A generalized static and dynamic state estimation of electric power systems

Abstract

The higher levels of uncertainties in power systems operation because of the increasing penetration of converter-based generators and controllers are a new challenge faced by system operators. Under these operating scenarios, new state estimation methods are crucial for monitoring, operating and controlling power systems in a real-time and reliable fashion. Based on the information mentioned above, general frameworks for formulating and solving the static and dynamic state estimation problems are proposed in this thesis. To fulfill these goals, this dissertation focuses on the following three areas. First, the static co-estimation of nodal voltages together with system parameters and unknown statuses of circuit breakers, respectively, in a single frame of reference without modifying the general formulation of the equality-constrained static state estimator. Secondly, the development of a new way for including hard limits associated with control devices in the formulation of the transient stability problem. This set of constraints is added to the rest of the equations representing the dynamics of an electric power system for a unified framework of analysis, where hard limits are simultaneously and automatically handled during the numerical solution of the transient stability problem. Lastly, a wide area dynamic state estimator is proposed for the simultaneous estimation of nodal voltages and dynamic states associated with synchronous machines and their controller units. This approach is formulated in a structure-preserving framework of analysis, performing the automatic check of the non-windup and windup controllers operating limits and, when applicable, the automatic enforcement of these limits during the iterative solution process of the state estimation.

Los mayores niveles de incertidumbre en la operación de los sistemas de potencia debido a la creciente penetración de generadores y controladores basados en convertidores es un nuevo reto al que se enfrentan los operadores del sistema. En estos escenarios operativos, las nuevas metodologías de estimación de estado son cruciales para supervisar, operar y controlar los sistemas de potencia de forma confiable y en tiempo real. A partir de la información anteriormente mencionada, en esta tesis se proponen marcos generales para formular y resolver los problemas de estimación de estado estático y dinámico. Para cumplir estos objetivos, esta tesis se centra en las tres áreas siguientes. En primer lugar, la co-estimación estática de los voltajes nodales junto con los parámetros del sistema y los estados desconocidos de interruptores de potencia, respectivamente, en un mismo marco de referencia sin modificar la formulación general del estimador de estado estático con restricciones de igualdad. En segundo lugar, el desarrollo de una nueva forma de incluir los límites asociados a los dispositivos de control en la formulación del problema de estabilidad transitoria. Este conjunto de restricciones se añade al resto de las ecuaciones que representan la dinámica de un sistema eléctrico para obtener un marco de análisis unificado, en el que los límites se manejan simultánea y automáticamente durante la solución numérica del problema de estabilidad transitoria. Por último, se propone un estimador de estado dinámico de área amplia para la estimación simultánea de los voltajes nodales y los estados dinámicos asociados a las máquinas síncronas y sus controladores. Este enfoque se formula en un marco de análisis que preserva la estructura, realizando la comprobación automática de los límites operativos de los controladores non-windup y windup y, cuando es aplicable, la aplicación automática de estos límites durante el proceso de solución iterativa de la estimación de estado.