Hassan S. Haes Alhelou

PhD Dissertation:

Title: Frequency Control in Power Systems Considering Unknown Inputs and Measurement Faults Using Dynamic State Estimation

Abstract: Frequency control is among the most important tasks in modern power systems due to the increase of their active power imbalances between generation and demand, uncertainties, and complexities. Such new energy systems need new control approaches that can handle practical challenges such as unknown inputs, failures in measurement systems, high uncertainties, and cyber-attacks. This dissertation proposes a novel, fully decentralized load frequency control, which is unknown as secondary control, approach based on dynamic state estimation (DSE). The proposed approach employs an unknown input observer (UIO) for each power system area for tracking the dynamic states in real time operation. In order to achieve the fully decentralized control approach for secondary frequency control loop preserving the hierarchical concept, the demand fluctuation and tie-line power deviations are modeled as unknown inputs to the UIO of each area. An optimal state feedback control method based on the observed states is used next to control the frequency of each area separately. This approach reduces the complexity of the designed observer, achieves fully decentralized control, improves the robustness of the controllers, and makes the estimation process highly efficient, accurate, and easy to implement. Based on the suggested UIO, a novel unknown input functional observer based optimal load frequency control approach is also proposed for real-world complex nonlinear power systems. In the proposed control approach, the control signal applied to each power plant is directly estimated via the well-designed functional observer. The proposed functional dynamic estimator is designed to handle parametric and nonparametric uncertainties, control loop and sensor faults, unknown inputs, and cyber-attacks. The functional estimator for each power plant is decoupled from the other plants resulting in a more feasible implementation, reducing the complexity of the estimator and improving the reliability of the proposed control system. Furthermore, the proposed UIO is further developed mathematically to have the ability of online detection and isolation of practical issues associated with measurement and communication parts such as faulty sensors, error in measurement, and cyber-attacks. This contribution helps power system operator to eliminate the impacts of the mentioned practical and technical challenges on the performance of the control systems, which increases the overall reliability and security of frequency control in modern power systems. Moreover, the proposed dynamic observer is further developed to online estimate the magnitude and locations of unknown inputs. Providing such knowledge of unknown inputs, e.g. disturbances, to operator can highly help in improving the control and protection performance in modern power systems. The applicability of the proposed methods is shown on IEEE 39 bus-system divided into several control areas. Likewise, various types of transmission links are considered in the multi-area power system. The effectiveness of the proposed control schemes is verified by comparing results with well-known control schemes. Tolerance of the proposed technique to unknown inputs, uncertainties, and possible cyber-attacks is verified by several simulation scenarios.

KEYWORDS: Power Systems; Smart Grids; Frequency Control; Power System Control and Stability; Unknown Input Observer; Observability; Dynamic State Estimation; Faulty Sensors; Fault Detection and Isolation; Power System Dynamics.

عنوان: کنترل فرکانس سیستم­های قدرت با در نظرگرفتن ورودی­های ناشناخته و خطاهای واحدهای اندازه­گیری توسط تخمین حالت دینامیکی

چکیده: بواسطه افزایش عدم تعادل توان حقیقی بین تولید و مصرف در سیستم­های قدرت مدرن و وجود نامعینی­ها و پیچیدگی­ها در این سیستم­ها، کنترل فرکانس از جمله مهمترین دغدغه ها در میان انواع وظایف کنترلی در این سیستم­هاست. این سیستم‌های انرژی جدید به روش های کنترلی جدید نیاز دارند تا مشکلات عملی همچون ورودی‌های ناشناخته، خرابی‌های سیستم‌های اندازه‌گیری، نامعینی‌های قابل توجه و حملات سایبری را حل کند. در این رساله یک کنترل بار- فرکانس (کنترل ثانویه) بطور کامل غیرمتمرکز جدید مبتنی بر تخمین حالت دینامیکی (DSE) پیشنهاد می‌شود. روش پیشنهادی از یک رویت‌گر ورودی ناشناخته (UIO) برای هر ناحیه سیستم قدرت برای تعقیب حالت های دینامیکی در کار زمان واقعی استفاده می‌کند. برای انجام کنترل بطور کامل غیرمتمرکز در حلقه کنترل فرکانس ثانویه به‌گونه‌ای که از مفهوم کنترل سلسله مراتبی اجتناب شود، تغییرات تقاضا و انحرافات توان خطوط ارتباطی بین نواحی به صورت ورودی‌های ناشناخته به UIO هر ناحیه مدل می‌شوند. در ادامه یک روش کنترل فیدبک حالت بهینه مبتنی بر حالت­های رویت شده برای کنترل فرکانس هر ناحیه بطور جداگانه غیر متمرکز را انجام می­دهد. ویژگی مقاوم بودن کنترل‌کننده‌ها را بهبود می‌دهد و فرآیند تخمین حالت را کارآمدتر، دقیق‌تر و آسان‌تر برای پیاده‌سازی می‌کند. بر مبنای UIO پیشنهاد شده، یک روش کنترل بار- فرکانس بهینه مبتنی بر رویت‌گر تابعی ورودی ناشناخته برای سیستم‌های قدرت غیرخطی پیچیده واقعی ارائه می‌شود.در روش کنترل پیشنهادی، سیگنال کنترل اعمال شده به هر نیروگاه بطور مستقیم از طریق رویت‌گر تابعی طراحی شده تخمین زده می‌شود. تخمین‌گر دینامیکی تابعی پیشنهادی بگونه‌ای طراحی می‌شود که نامعینی‌های پارامتری و غیر پارامتری، عیوب سنسور حلقه کنترل، ورودی‌های ناشناخته و حملات سایبری را در نظر بگیرد. رویت‌گر تابعی برای هر نیروگاه از رویت‌گر نیروگاه‌های دیگر جدا است که نتیجه‌‌ی آن پیاده‌سازی شدنی‌تر، کاهش پیچیدگی رویت‌گر و بهبود قابلیت اطمینان سیستم کنترل پیشنهادی است. به علاوه، UIO پیشنهادی با استفاده از مبنای ریاضی تعمیم داده می‌شود تا توانایی آشکارسازی و جداسازی برخط مسائل عملی متناظر با بخش‌های اندازه‌گیری و مخابراتی همچون سنسورهای معیوب، خطا در اندازه‌گیری و حملات سایبری را داشته باشد. این روش‌های جدید به اپراتور سیستم کمک می‌کند تا اثرات چالش‌های فنی و عملی گفته شده رو عملکرد سیستم‌های کنترل را جذف کند که در نتیجه قابلیت اطمینان و امنیت کنترل فرکانس در سیستم‌های قدرت مدرن افزایش می‌یابد. به علاوه، رویت‌گر دینامیکی پیشنهاد شده برای تخمین بر خط اندازه و مکان‌های ورودی‌های ناشناخته مثل اغتشاش‌ها برای اپراتورها، عملکرد کنترل و حفاظت در سیستم‌های قدرت مدرن به میزان زیاد بهبود می‌یابد. قابلیت کاربرد روش‌های پیشنهادی روی سیستم 39 باس IEEE که به چندین ناحیه کنترل تقسیم شده‌است، نشان داده می‌شود. به علاوه انواع مختلف لینک‌های مخابراتی در سیستم قدرت چند ناحیه‌ای در نظر گرفته می‌شود. موثر بودن طرح‌های کنترل پیشنهادی بوسیله مقایسه نتایج با طرح‌های کنترل شناخته شده اثبات می‌شود. حساسیت تکنیک پشنهادی به ورودی‌های ناشناخته، نامعینی‌ها و حملات سایبری محتمل بوسیله چندین سناریوهای شبیه سازی اثبات می‌شود.

کلیدواژه: سیستم­های قدرت، شبکه­های هوشمند، کنترل فرکانس، کنترل وپایداری سیستم قدرت، رویتگر ورودی ناشناخته، رویت پذیری، تخمین حالت دینامیکی، سنسورهای معیوب، اشکارسازی وجداسازی عیب، دینامیک سیستم­های قدرت