on-load flow control
TRANSCRIPT
-
7/30/2019 On-load flow control
1/174
T R I T A - E E S - 0 0 0 1
I S S N 1 1 0 0 - 1 6 0 7
O n L o a d F l o w C o n t r o l i n E l e c t r i c P o w e r S y s t e m s
A r n i m H e r b i g
S t o c k h o l m 2 0 0 0
D o c t o r a l D i s s e r t a t i o n
R o y a l I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c P o w e r E n g i n e e r i n g
E l e c t r i c P o w e r S y s t e m s
-
7/30/2019 On-load flow control
2/174
-
7/30/2019 On-load flow control
3/174
A b s t r a c t
T h i s d i s s e r t a t i o n d e a l s w i t h t h e c o n t r o l o f a c t i v e p o w e r o w , o r l o a d o w ,
i n e l e c t r i c p o w e r s y s t e m s .
D u r i n g t h e l a s t f e w y e a r s , i n t e r e s t i n t h e p o s s i b i l i t i e s t o c o n t r o l t h e a c t i v e
p o w e r o w s i n t r a n s m i s s i o n s y s t e m s h a s i n c r e a s e d s i g n i c a n t l y . T h e r e i s
a n u m b e r o f r e a s o n s f o r t h i s , c o m i n g b o t h f r o m t h e a p p l i c a t i o n s i d e t h a t
i s , f r o m p o w e r s y s t e m o p e r a t i o n s a n d f r o m t h e t e c h n o l o g i c a l s i d e , w h e r e
a d v a n c e s i n p o w e r e l e c t r o n i c s a n d r e l a t e d t e c h n o l o g i e s h a v e m a d e n e w
s y s t e m c o m p o n e n t s a v a i l a b l e .
L o a d o w c o n t r o l i s b y n a t u r e a m u l t i i n p u t m u l t i o u t p u t p r o b l e m , s i n c e
a n y c h a n g e o f l o a d o w i n o n e l i n e w i l l b e c o m p l e m e n t e d b y c h a n g e s i n
o t h e r l i n e s . S t r o n g c r o s s c o u p l i n g b e t w e e n c o n t r o l l a b l e c o m p o n e n t s i s
t o b e e x p e c t e d , a n d t h e p o s s i b i l i t y o f a d v e r s e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e s e
c o m p o n e n t s c a n n o t b e r e j e c t e d s t r a i g h t a w a y . I n t e r a c t i o n s w i t h d y n a m i c
p h e n o m e n a i n t h e p o w e r s y s t e m a r e a l s o a s o u r c e o f c o n c e r n .
T h r e e c o n t r o l l a b l e c o m p o n e n t s a r e i n v e s t i g a t e d i n t h i s t h e s i s , n a m e l y t h e
c o n t r o l l e d s e r i e s c a p a c i t o r ( C S C ) , t h e p h a s e a n g l e r e g u l a t o r ( P A R ) , a n d
t h e u n i e d p o w e r o w c o n t r o l l e r ( U P F C ) . P r o p e r t i e s a n d c h a r a c t e r i s t i c s
o f t h e s e d e v i c e s a r e i n v e s t i g a t e d a n d d i s c u s s e d .
A s i m p l e c o n t r o l s t r a t e g y i s p r o p o s e d . T h i s s t r a t e g y i s t h e n a n a l y z e d e x -
t e n s i v e l y . M a t h e m a t i c a l m e t h o d s a n d p h y s i c a l k n o w l e d g e a b o u t t h e p e r -
t i n e n t p h e n o m e n a a r e c o m b i n e d , a n d i t i s s h o w n t h a t t h i s c o n t r o l s t r a t e g y
c a n b e u s e d f o r a f a i r l y g e n e r a l c l a s s o f d e v i c e s . C o m p u t e r s i m u l a t i o n s o f
t h e c o n t r o l l e d s y s t e m p r o v i d e i n s i g h t i n t o t h e s y s t e m b e h a v i o r i n a s y s t e m
o f r e a s o n a b l e s i z e . T h e r o b u s t n e s s a n d s t a b i l i t y o f t h e c o n t r o l s y s t e m a r e
d i s c u s s e d a s a r e i t s l i m i t s .
F u r t h e r , t h e b e h a v i o r o f t h e c o n t r o l s t r a t e g y i n a s y s t e m w h e r e t h e m o d -
e l i n g a l l o w s f o r d y n a m i c p h e n o m e n a a r e i s i n v e s t i g a t e d w i t h c o m p u t e r
s i m u l a t i o n s . I t i s d i s c u s s e d u n d e r w h i c h c i r c u m s t a n c e s t h e c o n t r o l a c t i o n
h a s b e n e c i a l o r d e t r i m e n t a l e e c t o n t h e s y s t e m d y n a m i c s .
F i n a l l y , a g r a p h i c a l a p p r o a c h f o r a n a l y z i n g t h e e e c t o f c o n t r o l l e r s o n
t h e c l o s e d l o o p b e h a v i o r o f a s y s t e m i s d i s c u s s e d . T h e p h a s e r o o t l o c u s
t e c h n i q u e i s p r e s e n t e d a n d i t s a p p l i c a t i o n t o p o w e r s y s t e m s i l l u s t r a t e d .
T R I T A - E E S - 0 0 0 1 I S S N 1 1 0 0 - 1 6 0 7
i i i
-
7/30/2019 On-load flow control
4/174
i v
-
7/30/2019 On-load flow control
5/174
A c k n o w l e d g m e n t s
T h i s d i s s e r t a t i o n c o v e r s t h e w o r k I h a v e c a r r i e d o u t a t t h e d i v i s i o n o f
E l e c t r i c P o w e r S y s t e m s , D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c P o w e r E n g i n e e r i n g , R o y a l
I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , s i n c e F e b r u a r y 1 9 9 5 .
F i r s t , I w o u l d l i k e t o e x p r e s s m y d e e p e s t g r a t i t u d e a n d a p p r e c i a t i o n t o
m y s u p e r v i s o r , P r o f e s s o r G r a n A n d e r s s o n . H i s s k i l l e d g u i d a n c e , v a l u a b l e
c o m m e n t s , s t i m u l a t i n g d i s c u s s i o n s a n d s u p p o r t t h r o u g h o u t t h i s p r o j e c t
h a v e b e e n i n d i s p e n s a b l e .
I w i s h t o t h a n k m y c o l l e a g u e s a t t h e d i v i s i o n o f e l e c t r i c p o w e r s y s t e m s f o r
t h e f r i e n d l y a t m o s p h e r e . S p e c i a l t h a n k s g o t o t h e s e c r e t a r y o f t h e d i v i -
s i o n M s . L i l l e m o r H y l l e n g r e n f o r h e r h e l p i n c o u n t l e s s p r a c t i c a l m a t t e r s .
I a l s o o w e t h a n k s t o M r . E r i k T h u n b e r g , w i t h o u t w h o s e h e l p t h e c o m -
p u t e r a d m i n i s t r a t i o n w o u l d h a v e k e p t m e t o o b u s y t o w r i t e t h i s t h e s i s ,
M r . M e h r d a d G h a n d h a r i a n d M r . T h o m a s A c k e r m a n n , w h o w e r e a l w a y s
h e l p f u l f r i e n d s a n d g o o d c o m p a n y f o r t h e l u n c h b r e a k s , M r . J o n a s P e r s s o n
f o r h i s h e l p w i t h S I M P O W , a n d D r . L a w r e n c e J o n e s f o r h i s c o l l a b o r a t i o n
o n p a p e r s a n d d i s c u s s i o n s o n c o n t r o l t h e o r y .
F i n a n c i a l s u p p o r t f r o m t h e S w e d i s h N U T E K R E G I N A p r o j e c t i s g r a t e -
f u l l y a c k n o w l e d g e d .
I o w e m y u t m o s t a n d l i f e l o n g g r a t i t u d e t o m y p a r e n t s f o r t h e i r u n f a l t e r -
i n g b a c k i n g a n d e n c o u r a g e m e n t a n d t h e i r s u p p o r t t h r o u g h t h e l o w s a n d
d e l i g h t i n t h e h i g h s t h r o u g h t h e y e a r s .
L a s t , b u t c e r t a i n l y n o t l e a s t , I w o u l d l i k e t o t h a n k m y a n c e M s . J u l e i g h
G i d d e n s , w h o e n r i c h e s m y l i f e i n m o r e w a y s t h a n I c a n e v e r h o p e t o
e x p r e s s .
A r n i m H e r b i g
S t o c k h o l m
F e b r u a r y 2 0 0 0
v
-
7/30/2019 On-load flow control
6/174
v i
-
7/30/2019 On-load flow control
7/174
A c r o n y m s
A c r o n y m D e s c r i p t i o n
A C A l t e r n a t i n g C u r r e n t
A N N A r t i c i a l N e u r a l N e t w o r k
C S C C o n t r o l l a b l e S e r i e s C a p a c i t o r
D C D i r e c t C u r r e n t
F A C T S F l e x i b l e A C T r a n s m i s s i o n S y s t e m s
G T O G a t e T u r n O T h y r i s t o r
H V D C H i g h V o l t a g e D i r e c t C u r r e n t
K B S K n o w l e d g e B a s e d S y s t e m
L Q G L i n e a r Q u a d r a t i c G a u s s i a n
M I M O M u l t i I n p u t M u l t i O u t p u t
N A S A N a t i o n a l A e r o n a u t i c s a n d S p a c e A d m i n i s t r a t i o n
N A S R E M N A S A / N I S T S t a n d a r d R e f e r e n c e M o d e l f o r T e l e r o b o t
C o n t r o l S y s t e m A r c h i t e c t u r e
N I S T N a t i o n a l I n s t i t u t e o f S t a n d a r d s a n d T e c h n o l o g y
P A R P h a s e A n g l e R e g u l a t o r
S O F L I C S e l f O r g a n i z i n g F u z z y L o g i c C o n t r o l
U P F C U n i e d P o w e r F l o w C o n t r o l l e r
v i i
-
7/30/2019 On-load flow control
8/174
v i i i
-
7/30/2019 On-load flow control
9/174
-
7/30/2019 On-load flow control
10/174
x C o n t e n t s
3 T o o l s f o r C o n t r o l o f A c t i v e P o w e r F l o w 2 3
3 . 1 C o n t r o l l e d S e r i e s C a p a c i t o r , C S C . . . . . . . . . . . . . . 2 4
3 . 2 P h a s e A n g l e R e g u l a t o r , P A R . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5
3 . 3 U n i e d P o w e r F l o w C o n t r o l l e r , U P F C . . . . . . . . . . . 2 7
3 . 4 O t h e r F A C T S D e v i c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9
4 L o a d F l o w C o n t r o l U s i n g C S C a n d P A R 3 1
4 . 1 T w o S e r i e s C a p a c i t o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1
4 . 1 . 1 T h e S i m p l e T e s t S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . 3 2
4 . 1 . 2 C o n t r o l w i t h I n d e p e n d e n t I n t e g r a l C o n t r o l l e r s . . . 3 3
4 . 1 . 3 M a t h e m a t i c a l A n a l y s i s o f t h e C o n t r o l l e d S y s t e m . 3 3
4 . 1 . 4 S i m u l a t i o n o f t h e S i m p l e T e s t S y s t e m w i t h t h e I n -
t e g r a l C o n t r o l l e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6
4 . 1 . 5 L a r g e r S y s t e m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0
4 . 1 . 6 R o b u s t n e s s o f t h e C o n t r o l S c h e m e . . . . . . . . . 4 1
4 . 2 T w o P h a s e S h i f t e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3
4 . 2 . 1 A n a l y t i c a l I n v e s t i g a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . 4 3
4 . 2 . 2 S i m u l a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4
4 . 3 M o r e T h a n T w o C S C s o r P A R s . . . . . . . . . . . . . . . 4 4
4 . 3 . 1 D i s c u s s i o n o f t h e P r o b l e m . . . . . . . . . . . . . . 4 4
4 . 3 . 2 S o m e S i m u l a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7
4 . 4 C o m p a r i s o n o f P A R a n d C S C f o r L o a d F l o w C o n t r o l . . . 4 8
4 . 5 L o a d F l o w C o n t r o l i n S y s t e m s C l o s e t o C o l l a p s e . . . . . 5 3
5 O n t h e P l a c e m e n t o f C S C s 5 5
5 . 1 D e n i t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5
5 . 2 P l a c i n g o n e C S C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6
5 . 2 . 1 C o n t r o l l a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 7
-
7/30/2019 On-load flow control
11/174
C o n t e n t s x i
5 . 2 . 2 C r o s s C o u p l i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 7
5 . 2 . 3 L o a d A l l e v i a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8
5 . 3 P l a c i n g S e v e r a l C S C s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9
5 . 3 . 1 M e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0
5 . 3 . 2 C o m p u t a t i o n a l a s p e c t s . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1
5 . 3 . 3 V a l i d i t y o f t h e L i n e a r i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . 6 1
5 . 3 . 4 E x a m p l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1
5 . 4 S u m m a r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4
6 C h a r a c t e r i s t i c s o f t h e U P F C 7 5
6 . 1 L o a d F l o w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 5
6 . 2 B u s V o l t a g e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 9
6 . 3 S i m u l t a n e o u s V o l t a g e a n d L o a d F l o w C o n t r o l . . . . . . . 8 4
7 L o a d F l o w C o n t r o l U s i n g t h e U P F C 8 7
7 . 1 L o a d F l o w C o n t r o l O n l y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 7
7 . 2 L o a d F l o w C o n t r o l a n d B u s V o l t a g e C o n t r o l . . . . . . . . 8 8
7 . 3 S u m m a r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 5
8 O n t h e L a r g e S i g n a l S t a b i l i t y o f t h e C o n t r o l S c h e m e 9 7
8 . 1 P r e l i m i n a r i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 7
8 . 1 . 1 T h e N o n l i n e a r N y q u i s t C r i t e r i o n . . . . . . . . . . 9 7
8 . 1 . 2 D y n a m i c a l S y s t e m s , G r a p h s a n d I n p u t O u t p u t S t a -
b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 9
8 . 2 S t a b i l i t y o f t h e C o n t r o l l e d S y s t e m . . . . . . . . . . . . . 1 0 3
8 . 2 . 1 C i r c l e C r i t e r i o n f o r O n e C o n t r o l l a b l e D e v i c e . . . . 1 0 4
8 . 2 . 2 S m a l l G a i n T h e o r e m . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 6
8 . 2 . 3 P a s s i v i t y T h e o r e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 6
8 . 2 . 4 O b s e r v a t i o n s o n t h e I n v e s t i g a t i o n . . . . . . . . . . 1 0 8
8 . 2 . 5 W o r s t C a s e S c e n a r i o U n s t a b l e C o n t r o l l e r . . . . 1 0 9
-
7/30/2019 On-load flow control
12/174
x i i C o n t e n t s
9 I n u e n c e o f L o a d F l o w C o n t r o l o n I n t e r A r e a O s c i l l a -
t i o n s 1 1 1
9 . 1 I n t e r A r e a O s c i l l a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1
9 . 2 A C a s e S t u d y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2
9 . 3 C o n c l u s i o n s f r o m t h e C a s e S t u d y . . . . . . . . . . . . . . 1 1 4
1 0 P h a s e R o o t L o c u s A p p r o a c h t o D e s i g n R o b u s t C o n t r o l l e r s 1 1 9
1 0 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 9
1 0 . 2 M e a s u r e s o f R o b u s t n e s s a n d R e l a t i v e S t a b i l i t y . . . . . . . 1 2 0
1 0 . 3 G a i n R o o t L o c u s a n d P h a s e R o o t L o c u s . . . . . . . . . . 1 2 1
1 0 . 4 I l l u s t r a t i v e E x a m p l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 3
1 1 C l o s u r e 1 3 1
1 1 . 1 C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 1
1 1 . 2 S u g g e s t i o n s f o r F u t u r e W o r k . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 2
A M o d e l i n g o f t h e F A C T S D e v i c e s 1 3 5
A . 1 C o n t r o l l a b l e S e r i e s C a p a c i t o r . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 5
A . 2 P h a s e A n g l e R e g u l a t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 5
A . 3 U n i e d P o w e r F l o w C o n t r o l l e r . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 6
B I E E E 3 0 B u s T e s t S y s t e m S y s t e m D a t a 1 4 1
B . 1 B u s D a t a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 1
B . 2 B r a n c h D a t a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 2
C S e n s i t i v i t y M a t r i x f o r C S C 1 4 5
C . 1 N o t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 6
C . 2 J a c o b i a n M a t r i x F
Z
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 7
C . 3 J a c o b i a n M a t r i x W
X
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 8
C . 4 J a c o b i a n M a t r i x W
Z
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 8
R e f e r e n c e s 1 4 9
-
7/30/2019 On-load flow control
13/174
-
7/30/2019 On-load flow control
14/174
x i v L i s t o f F i g u r e s
4 . 8 C o m p e n s a t i o n i n T i m e D o m a i n L i n e 8 . . . . . . . . . 3 9
4 . 9 I E E E 3 0 B u s S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1
4 . 1 0 R e s u l t s f o r C o n t r o l o f L i n e s 3 0 a n d 3 5 . . . . . . . . . . . 4 2
4 . 1 1 R e s u l t s f o r C o n t r o l o f L i n e s 2 a n d 1 4 . . . . . . . . . . . . 4 2
4 . 1 2 R e s u l t s f o r C o n t r o l o f L i n e s 2 a n d 1 4 w i t h P A R . . . . . . 4 5
4 . 1 3 R e s u l t s f o r C o n t r o l o f L i n e s 2 a n d 1 4 w i t h P A R . . . . . . 4 6
4 . 1 4 T h e F u l l F e e d b a c k S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7
4 . 1 5 R e s u l t s f o r C o n t r o l o f L i n e s 2 , 7 , a n d 1 4 w i t h C S C . . . . 4 9
4 . 1 6 R e s u l t s f o r C o n t r o l o f L i n e s 2 , 7 , a n d 1 4 w i t h C S C . . . . 4 9
4 . 1 7 R e s u l t s f o r C o n t r o l o f L i n e s 2 , 6 , a n d 7 w i t h C S C . . . . . 5 0
4 . 1 8 R e s u l t s f o r C o n t r o l o f L i n e s 2 , 6 , a n d 7 w i t h C S C . . . . . 5 0
4 . 1 9 R e s u l t s f o r C o n t r o l o f L i n e s 2 , 7 , a n d 1 4 w i t h P A R . . . . 5 1
4 . 2 0 R e s u l t s f o r C o n t r o l o f L i n e s 2 , 7 , a n d 1 4 w i t h P A R . . . . 5 1
4 . 2 1 R e s u l t s f o r C o n t r o l o f L i n e s 2 , 6 , a n d 7 w i t h P A R . . . . . 5 2
4 . 2 2 R e s u l t s f o r C o n t r o l o f L i n e s 2 , 6 , a n d 7 w i t h P A R . . . . . 5 2
4 . 2 3 H i g h e r L e v e l C o n t r o l l e r f o r S e t t i n g C o n t r o l I n p u t s . . . . 5 4
5 . 1 C h a n g e o f A c t i v e P o w e r F l o w i n L i n e 3 3 . . . . . . . . . . 5 7
5 . 2 I n u e n c e o f C S C i n L i n e s 7 o r 3 3 o n L o a d F l o w i n L i n e 8 5 8
5 . 3 I n u e n c e o f a C S C i n L i n e s 7 o r 3 3 o n L o a d F l o w i n L i n e 2 1 5 9
5 . 4 C h a n g e o f A c t i v e P o w e r F l o w i n L i n e 3 3 . . . . . . . . . . 6 0
5 . 5 C o n t r o l A r e a s f o r L i n e s 3 0 / 3 5 . . . . . . . . . . . . . . . 6 3
5 . 6 C o n t r o l A r e a s f o r L i n e s 3 0 + / 3 5 + . . . . . . . . . . . . . 6 5
5 . 7 C o n t r o l A r e a s f o r L i n e s 3 0 - / 3 5 + . . . . . . . . . . . . . . 6 6
5 . 8 C o n t r o l A r e a s f o r L i n e s 3 0 + / 3 5 - . . . . . . . . . . . . . . 6 7
5 . 9 C o n t r o l A r e a s f o r L i n e s 3 0 - / 3 5 - . . . . . . . . . . . . . . 6 8
5 . 1 0 C o n t r o l A r e a s f o r L i n e s 2 / 1 4 . . . . . . . . . . . . . . . . 6 9
-
7/30/2019 On-load flow control
15/174
L i s t o f F i g u r e s x v
5 . 1 1 C o n t r o l A r e a s f o r L i n e s 2 + / 1 4 + . . . . . . . . . . . . . . 7 0
5 . 1 2 C o n t r o l A r e a s f o r L i n e s 2 - / 1 4 + . . . . . . . . . . . . . . 7 1
5 . 1 3 C o n t r o l A r e a s f o r L i n e s 2 + / 1 4 - . . . . . . . . . . . . . . 7 2
5 . 1 4 C o n t r o l A r e a s f o r L i n e s 2 - / 1 4 - . . . . . . . . . . . . . . . 7 3
6 . 1 U P F C i n L i n e 1 4 = c o n s t L o a d F l o w i n L i n e 1 4 . . . . 7 7
6 . 2 U P F C i n L i n e 1 4 r = c o n s t L o a d F l o w i n L i n e 1 4 . . . . 7 7
6 . 3 U P F C i n L i n e 3 3 r = c o n s t L o a d F l o w i n L i n e 3 3 . . . . 7 8
6 . 4 U P F C i n L i n e 1 4 L o a d F l o w i n L i n e 1 4 . . . . . . . . . . 7 8
6 . 5 U P F C i n L i n e 1 4 = c o n s t V o l t a g e a t B u s 9 . . . . . . . 8 0
6 . 6 U P F C i n L i n e 1 4 = c o n s t V o l t a g e a t B u s 1 0 . . . . . . 8 0
6 . 7 U P F C i n L i n e 1 4 r = c o n s t V o l t a g e a t B u s 9 . . . . . . . 8 1
6 . 8 U P F C i n L i n e 1 4 r = c o n s t V o l t a g e a t B u s 1 0 . . . . . . 8 1
6 . 9 U P F C i n L i n e 1 4 V o l t a g e a t B u s 9 . . . . . . . . . . . . . 8 2
6 . 1 0 U P F C i n L i n e 1 4 V o l t a g e a t B u s 1 0 . . . . . . . . . . . . 8 2
6 . 1 1 U P F C i n L i n e 1 4 r = 0 . 1 V o l t a g e a t B u s 9 . . . . . . . . 8 3
6 . 1 2 U P F C i n L i n e 1 4 r = 0 . 1 V o l t a g e a t B u s 1 0 . . . . . . . 8 3
6 . 1 3 U P F C i n L i n e 2 7 r = 0 . 1 V o l t a g e a t B u s 1 0 . . . . . . . 8 4
6 . 1 4 U P F C i n L i n e 1 4 r = 0 . 1 L o a d F l o w a n d V o l t a g e s . . . . 8 5
7 . 1 L o a d F l o w C o n t r o l i n L i n e s 2 , 6 , a n d 1 4 . . . . . . . . . . 8 8
7 . 2 L o a d F l o w C o n t r o l i n L i n e s 2 , 6 , a n d 7 . . . . . . . . . . . 8 9
7 . 3 V o l t a g e s a t B u s e s i n L i n e 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 0
7 . 4 V o l t a g e s a t B u s e s i n L i n e 1 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 0
7 . 5 V o l t a g e s a t B u s e s i n L i n e 3 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1
7 . 6 L o a d F l o w i n L i n e 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2
7 . 7 L o a d F l o w i n L i n e 1 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2
7 . 8 L o a d F l o w i n L i n e 3 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3
-
7/30/2019 On-load flow control
16/174
x v i L i s t o f F i g u r e s
7 . 9 L i n e 2 : A c t i v e a n d R e a c t i v e P o w e r i n C o n v e r t e r s 1 a n d 2
r e s p e c t i v e l y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4
7 . 1 0 L i n e 1 4 : A c t i v e a n d R e a c t i v e P o w e r i n C o n v e r t e r s 1 a n d 2
r e s p e c t i v e l y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4
7 . 1 1 L i n e 3 0 : A c t i v e a n d R e a c t i v e P o w e r i n C o n v e r t e r s 1 a n d 2
r e s p e c t i v e l y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 5
8 . 1 F e e d b a c k L o o p w i t h L i n e a r B l o c k G ( s ) a n d N o n l i n e a r B l o c k
f ( : ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 8
8 . 2 B o u n d s o n t h e N o n l i n e a r i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 8
8 . 3 C o n d i t i o n s o n t h e N y q u i s t C u r v e . . . . . . . . . . . . . . 9 9
8 . 4 S t a n d a r d F e e d b a c k C o n g u r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . 1 0 0
8 . 5 S m a l l G a i n T h e o r e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 3
8 . 6 I n t e r c o n n e c t i o n o f I n p u t S t r i c t l y P a s s i v e S y s t e m s . . . . . 1 0 4
8 . 7 I n t e r c o n n e c t i o n o f P a s s i v e a n d I n p u t O u t p u t S t r i c t l y P a s -
s i v e S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 5
8 . 8 N o n l i n e a r N y q u i s t C r i t e r i o n f o r L o a d F l o w C o n t r o l . . . . 1 0 5
8 . 9 S i m p l e T e s t S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 9
8 . 1 0 U n s t a b l e C o n t r o l l e r w i t h N o n W i n d u p L i m i t s . . . . . . . 1 1 0
9 . 1 T w o a r e a t e s t s y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2
9 . 2 B a s e C a s e W i t h a n d W i t h o u t S e r i e s C a p a c i t o r . . . . . . 1 1 3
9 . 3 E i g e n v a l u e s W i t h a n d W i t h o u t S e r i e s C a p a c i t o r . . . . . . 1 1 3
9 . 4 O s c i l l a t i o n s W i t h C o n t r o l l e r . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 5
9 . 5 O s c i l l a t i o n s w i t h C o n t r o l l e r L o a d F l o w B e t w e e n B u s e s
8 a n d 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 5
9 . 6 E i g e n v a l u e s w i t h C o n t r o l l e r . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 6
9 . 7 L o a d F l o w C o n t r o l S t e p R e s p o n s e . . . . . . . . . . . . . 1 1 6
1 0 . 1 N y q u i s t D i a g r a m w i t h G a i n a n d P h a s e M a r g i n . . . . . . 1 2 1
-
7/30/2019 On-load flow control
17/174
-
7/30/2019 On-load flow control
18/174
x v i i i
-
7/30/2019 On-load flow control
19/174
-
7/30/2019 On-load flow control
20/174
x x L i s t o f T a b l e s
5 . 1 0 C o n t r o l l i n g L i n e s 2 - a n d 1 4 - . O b j e c t i v e f u n c t i o n i s g i v e n
b y E q u a t i o n ( 5 . 6 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3
7 . 1 R a t i n g s f o r C o n v e r t e r 1 W i t h a n d W i t h o u t B u s V o l t a g e
C o n t r o l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3
A . 1 M o d i c a t i o n o f J a c o b i a n M a t r i x f o r U P F C . . . . . . . . . 1 3 9
B . 1 B u s D a t a f o r I E E E 3 0 B u s T e s t S y s t e m . . . . . . . . . . 1 4 1
B . 2 B r a n c h D a t a f o r I E E E 3 0 B u s T e s t S y s t e m . . . . . . . . 1 4 2
-
7/30/2019 On-load flow control
21/174
T o m y p a r e n t s
-
7/30/2019 On-load flow control
22/174
-
7/30/2019 On-load flow control
23/174
-
7/30/2019 On-load flow control
24/174
4 C h a p t e r 1 . I n t r o d u c t i o n
a n d a d e r e g u l a t i o n o f t h e p o w e r m a r k e t 5 ] . I n c e r t a i n d e r e g u l a t e d e n -
v i r o n m e n t s , t r a n s m i s s i o n c a p a c i t y b e c o m e s a c o m m o d i t y . F o r t h e u s e o f
t r a n s m i s s i o n c a p a c i t y , f e e s h a v e t o b e p a i d , a n d t h e t r a n s m i s s i o n g r i d o p -
e r a t o r d e p e n d s e c o n o m i c a l l y o n t h e s e f e e s . W i t h t h e e c o n o m i c d e p e n d e n c e
o n t h e g r i d c o m e s t h e n e c e s s i t y t o b e a b l e t o c o n t r o l t h e t r a n s m i s s i o n s y s -
t e m a s w e l l a s p o s s i b l e . T h e n e w c o m p o n e n t s t h a t a r e b e c o m i n g f e a s i b l e
a r e t o a l a r g e e x t e n t b a s e d o n a d v a n c e s i n p o w e r e l e c t r o n i c s a n d r e l a t e d
t e c h n o l o g i e s .
T h e r e a r e f o u r m a i n r e a s o n s w h y p o w e r o w c o n t r o l i s a t t r a c t i v e :
1 . O v e r l o a d a l l e v i a t i o n . I n a m e s h e d p o w e r s y s t e m , a s i t u a t i o n w h e r e a
l o w i m p e d a n c e l i n e c a r r i e s m u c h m o r e p o w e r t h a n o r i g i n a l l y d e s i g n e d
f o r , w h i l e p a r a l l e l p a t h s a r e u n d e r u t i l i z e d , c a n o c c u r . W i t h p o w e r
o w c o n t r o l , t h e s t r e s s e d l i n e c a n b e r e l i e v e d , r e s u l t i n g i n a b e t t e r
o v e r a l l u t i l i z a t i o n o f t h e n e t w o r k .
2 . C o n t r a c t u a l r e q u i r e m e n t s . T h e s e o r i g i n a t e u s u a l l y i n e i t h e r o f t h e
t w o s i t u a t i o n s d e s c r i b e d a b o v e . T h e t r a n s f e r o f p o w e r i n a m e s h e d
n e t w o r k i s l i k e l y t o b e a c c o m p a n i e d b y r e q u e s t s o f t h e n e i g h b o r i n g
u t i l i t i e s t h a t t h e i r n e t w o r k s a r e n o t i n u e n c e d i n a n a d v e r s e w a y .
3 . C u r r e n t l y , i n d e p e n d e n t t r a n s m i s s i o n p r o j e c t s a r e b e i n g d i s c u s s e d 6 ] .
T h e i d e a i s t h a t p r i v a t e c o m p a n i e s o p e r a t e t r a n s m i s s i o n l i n e s a n d
s e l l t r a n s m i s s i o n c a p a c i t y o r e n e r g y t o i n t e r e s t e d p a r t i e s . I n t h a t
e n v i r o n m e n t , t h e l o a d o w w i l l o b v i o u s l y h a v e t o b e c o n t r o l l e d . O n e
p o s s i b i l i t y i s t o u s e H V D C l i n e s , a n o t h e r p o s s i b i l i t y i s l o a d o w
c o n t r o l u s i n g F A C T S d e v i c e s i n a n A C n e t w o r k .
4 . L o s s r e d u c t i o n . G e n e r a l l y , t o t a l l o s s e s i n a s y s t e m c a n n o t b e r e d u c e d
t o s u c h a n e x t e n t t h a t t h e i n s t a l l a t i o n o f p o w e r o w c o n t r o l l e r s i s
j u s t i e d . E a s i l y a v o i d a b l e a r e o n l y t h e l o s s e s d u e t o r e a c t i v e p o w e r
o w , w h i c h u s u a l l y a r e q u i t e s m a l l . A r e d u c t i o n o f t h e l o s s e s d u e
t o a c t i v e p o w e r o w w o u l d r e q u i r e a d e c r e a s e o f t h e l i n e r e s i s t a n c e s ,
w h i c h n e c e s s i t a t e s d r a s t i c c h a n g e s i n t h e c o n d u c t o r s .
H o w e v e r , l o s s r e d u c t i o n i n a p a r t i c u l a r a r e a o f t h e s y s t e m i s a r e l e -
v a n t i s s u e . P o w e r t r a n s f e r s f r o m o n e p o i n t t o a n o t h e r w i l l p h y s i c a l l y
o w o n a n u m b e r o f p a r a l l e l p a t h s a n d t h e r e b y i m p e l l o s s e s o n l i n e s
t h a t m i g h t b e l o n g t o a n o t h e r u t i l i t y , t h u s c a u s i n g i n c r e a s e d c o s t s f o r
t h a t c o m p a n y . I f t h e l a t t e r u t i l i t y c a n n o t a c c e p t t h e s e l o s s e s , p o w e r
o w c o n t r o l c a n b e a s o l u t i o n .
-
7/30/2019 On-load flow control
25/174
1 . 2 . S c o p e a n d O r g a n i z a t i o n o f t h i s T h e s i s 5
T h e c o n t r o l o f a c t i v e p o w e r o w i s i n i t s g e n e r a l f o r m b y n a t u r e a m u l t i
i n p u t m u l t i o u t p u t ( M I M O ) p r o b l e m . S i n c e t h e a c t i v e p o w e r h a s t o b e
t r a n s f e r r e d t h r o u g h a n u m b e r o f p a t h s i n t h e s y s t e m , a n y c h a n g e o f a c t i v e
p o w e r o w i n o n e l i n e w i l l b e c o m p l e m e n t e d b y c h a n g e s i n o t h e r l i n e s .
S t r o n g c r o s s c o u p l i n g b e t w e e n c o n t r o l l a b l e c o m p o n e n t s i s t o b e e x p e c t e d ,
a n d t h e p o s s i b i l i t y o f a d v e r s e e e c t s b e t w e e n s e v e r a l s u c h c o m p o n e n t s ,
l i k e h u n t i n g p h e n o m e n a , c a n n o t b e r e j e c t e d s t r a i g h t a w a y .
S p e e d i s a m i n o r i s s u e f o r p o w e r o w c o n t r o l . T h e t i m e f r a m e i n w h i c h
a n e q u i l i b r i u m s h o u l d b e r e a c h e d c a n b e m e a s u r e d i n t e r m s o f s e c o n d s
o r e v e n m i n u t e s . T h a t m a k e s i t p o s s i b l e t o u s e t h e s a m e d e v i c e f o r t h e
c o n t r o l o f d y n a m i c p h e n o m e n a i n a p o w e r s y s t e m a s i s u s e d f o r p o w e r o w
c o n t r o l , s i n c e t h e t i m e f r a m e o f t h o s e d y n a m i c p h e n o m e n a i s u s u a l l y a t
m o s t a f e w s e c o n d s .
1 . 2 S c o p e a n d O r g a n i z a t i o n o f t h i s T h e s i s
I n C h a p t e r 2 , s o m e b a c k g r o u n d o n m u l t i v a r i a b l e c o n t r o l i s g i v e n . M e t h o d s
f o r m u l t i v a r i a b l e c o n t r o l a r e t e n t a t i v e l y o r d e r e d i n a t a x o n o m y , w h i c h i s
j u x t a p o s e d t o a s c a l i n g o f c o n t r o l l e v e l s . S o m e g u i d e l i n e s f o r t h e c h o i c e o f
c o n t r o l m e t h o d s d e p e n d i n g o n t h e c o n t r o l l e v e l a r e p r o p o s e d .
C h a p t e r 3 p r e s e n t s t h e i d e a o f F A C T S d e v i c e s a n d d i s c u s s e s t h e d e v i c e s
u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n . A c o n c i s e d e s c r i p t i o n o f a v e r y r e c e n t l y i n -
t r o d u c e d p o w e r o w c o n t r o l c o n c e p t t h a t d o e s n o t n e e d a n y h i g h p o w e r
e l e c t r o n i c p a r t s i s g i v e n . S o m e o t h e r F A C T S d e v i c e s n o t t r e a t e d i n t h i s
t h e s i s a r e m e n t i o n e d .
I n C h a p t e r 4 , m u l t i v a r i a b l e p o w e r o w c o n t r o l u s i n g C S C s a n d P A R s i s
i n v e s t i g a t e d . A c o n t r o l s c h e m e i s p r o p o s e d a n d e x a m i n e d r s t w i t h a n
a n a l y t i c a l a n d p h y s i c a l a p p r o a c h d e p e n d i n g o n a l i n e a r i z a t i o n , a n d t h e n
w i t h n o n l i n e a r s i m u l a t i o n s . L i m i t s o f t h i s c o n t r o l s c h e m e a r e d i s c u s s e d .
I n C h a p t e r 5 , a m e t h o d f o r d e c i d i n g w h e r e s e r i e s c a p a c i t o r s s h o u l d b e
l o c a t e d i n a n e l e c t r i c p o w e r s y s t e m t o m a x i m i z e c o n t r o l l a b i l i t y i s i n t r o -
d u c e d . T h i s m e t h o d i s b a s e d o n a n i n v e s t i g a t i o n o f t h e s e n s i t i v i t i e s o f
t h e a c t i v e p o w e r o w t h r o u g h o n e l i n e t o c h a n g e s i n s e r i e s c o m p e n s a t i o n
i n a n o t h e r o r t h e s a m e l i n e . T h e v a l i d i t y o f t h i s m e t h o d i s c h e c k e d b y
n o n l i n e a r s i m u l a t i o n s .
I n C h a p t e r 6 , t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f a n a d d i t i o n a l F A C T S d e v i c e , t h e
U P F C , a r e p r e s e n t e d . T h e s e c h a r a c t e r i s t i c s h a v e b e e n d e t e r m i n e d i n a
-
7/30/2019 On-load flow control
26/174
6 C h a p t e r 1 . I n t r o d u c t i o n
r e a l i s t i c , m e s h e d p o w e r s y s t e m . T h e m o s t e c i e n t u s e o f t h e U P F C ' s
c o n t r o l v a r i a b l e s i s d i s c u s s e d .
C h a p t e r 7 s h o w s t h a t t h e c o n t r o l s c h e m e p r o p o s e d f o r C S C s a n d P A R s
c a n b e u s e d i n c o n j u n c t i o n w i t h t h e U P F C a s w e l l . F u r t h e r , t h e p o s s i b i l i t y
t o u s e t h e s h u n t p a r t o f t h e U P F C t o c o n t r o l b u s v o l t a g e s w h i l e l o a d o w
i s c o n t r o l l e d i s i n v e s t i g a t e d a n d d i s c u s s e d .
I n C h a p t e r 8 , t h e l a r g e s i g n a l s t a b i l i t y o f t h e p r o p o s e d c o n t r o l s y s t e m i s
e x a m i n e d . C u r r e n t l y a v a i l a b l e m e t h o d s f o r t h e a n a l y s i s o f t h e l a r g e s i g n a l
s t a b i l i t y o f n o n l i n e a r s y s t e m s a r e p r e s e n t e d , a n d a n a t t e m p t i s m a d e t o
a p p l y t h e s e m e t h o d s t o t h e c o n t r o l s y s t e m a t h a n d . T h e i m p l i c a t i o n s o f
i n s t a b i l i t y o f t h e c o n t r o l s y s t e m a r e d i s c u s s e d .
I n C h a p t e r 9 , t h e c o n t r o l s c h e m e i s t e s t e d b e y o n d t h e a l g e b r a i c l o a d o w
m o d e l . O n e c o n t r o l l a b l e s e r i e s c a p a c i t o r i s i m p l e m e n t e d i n a f o u r m a c h i n e
t e s t s y s t e m t h a t e x h i b i t s m o d e r a t e l y d a m p e d i n t e r a r e a o s c i l l a t i o n s . A n
a d v a n t a g e a n d a d i s a d v a n t a g e o f f a s t a n d s l o w l o a d o w c o n t r o l i s d i s -
c u s s e d .
C h a p t e r 1 0 i s o u t s i d e t h e t o p i c o f l o a d o w c o n t r o l . I n t h i s c h a p t e r ,
t h e c o u n t e r p a r t t o t h e w e l l - k n o w n E v a n s g a i n r o o t l o c u s 7 ] , t h e p h a s e
r o o t l o c u s i s i n t r o d u c e d . U n t i l r e c e n t l y 8 ] , t h i s c o n c e p t h a s b e e n l a r g e l y
i g n o r e d . T h e m a i n d i e r e n c e s b e t w e e n t h e s e t e c h n i q u e s a n d t h e i r a p p l i c a -
t i o n t o d a m p i n g c o n t r o l d e s i g n a r e d i s c u s s e d . T h e p r i n c i p l e i s i l l u s t r a t e d
b y a p o w e r s y s t e m e x a m p l e .
1 . 3 C o n t r i b u t i o n s o f t h i s T h e s i s
S o m e o f t h e w o r k p r e s e n t e d h e r e h a s a l r e a d y b e e n p u b l i s h e d 1 , 2 , 3 , 4 ] .
T h e m a i n c o n t r i b u t i o n s o f t h i s t h e s i s a r e :
A n o v e r v i e w o f a v a i l a b l e m u l t i v a r i a b l e c o n t r o l m e t h o d s f o r c o n t r o l
o f p o w e r s y s t e m s i s g i v e n .
A m e t h o d f o r c o n t r o l l i n g l o a d o w u s i n g a c l a s s o f d e v i c e s w i t h a c e r -
t a i n c h a r a c t e r i s t i c , n a m e l y m o n o t o n i c i t y , i s p r o p o s e d . T h e m e t h o d
i s i n v e s t i g a t e d e x t e n s i v e l y , w i t h p h y s i o - m a t h e m a t i c a l t o o l s a s w e l l
a s w i t h s i m u l a t i o n s . W h i l e t h e p r o p o s e d m e t h o d i s f a i r l y s i m p l e , i t
i s r o b u s t w i t h r e s p e c t t o s y s t e m t o p o l o g y .
-
7/30/2019 On-load flow control
27/174
1 . 3 . C o n t r i b u t i o n s o f t h i s T h e s i s 7
T h e l o a d o w a n d v o l t a g e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e u n i e d p o w e r o w
c o n t r o l l e r i n a m e s h e d s y s t e m a r e p r e s e n t e d .
P r o p e r t i e s o f t h e l o a d o w e q u a t i o n s a n d t h e i r i m p l i c a t i o n s a r e d e -
v e l o p e d a n d d i s c u s s e d .
T h e i n u e n c e o f t h e p r o p o s e d l o a d o w c o n t r o l o n d y n a m i c p h e n o m -
e n a i s p r e s e n t e d . T h e i n u e n c e o f t h e c o n t r o l l e r s p e e d i n a r e l e v a n t
s i t u a t i o n i s e x p l a i n e d .
T h e p h a s e r o o t l o c u s t e c h n i q u e i s p r e s e n t e d a n d i l l u s t r a t e d . T h e
u s e o f p h a s e r o o t l o c u s t o g e t h e r w i t h g a i n r o o t l o c u s f o r c o n t r o l l e r
d e s i g n i s e x p l a i n e d a n d d e m o n s t r a t e d .
-
7/30/2019 On-load flow control
28/174
8
-
7/30/2019 On-load flow control
29/174
C h a p t e r 2
M u l t i v a r i a b l e C o n t r o l
S t r a t e g i e s
T h e d e s i r e t o c o n t r o l p r o c e s s e s , i n t h e b r o a d e s t s e n s e , h a s e x i s t e d f o r a
v e r y l o n g t i m e 9 ] . I n e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g , t h e r s t e x p l i c i t a t t e m p t s
t o f o r m a l i z e c o n t r o l p r o b l e m s m a t h e m a t i c a l l y g o b a c k t o J a m e s M a x w e l l .
T h e i n v e n t i o n o f t h e n e g a t i v e f e e d b a c k a m p l i e r b y H a r o l d B l a c k i n 1 9 2 7
1 0 ] , p r o p o s i n g t h e s a c r i c e o f s o m e a m p l i c a t i o n o f a h i g h g a i n a m p l i e r
t o r e d u c e t h e i n u e n c e o f d i s t o r t i o n d u e t o n o i s e a n d c o m p o n e n t d r i f t ,
c o n t a i n e d t h e f u n d a m e n t a l i d e a s o n w h i c h a l m o s t a l l m o d e r n c o n t r o l l e r s
a r e b a s e d . T h e w o r k s o f H a r r y N y q u i s t 1 1 ] , H e n d r i c k B o d e 1 2 ] , W a l t e r
E v a n s 7 ] , a n d m a n y o t h e r s a r e b a s e d o n t h e s e i d e a s .
T o d a y , t h e r e i s a v a s t a m o u n t o f c o n t r o l m e t h o d s , w h i c h a r e m o r e o r l e s s
s u i t e d f o r t h e s o l u t i o n o f m u l t i v a r i a b l e c o n t r o l p r o b l e m s . C o n t r o l t h e o r y
i s l a r g e l y t r e a t e d a s a e l d o f m a t h e m a t i c s . T h e o r i e s f o r r o b u s t n e s s , s t a -
b i l i t y a n a l y s i s , o p t i m a l c o n t r o l , a n d m a n y o t h e r a s p e c t s a r e c o n s t a n t l y
p u b l i s h e d . U n f o r t u n a t e l y , t h e c o n n e c t i o n b e t w e e n t h e s e o f t e n v e r y t h e o -
r e t i c a l w o r k s a n d p r a c t i c a l c o n t r o l p r o b l e m s i n e n g i n e e r i n g i s o f t e n d i c u l t
t o d e t e r m i n e . I t o f t e n t a k e s a l o n g t i m e u n t i l m a t h e m a t i c a l p r o g r e s s l e a d s
t o p r a c t i c a l a n d s o u n d a p p l i c a t i o n s i n e n g i n e e r i n g .
C o m m o n c a u s e s f o r p r o b l e m s a r i s i n g i n c o n t r o l s y s t e m d e s i g n a r e :
C o n t r o l l e d o b j e c t s h a v e t h e i r o w n d y n a m i c s , s o t h e i r o u t p u t s c a n n o t
b e c h a n g e d i n s t a n t a n e o u s l y .
9
-
7/30/2019 On-load flow control
30/174
1 0 C h a p t e r 2 . M u l t i v a r i a b l e C o n t r o l S t r a t e g i e s
T h e s t a t e o f t h e c o n t r o l l e d s y s t e m m a y b e a e c t e d b y u n c o n t r o l l e d
e x t e r n a l i n p u t s , w h i c h a r e o f t e n u n p r e d i c t a b l e .
T h e r a n g e o f p o s s i b l e a d j u s t m e n t s i s u s u a l l y l i m i t e d .
M e a s u r e m e n t s t h a t h o l d i n f o r m a t i o n a b o u t t h e c u r r e n t s t a t e a r e
n o i s y .
U n f o r e s e e n s t a t e s o f t h e s y s t e m o c c u r , e s p e c i a l l y i n l a r g e s c a l e s y s -
t e m s .
T h i s c h a p t e r g i v e s a n o v e r v i e w o f s o m e i m p o r t a n t c o n t r o l m e t h o d s , w i t h
s o m e t e n t a t i v e c l a s s i c a t i o n . A s c a l i n g o f c o n t r o l l e v e l s i s j u x t a p o s e d , a n d
a p r e l i m i n a r y p r o p o s i t i o n f o r t h e c h o i c e o f c o n t r o l m e t h o d s d e p e n d i n g o n
t h e c o n t r o l l e v e l i s g i v e n .
2 . 1 S h o r t T a x o n o m y o f A v a i l a b l e C o n t r o l
M e t h o d s
C o n t r o l m e t h o d s a r e o f t e n s u b d i v i d e d i n t w o d o m a i n s . T h o s e a r e f r e -
q u e n t l y c a l l e d i n t e l l i g e n t a n d n o n i n t e l l i g e n t c o n t r o l . T h i s t e r m i n o l o g y
i s s o m e w h a t u n f o r t u n a t e , s i n c e t h e t e r m i n t e l l i g e n c e r a i s e s c e r t a i n e x -
p e c t a t i o n s a n d i s r a r e l y w e l l d e n e d . N e v e r t h e l e s s , t h i s t e r m i n o l o g y c a n
b e u s e d , i f i t i s c l e a r t h a t a s p e c i c d e n i t i o n o f t h e t e r m i n t e l l i g e n c e i s
u s e d .
A n u s e f u l d e n i t i o n o f i n t e l l i g e n c e c a n b e f o u n d i n 1 3 ] :
C e n t r a l t o a n y c o n t r o l t h e o r y i s t h e c o n s t r u c t i o n , o r i d e n t i -
c a t i o n , o f p l a n t m o d e l s r a t h e r t h a n b e i n g b a s e d o n l i n e a r
p h y s i o m a t h e m a t i c a l m o d e l s , i n t e l l i g e n t c o n t r o l d e r i v e s m o d -
e l s o f t h e p l a n t i n p u t o u t p u t m a p p i n g f r o m e x p e r i e n t i a l e v i -
d e n c e .
2 . 1 . 1 C o n t r o l M e t h o d s B a s e d o n P h y s i o M a t h e m a t i c a l
M o d e l i n g
C l a s s i c a l C o n t r o l
C o n v e n t i o n a l f e e d b a c k c o n t r o l i s t h e o l d e s t a n d m o s t r e s e a r c h e d a r e a o f
c o n t r o l e n g i n e e r i n g i n e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g . T h e f o u n d a t i o n s s t i l l g o b a c k
-
7/30/2019 On-load flow control
31/174
2 . 1 . S h o r t T a x o n o m y o f A v a i l a b l e C o n t r o l M e t h o d s 1 1
t o N y q u i s t , B o d e a n d E v a n s . P r o p e r t i e s o f t h i s m e t h o d a r e ( + = a d v a n -
t a g e , - = d i s a d v a n t a g e )
+ W e l l d e v e l o p e d c r i t e r i a f o r s t a b i l i t y e t c . e x i s t .
+ I n s i g h t o f p h y s i c a l p r o p e r t i e s ( b a n d w i d t h , l o o p g a i n i n t o s e n s i t i v i t y ,
n o i s e , e t c . ) i s a v a i l a b l e .
M u l t i - v a r i a b l e e x t e n s i o n s a r e c l u m s y .
O f t e n i s v e r y d e p e n d e n t o n c o r r e c t m o d e l i n g .
F u n c t i o n a l
T h e s e m e t h o d s a r e e x t e n s i o n s o f c o n v e n t i o n a l f e e d b a c k c o n t r o l , w h i c h i m -
p l i e s t h a t t h e b a s i c s t a b i l i t y c r i t e r i a a r e a p p l i c a b l e . I n p r a c t i c a l a p p l i -
c a t i o n s , c o n t r o l l e r d e s i g n i s m o s t l y p e r f o r m e d i n t h e f r e q u e n c y d o m a i n .
C o m m o n t o t h e s e m e t h o d s i s t h e a p p r o a c h o f s e l e c t i n g t h e c o n t r o l l a w
f r o m s o m e s p a c e o f f u n c t i o n s .
H
2
1 4 ] o r L i n e a r Q u a d r a t i c G a u s s i a n ( L Q G ) c o n t r o l i s b a s e d o n t h e
m i n i m i z a t i o n o f t h e 2 n o r m o f t h e c l o s e d l o o p s y s t e m .
+ T h i s m e t h o d i s r e a s o n a b l e f o r m u l t i v a r i a b l e p r o b l e m s .
+ D e s e n s i t i z i n g m e t h o d s d e a l i n g w i t h p a r a m e t e r u n c e r t a i n t y a r e
a v a i l a b l e .
T h e r e a r e n o r o b u s t n e s s g u a r a n t e e s .
H
1
1 4 ] c o n t r o l i s b a s e d o n t h e m i n i m i z a t i o n o f t h e 1 n o r m o f t h e
c l o s e d l o o p s y s t e m .
+ I s r e a s o n a b l e f o r m u l t i v a r i a b l e p r o b l e m s .
+ H a s g u a r a n t e e d r o b u s t n e s s .
+ C a n b e u s e d w i t h c e r t a i n l o o p s h a p i n g t e c h n i q u e s .
U s u a l l y s a c r i c e s m u c h o f t h e p e r f o r m a n c e i n t h e t r a d e o b e -
t w e e n p e r f o r m a n c e a n d r o b u s t n e s s .
L e a d s t o h i g h o r d e r c o n t r o l l e r s
S y n t h e s i s 1 5 ] i s b a s e d o n t h e i n v e s t i g a t i o n o f t h e c o m p l e x s t r u c -
t u r e d s i n g u l a r v a l u e .
-
7/30/2019 On-load flow control
32/174
1 2 C h a p t e r 2 . M u l t i v a r i a b l e C o n t r o l S t r a t e g i e s
+ I n f o r m a t i o n o n t h e s t r u c t u r e o f u n c e r t a i n t i e s c a n b e i n c o r p o -
r a t e d i n d e s i g n .
C o m p u t a t i o n o f d e s i g n i s d i c u l t , c o n v e r g e n c e i s n o t g u a r a n -
t e e d .
I t l e a d s t o h i g h o r d e r c o n t r o l l e r s .
F u z z y L o g i c
S t a t i c f u z z y l o g i c c o n t r o l 1 6 , 1 7 , 1 8 ] h a s r e c e n t l y b e e n u s e d w i t h i m p r e s -
s i v e s u c c e s s i n e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g . T h e r i g i d m a t h e m a t i c a l m o d e l i n g
( m o s t l y i n f r e q u e n c y d o m a i n ) o f c o n v e n t i o n a l f e e d b a c k c o n t r o l ( i n c l u d i n g
f u n c t i o n s p a c e m e t h o d s ) i s r e p l a c e d b y m o d e l i n g i n t e r m s o f f u z z y s e t s .
T h i s m o d e l i n g i s u s u a l l y n o t d i r e c t l y p r o d u c e d b y a n y k i n d o f r i g i d m a t h e -
m a t i c s . I n s t e a d , a n e x p e r t a c c u m u l a t e s p r e c i s e k n o w l e d g e , o b t a i n e d f r o m
m a t h e m a t i c a l m o d e l s a n d i m p r e c i s e k n o w l e d g e . T h i s k n o w l e d g e i s t h e n
m a p p e d i n t o f u z z y s e t s a n d r e l a t i o n s b e t w e e n f u z z y s e t s .
+ E a s y i m p l e m e n t a t i o n o f h e u r i s t i c , i m p r e c i s e k n o w l e d g e .
+ A d d i t i o n a l i m p l e m e n t a t i o n o f q u a n t i t a t i v e k n o w l e d g e .
+ I n t e r p o l a t i o n a n d g e n e r a l i z a t i o n b e t w e e n r o l e s f o r s i t u a t i o n s t h a t a r e
n o t e x p l i c i t l y c o n t a i n e d i n t h e r u l e s .
+ R o b u s t n e s s a n d a b i l i t y t o d e a l w i t h c o m p l e x o r p o o r l y d e n e d s y s -
t e m s .
M e m o r y r e q u i r e m e n t s f o r f u z z y l o g i c c o n t r o l l e r s t h a t g r o w e x p o n e n -
t i a l l y w i t h t h e d i m e n s i o n o f t h e s y s t e m v a r i a b l e s .
A c q u i s i t i o n o f r u l e s f r o m h u m a n e x p e r t s t h a t f r e q u e n t l y l e a d s t o
i n c o m p l e t e a n d c o n s e r v a t i v e c o n t r o l s t r a t e g i e s .
N o r e l i a b l e c r i t e r i a f o r s t a b i l i t y , d i s t u r b a n c e a n a l y s i s e t c .
N o o n l i n e a d a p t i o n c a p a b i l i t y .
-
7/30/2019 On-load flow control
33/174
2 . 1 . S h o r t T a x o n o m y o f A v a i l a b l e C o n t r o l M e t h o d s 1 3
2 . 1 . 2 C o n t r o l M e t h o d s B a s e d o n E x p e r i e n t i a l E v i d e n c e
S e l f O r g a n i z i n g F u z z y L o g i c C o n t r o l
S e l f o r g a n i z i n g f u z z y l o g i c c o n t r o l ( S O F L I C ) 1 3 , 1 9 , 2 0 ] c a n b e p a r t i -
t i o n e d i n t w o b a s i c a p p r o a c h e s :
1 . D i r e c t a d a p t i v e c o n t r o l a d d r e s s e s t h e a d a p t i v e , n o n l i n e a r c o n t r o l
p r o b l e m i n w h i c h t h e r e f e r e n c e m o d e l o f i d e a l c l o s e d l o o p b e h a v -
i o r i s e n c a p s u l a t e d i n a p e r f o r m a n c e i n d e x t h a t d i r e c t s t h e c o n t r o l
r u l e u p d a t i n g p r o c e s s .
2 . I n d i r e c t a d a p t i v e c o n t r o l r s t e s t a b l i s h e s a p a r a m e t r i c m o d e l o f t h e
p l a n t f r o m i n p u t / o u t p u t d a t a t h r o u g h a n i d e n t i c a t i o n s c h e m e . A f -
t e r t h a t , a f e e d b a c k c o n t r o l l e r i s s y n t h e s i z e d u n d e r t h e a s s u m p t i o n
t h a t t h e i d e n t i e d m o d e l r e p r e s e n t s t h e t r u e p l a n t p a r a m e t e r s .
+ N o n e e d f o r i n i t i a l k n o w l e d g e o f t h e p l a n t d y n a m i c s .
+ G o o d n o i s e a n d d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n c a p a b i l i t i e s .
+ O n l i n e a d a p t i o n c a p a b i l i t y .
M e m o r y r e q u i r e m e n t s f o r f u z z y l o g i c c o n t r o l l e r s t h a t g r o w e x p o n e n -
t i a l l y w i t h t h e d i m e n s i o n o f t h e s y s t e m v a r i a b l e s .
N o r e l i a b l e c r i t e r i a f o r s t a b i l i t y , d i s t u r b a n c e a n a l y s i s , e t c .
N o a b i l i t y t o d e a l w i t h n o n m i n i m u m p h a s e p l a n t s .
A r t i c i a l N e u r a l N e t w o r k s
A r t i c i a l n e u r a l n e t w o r k s ( A N N ) 1 3 , 2 1 ] o r i g i n a t e f r o m r e s e a r c h o n a r -
t i c i a l i n t e l l i g e n c e . T h e y a r e b y d e s i g n m u l t i v a r i a b l e s y s t e m s a n d v e r y
w e l l s u i t e d t o p a r a l l e l c o m p u t a t i o n . T h e m o d e l i n g o f t h e p l a n t i s r e p l a c e d
b y a t e a c h i n g p r o c e s s . B a s i c a l l y , t h e r e a r e t h r e e p o s s i b i l i t i e s t o t e a c h a n
A N N :
1 . T e a c h i n g b y a g i v e n s e t o f i n p u t o u t p u t v e c t o r s .
-
7/30/2019 On-load flow control
34/174
1 4 C h a p t e r 2 . M u l t i v a r i a b l e C o n t r o l S t r a t e g i e s
2 . T e a c h i n g b y p a r t i t i o n i n g t h e o u t p u t v e c t o r s i n t o g o o d a n d b a d
b y m e a n s o f s o m e c r i t e r i o n .
3 . T e a c h i n g b y g i v i n g a l a r g e s e t o f i n p u t v e c t o r s a n d l e t t i n g t h e A N N
p a r t i t i o n a p p r o p r i a t e r e s p o n s e s ( f e w a p p l i c a t i o n s s o f a r h o w e v e r , a
w o r k i n g i n v e r t e d p e n d u l u m e x i s t s ) .
B y c h o o s i n g t h e s t r u c t u r e o f t h e n e t w o r k a n d t h e e l e m e n t f u n c t i o n s , i t i s
p o s s i b l e t o d e s i g n i n t e r p o l a t i n g a s w e l l a s e x t r a p o l a t i n g A N N s .
+ A N N s a r e s u i t e d t o h i g h l y n o n l i n e a r p r o b l e m s .
+ T h e i r r e s p o n s e t i m e c a n b e a l m o s t a r b i t r a r i l y s h o r t e n e d b y a d d i n g
m o r e p r o c e s s i n g u n i t s .
+ N o p l a n t m o d e l i s n e c e s s a r y . A f t e r a t e a c h i n w i t h e x p e r i e n t i a l l y
d e r i v e d v e c t o r p a i r s , t h e A N N g e n e r a l i z e s .
+ A N N s a d a p t o n l i n e t o c h a n g e d p a r a m e t e r s o r c o n t r o l g o a l s .
T h e r e a r e n o x e d d e s i g n c r i t e r i a .
T r i a l a n d e r r o r t e s t i n g m u s t b e u s e d , s i n c e t h e r e a r e n o p o s s i b i l i t i e s
t o d e t e r m i n e t h e b e h a v i o r i n a g i v e n s i t u a t i o n t h e o r e t i c a l l y .
E x p e r t S y s t e m s
E x p e r t s y s t e m s 2 2 , 2 3 ] ( K n o w l e d g e B a s e d S y s t e m s , K B S ) w e r e r s t d e v e l -
o p e d t o e n a b l e a n a i v e u s e r t o h a v e a c c e s s t o t h e c a p a b i l i t y o f a n e x p e r t i n
s o m e s p e c i a l i z e d d o m a i n o f e x p e r t i s e . T h e y u s e f a c t s , h e u r i s t i c s , c o m m o n
s e n s e k n o w l e d g e , a n d o t h e r f o r m s o f k n o w l e d g e t o g e t h e r w i t h r e a s o n i n g
m e t h o d s c o n n e c t i n g t h e i m p l e m e n t e d k n o w l e d g e .
I n c o n t r o l e n g i n e e r i n g , e x p e r t s y s t e m s a r e u s e d f o r t w o d i e r e n t c l a s s e s o f
c o n t r o l :
1 . O l i n e a p p l i c a t i o n s , w h i c h a r e m a i n l y p l a n n i n g a n d l o n g t e r m
s c h e d u l i n g i s s u e s .
2 . O n l i n e a p p l i c a t i o n s , m o s t l y h i g h l e v e l p r o c e s s m a n a g e m e n t a n d
c o n t r o l .
-
7/30/2019 On-load flow control
35/174
2 . 2 . C o n t r o l A r c h i t e c t u r e 1 5
E x p e r t s y s t e m s h a v e t h e f o l l o w i n g a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s :
+ T h e y h a v e m o d u l a r s t r u c t u r e , s i n c e t h e d o m a i n k n o w l e d g e i s s e p a -
r a t e f r o m t h e i n f e r e n c e p r o c e d u r e .
+ R u l e s c a n r e p r e s e n t s u p e r c i a l e x p e r i e n t i a l a n d h e u r i s t i c k n o w l e d g e
a s w e l l a s a l g o r i t h m i c o r m o d e l b a s e d k n o w l e d g e .
+ T h e y a r e v e r y e x t e n s i b l e , s i n c e t h e K B S c a n e a s i l y b e c h a n g e d b y
c h a n g i n g t h e k n o w l e d g e b a s e .
E x p e r t s y s t e m s o f t e n r e q u i r e a l o t o f c o m p u t i n g t i m e a n d a r e t h e r e -
f o r e n o t a l w a y s s u i t a b l e f o r r e a l t i m e a p p l i c a t i o n s .
T h e k n o w l e d g e e l i c i t a t i o n f r o m a n h u m a n e x p e r t l e a d s t o c o n s e r -
v a t i v e c o n t r o l s t r a t e g i e s , n o t n e c e s s a r i l y t o o p t i m a l o r e v e n n e a r
o p t i m a l s o l u t i o n s .
2 . 2 C o n t r o l A r c h i t e c t u r e
M a n y a t t e m p t s t o p r o p o s e s t a n d a r d a r c h i t e c t u r e s f o r c o n t r o l s y s t e m s h a v e
b e e n m a d e . O n e o f t h e m o r e s u c c e s s f u l o n e s i s t h e N I S T R e a l T i m e C o n -
t r o l S y s t e m ( R C S 3 ) a r c h i t e c t u r e , w h i c h i s n o w i n c o r p o r a t e d i n t h e f u n c -
t i o n a l s p e c i c a t i o n o f t h e N A S A S p a c e S t a t i o n F l i g h t T e l e r o b o t S e r v e r ,
t h e N A S A / N I S T S t a n d a r d R e f e r e n c e M o d e l f o r T e l e r o b o t C o n t r o l S y s t e m
A r c h i t e c t u r e ( N A S R E M ) 2 4 ] . T h i s a r c h i t e c t u r e i s h e r e a p p l i e d t o a c -
t i o n a l p o w e r s y s t e m t h a t s h o u l d , w i t h t h e h e l p o f d e v i c e s c o n t a i n i n g s o l i d
s t a t e s w i t c h e s , l i k e C S C s , m a k e i t p o s s i b l e t o d i r e c t t h e p o w e r o w a c c o r d -
i n g t o s o m e k i n d o f c r i t e r i a . I t p r o p o s e s s e v e r a l c o n t r o l l e v e l s , d e p i c t e d i n
F i g u r e 2 . 1 :
1 . A c t u a t o r o r S e r v o L e v e l
A s t h e l o w e s t l e v e l , t h i s c o n t a i n s t h e d i r e c t c o n t r o l o f t h e
h a r d w a r e . I n s m a l l , s i n g l e v a r i a b l e c o n t r o l s y s t e m s t h i s
u s u a l l y i s t h e o n l y l e v e l . I n l a r g e s c a l e , m u l t i v a r i a b l e
s y s t e m s , t h i s l e v e l p r o v i d e s t h e r s t a b s t r a c t i o n f r o m t h e
p h y s i c a l r e a l i t i e s . T h e e q u i p m e n t t h e n c o n t a i n s a n i n t e r -
f a c e t o t h e n e x t h i g h e r l e v e l . I n r o b o t i c s , t h i s i s t h e c o n t r o l
o f t h e a c t u a l m o t o r s i n p o w e r s y s t e m s t h i s m i g h t b e t h e
c o n t r o l o f t h e s i n g l e s w i t c h i n g d e v i c e s i n a C S C .
-
7/30/2019 On-load flow control
36/174
1 6 C h a p t e r 2 . M u l t i v a r i a b l e C o n t r o l S t r a t e g i e s
2 . P r i m i t i v e o r C o m p o n e n t L e v e l
T h i s l e v e l p r o v i d e s a c o n v e n i e n t , i . e . m o r e g e n e r a l i z e d , i n -
t e r f a c e . I n r o b o t i c s , t h i s i s t h e c o n t r o l o f , f o r e x a m p l e ,
a r o b o t a r m i n a m o r e g e n e r a l i z e d c o o r d i n a t e s y s t e m i n
p o w e r s y s t e m s , t h i s m i g h t b e t h e h i g h e r l e v e l c o n t r o l o f a
s i n g l e d e v i c e c o n t a i n i n g s e v e r a l s o l i d s t a t e s w i t c h e s .
3 . E l e m e n t a r y / S u b s y s t e m L e v e l
T h i s l e v e l p e r f o r m s a p i e c e w i s e d e c o m p o s i t i o n o f e l e m e n -
t a r y c o n t r o l c o m m a n d s f o r a s u b s y s t e m . I n r o b o t i c s , e l -
e m e n t a r y m o v e s a r e d e c o m p o s e d i n t o a s e r i e s o f i n t e r m e -
d i a t e m o t i o n c o m m a n d s t h a t d e n e a p a t h o f m o t i o n . I n
p o w e r s y s t e m s , t h i s m i g h t b e t h e c o n t r o l o f s e v e r a l d e v i c e s
i n s u c h a w a y t h a t a g i v e n i m p e d a n c e s t r u c t u r e i n t h e n e t
i s o b t a i n e d .
4 . T a s k S u b s y s t e m L e v e l
T h i s l e v e l d e c o m p o s e s o b j e c t t a s k s i n t o a p p r o p r i a t e p a r -
t i t i o n s o f e l e m e n t a r y c o n t r o l a c t i o n s . I n r o b o t i c s , t h i s i s
t h e x i n g o f a p a t h e n s u r i n g t h a t t h i s p a t h i s f r e e o f o b -
s t a c l e s . I n p o w e r s y s t e m s , t h i s m i g h t b e t h e c o n t r o l o f a
w h o l e s t a t i o n o r p l a n t .
5 . C o o p e r a t i n g L e v e l
T h i s l e v e l s p l i t s u p c o m p l e x t a s k s i n v o l v i n g o p e r a t i o n s
o n a n u m b e r o f c o n t r o l l e d o b j e c t s i n t o t a s k s c a r r i e d o u t
o n s i n g l e o b j e c t s . I n p o w e r s y s t e m s , t h i s m i g h t b e t h e
c o n t r o l o f s e v e r a l d e v i c e s o r p l a n t s i n a w a y t h a t e n s u r e s
t h a t s y s t e m v o l t a g e s a n d o t h e r c o n t r o l l e d q u a n t i t i e s s t a y
w i t h i n t h e i r s p e c i e d r a n g e s .
6 . M i s s i o n L e v e l
T h i s l e v e l d e c o m p o s e s a n o v e r a l l m i s s i o n p l a n i n t o c o n t r o l
c o m m a n d s . M i s s i o n p l a n s m i g h t b e s p e c i e d i n t e r m s o f
m i s s i o n g o a l s , p r i o r i t i e s , r e q u i r e m e n t s , a n d / o r c o n s t r a i n t s .
I n p o w e r s y s t e m s t h i s m i g h t b e a c o n t r o l s c h e m e t h a t e n -
s u r e s t h a t t h e p o w e r o w i s d i s t r i b u t e d e c o n o m i c a l l y w i t h -
i n g i v e n p a r a m e t e r s .
-
7/30/2019 On-load flow control
37/174
2 . 2 . C o n t r o l A r c h i t e c t u r e 1 7
F u r t h e r l a y e r s c o r r e s p o n d i n g t o h i g h e r c o m m a n d a b s t r a c t i o n s a r e p o s s i -
b l e . B e s i d e s , s e v e r a l l a y e r s c a n b e c o n d e n s e d i n o n e s i n g l e d e v i c e . T h i s
p a r t i t i o n i n t o s i x l e v e l s s h o u l d b e r e g a r d e d a s a g e n e r a l p r o p o s a l , n o t a s
a s t r i c t r u l e .
O f c o u r s e , d i e r e n t h i e r a r c h i c a l s t r u c t u r e s a r e p o s s i b l e . I n 2 5 ] , a p a r t i -
t i o n i n g i n t h r e e l e v e l s i s p r o p o s e d :
1 . P r i m a r y L e v e l C o n t r o l
A t t h i s l e v e l , c o n t r o l l e r s t y p i c a l l y r e s p o n d o n l y t o c h a n g e s
i n t h e l o c a l o u t p u t v a r i a b l e s . T h e m a i n f u n c t i o n o f p r i -
m a r y l e v e l c o n t r o l i s t o c o r r e c t f o r s m a l l , f a s t o u t p u t d e -
v i a t i o n s t h a t a r e c a u s e d b y f a s t d i s t u r b a n c e s . E x a m p l e s
f o r p r i m a r y l e v e l c o n t r o l a r e e x c i t a t i o n s y s t e m s f o r v o l t -
a g e c o n t r o l a n d g o v e r n o r s y s t e m s f o r f r e q u e n c y c o n t r o l .
P r i m a r y l e v e l c o n t r o l c o r r e s p o n d s t o l e v e l 2 o f t h e N A S -
R E M a r c h i t e c t u r e .
2 . S e c o n d a r y L e v e l C o n t r o l
A t t h i s l e v e l , c h a n g e s w i t h i n a r e g i o n a r e c o n t r o l l e d . I n -
t e r a c t i o n s w i t h t h e n e i g h b o r i n g r e g i o n s a r e a s s u m e d t o b e
s m a l l . E x a m p l e s f o r s e c o n d a r y l e v e l c o n t r o l a r e a d j u s t -
m e n t s o f t h e s p e e d c h a n g e r s i n g o v e r n o r s a n d c o n t r o l o f
t h e t e r m i n a l v o l t a g e s o f g e n e r a t o r s . S e c o n d a r y l e v e l c o n -
t r o l c o r r e s p o n d s t o l e v e l s 3 , 4 , a n d p a r t l y 5 o f t h e N A S -
R E M a r c h i t e c t u r e .
3 . T e r t i a r y L e v e l C o n t r o l
A t t h i s l e v e l , s e c o n d a r y l e v e l c o n t r o l l e r s a r e c o o r d i n a t e d
b y i n c o r p o r a t i n g t h e e e c t s o f i n t e r a c t i o n s o n t h e q u a s i
s t a t i c c h a n g e s o f t h e i n t e r c o n n e c t e d s y s t e m o v e r a l o n g
t i m e h o r i z o n . T h e m a i n g o a l o f t h i s c o o r d i n a t i o n i s t o
a c h i e v e s y s t e m w i d e o p t i m a l p e r f o r m a n c e . T e r t i a r y l e v e l
c o n t r o l c o r r e s p o n d s t o l e v e l s 5 a n d 6 i n t h e N A S R E M
a r c h i t e c t u r e .
-
7/30/2019 On-load flow control
38/174
1 8 C h a p t e r 2 . M u l t i v a r i a b l e C o n t r o l S t r a t e g i e s
Power System
Level 5 Control(Co-operating Level)
Level 6 Control(Mission Level)
Local Subsystem
Level 4 Control(Task Subsystem)
Small Subnetwork
Level 3 Control(Elementary Subsystem)
Single Lines
FACTS-Device
Level 2 Control(Component Level)
Level 1 Control(Actuator Level)
Single Thyristors
F i g u r e 2 . 1 . C o n t r o l L e v e l s i n a n E l e c t r i c P o w e r S y s t e m
-
7/30/2019 On-load flow control
39/174
2 . 4 . C o n t r o l l e r s i n E l e c t r i c P o w e r S y s t e m s : S p e c i a l C o n s i d e r a t i o n s 1 9
2 . 3 C o n t r o l M e t h o d s f o r t h e D i e r e n t L e v e l s o f
t h e A r c h i t e c t u r e
A s t h e c o n t r o l s y s t e m l e v e l i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n i n c r e a s e s , t h e r e q u i r e -
m e n t s i n t e r m s o f c o n t r o l l e r s p e e d d e c r e a s e i n g e n e r a l a n d t h e f o r m u l a t i o n
o f t h e c o n t r o l p r o b l e m b e c o m e s a l m o s t a l w a y s m o r e a n d m o r e i m p r e c i s e .
C o n s e q u e n t l y , t h e c o n t r o l m e t h o d s w i l l b e d i e r e n t . A t t e m p t s t o u s e o n e
c o n t r o l m e t h o d f o r t h e s o l u t i o n o f a l l c o n t r o l p r o b l e m s a r e b o u n d t o f a i l ,
a s t h e d e m a n d s a r e t o o d i e r e n t . A s a r u l e , t h e s i m p l e s t p o s s i b l e c o n t r o l
m e t h o d s h o u l d b e e m p l o y e d .
E v e n t h o u g h i t i s g e n e r a l l y i m p o s s i b l e t o d e c i d e w h i c h c o n t r o l m e t h o d
s h o u l d b e u s e d f o r w h i c h a p p l i c a t i o n , a n o u t l i n e o f t h e s u i t a b i l i t y o f t h e
d i e r e n t c o n t r o l m e t h o d s t o t h e a r c h i t e c t u r a l l e v e l s d i s c u s s e d a b o v e c a n b e
g i v e n . ( W h i c h c o n t r o l m e t h o d s h o u l d b e u s e d f o r w h i c h a p p l i c a t i o n l a r g e l y
d e p e n d s o n i s s u e s l i k e l i n e a r i z a b i l i t y , t h e a b i l i t y t o d e r i v e a m o d e l , a n d
t h e a m o u n t o f k n o w l e d g e a v a i l a b l e a b o u t p o s s i b l e s y s t e m s t a t e s . ) T a b l e
2 . 1 c o n t a i n s s u c h a n o v e r v i e w .
2 . 4 C o n t r o l l e r s i n E l e c t r i c P o w e r S y s t e m s :
S p e c i a l C o n s i d e r a t i o n s
E l e c t r i c p o w e r s y s t e m s a r e p r o b a b l y t h e l a r g e s t i n t e r c o n n e c t e d s y s t e m s
t h a t h a v e b e e n c r e a t e d b y m a n k i n d . T h e i r b e g i n n i n g s g o b a c k t o t h e
l a t e n i n e t e e n t h c e n t u r y 2 6 ] . T h e d e m a n d f o r e l e c t r i c p o w e r h a s b e e n
g r o w i n g e v e r s i n c e , a n d t o d a y , t h e p o w e r s y s t e m r e a c h e s e v e n r e m o t e
p a r t s i n w e s t e r n s o c i e t i e s a n d m a n y d e v e l o p i n g c o u n t r i e s . S t i l l , a d v a n c e d
i n t e l l i g e n t c o n t r o l m e t h o d s a r e n o t u s e d t o a l a r g e r e x t e n d . T h e r e a r e
s e v e r a l r e a s o n s f o r t h i s :
1 . T h e d e m a n d s o n t h e r e l i a b i l i t y o f e l e c t r i c p o w e r s y s t e m s a r e v e r y
h i g h . E v e n s h o r t o u t a g e s i n c u r h i g h c o s t s f o r t h e c u s t o m e r s , a n d
o u t a g e s o f a l o n g e r d u r a t i o n , s t a r t i n g f r o m j u s t a f e w h o u r s , c a n
l e a d t o s e v e r e d i s r u p t i o n s f o r s o c i e t y . F o r e x a m p l e , a f t e r j u s t e i g h t
h o u r s w i t h o u t e l e c t r i c p o w e r , t h e r e i s a r i s k t h a t t h e s u p p l y o f d r i n k -
i n g w a t e r b e c o m e s c o n t a m i n a t e d b e c a u s e t h e p r e s s u r e i n t h e p i p e s i s
l o s t 2 7 ] . T h e r e f o r e , u t i l i t i e s a r e r e l u c t a n t t o i m p l e m e n t a n y c o n t r o l
-
7/30/2019 On-load flow control
40/174
2 0 C h a p t e r 2 . M u l t i v a r i a b l e C o n t r o l S t r a t e g i e s
L
e
v
e
l
1
L
e
v
e
l
2
L
e
v
e
l
3
L
e
v
e
l
4
L
e
v
e
l
5
L
e
v
e
l
6
C
o
n
v
e
n
t
i
o
n
a
l
F
e
e
d
b
a
c
k
C
o
n
t
r
o
l
v
e
r
y
w
e
l
l
s
u
i
t
e
d
o
f
t
e
n
s
i
n
g
l
e
{
v
a
r
i
a
b
l
e
c
o
n
t
r
o
l
p
r
o
b
l
e
m
s
\
t
r
a
-
d
i
t
i
o
n
a
l
"
,
v
e
r
y
w
e
l
l
r
e
s
e
a
r
c
h
e
d
a
p
p
r
o
a
c
h
f
e
a
s
i
b
l
e
o
n
e
o
r
f
e
w
v
a
r
i
a
b
l
e
s
t
i
g
h
t
c
o
n
n
e
c
t
i
o
n
t
o
p
h
y
s
i
c
a
l
r
e
a
l
i
t
y
p
o
s
s
i
b
l
e
m
o
r
e
v
a
r
i
a
b
l
e
s
m
o
r
e
a
b
s
t
r
a
c
t
d
e
m
a
n
d
s
o
n
c
o
n
t
r
o
l
g
e
n
e
r
a
l
l
y
o
t
h
e
r
m
e
t
h
o
d
s
a
r
e
b
e
t
t
e
r
s
u
i
t
e
d
n
o
t
f
e
a
s
i
b
l
e
i
n
c
r
e
a
s
i
n
g
l
e
v
e
l
o
f
a
b
s
t
r
a
c
t
i
o
n
m
a
k
e
s
c
o
o
r
d
i
n
a
t
e
d
d
e
s
i
g
n
d
i
c
u
l
t
S
t
a
t
i
c
F
u
z
z
y
L
o
g
i
c
C
o
n
t
r
o
l
w
e
l
l
s
u
i
t
e
d
e
s
p
e
c
i
a
l
l
y
i
f
h
e
u
r
i
s
t
i
c
k
n
o
w
l
e
d
g
e
s
h
o
u
l
d
b
e
i
m
p
l
e
m
e
n
t
e
d
h
o
w
e
v
e
r
,
f
e
e
d
b
a
c
k
c
o
n
t
r
o
l
i
s
o
f
t
e
n
s
i
m
p
l
e
r
v
e
r
y
w
e
l
l
s
u
i
t
e
d
m
a
n
y
s
u
c
c
e
s
s
f
u
l
a
p
p
l
i
c
a
-
t
i
o
n
s
w
i
t
h
c
o
m
b
i
n
a
t
i
o
n
o
f
h
e
u
r
i
s
t
i
c
a
n
d
q
u
a
l
i
t
a
-
t
i
v
e
k
n
o
w
l
e
d
g
e
o
n
t
h
i
s
l
e
v
e
l
w
e
l
l
s
u
i
t
e
d
c
o
n
t
r
o
l
s
t
r
a
t
e
g
i
e
s
c
a
n
o
f
t
e
n
e
a
s
i
l
y
b
e
e
x
p
r
e
s
s
e
d
i
n
t
e
r
m
s
o
f
f
u
z
z
y
s
e
t
s
f
e
a
s
i
b
l
e
i
f
t
h
e
n
u
m
b
e
r
o
f
s
y
s
t
e
m
v
a
r
i
a
b
l
e
s
i
s
n
o
t
t
o
o
h
i
g
h
p
o
s
s
i
b
l
e
w
i
t
h
a
l
o
w
n
u
m
b
e
r
o
f
s
y
s
t
e
m
v
a
r
i
a
b
l
e
s
a
n
d
c
o
m
b
i
n
a
t
i
o
n
o
f
h
e
u
r
i
s
-
t
i
c
a
n
d
q
u
a
n
t
i
t
a
t
i
v
e
k
n
o
w
l
e
d
g
e
i
s
r
e
q
u
i
r
e
d
n
o
t
f
e
a
s
i
b
l
e
m
o
d
e
l
i
n
g
i
n
t
e
r
m
s
o
f
f
u
z
z
y
s
e
t
s
u
s
u
a
l
l
y
v
e
r
y
d
i
c
u
l
t
h
i
g
h
d
i
m
e
n
-
s
i
o
n
a
l
s
y
s
t
e
m
v
a
r
i
a
b
l
e
s
S
e
l
f
{
O
r
g
a
n
i
z
i
n
g
F
u
z
z
y
L
o
g
i
c
C
o
n
t
r
o
l
p
o
s
s
i
b
l
e
b
u
t
t
h
e
c
o
s
t
w
i
l
l
u
s
u
a
l
l
y
n
o
t
b
e
j
u
s
t
i
e
d
l
i
t
t
l
e
i
n
-
s
i
g
h
t
i
n
t
o
p
h
y
s
i
c
a
l
p
r
o
p
-
e
r
t
i
e
s
w
e
l
l
s
u
i
t
e
d
i
f
l
i
t
t
l
e
i
n
i
t
i
a
l
k
n
o
w
l
e
d
g
e
o
f
p
l
a
n
t
d
y
n
a
m
i
c
s
i
s
p
r
o
-
v
i
d
e
d
a
n
d
o
n
l
i
n
e
a
d
a
p
t
i
o
n
i
s
i
m
p
o
r
t
a
n
t
v
e
r
y
w
e
l
l
s
u
i
t
e
d
e
s
p
e
c
i
a
l
l
y
i
f
a
d
a
p
t
i
v
e
b
e
-
h
a
v
i
o
r
i
s
r
e
q
u
i
r
e
d
a
s
w
e
l
l
a
s
h
e
u
r
i
s
t
i
c
/
q
u
a
n
t
i
t
a
-
t
i
v
e
k
n
o
w
l
e
d
g
e
w
e
l
l
s
u
i
t
e
d
i
f
a
d
a
p
t
i
v
e
b
e
h
a
v
i
o
r
i
s
r
e
q
u
i
r
e
d
a
s
w
e
l
l
a
s
h
e
u
r
i
s
t
i
c
/
q
u
a
n
t
i
t
a
t
i
v
e
k
n
o
w
l
e
d
g
e
n
o
t
t
o
m
a
n
y
s
y
s
t
e
m
v
a
r
i
a
b
l
e
s
p
o
s
s
i
b
l
e
i
f
t
h
e
r
e
a
r
e
f
e
w
s
y
s
t
e
m
v
a
r
i
a
b
l
e
s
a
n
d
a
d
a
p
t
i
v
e
b
e
h
a
v
i
o
r
i
s
r
e
q
u
i
r
e
d
a
s
w
e
l
l
a
s
h
e
u
r
i
s
t
i
c
/
q
u
a
n
-
t
i
t
a
t
i
v
e
k
n
o
w
l
e
d
g
e
A
r
t
i
c
i
a
l
N
e
u
r
a
l
N
e
t
w
o
r
k
s
f
e
a
s
i
b
l
e
i
f
c
o
n
t
r
o
l
p
r
o
b
l
e
m
i
s
h
i
g
h
l
y
n
o
n
l
i
n
e
a
r
,
p
l
a
n
t
m
o
d
e
l
i
s
b
a
d
l
y
d
e
n
e
d
a
n
d
f
a
s
t
r
e
s
p
o
n
s
e
t
i
m
e
i
s
r
e
q
u
i
r
e
d
w
e
l
l
s
u
i
t
e
d
f
o
r
h
i
g
h
l
y
n
o
n
l
i
n
e
a
r
s
y
s
-
t
e
m
s
s
y
s
t
e
m
s
w
h
i
c
h
a
r
e
d
i
c
u
l
t
t
o
m
o
d
e
l
v
e
r
y
w
e
l
l
s
u
i
t
e
d
(
p
o
t
e
n
t
i
a
l
l
y
)
v
e
r
y
f
a
s
t
o
n
l
i
n
e
a
d
a
p
t
i
o
n
g
e
n
e
r
a
l
-
i
z
a
t
i
o
n
c
a
p
a
b
i
l
i
t
i
e
s
w
e
l
l
s
u
i
t
e
d
e
s
p
e
c
i
a
l
l
y
i
f
n
o
h
e
u
r
i
s
-
t
i
c
/
q
u
a
n
t
i
t
a
t
i
v
e
k
n
o
w
l
-
e
d
g
e
a
v
a
i
l
a
b
l
e
p
o
s
s
i
b
l
e
b
u
t
f
e
a
s
i
b
l
e
o
n
l
y
w
h
e
n
s
p
e
e
d
h
a
s
a
h
i
g
h
p
r
i
o
r
-
i
t
y
E
x
p
e
r
t
S
y
s
t
e
m
s
n
o
t
f
e
a
s
i
b
l
e
g
e
n
e
r
a
l
l
y
,
t
h
e
c
o
m
p
l
e
x
i
t
y
o
f
t
h
e
s
e
c
o
n
t
r
o
l
p
r
o
b
-
l
e
m
s
i
s
t
o
l
o
w
t
o
j
u
s
t
i
f
y
t
h
e
c
o
s
t
r
e
a
l
t
i
m
e
d
e
-
m
a
n
d
s
p
o
s
s
i
b
l
e
b
u
t
o
n
l
y
f
o
r
v
e
r
y
c
o
m
p
l
e
x
l
e
v
e
l
-
3
a
s
s
i
g
n
-
m
e
n
t
s
f
e
a
s
i
b
l
e
i
f
m
a
i
n
l
y
h
e
u
r
i
s
t
i
c
a
n
d
a
l
g
o
r
i
t
h
m
i
c
k
n
o
w
l
-
e
d
g
e
o
f
t
h
e
s
y
s
t
e
m
i
s
a
v
a
i
l
a
b
l
e
w
e
l
l
s
u
i
t
e
d
c
o
m
p
l
e
x
t
a
s
k
s
w
i
t
h
h
i
g
h
l
e
v
e
l
o
f
a
b
s
t
r
a
c
t
i
o
n
v
e
r
y
w
e
l
l
s
u
i
t
e
d
v
e
r
y
h
i
g
h
c
o
m
p
l
e
x
i
t
y
l
o
w
r
e
a
l
t
i
m
e
d
e
m
a
n
d
s
T a b l e 2 . 1 . C o n t r o l M e t h o d s a n d A r c h i t e c t u r e L e v e l s
-
7/30/2019 On-load flow control
41/174
2 . 4 . C o n t r o l l e r s i n E l e c t r i c P o w e r S y s t e m s : S p e c i a l C o n s i d e r a t i o n s 2 1
s t r a t e g y i f i t i s p e r c e i v e d t h a t t h e c o n s e q u e n c e s o f t h e i m p l e m e n t a -
t i o n c a n n o t b e p r e d i c t e d r e l i a b l y .
2 . A n e l e c t r i c p o w e r s y s t e m i s s u b j e c t t o l a r g e c h a n g e s a l l t h e t i m e .
L o a d a n d g e n e r a t i o n p a t t e r n s c h a n g e , t h e s y s t e m t o p o l o g y c h a n g e s ,
a n d t h e w a y t h e s y s t e m i s o p e r a t e d c h a n g e s . T h e n u m b e r o f p o s s i b l e
p e r m u t a t i o n s f o r t h e s y s t e m c o n d i t i o n s i s e x t r a o r d i n a r i l y h i g h . T h a t
m a k e s i t i m p o s s i b l e t o , f o r e x a m p l e , t r a i n a n e u r a l n e t w o r k w i t h a l l
p o s s i b l e s y s t e m c o n d i t i o n s , o r e v e n t o d e t e r m i n e i t s r e s p o n s e f o r a l l
c a s e s . I n c o n t r a s t , m o d e l i n g b a s e d c o n t r o l s y s t e m s o f t e n o e r w a y s
t o a n a l y z e t h i n g s l i k e r o b u s t n e s s m a t h e m a t i c a l l y f o r a w i d e r a n g e o f
s y s t e m c o n d i t i o n s .
3 . U t i l i t i e s u s e a l a r g e n u m b e r o f s o f t w a r e t o o l s , l i k e v o l t a g e s t a b i l i t y
a n a l y s i s p r o g r a m s o r d y n a m i c s e c u r i t y a n a l y s i s p r o g r a m s , f o r s y s t e m
p l a n n i n g a n d i n c r e a s i n g l y a l s o s y s t e m o p e r a t i o n . A n y c o n t r o l l e r
t h a t h a s a s y s t e m w i d e i n u e n c e h a s t o b e i n c o r p o r a t e d i n t h e s e
t o o l s . I t i s f a r e a s i e r a n d f a s t e r t o i n c o r p o r a t e c l a s s i c a l c o n t r o l l e r s
i n t h e s e p r o g r a m s t h a n t o i n c o r p o r a t e , f o r e x a m p l e , n e u r a l n e t w o r k s
o r e x p e r t s y s t e m s .
4 . H i s t o r i c a l l y , i t h a s b e e n c o m p a r a t i v e l y e a s y t o m e e t t h e r i s i n g d e -
m a n d f o r t r a n s m i s s i o n c a p a c i t y b y b u i l d i n g n e w p o w e r l i n e s . I n
t h e m o n o p o l i s t i c p o w e r i n d u s t r y , r e l i a b i l i t y a n d t h e o b l i g a t i o n t o
s e r v e a l l c u s t o m e r s w e r e t h e d r i v i n g f o r c e s b e h i n d s y s t e m d e s i g n .
T h e c o s t f o r s y s t e m e x t e n s i o n s w a s s i m p l y p a s s e d d o w n t o t h e c u s -
t o m e r s . H e n c e , p o w e r s y s t e m s w e r e b u i l t w i t h r e d u n d a n c y a n d l a r g e
m a r g i n s o f s a f e t y . A d v a n c e d c o n t r o l m e t h o d s w e r e n o t n e e d e d .
T o d a y , t h e u t i l i t y i n d u s t r y i s f a c i n g s i g n i c a n t c h a n g e s . D e r e g u l a t i o n o f
t h e e l e c t r i c i t y m a r k e t s i s c h a n g i n g t h e o p e r a t i o n o f t h e p o w e r s y s t e m .
M o r e e c i e n t w a y s t o o p e r a t e t h e p o w e r s y s t e m a r e b e c o m i n g v e r y a t -
t r a c t i v e , s i n c e t h e c o s t o f i n e c i e n c i e s c a n n o t s i m p l y b e p a s s e d o n t o
t h e c u s t o m e r i t i s e x p e c t e d t h a t t h e m a r k e t s h a r e o f t h e m o s t e c i e n t
p r o v i d e r w i l l r i s e . W h i l e i t i s q u i t e c l e a r t h a t t h e d e m a n d f o r e l e c t r i c
p o w e r w i l l r i s e f o r s o m e t i m e t o c o m e , i t i