below) leave the bus number at the default value of 2, and enter the name ‘Two’ in the Bus Name field.  

We will model a 200 MW, 100 Mvar load at the bus. Select the Attached Devices tab. Under the Load Summary Information heading enter ‘200’ in the Base MW field and ‘100’ in the Base Mvar field.  

Click OK to accept all other default values, close the Bus Options Dialog, and insert the bus.  

To draw the load on the one line diagram:  

  Select Network > Load from the Individual Insert ribbon group on the Draw ribbon tab.   Left‐click  in  the  center  of  this  bus.  The  Load  Options  Dialog  box  (pictured  below) 

automatically opens. The Constant Power MW and Mvar fields confirm that the load is 200 MW and 100 Mvar. In addition to constant power loads, Simulator also allows the modeling of voltage dependent loads.  

Select Up in the Orientation field under the Load Information tab to make the load point up. Verify that the anchored box is checked to force the load to move with the selected bus.  

Click OK to accept the default values for all remaining fields, close the Load Options dialog, and insert the load. A circuit breaker symbol is automatically included with each load.  

  

To move objects on the one line:  

  Left‐click on the desired object. Drag and drop the object to the new location by holding the 

left mouse button down while moving  the mouse. Note: you can also move all objects on 

Page 8: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   8 

the one line simultaneously by left‐clicking on the diagram (not on a specific object) then dragging and dropping in the desired location.  

To move bus 2, left click on bus 2 (not on the attached load). Drag the bus to a new location. Note that the load moves with the bus because it is anchored. You can change the location of  attached  devices  connected  to  a  bus,  such  as  generators  and  loads,  by  the  same procedure.  

 The one line diagram should now resemble the image shown below.  

   Inserting a Transmission Line 

Transmission lines are used to connect buses together. To insert a transmission line:  

  Select Network > Transmission Line from the Individual Insert ribbon group on the Draw 

ribbon tab.   Left‐click  at  the  point  where  you  want  the  new  line  to  originate.  This  point  is  usually 

located on one of the proposed line’s terminal buses. For this example, originate the line at bus One.  

Transmission  lines  and  transformers  are  drawn  as  a  series  of  line  segments.  Without holding down the mouse button, drag the mouse up. Notice that a line segment connected to the point of origin will follow your mouse movements. To terminate a line segment, click the  left mouse button. Each  time you click  the mouse  to  terminate a  line segment, a new vertex is defined for the line. To draw the next line segment, move the mouse to the desired location of the next vertex. Note: the vertices may later be moved or deleted to reshape the line. To create curved lines, hold the left mouse button down while dragging.  

To  terminate  the  final  line  segment  and  conclude  drawing  the  line,  double  click  the  left mouse button at the desired termination point (bus Two for this example). The termination point is usually the transmission line’s other terminal bus.  

The  Transmission  Line/Transformer  Dialog  automatically  appears  (shown  below).  The dialog  should  already  contain  a 1  in  the  From  Bus  Number  field  and  a 2  in  the  To  Bus Number Field.  If not, you probably did not have  the cursor directly on  the bus when you were  drawing  the  line.  If  this  is  the  case,  simply  enter  the  correct  bus  numbers  in  the corresponding fields.  

Page 9: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   9 

 

  Save your case. Your one line should now look similar to the image below.   

  Similarly, you can insert circuit breakers, transformers and other device according to your system.  Solving the Case:  

To solve a case, you must be in run mode:  

  Click on Run Mode button in the Mode ribbon group. Note that if the case has validation 

errors, a warning will appear. You will need to rectify the problems before you can enter Run Mode.  

Page 10: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   10 

Press the Play button  in the Power Flow Tools ribbon group on the Tools ribbon tab to begin  the  simulation.  Alternatively,  to  perform  a  single  Power  Flow  Solution,  click  the Single Solution ­ Full Newton button in the Power Flow Tools ribbon group on the Tools ribbon  tab.  Your  case  should  look  similar  to  the  case  shown  below.  If  it  does, congratulations! You have completed building your first case.  

 Exercise:  

 Create the new case for simulation which consists of 3 buses with the generators on 2 buses and loads  on  two  buses.  Also  connect  the  transformer  in  the  transmission  line  between  the  buses. Tabulate the line flows and bus voltages by running the simulation. Also comment on the results.  

                       

     

   

Page 11: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   11 

Experiment: 2       Date: ___________ 

 Aim: To study the effect of generation outage and transmission line outage in power system using PowerWorld Simulator.   An overriding factor in the operation of a power system is the desire to maintain system security. System security involves practices designed to keep the system operating when components fail. For  example,  a  generating  unit  may  have  to  be  taken  off‐line  because  of  auxiliary  equipment failure. By maintaining proper amounts of spinning reserve, the remaining units on the system can make  up  the  deficit  without  too  low  a  frequency  drop  or  need  to  shed  any  load.  Similarly,  a transmission  line  may  be  damaged  by  a  storm  and  taken  out  by  automatic  relaying.  If,  in committing and dispatching generation, proper regard  for  transmission  flows  is maintained,  the remaining transmission lines can take the increased loading and still remain within limit.  Because  the  specific  times  at  which  initiating  events  that  cause  components  to  fail  are unpredictable, the system must be operated at all times in such a way that the system will not be left  in  a  dangerous  condition  should  any  credible  initiating  event  occur.  Since  power  system equipment  is  designed  to  be  operated  within  certain  limits,  most  pieces  of  equipment  are protected by automatic devices that can cause equipment to be switched out of the system if these limits are violated. If any event occurs on a system that leaves it operating with limits violated, the event may be followed by a series of further actions that switch other equipment out of service. If this process of cascading failures continues, the entire system or large parts of it may completely collapse. This is usually referred to as a system blackout.  An example of the type of event sequence that can cause a blackout might start with a single line being opened due to an insulation failure; the remaining transmission circuits in the system will take up the flow that was flowing on the now‐opened line. If one of the remaining lines is now too heavily loaded, it may open due to relay action, thereby causing even more load on the remaining lines. This type of process is often termed a cascading outage. Most power systems are operated such  that  any  single  initial  failure  event  will  not  leave  other  components  heavily  overloaded, specifically to avoid cascading failures.  Therefore,  it  is  essential  to  observe  the  effects  of  line  outage  or  generation  outage  on  the remaining  healthy  components  of  the  system.  The  study  of  line  outage  and  generation  outage cases is useful in deciding the appropriate control actions during the real contingency conditions and the system can be operated securely.      

Page 12: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   12 

Procedure:  

1) Create the 4‐bus system with loads on 3 buses and generation on 2 buses in PowerWorld Simulator.  

2) Run the simulation for normal operating condition and prepare the summary of power flow data.  

3) Generation Outage Case: Change the generation on any bus (either reduce the generation or disconnect the entire generation) without reducing the load.  

4) Run the simulation and observe the power flow data.  

5) Compare the two operating conditions (Pre‐outage and post‐outage cases).  

6) Line Outage Case: Remove any one transmission line and run the simulation.  

7) Observe the power flow data.  

8) Compare the results with Pre‐outage data.  

9) Comment on the effects of generation.                     

Page 13: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   13 

 

Experiment: 3       Date: ___________ 

 Aim:  To  study  and  calculate  the  Linear  Sensitivity  Factors  for  contingency  analysis  using PowerWorld  Simulator.    A security analysis programs run in a load dispatch entre very quickly to help the operators. The problem of studying thousands of possible outages becomes very difficult to solve if it is desired to present  the  results  quickly.  One  of  the  easiest  ways  to  provide  a  quick  calculation  of  possible overloads  is  to use  linear sensitivity  factors. These  factors show the approximate change  in  line flows  for changes  in generation on the network configuration and are derived  from the DC  load flow. These factors can be derived in a variety of ways and basically come down to two types:   

1) Generation shift factors 2) Line outage distribution factors 

 (1) Generation shift factors:  The generation shift factors are designated αli and have the following definition:      Where,                l = Line index          i = Bus index      Δfl  = Change in MW flow in line l when change in generation takes place at  ith bus    ΔPGi = Change in generation at bus i   It is assumed in this definition that the change in generation,   ΔPGi , is exactly compensated by an opposite change in generation at the reference bus, and that all other generators remain fixed. The αli factor then represents the sensitivity of the flow on line l to a change in generation at bus i.  The generation shift sensitivity factors are linear estimates of the change in flow with a change in power at a bus. Therefore, the effects of simultaneous changes on several generating buses can be calculated using superposition.  (2) Line Outage Distribution Factors:  The line outage distribution factors are used in a similar manner, only they apply to the testing for overloads when transmission circuits are lost. By definition, the line outage distribution factor has the following meaning:     

lli

Gi

f

P

,l

l i oi

fd

f

Page 14: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   14 

Where,     dl,i   =   line outage distribution factor when monitoring line l after an outage on line i      Δfl  =   change in MW flow on line l      f0i  =   original flow on line i before it was opened  If one knows  the power on  line  l and  line  i,  the  flow on  line  l with  line  i out can be determined using "d" factors.  By pre‐calculating the line outage distribution factors, a very fast procedure can be set up to test all  lines  in  the  network  for  overload  for  the  outage  of  a  particular  line.  Furthermore,  this procedure  can  be  repeated  for  the  outage  of  each  line  in  turn, with  overloads  reported  to  the operations personnel in the form of alarm messages.  Procedure:  

1) Create the 3‐bus system with loads on 2 buses and generation on 2 buses in PowerWorld Simulator.  

2) Run the simulation for normal operating condition and prepare the summary of power flow data.  

3) Generation Shift Factor: Change the generation on any bus (either reduce the generation or disconnect the entire generation) without reducing the load.  

4) Run the simulation and observe the power flow data.  

5) Calculate the Generation Shift Factors using the above equations.  

6) Line Outage Distribution Factor: Remove any one transmission line and run the simulation.  

7) Observe the power flow data.  

8) Calculate the Line Outage Distribution Factors using above equations.  

9) Comment on the system by considering the values of linear sensitivity factors.  

 Assignment:  

1. What do you mean by power system security? Explain its three major functions. 

2. What is contingency analysis? Discuss the steps involved in it. 

3. Discuss the sensitivity factors used in security analysis. 

    

Page 15: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   15 

 

Experiment: 4       Date: ___________ 

 Aim: To study the Preventive and Emergency control using PowerWorld Simulator.   If all the equipments in the system are within their respective limits, then a system could be in the normal or alert state.  If a system can withstand potential contingencies (like a  fault  followed by line  tripping  or  a  generator  trip)  without  equipment  limits  being  violated  or  without  losing stability, then we say that the system is in a normal or "secure state". A network configuration or loading state which can withstand an element outage without loss off supply to any load is called "n‐1" secure. Otherwise we classify the system as being "insecure", i.e., in the alert state.  To  distinguish  between  a  normal  state  and  an  alert  state,  a  system  operator  carries  out  the following  studies  using  the  network  configuration,  load  and  generation  values  obtained  from  a static state estimation procedure:  Static  Security  analysis:  This  involves  checking  for  equipment  limit  violations,  if  one  of  the elements of the network/load/generation configuration existing at that point of time were to be tripped due to some contingency. Note that this element is not actually tripped by an operator, but only  simulated  using  a  computer  program  (essentially  a  load‐flow  study  which  computes  the steady  state  power  flows  in  transmission  lines,  generator  real  and  reactive  power  output,  and voltages at various nodes for such a tripping).  Dynamic  Security  analysis:  This  involves  checking  the  stability  of  the  system,  if  one  of  the elements of the network/load/generation configuration existing at that point of time were to be tripped due  to  some contingency. The  exact nature of  the  contingency  can  impact  the  transient behavior.  For  example,  the  contingency  could  be  due  to  a  single  phase  to  ground  fault  which results in protective action (circuit breakers disconnecting the faulted element) within, say, 0.1s. Note  again,  that  this  element  is not  actually  tripped by an operator,  but  only  simulated using  a computer  transient  analysis  program  (which  essentially  does  a  numerical  integration  of  the differential equations which describe the system). A computer program which checks for angular stability  requires  a  significantly  large  amount  of  computation  time.  Therefore,  it  is  not implemented in most load dispatch centers at present.  If the security analysis shows that the system is secure, it is classified as a normal state. If the state is  normal,  then  a  system  operator  may  wish  to  do  some  minor  changes  in  real  and  reactive scheduling  (from  an  economic  perspective),  if  such  flexibility  exists.  However  any  such  change should not bring the system out of the secure state.   

Page 16: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   16 

 Preventive Control:   If the system is not secure (alert), then the operator has to try to steer it into the secure state by real or reactive  power  re‐scheduling  (Preventive  Control  ).  However,  note  that  this  re‐scheduling  is done to improve security and may result in higher cost if cheaper generators are asked to "back down"  their  generated  power while  costlier  ones  are  ramped  up.  Therefore,  even  if  preventive control is to be done,   it should be done in a way which will minimize any cost increase while simultaneously ensuring security.  Emergency Control:   If a system operator infers from the operating data that a system is in an alert state, then he takes preventive control actions to bring the system back to a normal state. However, it is possible that the system operator is unable to act in time before a contingency actually occurs. A grid may even operate insecurely (in an alert state) due to a high cost of preventive control or due to inadequate reserve  margins.  However  this  situation  is  undesirable  since  it  may  lead  to  blackouts  (if emergency control actions fail) which can cause great economic loss. The classification of a system state as a normal or alert state is based on simulating some disturbances. Often, even though the system  has  been  classified  as  being  in  a  normal  state,  several  improbable  disturbances,  which would not have been analyzed for doing this classification, take place.  Therefore  the  system  can  transit  from  a  perceived  alert  state  to  an  emergency  state  if  no preventive  controls  are  exercised  and  a  contingency  occurs,  or  may  directly  transit  to  an emergency  state  from  a  perceived  normal  state  if  an  unanticipated  sequence  of  several contingencies occurs.  If  the  system does go  into an emergency  state  some equipment  limits are exceeded which may  cause  further  tripping  of  equipment,  thereby worsening  the  situation  and may cause a complete blackout. Emergency control actions (manual or automatic) are required to retrieve the situation. If there is a thermal overload of an equipment then there is some time to act and quick "heroic action"  from a system operator would be needed. However  in most cases one has to rely on automatic controls to quickly respond to such a situation.  Some emergency control actions are:  

Generator / Load tripping or fast reduction of generated or load power. 

Control of voltage and power flow control devices  

   

Page 17: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   17 

Procedure:  

1) Create the 3‐bus system with loads on 2 buses and generation on 2 buses in PowerWorld Simulator.  

2) Run the simulation for normal operating condition and prepare the summary of power flow data.  

3) Select the parameters such that any line is near to overload.  

4) Take the Preventive control and try to restore the system in normal operating state.  

5) Set the data such that system enters in to emergency state.  

6) Take the Emergency control and try to restore the system in normal operating state.  

7) Write your observation/conclusion.  

 Assignment:  

1. Explain power system operating states with diagram. 

2. Explain preventive and emergency control in brief. 

3. What is black‐out? Explain the steps taken for the restoration of power system after black‐

out. 

                  

Page 18: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   18 

 

Experiment: 5       Date: ___________ 

 Aim: To study the state estimation of power system.  State estimation is the process of assigning a value to an unknown system state variable based on measurements  from  that  system  according  to  some  criteria.  Usually,  the  process  involves imperfect measurements  that  are  redundant  and  the  process  of  estimating  the  system  states  is based on a statistical criterion that estimates the true value of the state variables to minimize or maximize the selected criterion. A commonly used and familiar criterion is that of minimizing the sum of the squares of the differences between the estimated and “true” (i.e. measured) values of a function.  In a power system, the state variables are the voltage magnitudes and relative phase angles at the system nodes. Measurements  are  required  in  order  to  estimate  the  system performance  in  real time  for  both  system  security  control  and  constraints  on  economic  dispatch.  The  inputs  to  an estimator are imperfect power system measurements of voltage magnitudes and power, VAR, or ampere‐flow quantities. The estimator  is designed  to produce  the  “best  estimate” of  the  system voltage and phase angles,  recognizing  that  there are errors  in  the measured quantities and  that there may be redundant measurements. The output data are then used in system control centers in the implementation of the security‐constrained dispatch and control of the system.  Many  problems  are  encountered  in  monitoring  a  transmission  system.  These  problems  come primarily from the nature of the measurement transducers and from communications problems in transmitting the measured values back to the operations control center. Transducers from power system measurements,  like  any measurement device, will  be  subject  to  errors.  If  the  errors  are small,  they may  go undetected  and  can  cause misinterpretation by  those  reading  the measured values.  In  addition,  transducers  may  have  gross  measurement  errors  that  render  their  output useless.  An  example  of  such  a  gross  error  might  involve  having  the  transducer  connected  up backward; thus, giving the negative of the value being measured. Finally, the telemetry equipment often experiences periods when communications channels are completely out; thus, depriving the system operator of any information about some part of the power system network. It is for these reasons that power system state estimation techniques have been developed. A state estimator, as we will see shortly, can “smooth out” small random errors in meter readings, detect and identify gross measurement  errors,  and  “fill  in” meter  readings  that  have  failed due  to  communications failures.  Least Square Estimation: The Basic Solution  The problem of power system state estimation is a special case of estimation of a random vector x from the numerical values of another related random vector y.  

Page 19: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   19 

 In such cases, the method of least‐squared‐error estimation may be utilized.   Assume that,  x is a vector of n random variables x1, x2,…….,xn.  y is a vector of m (>n) random variables y1, y2,…….,ym.   Both are related as  

[ ]y h x r ………………………..(1) 

Where, H is a known matrix of dimension m x n r is a zero mean random variable of the same dimension as y.  The vector x represents the variables to be estimated, while the vector y represents the variables whose numerical values are available.  Equation (1) suggests that the measurement vector y is linearly related to the unknown vector x and  in  addition  is  corrupted  by  the  vector  r  (error  vector).    The  problem  is  to  obtain  the  best possible value of the vector x from the given values of the vector y.  Since the variable r is assumed to be zero mean,  

.y H x …………………………..(2) 

The load flow methods can be used to estimate the mean values of the bus voltages. One possible way of obtaining the best possible estimate of the vector x from y lies in the use of the method of least square estimation (LSE).  Assume that 

x = the desired estimate of x so that ŷ given by following equation represents the estimate of y.  

y H x …………………………….(3)  The error  ŷ of the estimation of y is then given by  

y y y …………………………(4)  The  estimate  x̂   is  defined  to be  the LSE  if  it  is  computed by minimizing  the  estimation  index  J given by  

Page 20: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   20 

                                                   'J y y ………………………..…(5) 

From Equations (1) and (4)  

' '' '' 'J y y y H x x H y x H H x …………(6)  For minimizing    ( )x

J f  we must satisfy the following condition. 

0x

grad J …………………….(7) 

 It is easy to check that Eq.(7) leads to the following condition.  

' ' 0H H x H y ………………….(8)  This equation is called the “normal equation” and may be solved for the LSE of the vector  

' 1 '( )x H H H y …………………….(9)  Weighted Least Square Estimation (WLSE)  Ordinary LSE  is obtained by minimizing the index function that puts equal weightage to the errors of estimation of all components of the vector y. It is often desirable to put different weightage on the different components of y since some of the measurements may be more reliable and accurate than the others and these should be given more importance.  To achieve this, we define the estimation index as  

'J yW y ……………………………(10) 

 Where, W is a real symmetric weighting matrix of dimension m x m. (diagonal matrix).  It is easy to extend the method of LSE to the weighted form of J & to derive the following form of the normal equation.  

' ' 0H WH x H Wy ……………………….(10) 

 This leads to the desired weighted least squares estimate.   

' 1 '( ) .x H WH H Wy ……………………..(11) 

 

Page 21: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   21 

  Exercise:  

1) Considering the following data, obtain the LSE of variable x. 

11

10

01

H ,  

98.6

02.3

01.9

y

 

Find out WLSE by considering the weight matrix 

1.000

010

001.0

W

,   

Comment on the results obtained for x.  

2) The measurement set and system model matrix is given as  

9.01 0.625 0.125

3.02 0.125 0.625 and H=

6.98 0.375 0.125

5.01 0.125 0.375

y

 

Let us assign the weights w1=w2=100 and w3=w4=50. Compute the weighted LSE.  

3) Prepare  the  MATLAB  program  for  LSE  and  WLSE.  Find  out  the  values  of  x  for  above problems using the program. 

 Assignment:  

1. What is state estimation? Explain the significance of state estimation for power system. 

2. Explain the basic solution of Least Squared Estimation. What is the limitation of LSE? 

3. Discuss the Weighted Least Squared Estimation in brief. 

         

Page 22: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   22 

Experiment: 6       Date: ___________ 

 Aim: To study the effect of reactive power on voltage of the system using Powerworld Simulator.  The  voltage  regulation  may  be  defined  as  the  per  unit  change  in  the  sending  end  voltage magnitude  for  a  specific  variation  in  the  receiving  end  voltage  from no  load  to  full  load,  and  is caused by  the drop  in  voltage due  to  passage  of  load  current  through  the  impedance.  Thus  the voltage regulation in p.u. for a simple transmission system shown below is given by   

E VV

V

………………………….(1) 

  The vector diagram for this system is shown below.  

  From above vector diagram, the voltage regulation is given by  

.V E V I Z ………(2)  Where, I is the line current having the line impedance Z(=R+jX).   Let us assume that V is the reference vector, Therefore,  

Page 23: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   23 

*S P jQ

IV V

………………….(3)   [S=V.I*] 

Putting the values of I and Z in Equation (2),  

( )

( ) ( )

P jQV R jX

VRP XQ XP RQ

V jV V

…………………………(4) 

 ' ''V V j V ………………………..(5) 

 

Where,  ' ( )RP XQV

V

 

 

              '' ( )XP RQV

V

 

 

Equation (5) reveals ΔV has two components  'V  and  ''V , out of which  'V is  in phase with V 

and  has  been  represented  by  the  geometric  line  ‘ab’,  while  ''V   is  in  quadrature  with  V  and represented by the line ‘bc’ in vector diagram. It may be noted that the magnitude and phase of V, relative to sending end voltage E, are governed by the magnitude and phase of line current I. This also  indicates  that  the  voltage  regulation  depends  on  both  real  and  reactive  power  of  the  load connected at the receiving end.  A minor alteration in the form of Equation (2) yields the voltage equation for a loss‐less line as   

V E IX ………………..(6)  Assuming  the  line  to be  loss‐less,  the power at  the  sending end equals  to  that  at  receiving end. Hence Is, the sending end current (being equal to line current I when distributed line capacitance is neglected) is given by  

( )s

P jQI I

E

…………………(7) 

 From Equation (6) and (7)  

P jQV E j X

E

 

 

Page 24: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   24 

X XV E Q j P

E E ……………(8) 

 Equation (8) reveals that the real power P produces little effect on receiving end voltage phasor, since the drop associated with this change is in quadrature with the reference voltage. However, a change  in  reactive  power  load Q  appreciably  affects  the  receiving  end  voltage  phasor  since  the drop associated with  this  change  is  in phase with  the  reference voltage. So,  it  can be concluded that the receiving end voltage is extremely sensitive to any change in reactive power status at the receiving end.  Procedure:  

1) Create a four bus system in PowerWorld Simulator. 

2) Simulate the system for steady load (active and reactive) condition.  

3) Note down various parameters (P,Q, V) at the load buses. 

4) Change the active power demand of load and note down all the parameters. 

5) Change the reactive power demand of the load and note down all the parameters. 

6) Tabulate the results and draw the conclusion. 

 Assignment:  

1. Derive expression for voltage regulation of a transmission line and show its relation with 

reactive power. 

2. For a 2‐bus system with a transmission line, derive expression for voltage regulation. Draw 

corresponding  phasor  diagram  and  with  the  help  of  it  show  that  there  is  strong 

relationship between reactive power and the voltage drop along the line. 

 

 

      

    

Page 25: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   25 

Experiment: 7       Date: ___________ 

 Aim: To understand the method of voltage control by tap‐changing transformer using             PowerWorld Simulator  By changing the transformation ratio, the voltage in the secondary side of any bus can be varied. Power transformers, being used extensively for the control of transmission and sub‐transmission voltage of a network utilizing this principle, may be either manual or automatic. The latter, usually called ‘On Load Tap Changers’ (OLTC) are usually arranged to regulate the bus voltage in order to keep the operating voltage of the regulated bus within acceptable limits.  By changing the transformation ratio, the voltage in the secondary side of any bus can be varied and thus voltage control can be obtained. This constitutes the most popular and widespread form of  voltage  control  at  all  voltage  levels.  The  secondary  voltage  is maintained  at  or  very  near  to nominal  value  by  the  operation  of  the  tap  changer,  when  the  voltage  of  primary  transmission system is reduced. This is feasible provided the system is not on the state of extreme shortage of reactive power. However, if  load demand becomes excessively heavy, the secondary voltage may become unstable  even with  tap  changing;  the  instability  of  the  voltage  is  being basically due  to reactive power shortage.  Procedure:   

Open Power World Simulator Software. 

Simulate the system as shown in the figure according the problem statement. 

Adjust the Transformer taps in discrete steps. 

Click on arrows next to the transformer’s tap manually adjust the tap by one step. 

Draw your own conclusion  

 Circuit Diagram:  

   

Page 26: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   26 

 Observation table:  LTC Control Status = Manual  Generator   

VS (KV) 

Transformer   Vr (KV) 

Load   Transformer Tap position

MW  

MVAr  

VPrim. (KV) 

VSec. (KV) 

MW  MVAr 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                  Assignment:  

1. What is voltage stability? Explain different types of voltage stability. 

2. Discuss factors affecting voltage stability. 

             

 

Page 27: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   27 

Experiment: 8       Date: ___________ 

 Aim: To study voltage control using Capacitor bank connected at the receiving end‐bus.  The connection of shunt capacitors  is  the simplest and most widely used form of compensation. The installation of shunt capacitors at load bus provides shunt compensation. Due this, the voltage profile at the receiving end is improved as the part of reactive power demand of the load is met by the capacitor bank. However,  care must be  taken while designing  the shunt compensator  in  the form of capacitor bank.  Problem Statement:   A 12MW/6MVAR load is supplied at 20kV through a feeder with an impedance of (a) 1 + j 2. The load  is  compensated  with  a  capacitor  bank  whose  output  reactive  power  can  be  varied  in  0.5 MVAR steps between 0 and 10 MVAR. Find out the feeder losses and other parameters.  Circuit Diagram: 

  

Procedure:  

Open Power World Simulator Software.  Simulate the system as shown in the figure according the problem statement.  Set the line impedance to 1 +j 2 ohms and increase the load demand in steps of 1MW 

from 5MW to 10MW.  

Observe and record the change in values of sending end parameters and receiving end parameters. 

Set the load at 5MW and change the reactive power supply from capacitor bank in steps of 1MVAR from 1 to 5 MVAR. 

Page 28: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   28 

Observe and record the change in values of sending end parameters and receiving end parameters. 

Repeat the procedure for line impedance 0.5 + j1 and 2 + j 4 ohms.  Tabulate your results for all the cases.  Make your own conclusion about the voltage and reactive power. 

 Assignment:  

1. What  is  reactive  power  compensation?  Explain  reactive  power  compensation  of  redial 

transmission line for; (1) On no load and (2) Heavy loading condition. 

2. What is voltage collapse? State main factors contributing the voltage collapse. 

    

                           

Page 29: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   29 

Assignment: 1       Date: ___________ 

 Aim: Assignment on Load Forecasting Techniques.     

1) Write a short note on load forecasting.  

2) Write a short note on load forecasting methodology. 

3) Explain load forecasting methodology and estimation of average and trend terms. 

4) Explain reactive load forecast. 

                           

 

Page 30: Lab Manual 180906 APS-II

Advanced Power System-II (180906)  

B.E. Electrical (Semester‐8)                                                      Department of Electrical Engineering   30 

Assignment: 2       Date: ___________ 

 Aim: Assignment on Power System Restructuring.     

1) Describe structure of vertically integrated utility in brief.  

2) Explain the reasons for restructuring. 

3) Describe structure of deregulated (restructured) power industry. 

4) Write a short note on Indian scenario of power industry and electricity act 2003. 

5) Write a short note on different entities in deregulated environment.