Improving frequency characterization for power systems using the Allan variance and a GPS-controlled reference: Measurement procedure, test and validation

Abstract

La interconexión de las redes inteligentes modernas ha dado lugar a varias nuevas perturbaciones de la calidad de la energía (PQ) que afectan a los requisitos de estabilidad de frecuencia en los sistemas eléctricos industriales. La frecuencia, que oscila entre 50 ± 0,1 Hz para las redes interconectadas e incluso dentro del área síncrona europea, fluctúa principalmente debido al control primario. De hecho, debido al desarrollo de recursos distribuidos (por ejemplo, energías renovables), no todas las unidades de generación son accesibles y solo son controlables en unos pocos nodos de la red. Esta variabilidad, incluso entre ubicaciones cercanas, desencadena la necesidad de estrategias de medición específicas, basadas en una referencia absoluta y también concebidas para monitorear las perturbaciones de PQ. Este trabajo propone un método sincronizado con GPS, fácil de implementar, que permite la medición de frecuencia con una precisión mejor que la requerida por la regulación actual para redes interconectadas. Este trabajo explica la metodología de medición, caracterizando la incertidumbre mediante el uso de la norma ISO JCGM 100. Con el propósito de probar y validar, se llevaron a cabo tres experimentos: perturbaciones de laboratorio diseñadas por computadora y activadas por instrumentos, y una comparación con el desempeño de PMU, utilizando señales de la vida real. Los resultados mostraron que estos experimentos ofrecieron un mejor desempeño con una incertidumbre mejorada.

The interconnected modern smart grid has resulted in several new power quality (PQ) disturbances that affect the frequency stability requirements in industrial power systems. Ranging between 50 +-0.1 Hz for interconnected networks, and even within the European synchronous area, the frequency fluctuates mainly because of the primary control. In fact, owing to the development of distributed resources (e.g. renewable energies), not all generation units are accessible, and are controllable in a few network nodes. This variability, even between nearby locations, triggers the need for a specific measurement strategies, based on an absolute reference and also conceived for monitoring PQ disturbances. This work proposes an easy-to-implement GPS-traceable method that allows the measurement of frequency with better accuracy than that required by the current regulation for interconnected networks. This work explains the measurement methodology, characterising the uncertainty by using ISO JCGM 100. For the purpose of testing and validation, three experiments were conducted: computer-designed, instrument-triggered lab disturbances, and a comparison vs. PMU performance, using real-life signals. The results showed that these experiments offered better performance with improved uncertainty