Real-time state estimation of active distribution networks using a hybrid measurement model of remote terminal units and phasor measurement units

Abstract

Con el desarrollo de las energías renovables y sistemas de almacenamiento, las redes están experimentando grandes transformaciones. Uno de los ingredientes clave de esta transformación es la capacidad de aprovechar la creciente oferta de los Distributed Energy Resources (DERs). Con el fin de hacerlo, se está llevando a cabo el cambio hacia la gestión activa de redes y el uso de redes de distribución activas (ADNS). Como las energías renovables muestran producción no constante, las ADNS se caracterizan por una mayor variabilidad y por lo tanto conocer el estado de la red en tiempo real crece en importancia, y con esto, el desarrollo de la estimación de estado en tiempo real (RTSE). Los principales objetivos de la RTSE son: primero, lograr un control óptimo de tensión para evitar congestiones en la red, minimizar las pérdidas y equilibrar las cargas locales, y segundo, conseguir una detección rápida y ubicación de las faltas en la red, minimizando de esta manera tanto como sea posible el daño asociado. Las unidades de medida utilizadas en la RTSE son las Remote Teminal Units (RTU) y los Phasor Measurement Units (PMU). Las RTU son más tradicionales, pueden medir potencias activas y reactivas y magnitudes de tensión y intensidad. Su frecuencia de actualización se encuentra en el rango de 1 a 5 segundos. Las PMUs proporcionan valores precisos sincronizados de fasores de inyecciones de intensidades y tensiones. Ofrecen una mayor precisión que las RTUs. Además, están conectadas al GPS lo que permite un mejor control de ellas. Su frecuencia de actualización es de entre 20 y 100 milisegundos. El objetivo de este proyecto es ser capaz de estimar el estado dentro de los rangos de control de tensión (unos segundos) y la gestión de faltas (pocos cientos de milisegundos) utilizando un modelo híbrido, es decir, utilizando ambos dispositivos RTUs y PMUs y siendo capaz de estimar a frecuencia PMU teniendo completa observabilidad cuando se tienen los dos tipos de dispositivos. Esto implica que se tienen que crear pseudo-medidas de RTUs a un ritmo PMU para los tiempos en los que las medidas reales RTU no están disponibles.

With the development of renewables and storage systems, networks are experimenting big transformations. One key ingredient of this transformation is the ability to exploit the increasingly supply of Distributed Energy Resources (DERs). In order to do so we are moving to Active Network Management and the use of Active Distribution Networks (ADNs). As renewables show non constant production, ADNs are characterized by higher dynamics and therefore being able to know the state at Real Time becomes important, bringing with it, the development of Real Time State Estimation (RTSE) models. The main goals of RTSE are first, to achieve an optimal voltage control to prevent line congestions, minimize losses and balance local loads, and second, to have a quick fault detection and location, minimizing in this way as much as possible the damage of the network. The measurement units used in RTSE are the Remote Terminal Units (RTUs) and the Phasor Measurement Units (PMUs). RTUs are the more traditional ones, they can measure voltage and current magnitudes and active and reactive powers. They’re Refresh Rate is in the range of 1 to 5 seconds. PMUs provide precise time-stamped values of injected currents and voltages phasors. They offer better accuracy than RTUs. Moreover, they are connected to the GPS what permits a better control of them. Their Refresh Rate is between 20 and 100 milliseconds. The goal of this project is to be able to estimate the state within the ranges of voltage control (few seconds) and fault management (few hundreds of milliseconds) using a hybrid model, i.e. using both devices RTUs and PMUs and estimating at a PMU rate having full observability only with the addition of the two kinds of devices. This implies that pseudo-measurements of RTUs have to be created at a PMU rate for the steps where RTU real measurements are not available.