DESIGN OF CONTROL PHILOSOPHY BETWEEN TRANSFORMER AVR CONTROL AND BSC BANK PFCONTROL A dissertation submitted to the Department of Electrical Engineering, University of Moratuwa in partial fulfilment of the requirements for the Degree of Master of Science by DICKMADU GODAGE SUMITH KUMARA Supervised by: 1. Dr. J.P. Karunadasa 2. Eng. Mr. K.P. Kusum Shanthi Department of Electrical Engineering University of Moratuwa, Sri Lanka 2009 94854 Abstract Ceylon Electricity Board (CEB) controls major roll in Generation, Transmission and Distribution of the electrical power in the island. It has hydro-power capacity about 950MW and thermal power capacity725 MW. The average VAR consumption a day is 650 MVAR. Average power factor of the operation of the system is about 0.95. Almost 80% of the distribution of electrical power is done by CEB. The transmission network totally owned operated by CEB. The CEB transmission system consists of 220k V and 132kV network. It has 44 Grid Substation which convert 132kV/33kV for the distribution of the power to low voltage consumers. In this Grid Substation there is 109 132kV/33kV power transformer each having capacity of 31.5 MVA. There are Breaker switch capacitors (BSC) bank installed at some places of these GSS. The total installed capacity of the shunt BSC bank is amount to 320MV AR and yet another 70MV AR planning to connect in the near future. In these GSS there are two systems to control 33kV bus voltage at reference 33kV level. One system varies the transformer tap position by controlling 33kV voltage. We called this as. On-Load Tap Control of the transformer. For this to be done there is controller (AVR) which sends the command to OLTC to take appropriate action of increasing or decreasing the tap. On the other hand there is a BSC bank which allowed controlling the reactive power of the GSS. The main intentions of the use of capacitor banks is to give voltage support at the substation level, reduction of losses in power transformers and transmission lines, and to release the capacity constraints in transformers and lines. CEB uses power factor regulation for switching these capacitor banks for above purposes but no studies have been done to evaluate its suitability with transformer AVR. Even though these two controllers try to maintain VAR and Voltage (Q&V) of the GSS they are operating independently. Because of that We could not achieved maximum effect of these two system i:e., under optimization of the Voltage and Var. Some time we have observed that these two controllers are hunting with each other by doing the controlling. If we could coordinate these two controllers to make proper function we indirectly could save the number of tap operations of the transformer and that will help reducing costly maintenance of the OLTC. My main intention is to coordinate these two controllers to achieve above objects. I further try to develop a new system to take care of the both functions in one unit. I have used PSCAD software program for simulation of the GSS. For the real time data collection I used two data loggers which are property of the CEB. Finally I have found that for controlling the both controllers we need a additional parameter which High Voltage side voltage measurement which could be easily available at the GSS without any additional cost. Taking this new parameter with existing parameters I have develop a control philosophy which coordinates both the transformer AVR controller and BSC bank controller by optimizing voltage and Var. flow through the system. V V 1 S c D E C L A R A T I O N T h e w o r k s u b m i t t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n i s t h e r e s u l t o f m y o w n i n v e s t i g a t i o n , e x c e p t w h e r e o t h e r w i s e s t a t e d . I t h a s n o t a l r e a d y b e e n a c c e p t e d f o r a n y d e g r e e , a n d i s a l s o n o t b e i n g c o n c u r r e n t l y s u b m i t t e d f o r a n y o t h e r d e g r e e . - - - ' ' · - . . . : ~ . . . : - . . _ . , ' - . · ' D . G . S . K u m a r a 2 8 t h N o v e m b e r 2 0 0 9 W e l l e n d o r s e t h e d e c l a r a t i o n b y t h e c a n d i d a t e . . j , J . - . · r ; ---~,-~ 1 ) t : L " D r . J . P . K a r u n a d a s a . 1 5 t h D e c e m b e r 2 0 0 9 ' 7 \ , ' : / / / / / / / ' . / . / ' ' - E n g . M r . K . P . K u s u m S a n t h i 1 5 1 h D e c e m b e r 2 0 0 9 , c · · · " ' : ; r - - , . . . I u . 4 r " " - r - - . ~-.. / · - , . 1 ? \ / . ' · · ~0 : - : ; . ; 1 ' " f ' l ' l n · , : : · ' · · . . . . , . _ , ) , - " < • • " ' ;~_ - , ; '~ · ' · / " . ~-,,, '-~ _ . . ; > D e c l a r a t i o n A b s t r a c t J \ c k n o \ v I c d g e m e n t L i s t o f F i g u r e s L i s t o f T a b l c s C h a p t e r s 1 . I n t r o d u c t i o n 1 . 1 B a c k g r o u n d 1 . 2 O b j e c t i v e s 1 . 3 S c o p e o f t h e w o r k C o n t e n t s 1 . 4 P r e s e n t p r o b l e m s i n A V R a n d P F c o n t r o l T r a n s m i s s i o n G S S 2 . A u t o m a t i c V o l t a g e C o n t r o l ( A V R ) o f t r a n s f o n n e t · s i n G S S 2 . 1 P o w e r t r a n s f o r m e r a n d O n I . o a d T a p C h a n g e r ( O L T C ) 2 . 2 O L T c o n t r o l p r i n c i p l e f o r p a r a l l e l i n g t r a n s f ' l m n e r s i n t h e C I S S 2 . 2 . 1 O p e r a t i o n s o f t h e M a s t e r - F o l l o w e r m e t h o d 2 . 2 . 2 O p e r a t i o n o f t h e m i n i m u m c i r c u l a t i o n m e t h o d 2 . ] C o n t r o l l i n g p h i l o s o p h y 2 . 4 S e t t i n g o f t h e p a r a m e t e r s o f t h e A V R i n C E B 2 . 5 I n t e r n a l h a r c h v a r e s t r u c t u r e o f t h e T F " s J \ V R a n d h o v v i t o p e r a t e s 3 . M e t h o d s u s e d f o r c o n t r o l l i n g t h e c a p a c i t m · h a n k i n G S S . 1 . 1 S h u n t C a p a c i t o r s ] . 2 D i f f e r e n t t y p e s o f c a p a c i t o r b a n k s ] . 3 C a p a c i t o r b a n k c o n t r o l l i n g p h i l o s o p h y ] . 3 . 1 T e m p e r a t u r e c o n t r o I . 1 . 3 . 2 T i m e c o n t r o l 3 . 3 . 3 C u r r e n t c o n t r o l 3 . J . 4 P m v e r f~1ctor c o n t r o I J . J . 5 V A R C o n t r o l 3 . 3 . 6 V o l t a g e c o n t r o l 3 . 4 D e s c r i p t i o n o f t h e e x i s t i n g c o n t r o l l e r i n t h e G a l l e C I S S 4 . C a s e s t u d y f o r G a l l e G d d S u b s t a t i o n 4 . 1 S u b s t a t i o n t e c h n i c a l d e t a i l s 4 . 2 C o l l e c t i o n o f t h e s y s t e m d a t a a n d m e a s u r e m e n t s 4 . 3 f ' v 1 c a s u r i n g d e v i c e s a n d d a t a l o g g e r s 4 . 4 V a r i a t i o n i n t h e p o w e r 1~Ktor i n t h e G S S 4 . 5 S w i t c h i n g p a t t e r n o f t h e c a p a c i t o r b a n k s i n t h e C i S S 4 . ( J l i n c o m p c n s a t e d r e a c t i v e p o w e r 4 . 7 S u m m e r y o f t h e s y s t e m s t u d y 1 \ \ ' \ L V I I \ I l l I . . , _ ) . . . 4 4 5 5 7 7 8 1 1 I I 1 2 1 . . , _ ) 1 3 1 3 1 4 1 4 1 5 1 5 I ( J 1 9 1 9 1 9 2 0 2 1 } I I " _ _ ) 2 ( J I I 5 . S y s t e m m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n s 2 7 5 . 1 S o f t w a r e s e l e c t i o n C o r m o d e l i n g 2 7 5 . 2 C o m p o n e n t s i n t h e s u b s t a t i o n m o d e l i n g 2 R 5 J R u n n i n g t h e s i m u l a t i o n ~() 5 . J . l T h e o r e t i c a l a s p e c t o f t h e s i m u l a t i o n s t u d y ~() 5 . J . 2 T r a n s f o r m e r n r c o n s u m p t i o n ~ 1 5 . 4 D a t a r e c o r d i n g a n d g r a p h s J 4 6 . D e s i g n o f n e w c o n t r o l l e r f o r B S C h a n k c o n t r o l l i n g 3 7 6 . 1 . I n t r o d u c t i o n o l ' t h e d e s i g n J 7 6 . 2 . F a c t o r s t h a t h a v e b e e n c o n s i d e r e d f o r d e s i g n i n g t h e c o n t r o l l e r 3 R 6.~. B r i e l " d e s c r i p t i o n o l ' t h e d r a w i n g s a n d f i g u r e s ] 9 ( J . 4 . D e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h e d e s i g n ~9 6 . 5 S a m p l e c a l c u l a t i o n o f t h e d e c i s i o n v a r i a b l e s 4 4 6 . 6 . F a c t o r s t h a t c a n b e i n c l u d e d i n t h e d e s i g n f o r l ' u r t h e r i m p r o v e m e n t s 5 0 6 . 6 . 1 V / \ R c o n t r o l l i n g o f t h c B S C b a n k 5 0 6 . ( J . 2 . V o l t a g e c o n t r o l l i n g o r t h e B S C b a n k 5 1 7 . C o n c l u d i n g R e m a r k s a n d r e c o m m e n d a t i o n s 5 4 7 . 1 ! \ n a I \ s i s a n d r e s u l t s 5 4 7 . 2 C o n c l u s i o n 5 5 7 . J R e c o m m e n d a t i o n s C o r l ' u t u r e s t u d i e s : ' 1 5 R e f e r e n c e s 5 7 A p p e n d i c e s 5 8 A p p e n d i x A : 5 R ( / \ 1 ) . S i n g l e l i n e a t T < m g c m e n t o C t h e G a l l e C i S S 5 R ( / \ 2 ) . ! \ V R a n d P F c o n t r o l c i r c u i t a r r a n g e m e n t o f t h e G S S 5 R ( / \ 3 ) . S i n g l e u n i t ( 5 M V / \ r ) o f t h e B S C b a n k a t G a l l e G S S 5 9 A p p e n d i x B 6 0 ( B 1 ) . D a t a r e c o r d a t v a r i o u s t < l p p o s i t i o n o f t h e t r a n s f o r m e r s ( B 1 . 1 ) . O L T C a t t a p O R W ( B 1 . 2 ) . O L T C a t t a p 1 0 - 1 1 6 0 ( B 1 . 3 ) . O L . T C a t t a p 1 2 6 1 ( B 1 A ) . O L T C a t t a p 1 2 - 1 4 6 1 ( B 2 ) . D a t a r e c o r d i n g s w i t c h i n g \ a r i o u s B S C b a n k c o m b i n a t i o n s ( B 2 . 1 ) . ( ) J ~TC a t t a p O R - 1 4 a n d \ \ i t h o n e B S C b a n k o n ( J 2 ( B 2 . 2 ) . O L T C a t t a p O R - 1 4 a n d w i t h t w o B S C b a n k o n 6 3 ( B 2 . J ) . O L T C a t t a p O R - 1 4 a n d w i t h t h r e e B S C b a n k o n 6 4 ( B 2 . 4 ) . O L T C a t t a p O R - 1 4 a n d \ \ i t h f o u r B S C b a n k o n 6 5 I l l A c k n o w l e d g e m e n t T h a n k s a r c c l u e f i r s t t o m y s u p e r v i s o r s , D r . J . P . K a r u n a d a s a a n d L n g . M r . K . P . K u s u m S a n t h i . f o r t h e i r g r e a t i n s i g h t s . p e r s p e c t i v e s , g u i d a n c e a n d s e n s e o f h u m o r . M y s i n c e r e t h a n k s g o t o t h e o f l i c c r s i n P o s t G r a d u a t e O r t i c c , F a c u l t y o f E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t y o f M o r a t u w a , S r i L a n k a , f ( J r h e l p i n g i n \ ' a r i o u s v v a y s t o c l a r i r y t h e t h i n g s r e l a t e d t o m y a c a d e m i c \ V o r k s i n t i m e w i t h e x c e l l e n t c o o p e r a t i o n a n d g u i d a n c e . S i n c e r e g r a t i t u d e i s a l s o e x t e n d e d t o t h e p e o p l e w h o s e r v e i n t h e D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g o l l i c e . I e x t e n d s i n c e r e g r a t i t u d e t o m y e m p l o y e r w h i c h i s C e y l o n E l e c t r i c i t y B o a r d ( C F B ) p r o v i d i n g n e c e s s a r y d u t y l e m e r o r a t t e n d i n g l e c t u r e s a n d g i v i n g n e c e s s a r y t e c h n i c a l d e t a i l s a b o u t t h e G a l l e G r i d S u b s t a t i o n w h e r e m y s t u d y w a s d o n e . L a s t l y . I s h o u l d t h a n k m a n y i m l i v i d u a l s . r r i e n d s a n d c o l l e a g u e s w h o h a v e n o t h c e n m e n t i o n e d h e r e p e r s o n a l l y i n m a k i n g t h i s e d u c a t i o n a l p r o c e s s a s u c c e s s . M a y b e I c o u l d n o t h a v e m a d e i t w i t h o u t y o u r s u p p o r t s . J ) . ( ; . S . K u m a r a , T r a n s m i s s i o n ( O & M S ) D i v i s i o n ( ] a i l e R e g i o n /.:-,~--,;;-.. ; : : : : · ' "'~~- !_~;' - = . , \ t · ; U ? " . " l • · 7 ~~ \ _ _ , · - · l l · . · · > . \ _ ,~ i / "",,_~·~-~ . . . \ L i s t o f F i g u r e s F i g u r e s P a g e F i g u r e 2 . 1 T y p i c a l a r r a n g e m e n t o f O L T C a n d ! \ V R s y s t e m i n t r a n s f o r m e r s 0 4 F i g u r e 2 . 2 . 1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h c m a s t e r - f o l l o w e r s y s t e m 0 5 F i g u r e 2 . 2 2 F q u i v a l e n t s c h e m e f o r t \ \ O p a r a l l e l t r a n s f o r m e r s i n a c c o r d a n c e \ \ i t h 0 6 m i n i m i z i n g c i r c u l a t i n g c u r r e n t m e t h o d F i g u r e 2 . 3 T y p i c a l ! \ V R V o l t a g e S c a l e f o r A u t o m a t i c O L T C C o n t r o l 0 7 F i g u r e 2 . 4 . ( a ) T h e b a n d w i d t h a n d t h e e r r o r t h r e s h o l d t i m e s e t t i n g s e t i n t h e ! \ V R 0~ F i g u r e 2 . 4 . ( b ) ! I m v d o c s t h e t i m e s e t t i n g c u r v e s e l e c t e d f o r v a r i o u s c o n d i t i o n s i n O R / \ V R F i g u r e 2 . 5 . 1 l l a r d \ \ a r c a r r a n g e m e n t a n d o p e r a t i o n a l b l o c k o f t h e ; \ V R s y s t e m 0 9 F i g u r e 2 . 5 2 F r o n t \ ' i c w o f t h e m o d e r n l ' v 1 R T a p c o n 2 ( ) 0 ; \ V R c o n t r o l r e l a y a n d 0 9 M K 3 0 r e l a y F i g u r e 2 . 5 J S c h e m a t i c c o n n e c t i o n d i a g r a m a n d t h e c o m p o n e n t s o f t h e ; \ V R 1 0 c o n t r o l s y s t e m ( t w o t r < l n s f o r m c r s a r c i n p a r a l l e l F i g m · e J . 2 T y p i c a l p a d m o u n t e d C a p a c i t o r b a n k 1 2 F i g m - c 3 . 3 S t a c k e d r < l c k c a p a c i t o r b a n k 1 2 F i g u r e 3 . 4 T y p i c a l p o l e m o u n t e d c a p a c i t o r b a n k 1 3 F i g m · e 3 . 3 . 4 P o w e r f a c t o r c o n t r o l l i n g p h i l o s o p h y o f t h c B S C b a n k 1 4 F i g u r e 3 . 3 . 5 O n e o r t h e m e t h o d s o f c o n t r o I I i n g c a p a c i t o r v a r i n p u t t o t h e s y s t e m 1 5 F i g m · e 3 A . l B a s i c u n i t o f t h e B S C c o n t r o l l e r ( M a s t e r P i e c e 0 2 0 ) 1 ( ) F i g u r e 3 . 4 . 2 T y p e o f t h e t r a n s d u c e r s u s e d f o r t h e s i g n a l i n g 1 6 F i g m · e 3 . 4 . 3 B S C b a n k c o n t r o l p r o g r a m s t r u c t u r e e m b e d d e d i n t o t h e 1 7 M a s t e r P i e c e 0 2 0 F i g u r e 3 . 4 . 4 M o d e r n o v e r a l l s y s t e m h m v t h e B S C b a n k s c o n t r o l s u s i n g 1 8 S C J \ J ) J \ s y s t e m a n d t h e s e r v e r F i g u r e 4 . 1 ( a ) B e n a n a l y z e r c o n n e c t e d f o r 3 3 k V m e a s u r e m e n t s 2 0 F i g u r e 4 . 1 ( b ) A n a l y z e r c o n n e c t e d f ( ) r 1 3 2 k V m e a s u r e m e n t s 2 0 F i g u r e 4 . 2 I h m t h e s e n s i n g c q u i p m e n t s a r c c o n n e c t e d 2 1 F i g u r e 4 . 3 ( a ) P a t t e r n o f t h e r x m c r l~tctor m e a s u r e d a t 3 3 k v & 1 3 2 k V l e v e l s 2 1 o v e r t o t a l m e a s u r e m e n t p e r i o d F i g m · e 4 . 3 ( h ) P a t t e r n o f t h e p o w e r f a c t o r s m e a s u r e d a t 3 3 k v & 1 3 2 k V l e v e l s 2 2 o n 2 1 ' 1 J u l v 2 0 0 9 F i g u r e : 4 . 6 ( a ) P a t t e r n o f : t a p p o s i t i o n \ V i t h n o c a p a c i t o r b a n k s 1 6 1 h & 2 0 1 h 2 5 J u l v 2 0 0 9 F i g u r e : 4 . 6 ( h ) P a t t e r n o f t a p p o s i t i o n w i t h n o c a p a c i t o r b a n k s 2 1 s t & 2 2 1 1 d 2 5 J u l y 2 0 0 9 F i g u r e 5 . 1 1 3 2 k V s y s t e m a n d T r a n s f o r m e r m o d u l e \ V i t h t h e c i r c u i t b r e a k e r s 2 8 F i g u r e 5 . 2 M o d e l i n g o f t h e O L T C o f t h e t r a n s f ( m n c r 2 9 F i g u n ' 5 . 3 I , o a d & l o a d c u r r e n t m e a s u r i n g m o d u l e 2 9 F i g u r e 5 . 4 C a p a c i t o r b a n k & I n r u s h / D e t u n i n g r e a c t o r m o d u l e 2 9 F i g u r e 5 . 5 c o m p l e t e m o d e l s f o r C i a l l e C l r i d S u b s t a t i o n 3 2 F i g u r e 5 . 6 I I V b u s \ ' o l t a g e v a r i a t i o n s u n d e r d i ! T c r c n t c a p b a n k c o n f i g u r a t i o n s - 3 4 S i m u l a 1 c d d a t a f o r 2 6 ' 1 . 2 X ' l ( 1 & 3 1 t h . l u h 2 0 0 9 F i g u r e 5 . 7 T a p p o s i t i o n \ a r i a t i o n t o g i \ c c o n s t a n t L V Y o l t a g c - S i m u l a t i o n 3 5 r e s u l t s \ ' I F i g u r e 5 . 8 T a p p o s i t i o n v a r i a t i o n s t o g i v e c o n s t a n t L V v o l t a g e - - A c t u a l ~5 m e a s u r e m e n t s F i g u r e 5 . 9 ( a ) V o l t a g e a n d V i \ R f l m v o f t h e s y s t e m w h e r e a t f i x e d t a p a n d ~6 F i g u r e 5 . 9 ( h ) V o l t a g e a n d V i \ R f l m v o l ' t h e s y s t e m w h e r e a t v a r y i n g J ( J t a p ' ' i t h 1 1 S C b a n k S \ \ i t c h i n g O N F i g u r e 6 . 4 1 C i r c u i t d i a g r a m a n d t h e c o n t r o l l e r a r r a n g e m e n t o f t h e s y s t e m . 4 0 F i g u r e 6 A . 2 M a t h e m a t i c a l m o d e l e m p l o y e d i n t h e c o n t r o l l e r f o r d e c i s i o n 4 1 F i g u r e 6 . 4 . 3 S h o \ \ S t h e s i n g l e p h a s e ~HT . . ~ 6 " ' W . - ; r - . > ' · " " . " . . . . . . . l ? ; J t1'1;p~~1' ~ ~:::, . . ' . . , . . . _,~;: · , . . . . ) , \ 1 1 ) ' : . . 1 : . . . ~i · - \ I I L i s t o f T a b l e s T a b l e T a b l e 4 . 6 O u t o f t h e s i m u l a t i o n a n d a c t u a l r e a d i n g T a h k 5 . 1 . V J \ R a n d V o l t a g e ' m i a t i o n a t f i x e d t a p w i t h v a r y i n g l o a d T a b l e 5 . 2 l ' v 1 u l t i m o d e r u n o f t h e s y s t e m \ v i t h v a r i o u s t a p s \ v i t c h i n g c a p a c i t o r b a n k s P a g e 5 1 - , - , _ ) _ ) - , - , _ ) _ ) T a h l c 6 . 6 . 1 N o o l ' s \ v i t c h i n g o p e r a t i o n s u n d e r p r o p o s e d V ; \ R c o n t r o l s c h e m e 5 1 / , ' · ' . . . , . / ' \ ··~\ 1 - . . ·!"~ t~· 1 • n r P n r ~~ ' 7 : - A . [ , \ ' . . ' " ; , j , ' E ' " ' " " · t ' " -,~' . : ; " ' - . , > t • \ I l l C h a p t e r 1 1 . I n t r o d u c t i o n 1 . 1 B a c k g r o u n d T h i s s t u d y i s r e l a t e d t o c o o r d i n a t i n g s h u n t r e a c t a n c e s w i t c h i n g ( B S C B a n k o r R e a c t o r ) i n p o w e r t r a n s m i s s i o n a n d / o r s u p p l y s y s t e m s , a n d i n o n e e m b o d i m e n t , f o r c o o r d i n a t i n g s h u n t c o m p e n s a t i o n s w i t c h i n g w i t h o n l o a d t a p c h a n g e t r a n s f o r m e r s . A s y s t e m a n d m e t h o d f o r c o o r d i n a t i n g s h u n t r e a c t a n c e s w i t c h i n g i n a p o w e r s y s t e m w i t h t r a n s f o r m e r h a v i n g p r i m a r y a n d s e c o n d a r y v o l t a g e f o r s u p p l y i n g l o w v o l t a g e p o w e r t o a l o a d . V o l t a g e ( V ) , C u r r e n t ( 1 ) , P o w e r ( W ) a n d R e a c t i v e p o w e r ( Q ) a r e m e a s u r e d a t b o t h s i d e o f t h e t r a n s f o r m e r f l o w i n g t o t h e l o a d . A P r o g r a m m a b l e L o g i c C o n t r o l l e r ( P L C ) o r I n t e l l i g e n t E l e c t r o n i c D e v i c e ( l E D ) r e c e i v e s a s o n e s e t o f i n p u t m e a s u r e m e n t s o f p r i m a r y v o l t a g e a n d r e a c t i v e p o w e r f l o w i n g t o t h e l o a d a n d a s a n o t h e r s e t o f i n p u t s , p r e d e t e r m i n e r a n g e s e s t a b l i s h i n g h i g h a n d l o w l i m i t s f o r t h e v o l t a g e a n d r e a c t i v e p o w e r . B a s e o n t h e s e i n p u t s , P L C c o n n e c t s o r d i s c o 1 m e c t s a t l e a s t o n e s h u n t r e a c t a n c e t o m a i n t a i n t h e l o a d v o l t a g e s u b s t a n t i a l l y c o n s t a n t . V o l t a g e f l u c t u a t i o n a n d d r o p o n H i g h V o l t a g e A C s y s t e m c a n b e r e d u c e d b y i n s t a l l i n g s t a t i c r e a c t i v e p o w e r g e n e r a t o r s ( S o m e t i m e k n o w n a s V A R g e n e r a t o r s ) o n t h e g r i d s u b s t a t i o n o r o n t h e t r a n s m i s s i o n / d i s t r i b u t i o n l i n e s [ 5 ] . V o l t a g e r e g u l a t i o n i s b a s e d o n t h e f a c t t h a t e s s e n t i a l l y i n d u c t i v e t r a n s m i s s i o n l i n e s , t r a n s f o r m e r s , v o l t a g e i n c r e a s e s i f c a p a c i t i v e c u r r e n t i s i n j e c t e d i n t o t h e s y s t e m b y f o r e x a m p l e , c o n n e c t i o n o f a s h u n t c a p a c i t o r a c r o s s t h e l i n e / l o a d . A l t e r n a t i v e l y v o l t a g e c a n b e d e c r e a s e b y c o n n e c t i n g a n d i n d u c t o r a c r o s s t h e l i n e / l o a d ( o r b y r e m o v i n g a p r e v i o u s l y c o n n e c t e d c a p a c i t o r ) . S t a t i c V A R g e n e r a t o r s m a y b e s w i t c h e d a c r o s s t h e l i n e u s i n g e l e c t r o m a g n e t i c r e l a y d e v i c e s c o n t r o l l e d b y a p r e d e t e r m i n e d t i m e r o r u s i n g a t h y r i s t o r . A p r o b l e m f a c i n g m a n y u t i l i t i e s i s c o n t r o l l i n g s h u n t c o m p e n s a t i o n o n v o l t a g e b u s e s e s p e c i a l l y w h e r e v o l t a g e i s a l r e a d y r e g u l a t e d b y a n O n L o a d T a p C h a n g e ( O L T C ) t r a n s f o r m e r . I n a n O L T C t r a n s f o r m e r , t h e l o w s i d e l i n e v o l t a g e d e l i v e r e d t o t h e l o a d i s m o n i t o r e d a n d r e g u l a t e d b y a c o n v e n t i o n a l , f i n e t u n i n g O L T C c o n t r o l l e r . S u c h a c o n t r o l l e r m e a s u r e s a c t u a l l o w s i d e v o l t a g e , c o m p a r e s i t w i t h d e s i r e d v a l u e , a n d t h e n a d j u s t s t h e p o s i t i o n w h e r e t h e O L T C m a k e s c o n t a c t w i t h h i g h s i d e O L T C t r a n s f o r m e r c o i l , e . g . , v i a a c o n t r o l s i g n a l t o a m o t o r i z e d t a p c h a n g e r . T y p i c a l O L T C t r a n s f o r m e r s m a y h a v e 1 6 t o 3 2 t a p p o s i t i o n s , w i t h e a c h p o s i t i o n b e i n g r e p r e s e n t a t i v e o f s o m e f r a c t i o n a l p o r t i o n o f t h e r a t e d v o l t a g e . T h u s , f o r e x a m p l e , a o n e p o s i t i o n t a p c h a n g e o n a 3 2 t a p O L T C t r a n s f o r m e r w o u l d c a u s e a r e l a t i v e l y s m a l l b u s v o l t a g e c h a n g e a s c o m p a r e d w i t h t h e r a t e d o r d e s i r e d o u t p u t v o l t a g e . I n o p e r a t i o n , a n O L T C t r a n s f o r m e r c o m p a r e s t h e s e c o n d a r y s i d e v o l t a g e w i t h b o t h a m i n i m u m a n d a m a x i m u m v o l t a g e t h r e s h o l d . I f e i t h e r t h r e s h o l d i s e x c e e d e d , a t i m e r i s s t a r t e d [ 1 0 ] . I f t h e t i m e r e x c e e d s a p r e d e t e r m i n e d d e l a y p e r i o d , t h e O L T C c o n t r o l l e r m o v e s t h e t a p t o i n c r e a s e o r d e c r e a s e t h e s e c o n d a r y v o l t a g e a s n e c e s s a r y . O L T C t r a n s f o r m e r s f u n c t i o n w e l l t o e f f e c t s m a l l c h a n g e s i n v o l t a g e . H o w e v e r l a r g e v o l t a g e f l u c t u a t i o n s r e q u i r e d s w i t c h i n g o f s h u n t r e a c t a n c e t o e n s u r e t h a t s u f f i c i e n t r e a c t i v e p o w e r i s p r o v i d e d t o t h e s y s t e m , e n d - u s e r s a n d c u s t o m e r s s u c h t h a t s e c o n d a r y v o l t a g e c a n b e h e l d e s s e n t i a l l y c o n s t a n t . S i n c e t h e O L T C c o n t r o l l e r i s a l r e a d y m o n i t o r i n g a n d r e g u l a t i n g t h e s e c o n d a r y d i s t r i b u t i o n v o l t a g e , a s h u n t r e a c t a n c e c o n t r o l u n i t c a n n o t a l s o d i r e c t l y c o n t r o l t h a t s e c o n d a r y d i s t r i b u t i o n v o l t a g e . A s a r e s u l t , m o s t u t i l i t i e s t y p i c a l l y f o l l o w a f a i r l y r i g i d l o a d c y c l e t o e s t i m a t e r o u g h l y w h e n a r e a c t a n c e e l e m e n t , s u c h a s a c a p a c i t o r b a n k , s h o u l d b e s w i t c h e d i n s h u n t a c r o s s t h e l o a d t o o f f s e t a d e c r e a s e i n t h e s e c o n d a r y d i s t r i b u t i o n v o l t a g e f r o m a n i n c r e a s e d l o a d . A f t e r c a p a c i t o r b a n k s w i t c h i n g , T h e O L T C c o n t r o l l e r g r a d u a l l y a d j u s t s t h e t a p t o r e t u r n t h e l o w s i d e v o l t a g e t o t h e d e s i r e d v a l u e . T h i s r i g i d s c h e d u l i n g i s f a r f r o m o p t i m a l b e c a u s e i t f a i l s t o a c c u r a t e l y r e s p o n d t o a c t u a l s y s t e m n e e d ( a s o p p o s e d t o s c h e d u l e d e s t i m a t e s ) a n d t o d e t e c t a b n o r m a l s y s t e m c o n d i t i o n . O n t h e o t h e r h a n d t h e p o w e r f a c t o r c o n t r o l l i n g o f t h e s h u n t B S C b a n k t o o h a v e s i m i l a r e f f e c t b e c a u s e i t d i d n o t t a k e i n t o a c c o u n t o f t h e l o w s i d e b u s v o l t a g e v a r i a t i o n . S o m e t i m e w h e n t h e s e t w o c o n t r o l l e r s a r e r e s p o n d i n g t h e r e m a y b e i n s t a n c e s t h a t s o m e h u n t i n g o f t h e t w o c o n t r o l s y s t e m i s e x p e r i e n c e d a n d t h i s t o o n o t g o o d f o r t h e s y s t e m a n d t h e c o m p o n e n t i t s e l f . 1 . 2 O b j e c t i v e s T h e p r e s e n t m e t h o d s e e k s t o o v e r c o m e t h e s e p r o b l e m s b y f l e x i b l y c o o r d i n a t i n g t h e O L T C f i n e t u n e c o n t r o l l e r a n d s h u n t r e a c t a n c e s w i t c h i n g ( B S C o r R e a c t o r ) . M o r e s p e c i f i c a l l y t h i s m e t h o d p r o v i d e s v o l t a g e a n d r e a c t i v e p o w e r r e g u l a t i o n u s i n g a p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r ( P L C ) o r i n t e l l i g e n t e l e c t r o n i c d e v i c e ( l E D ) f o r c o n t r o l l i n g s h u n t c a p a c i t o r s w i t c h i n g i n o r d e r t o a t t a i n f o l l o w i n g e x e m p l a r y o b j e c t i v e s . ) ; > C o o r d i n a t e o f t h e t w o c o n t r o l l e r s f o r m a k i n g o p t i m a l u s e o f t h e B S C b a n k V A R a n d t r a n s f o r m e r O L T C o p e r a t i o n s ) ; > M a i n t a i n t h e d i s t r i b u t i o n a n d t r a n s m i s s i o n v o l t a g e s a t r e q u i r e d s e t v a l u e ; ) ; > T r a c k t h e s t a t i o n l o a d i n g ; ) ; > C o m p l e m e n t s t h e a c t i o n o f t h e O L T C t r a n s f o r m e r ; ) ; > P r o v i d e s u f f i c i e n t d e a d - b a n d a n d t i m e d e l a y s t o a v o i d h u n t i n g ; ) ; > D e t e c t a n d c o m p e n s a t e a b n o r m a l s y s t e m c o n d i t i o n s ; 1 . 3 S c o p e o f w o r k T h i s s t u d y s e e k s t h e f o l l o w i n g p r o b l e m s f a c e d b y t h e G S S . I t i s a l s o n o t e d t h a t f r e q u e n t t a p o p e r a t i o n s o f t h e t r a n s f o r m e r d e t e r i o r a t e t h e d i v e r t e r s w i t c h o f t h e O L T C w h i c h i s m u c h e x p e n s i v e u n i t t o b e r e p l a c e d . O n t h e o t h e r h a n d t h e V A R - V o l t a g e O p t i m i s a t i o n d i d n o t t a k e i n t o a c c o u n t w h e n o p e r a t i n g t h e s e t w o c o n t r o l l e r s b e c a u s e t h e y a r e r e s p o n d e d b y i n d e p e n d e n t l y . ) ; > S t u d y i n g t h e e x i s t i n g T r a n s f o r m e r A V R a n d B S C b a n k c o n t r o l s y s t e m u s e d i n C E B T x . N e t w o r k ; 2 ) ; > C h e c k w h e t h e r p a r a m e t e r i z a t i o n s h a v e b e e n p r o p e r l y d o n e ; ) ; > S t u d y i n g t h e a v a i l a b l e a b o v e c o n t r o l l e r s i n t h e p r e s e n t m a r k e t ; ) ; > S i m u l a t e t h e Q - V v a r i a t i o n / r e q u i r e m e n t i n g r i d b y u s i n g P S C A D ; ) ; > S i m u l a t e t h e p r e s e n t Q - V h u n t i n g p r o b l e m a t 3 3 k V b u s b a r w i t h u s i n g a c t u a l l o a d s ; ) ; > C h e c k w h e t h e r t h i s c o u l d b e o v e r c o m e b y c h a n g i n g a l l p o s s i b l e p a r a m e t e r s i n A V R a n d c a p a c i t o r c o n t r o l l e r ; ) ; > P r o v e t h a t c o m m u n i c a t i o n i s n e e d e d b e t w e e n A V R a n d c o n t r o l l e r t o o v e r c o m e t h e p r o b l e m ; ) ; > S e e k p o s s i b i l i t i e s o f d e s i g n i n g a c o n t r o l m o d u l e b e t w e e n t w o u n i t s ; ) ; > I f i t i s n o t w o r k a b l e , t h e n d e s i g n a i n t e g r a t e d c o n t r o l m o d u l e t o c a t e r b o t h f u n c t i o n s i n a s i n g l e m o d u l e ; 1 . 4 P r e s e n t p r o b l e m s i n A V R a n d P F c o n t r o l i n T r a n s m i s s i o n G r i d s S u b s t a t i o n s M o s t o f t h e u t i l i t y s y s t e m s t h a t d e l i v e r s p o w e r t o c u s t o m e r , p r i m e s t a t u t o r y o b l i g a t i o n i s t o k e e p t h e v o l t a g e a s m u c h a s p o s s i b l e a t c o n s t a n t a t d e l i v e r y p o i n t o f t h e s u b s t a t i o n . V o l t a g e c o n t r o l m a i n l y d o n e b y t r a n s f o r m e r A V R c o n t r o l w h i c h c h a n g e s t h e t u r n r a t i o o f t h e t r a n s f o r m e r p r i m a r y w i n d i n g . S o m e t i m e t h e r e a r e G S S w h i c h i n s t a l l e d a b r e a k e r s w i t c h c a p a c i t o r t o c o n t r o l V A R f l o w o f t h e s u b s t a t i o n [ 2 ] . W h e n t h e s e t w o s y s t e m s r e s p o n s e s t o t h e d i f f e r e n t p a r a m e t e r s t h e y a r e f i n a l l y a d j u s t t h e v o l t a g e a n d V A R i n t h e s u b s t a t i o n . F o l l o w i n g o p e r a t i o n a l c o n s t r a i n t s h a v e t o b e t a k e n i n t o a c c o u n t w h e n s t u d y i n g t h e s y s t e m a s a u n i t [ 3 ] . • A V R s y s t e m c o n n e c t e d t o t r a n s f o r m e r s i s c o n t r o l l e d b y s y s t e m v o l t a g e ; • P F c o n t r o l l e r c o n n e c t e d t o c a p a c i t o r s i s o p e r a t e d a s p e r Q r e q u i r e m e n t s ; • N o c o o r d i n a t i o n b e t w e e n A V R a n d P F c o n t r o l l e r s t h o u g h t h e y c o n t r o l s y s t e m Q a n d V ; • E x p e r i e n c e t h e h u n t i n g p h e n o m e n a i n b o t h A V R a n d P F c o n t r o l l e r s ; 3 C h a p t e r 2 2 . A u t o m a t i c V o l t a g e C o n t r o l ( A V R ) o f t r a n s f o r m e r i n S u b s t a t i o n s 2 . 1 . P o w e r T r a n s f o r m e r s a n d t h e O n L o a d T a p C h a n g e r ( O L T C ) P r e s e n t l y C E B G r i d S u b s t a t i o n h a s b e e n i n s t a l l e d w i t h t w o t o t h r e e , n u m b e r s 3 1 . 5 M V A t r a n s f o r m e r s w h i c h a r e e q u i p p e d w i t h O n L o a d T a p C h a n g e r ( O L T C ) . T y p i c a l O L T C t r a n s f o r m e r s m a y h a v e 1 6 t o 3 2 t a p p o s i t i o n s , w i t h e a c h p o s i t i o n b e i n g r e p r e s e n t a t i v e o f s o m e f r a c t i o n a l p o r t i o n o f r a t e d v o l t a g e . T h u s , f o r e x a m p l e , a o n e p o s i t i o n t a p c h a n g e o n a 3 2 t a p O L T C t r a n s f o r m e r w o u l d c a u s e a r e l a t i v e l y s m a l l 3 3 k V b u s v o l t a g e c h a n g e a s c o m p a r e d w i t h t h e r a t e d o r d e s i r e d o u t p u t v o l t a g e . T y p i c a l s t e p s i z e o f t h e t a p v o l t a g e i s 1 . 5 % t o 1 . 2 5 % o f t h e r a t e d v o l t a g e . T h e O L T C i s p l a c e d o n t h e h i g h v o l t a g e s i d e w i n d i n g o f t h e t r a n s f o r m e r d u e t o e c o n o m i c a n d e a s y i n s u l a t i o n c o o r d i n a t i o n . F i g u r e 2 . 1 s h o w s h o w t h e e n t i r e s y s t e m o p e r a t e s w i t h i t s c o m p o n e n t s . D d m t > d m o v e m e n t o f t M O T O R D R I V E E D D r i v e S h a f t R E G U L A T I N G T R A N S F O R M E R C h a n g i n g t h e T r a n s f o r m e r R a t i o ~ ~ ~ 1- ---~--------, u < - - - - - - - - - . , L O A D P R O F I L E • N e e d o f P o w e r , C h a n g e s l C o n t r o l p u l s e f o r c h a n g i n g < : t h e t a p p n " t 1 o n j T A P C O N " t L - - - - - - - - - - . . J D E S I R E D V O L T A G E L E V E L J M a t c h i n g A c t u a l a n d D e s i r e d V o l t a g e - - - R e g u l a t i n g c i r c u i t - - - - P o w e r g r i t F i g u r e 2 . 1 T y p i c a l a r r a n g e m e n t o f O L T C a n d A V R s y s t e m i n t r a n s f o r m e r s 2 . 2 . O L T C c o n t r o l p r i n c i p l e s f o r p a r a l l e l i n g t r a n s f o r m e r s i n t h e G S S A u t o m a t i c O n - L o a d T a p - C h a n g e r C o n t r o l o f p a r a l l e l t r a n s f o r m e r s c a n b e m a d e a c c o r d i n g t o t h r e e d i f f e r e n t m e t h o d s : 1 . R e v e r s e R e a c t a n c e m e t h o d 2 . M a s t e r - F o l l o w e r m e t h o d 3 . M i n i m u m C i r c u l a t i n g C u r r e n t m e t h o d [ 1 ] , [ 1 0 ] 4 U n l i k e t h e f i r s t m e t h o d , t h e l a s t t w o m e t h o d s r e q u i r e e x c h a n g e o f s i g n a l s a n d m e a s u r e d v a l u e s b e t w e e n t h e t r a n s f o r m e r s , o r b e t w e e n t h e t r a n s f o r m e r s a n d a c e n t r a l c o n t r o l u n i t . H o w e v e r , t h e d r a w b a c k w i t h t h e f i r s t m e t h o d i s t h a t t h e v o l t a g e c o n t r o l w i l l b e a f f e c t e d b y c h a n g e s i n t h e l o a d p o w e r f a c t o r . T h e M a s t e r - F o l l o w e r m e t h o d i s g e n e r a l l y l i m i t e d t o a p p l i c a t i o n s w i t h s i m i l a r t r a n s f o r m e r s , w h i l s t t h e c i r c u l a t i n g c u r r e n t m e t h o d , w h i c h i s t y p i c a l l y a v a i l a b l e i n n e w n u m e r i c a l A V R s , a l s o h a n d l e s , i n a n e l e g a n t w a y , t h e m o r e g e n e r i c c a s e w i t h u n e q u a l t r a n s f o r m e r s i n p a r a l l e l o p e r a t i o n . 2 . 2 . 1 . O p e r a t i o n s o f t h e M a s t e r - F o l l o w e r M e t h o d : I n t h i s m e t h o d t h e t w o t r a n s f o r m e r s w h i c h a r e i n e q u a l i m p e d a n c e c o n n e c t e d i n p a r a l l e l . T h e s e c o n d a r y s i d e v o l t a g e a n d c u r r e n t a r e t a k e n t h r o u g h V o l t a g e T r a n s f o r m e r ( V T ) a n d C u r r e n t T r a n s f o r m e r ( C T ) i n t o t h e A u t o m a t i c V o l t a g e C o n t r o l ( A V R ) d e v i c e s . T h e r e i s a l s o l o g i c f o r t h e t w o t r a n s f o r m e r s w h e r e b o t h t r a n s f o r m e r s a r e i n p a r a l l e l , o n l y o n e A V R i s a c t e d a n d i t i s c a l l e d M a s t e r a n d t h e o t h e r s i m p l y f o l l o w s t h e m a s t e r [ 1 0 ] . F o r t h e s e o p e r a t i o n s , t h e l o g i c w a s t a k e n f r o m e a c h s e c o n d a r y s i d e c i r c u i t b r e a k e r a u x i l i a r y c o n t a c t . T h e r e i s a n o t h e r f u n c t i o n c a l l e d i n d e p e n d e n t w h i c h o p e r a t e u n d e r s e c o n d a r y s i d e ( 3 3 k V ) b u s - c o u p l e r i s o p e n e d p o s i t i o n . I n t h a t c a s e t w o c o n t r o l l e r s a r e i n d e p e n d e n t l y o p e r a t e d w i t h e a c h o t h e r . F i g u r e 2 . 2 . 1 s h o w s s c h i s m a t i c d i a g r a m o f t h e M a t e r f o l l o w e r s y s t e m i n t h e G S S . < b ~ t K V Y . t . 2 0 M V A ~~ ~~ 1 3 2 k V B u s B a r <~ I ' > G a l l e G S I n c r e a s e T a o I n c r e a s e T a p D e c r e a s e T a o M a s t e r F o l l o w e r u e c r e a s e T a p ~~ I n d e p e n d e n t ( M F , ) L o g i c ~~ b a n k B 1 ~1"-\ B S C b a n k A · r I I I I I 1 c - - w T r 1 : : . , J 3 k V P T 1 A V R A V R 3 3 k V P T 1 1 : : . . . . , . . C o n t r o l l e r ~ ~ C T 1 " " ~ C o n t r o l l e r . . . . . , C T 1 4 T F 1 T F 1 ~~ ~ ~ r - e a ~ ~ I I ' - " T l T I I F i g u r e 2 . 2 . 1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e m a s t e r - f o l l o w e r s y s t e m 2 . 2 . 2 . O p e r a t i o n s o f t h e M i n i m u m C u r r e n t C i r c u l a t i o n M e t h o d : T w o m a i n o b j e c t i v e s o f v o l t a g e c o n t r o l o f p a r a l l e l t r a n s f o r m e r s w i t h t h e c i r c u l a t i n g c u r r e n t m e t h o d a r e : 1 . R e g u l a t e t h e L V s i d e b u s b a r v o l t a g e t o t h e p r e s e t t a r g e t v a l u e 2 . M i n i m i z e t h e c i r c u l a t i n g c u r r e n t , i n o r d e r t o a c h i e v e o p t i m a l s h a r i n g o f t h e r e a c t i v e l o a d b e t w e e n p a r a l l e l o p e r a t i n g t r a n s f o r m e r s l T h e f i r s t o b j e c t i v e i s t h e s a m e a s f o r t h e v o l t a g e c o n t r o l o f a s i n g l e t r a n s f o r m e r w h i l e t h e s e c o n d o b j e c t i v e t r i e s t o b r i n g t h e c i r c u l a t i n g c u r r e n t , w h i c h a p p e a r s d u e t o u n e q u a l L V 5 s i d e n o l o a d v o l t a g e s i n e a c h t r a n s f o r m e r , i n t o a n a c c e p t a b l e v a l u e . F i g u r e 2 2 . 2 s h o w s a n e x a m p l e w i t h t w o t r a n s f o r m e r s c o n n e c t e d i n p a r a l l e l . I f t r a n s f o r m e r T l h a s h i g h e r n o l o a d v o l t a g e ( i . e . U r 1 ) i t w i l l d r i v e a c i r c u l a t i n g c u r r e n t w h i c h a d d s t o t h e l o a d c u r r e n t i n T l a n d s u b t r a c t s f r o m t h e l o a d c u r r e n t i n T 2 . I t c a n b e s h o w n t h a t t h e m a g n i t u d e o f t h e c i r c u l a t i n g c u r r e n t i n t h i s c a s e c a n b e a p p r o x i m a t e l y c a l c u l a t e d w i t h t h e f o l l o w i n g f o r m u l a [ 1 ] : l i c e _n l = l i c e _T~ I = L - : - n - U n Z n + Z n B e c a u s e t r a n s f o r m e r i m p e d a n c e s a r e d o m i n a n t l y i n d u c t i v e i t i s p o s s i b l e t o u s e o n l y t h e t r a n s f o r m e r r e a c t a n c e i n t h e a b o v e f o r m u l a . A t t h e s a m e t i m e t h i s m e a n s t h a t t r a n s f o r m e r T 1 c i r c u l a t i n g c u r r e n t l a g s t h e b u s b a r v o l t a g e a l m o s t 9 0 ° , w h i l s t t r a n s f o r m e r T 2 c i r c u l a t i n g c u r r e n t l e a d s t h e b u s b a r v o l t a g e b y a l m o s t 9 0 ° . T h i s a l s o m e a n s t h a t t h e c i r c u l a t i n g c u r r e n t i s m a i n l y r e a c t i v e i n n a t u r e , a n d i t o n l y r e p r e s e n t s r e a c t i v e p o w e r t h a t c i r c u l a t e s b e t w e e n t w o t r a n s f o r m e r s c o n n e c t e d i n p a r a l l e l . T h e r e f o r e b y m i n i m i z i n g t h e c i r c u l a t i n g c u r r e n t f l o w t h r o u g h t h e t r a n s f o r m e r s , t h e t o t a l r e a c t i v e p o w e r f l o w t h r o u g h t h e p a r a l l e l - c o n n e c t e d t r a n s f o r m e r g r o u p i s o p t i m i s e d a s w e l l . A t t h e s a m e t i m e , a t t h i s o p t i m u m s t a t e t h e a p p a r e n t p o w e r f l o w i s d i s t r i b u t e d a m o n g t h e t r a n s f o r m e r s i n t h e g r o u p i n d i r e c t p r o p o r t i o n t o t h e i r r a t e d p o w e r . T h e r e f o r e a n A V R [ 1 ] , r e g a r d l e s s o f w h e t h e r i t i s u s e d f o r s i n g l e o r p a r a l l e l t r a n s f o r m e r c o n t r o l , a l w a y s r e a c t s a n d c h a n g e s O L T C p o s i t i o n i n a c c o r d a n c e w i t h L V s i d e l o a d v a r i a t i o n s . H o w e v e r , t h e A V R w i l l a s w e l l r e a c t o n a b n o r m a l v o l t a g e v a r i a t i o n s o n t h e h i g h v o l t a g e ( H V ) s i d e o f t h e p o w e r t r a n s f o r m e r . S o m e t i m e s s u c h A V R b e h a v i o u r i s n o t d e s i r a b l e b e c a u s e i t j u s t f u r t h e r i n c r e a s e s t h e t o t a l l o a d o n t h e H V s y s t e m ( i . e . t r a n s m i s s i o n s y s t e m ) . E s p e c i a l l y , s u c h b e h a v i o u r s h a l l b e p r e v e n t e d d u r i n g c r i t i c a l o p e r a t i o n s t a t e s o f t h e t r a n s m i s s i o n s y s t e m s u c h a s a s l o w p o w e r s y s t e m v o l t a g e c o l l a p s e [ 5 ] . /1~.12 U n I T + o l . , j Zn n lh > l l r 1 T 1 T 2 < = > Z T 1 4 3 Lr' l · U s --L--.,---~- ~r 'l l . \ . _ u L F i g u r e 2 . 2 2 E q u i v a l e n t s c h e m e f o r t w o p a r a l l e l t r a n s f o r m e r s i n a c c o r d a n c e w i t h m i n i m i z i n g c i r c u l a t i n g c u r r e n t m e t h o d 6 2 . 3 . C o n t r o l l i n g p h i l o s o p h y A t y p i c a l A V R m e a s u r e s t h e b u s b a r v o l t a g e ( U s ) a t t h e p o w e r t r a n s f o r m e r L V s i d e , a n d i f n o o t h e r a d d i t i o n a l f e a t u r e s a r e e n a b l e d ( i . e . l i n e d r o p c o m p e n s a t i o n ) t h i s v o l t a g e i s u s e d f o r v o l t a g e r e g u l a t i o n . T h e v o l t a g e c o n t r o l a l g o r i t h m t h e n c o m p a r e s U s w i t h t h e s e t t a r g e t v o l t a g e ( U s e t ) a n d d e c i d e s w h i c h a c t i o n s h o u l d b e t a k e n . B e c a u s e t h i s c o n t r o l m e t h o d i s b a s e d o n a s t e p - b y - s t e p p r i n c i p l e , a d e a d - b a n d t , U ( i . e . d e g r e e o f i n s e n s i t i v i t y ) i s i n t r o d u c e d i n o r d e r t o a v o i d u n n e c e s s a r y s w i t c h i n g a r o u n d t h e t a r g e t v o l t a g e . T h e d e a d - b a n d i s t y p i c a l l y s y m m e t r i c a l a r o u n d U s e t a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 3 D e a d - b a n d s h o u l d b e s e t t o a v a l u e c l o s e t o t h e p o w e r t r a n s f o r m e r s O L T C v o l t a g e s t e p . T y p i c a l s e t t i n g i s 7 5 % o f t h e O L T C s t e p [ 2 ] . : • Securi~j R a r l \ j e A u t o m x l e ' I R a i s e C m . : l ~._.'"' I I I J J : 4 ' " ' ' " " l i i J J o ! ~ L O ' i \ > e r C m : t F a s t L o w e r C m d R a i s e C m d i s B l o d i : e d V o l t a g e M a g n i t u d e F i g u r e 2 . 3 T y p i c a l A V R V o l t a g e S c a l e f o r A u t o m a t i c O L T C C o n t r o l D u r i n g n o r m a l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s t h e b u s b a r v o l t a g e U s , s t a y s w i t h i n t h e d e a d - b a n d . I n t h a t c a s e n o a c t i o n s w i l l b e t a k e n b y t h e A V R . H o w e v e r , i f U s b e c o m e s s m a l l e r t h a n U 1 o r g r e a t e r t h a n U 2 ( s e e F i g u r e 2 . 3 ) , a n a p p r o p r i a t e l o w e r o r r a i s e t i m e r w i l l s t a r t . T h e t i m e r w i l l r u n a s l o n g a s t h e m e a s u r e d v o l t a g e s t a y s o u t s i d e t h e i n n e r d e a d - b a n d . I f t h i s c o n d i t i o n p e r s i s t s f o r l o n g e r t h a n a p r e s e t t i m e , t h e a p p r o p r i a t e L O W E R o r R A I S E c o m m a n d w i l l b e i s s u e d . I f n e c e s s a r y , t h e p r o c e d u r e w i l l b e r e p e a t e d u n t i l t h e b u s b a r v o l t a g e i s a g a i n w i t h i n t h e i n n e r d e a d - b a n d [ 1 ] . T h e m a i n p u r p o s e o f t h e t i m e d e l a y i s t o p r e v e n t u n n e c e s s a r y O L T C o p e r a t i o n s d u e t o t e m p o r a r y v o l t a g e f l u c t u a t i o n s . T h e t i m e d e l a y m a y a l s o b e u s e d f o r O L T C c o - o r d i n a t i o n i n r a d i a l d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s i n o r d e r t o d e c r e a s e t h e n u m b e r o f u n n e c e s s a r y O L T C o p e r a t i o n s . T h i s c a n b e a c h i e v e d b y s e t t i n g a l o n g e r t i m e d e l a y f o r A V R s l o c a t e d c l o s e r t o t h e e n d c o n s u m e r a n d s h o r t e r t i m e d e l a y s f o r A V R s l o c a t e d a t h i g h e r v o l t a g e l e v e l s 2 . 4 . S e t t i n g o f p a r a m e t e r s o f t h e A V R i n t h e C E B n e t w o r k : A . B a n d w i d t h ( B W ) - L ' , U = U s t * 1 . 6 ( U s t = 1 . 2 5 % o f U r a t e d o r 1 . 5 % ) B . T i m e ( R a t e o f c h a n g e o f v o l t a g e ) , 1 0 s e c o n d c u r v e F o l l o w i n g F i g u r e 2 . 4 . ( a ) a n d F i g u r e 2 . 4 . ( b ) s h o w s h o w d o e s t h e t w o p a r a m e t e r s f u n c t i o n s i n t h e A V R c o n t r o l l e r . I t v e r y i m p o r t a n t t o s e t t h e s e t w o p a r a m e t e r s a c c o r d i n g t o t h e p o w e r s y s t e m o p e r a t i o n c o n d i t i o n o t h e r w i s e i t w i l l r u i n s t o h u n t i n g a n d t r a n s i e n t c o n d i t i o n s o f t h e s y s t e m [ 2 ] . 7 6 U d o s n d : V o l t a g e l e v e l i n k V N B % : B a n d w i d t h I n % d U : R e g u l a t i o n d e v i a t i o n S w i t c h i n g o p e r a t i o n T 1 . " ' : : . u } ' : 7 : " a c t u a l N o s w i t c h i n g o p e r a t i o n B a n d w i d t h r a n g e - - - - - + T • : E x c e s s o f b a n d w i d t h a n d c o r r e s p o n d i n g s w i t c h i n g o p e r a t i o n . U d e s i r e d F i g u r e 2 . 4 . ( a ) T h e b a n d w i d t h a n d t h e e r r o r t h r e s h o l d t i m e s e t t i n g s e t i n t h e A V R 9 ~u ( o t o J E ( O f o ) R e g u l a t i n g d e v i a t i o n 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 t [ s ] 1 8 0 ~U/E- v o l t a g e c h a n g e ~U i n O f o o f t h e d e s i r e d v a l u e , i n r e l a t i o n t o t h e s e t b a n d w i d t h i n O f o o f t h e d e s i r e d v o l t a g e l e v e l . F i g u r e 2 . 4 . ( b ) H o w d o e s t h e t i m e s e t t i n g c u r v e s e l e c t e d f o r v a r i o u s c o n d i t i o n s i n A V R 2 . 5 . I n t e r n a l h a r d w a r e s t r u c t u r e o f t h e T r a n s f o r m e r A V R a n d h o w i t o p e r a t e s : F i g u r e 2 . 5 . 1 s h o w s a r r a n g e m e n t o f t h e s y s t e m c o m p o n e n t s o f t h e c o n v e n t i o n a l A V R . T h e d e s c r i p t i o n o f t h e s e c o m p o n e n t s w i l l b e p r i m a r i l y i n t e r m s o f f u n c t i o n s , w i t h s u i t a b l e h a r d w a r e a n d s o f t w a r e b e i n g u s e d t o a c h i e v e r e q u i r e d f u n c t i o n s . T h e A V R u n i t i s c o n s t r u c t e d s o a s t o h a v e : ( 1 ) A d e v i a t i o n i n t e g r a t i n g f u n c t i o n 1 0 0 0 f o r i n t e g r a t i n g t h e d e v i a t i o n V 3 b e t w e e n s y s t e m - v o l t a g e V 1 w h i c h i s i n p u t t o t h e a p p a r a t u s a n d a r e f e r e n c e v o l t a g e V 2 f o r a c o n s t a n t t i m e p e r i o d , t h i s f u n c t i o n b e i n g s h o w n i n t h e f i g u r e ; 8 ( 2 ) A s y s t e m - v o l t a g e s t a t u s e v a l u a t i n g f u n c t i o n 2 0 0 0 f o r i d e n t i f y i n g f e a t u r e s c a p a b l e o f i m p r o v i n g t h e v o l t a g e c h a r a c t e r i s t i c s a n d r e d u c i n g t h e f r e q u e n c y o f t a p c h a n g e o f a t a p c h a n g i n g t r a n s f o r m e r ; ( 3 ) A n i n t e g r a t i o n c o n s t a n t c o r r e c t e d v a l u e i n f e r r i n g f u n c t i o n 3 0 0 0 f o r i n f e r r i n g a n i n t e g r a t i o n c o n s t a n t c o r r e c t e d v a l u e b y i n p u t o f t h e r e s u l t d e r i v e d b y t h e s y s t e m - v o l t a g e s t a t u s e v a l u a t i n g f u n c t i o n 2 0 0 0 u s i n g f u z z y i n f e r e n c e o n t h e b a s i s o f a n i n t e g r a t i o n c o n s t a n t c o r r e c t i n g r u l e , w h i c h r u l e e x p r e s s e s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s t a t u s e v a l u a t i o n r e s u l t a n d t h e i n t e g r a t i o n c o n s t a n t c o r r e c t e d v a l u e ; ( 4 ) A j u d g i n g f u n c t i o n 4 0 0 0 f o r j u d g i n g w h e t h e r o r n o t s w i t c h i n g o f t h e t a p i s n e c e s s a r y ; t h i s i s o n t h e b a s i s o f c o n s i d e r a t i o n o f t h e c o r r e c t e d v a l u e o b t a i n e d b y t h e i n f e r r i n g f u n c t i o n 3 0 0 0 ; ( 5 ) A n o n - l o a d t a p c h a n g i n g t r a n s f o r m e r 5 0 0 0 t o b e c o n t r o l l e d . 5 0 0 0 S u b s t a t i o n t r a n s f o r m e r u n d e r c o n s i d e r a t i o n r V s P r o g r a m I I I ~ lv s a b I • 1 2 0 - , 4 0 0 0 V h - V h > K ' K f I I L l l~·coowm·;;;;;;o.-WHOO;o;M.-.a,..,~- - ml>edcleO-IA-t~ s y a t e - - - - - _ j F i g u r e 2 . 5 . 1 H a r d w a r e a r r a n g e m e n t a n d o p e r a t i o n a l b l o c k o f t h e A V R s y s t e m ~ ·~I • d I - - = . . J • A o J r o i ..!:J~..::.l F i g u r e 2 . 5 2 F r o n t v i e w o f t h e m o d e m M R T a p c o n 2 6 0 A V R c o n t r o l r e l a y a n d 9 M K 3 0 r e l a y () l ' 'r, !. ,I [0[[H.I\X[ Ll! J.IC S.lJlll.lOJSUC.l) tl\\l)UIJ)S,\S [O.l)llO) ([ i\ V Jl[l JO S)li;'JllOdUlm ;3L[) pue lllH.tilt~!P LlO!Fl;)llllO) )!)Hlll;)L[)S f S'Z: ;)Jilfi!:J .--·-·-------·-·-----·-r·-·• I ' C/) H 0 I=-=:-..::-.:::-.::-;.::-;.::-;.:::-.::::-.::-;.::-;..:~ ~-~------~---~-~ " I I L--·-·-·-·-·-·-·-·----~ .---------------------'h~·-·-. -·-.-.-.-.-.-.-., C».N-SrlLD n -u L..t.N-l>NL' c: (.I•JU4 CAk ~HLLJ CAt\ l n v (.AN GUD c: C~rt-!t ,., I (--::: _·:: .·:::::::::::::::::::: _.::: ::; C/) c ' ~:=:::=:::::::::::::::~ _;_~1__ +---i---£ MEA.SUHLtpH U m". :IH L_ __________________________________ ~~L-~''L'~-+1--~ .. , I ::: ~;~:~~~~=~~~:-~-"c"; .~ .. ~~_::11. .. H j-----+---+----f.----------------------------...,.J:l.L--'--o--.. r!.,~-... -... -.. ._I£ 11LJtStl«t.tK:...'•d H ff.ll J ········--~~·-·"""" I I : _-_· .-_· ---· _-_· _-_-_-_-.-.: .-_-.-.: _-_· ---~ (f) H 0 C h a p t e r 3 3 . M e t h o d s u s e d f o r c o n t r o l l i n g t h e c a p a c i t o r b a n k s i n S u b s t a t i o n s 3 . 1 S h u n t C a p a c i t o r s U s e o f c a p a c i t o r b a n k s i n u t i l i t y s u b s t a t i o n s a s a s o u r c e o f r e a c t i v e p o w e r i s n o t n e w t o e l e c t r i c i t y t r a n s m i s s i o n a n d d i s t r i b u t i o n . T h e y a r e c o m p a r a t i v e l y i n e x p e n s i v e , e a s y a n d q u i c k t o i n s t a l l , a n d c a n b e d e p l o y e d a t a n y l o c a t i o n . T h e r e f o r e , t h i s i s o n e o f t h e m o s t e c o n o m i c a l w a y o f g e n e r a t i n g t h e r e a c t i v e p o w e r r e q u i r e m e n t a n d m a i n t a i n i n g t h e v o l t a g e s t a b i l i t y i n p o w e r s y s t e m s i n c o m p a r i s o n t o t h e o t h e r s i m i l a r d e v i c e s s u c h a s s t a t i c V A R c o m p e n s a t o r s , S T A T C O M d e v i c e s e t c . C a p a c i t o r B a n k s c o n s i s t o f i n d i v i d u a l c a p a c i t o r u n i t s w h e r e s u c h a u n i t i s a c o m b i n a t i o n o f s h u n t o r s e r i e s s e t o f c a p a c i t o r e l e m e n t s . D e p e n d i n g o n t h e b a n k s i z e , t h o s e u n i t s a r e a g a i n c o n n e c t e d i n s e r i e s o r p a r a l l e l t o g i v e t h e r e q u i r e d s i z e . I n m e d i u m a n d h i g h v o l t a g e l e v e l s , s i z i n g o f t h e c a p a c i t o r s i n p a r a l l e l c o m b i n a t i o n s i n b a n k s g e n e r a l l y h a s t o c o n s i d e r t h e d i s c h a r g e e n e r g y t h r o u g h a s h o r t e d p a r a l l e l c a p a c i t o r i n t h e s a m e g r o u p [ 8 ] , [ 4 ] . T h e s e c a p a c i t o r s b a n k s a r e f i x e d o r s w i t c h e d t y p e a c c o r d i n g t o a l o c a l r e q u i r e m e n t . T h e s w i t c h e d t y p e c a p a c i t o r b a n k s g i v e a p o o r r e g u l a t i o n d u e t o s t e p w i s e c o n n e c t i o n s . T y p i c a l a p p l i c a t i o n s o f c a p a c i t o r b a n k s a t d i f f e r e n t l o c a t i o n s a r e s h o w n i n F i g u r e 3 . 2 3 . 2 D i f f e r e n t t y p e s o f C a p a c i t o r b a n k s D i f f e r e n t t y p e s o f c a p a c i t o r b a n k s a r e a v a i l a b l e i n t h e p r e s e n t m a r k e t . M e t a l e n c l o s e d t y p e , p a d m o u n t e d t y p e , s t a c k - r a c k b a n k s a n d p o l e t i p m o u n t e d t y p e s a r e t h e m o s t c o m m o n t y p e i n u t i l i t y a p p l i c a t i o n s [ 8 ] . M e t a l e n c l o s e d t y p e b a n k s s p e c i f i c a l l y m a d e f o r i n d o o r i n s t a l l a t i o n s . P a d m o u n t e d c a p a c i t o r b a n k s a r e a l s o e n c l o s e d i n a m e t a l e n c l o s u r e a n d c o m m o n l y u s e d f o r a r e a s w h e r e a c c e s s i b l e t o p u b l i c . N o r m a l l y , m e t a l e n c l o s e d a n d p a d m o u n t e d u n i t s c o m e w i t h f a c t o r y a s s e m b l e d a n d t e s t e d h e n c e t h e i n s t a l l a t i o n i s v e r y e a s y . T h o s e b a n k s s i g n i f i c a n t l y r e d u c e U l m e c e s s a r y h u m a n i n t e r f e r e n c e s u c h a s t r e s p a s s i n g a n d t a m p e r i n g . T h e y d o n o t n e e d a f e n c e a r o u n d i t . H o w e v e r t h e i r i n i t i a l c o s t i s h i g h c o m p a r e d t o o t h e r t y p e s a n d o n l y a v a i l a b l e u p t o a c e r t a i n v o l t a g e l e v e l . 1 1 F i g u r e 3 . 2 T y p i c a l p a d m o u n t e d C a p a c i t o r b a n k S t a c k r a c k c a p a c i t o r b a n k s a r e c o m m o n l y u s e d i n t h e u t i l i t y s u b s t a t i o n s . T h e i n i t i a l c o s t o f t h e s e i s c o m p a r a t i v e l y l o w a n d a l l c o m p o n e n t s a r e v i s i b l e . T h e c o m p o n e n t s a r e e a s i l y r e p l a c e a b l e a n d a l s o e a s i l y e x p a n d a b l e F i g u r e 3 . 3 S t a c k e d r a c k c a p a c i t o r b a n k T h e p o l e t i p m o u n t e d b a n k s a r e c o m m o n l y u s e d i n d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s f o r i m p r o v i n g t h e v o l t a g e p r o f i l e i n d i s t r i b u t i o n l i n e s . T h o s e a r e a v a i l a b l e a s s m a l l e r b a n k s a n d e l i m i n a t e t h e n e e d f o r s p a c e . T h e m a i n t e n a n c e a n d c o m p o n e n t r e p l a c e m e n t i s l i t t l e d i f f i c u l t . 1 2 , , ' . l ; I . . F i g u r e 3 . 4 T y p i c a l p o l e m o u n t e d c a p a c i t o r b a n k 3 . 3 C o n t r o l l i n g p h i l o s o p h y T h e s w i t c h i n g o f t h e b r e a k e r s w i t c h e d c a p a c i t o r b a n k s i n u t i l i t y s u b s t a t i o n s d e p e n d s o n t h e l o c a l r e q u i r e m e n t s o f e a c h u t i l i t y . B a s i c n e e d f o r s u c h a c o n t r o l i s t o r e g u l a t e t h e b u s v o l t a g e , r e d u c e t h e l o s s e s i n l i n e s a n d t r a n s f o r m e r s a n d t o a v o i d s y s t e m c o n s t r a i n t s [ 9 ] . D e p e n d i n g o n t h o s e , t h e c o n t r o l l i n g p a r a m e t e r m a y b e d i f f e r e n t , a n d m a y b e o n e o f s u c h a s v o l t a g e , V a r , t i m e , t e m p e r a t u r e o r p o w e r f a c t o r . S o m e o f t h e s e p a r a m e t e r s a r e d i r e c t l y r e p r e s e n t t h e s y s t e m p a r a m e t e r s b u t s o m e , f o r e x a m p l e p o w e r f a c t o r c a n b e u s e d a s a n i n d i r e c t m e a s u r e m e n t f o r v a r , l o s s e s e t c , . 3 . 3 . 1 . T e m p e r a t u r e c o n t r o l T h i s i s n o t a t r u e i n d i c a t o r o f t h e s y s t e m s t a t u s a n d a n i n d i r e c t m e a s u r e o n l y . T h e c o n t r o l e f f e c t i v e n e s s d e p e n d s o n h o w w e l l t h e l o a d c h a r a c t e r i s t i c s a r e k n o w n . N o t u s e f u l i n c a s e s w h e r e t h o s e c h a r a c t e r i s t i c s c h a n g e o f t e n . T e m p e r a t u r e c o n t r o l d o e s n o t r e q u i r e a n y c u r r e n t s e n s o r s . 3 . 3 . 2 . T i m e c o n t r o l S o m e w h a t b e t t e r p a r a m e t e r f o r c o n t r o l l i n g a n d h a s t o b e b a s e d o n l o a d c h a r a c t e r i s t i c s . E v e r c h a n g i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s y s t e m l o a d p r o f i l e s d o e s n o t a l l o w t h e o p t i m a l c o n t r o l l i n g w h e n t i m e b a s e d c o n t r o l i s u s e d . T i m e c o n t r o l d o e s n o t r e q u i r e a n y c u r r e n t s e n s o r s . B o t h t i m e a n d t e m p e r a t u r e c o n t r o l l i n g n e e d o n l y s i m p l e a n d i n e x p e n s i v e c o n t r o l l e r s . 1 3 3 . 3 . 3 . C u r r e n t c o n t r o l C u r r e n t c o n t r o l i s n o t a n e f f i c i e n t c o n t r o l b e c a u s e i t r e s p o n d s t o t o t a l l i n e c u r r e n t , a n d a s s u m p t i o n s m u s t b e m a d e a b o u t t h e l o a d p o w e r f a c t o r . C u r r e n t c o n t r o l s r e q u i r e c u r r e n t s e n s o r s . 3 . 3 . 4 . P o w e r f a c t o r c o n t r o l T h e p o w e r f a c t o r i s a n i n d i r e c t m e a s u r e o f t h e V A R l o a d o r t h e l i n e o r t r a n s f o r m e r l o s s e s o f t h e s y s t e m a n d a l w a y s d e p e n d s o n t h e r e a l p o w e r a t t h e t i m e o f m e a s u r e m e n t . F o r s a m e p o w e r f a c t o r , t h e a c t u a l a m o u n t o f V A R l o a d d e p e n d s o r c h a n g e s a c c o r d i n g t o t h e r e a l p o w e r [ 9 ] . T h e s e m e a s u r e m e n t s r e q u i r e b o t h c u r r e n t a n d v o l t a g e s e n s o r s . G e n e r a l l y , p o w e r f a c t o r r e g u l a t i o n o r c o n t r o l i s a d v i s a b l e f o r b u l k c o n s u m e r l o a d s , t o a v o i d l o w l o a d p o w e r f a c t o r s w h i c h a r e p e n a l i z e d b y t h e u t i l i t y c o m p a n i e s . P o w e r f a c t o r i m p r o v e m e n t b y c a p a c i t o r b a n k s i n t h e s u b s t a t i o n d o e s n o t r e d u c e t h e d i s t r i b u t i o n l i n e l o s e s a n d n e i t h e r e l i m i n a t e s d i s t r i b u t i o n l i n e c o n s t r a i n t s [ 1 2 ] . I t w i l l r e l e a s e t h e t r a n s f o r m e r c a p a c i t i e s , r e d u c e s t r a n s m i s s i o n l i n e l o s s e s a n d i m p r o v e t h e v o l t a g e p r o f i l e . H o w e v e r p o w e r f a c t o r i s a n i n d i r e c t m e a s u r e f o r a l l t h e s e . T h e r e f o r e , p o w e r f a c t o r c o n t r o l l e d c a p a c i t o r b a n k s m a y n o t b e f u l l y u t i l i z e d i n m o s t o f t h e t i m e u n l e s s t h e s e t t i n g p a r a m e t e r s a r e c a r e f u l l y a s s e s s e d . Q ~ 0 6 : 0 0 - 0 0 0 0 = > C a p a c i t o r b a n k O X 0 . 4 2 6 R E \ " E R S £ - 0 . 4 2 6 a n d P F < 0 . 9 2 c a p . = > C a p a C i t o r b a n k O F F . F i g u r e 3 . 3 . 4 P o w e r f a c t o r c o n t r o l l i n g p h i l o s o p h y o f t h e B S C b a n k W e h a v e n o t i c e d o c c a s i o n s w h e r e t h e c a p a c i t o r b a n k s k e p t u n c o n n e c t e d d u e t o p o w e r f a c t o r b e i n g w i t h i n l i m i t s w h i l e t h e l o a d s c o n s u m e r e a c t i v e p o w e r t h a n m i n i m u m s w i t c h a b l e s t e p s . S p e c i a l l y , d u r i n g l o w v o l t a g e p r o f i l e s , s i n c e t h e p o w e r f a c t o r d o e s n o t c o n s i d e r b u s v o l t a g e , t h e c a p a c i t o r s m a y b e k e p t u n c o n n e c t e d i f p o w e r f a c t o r i s w i t h i n t h e l i m i t s . T h i s m e a n s t h a t a s a r e s u l t o f t h e s w i t c h e d c a p a c i t o r s t h e y w i l l r e d u c e t r a n s m i s s i o n l i n e l o s s e s a n d i m p r o v e s t h e b u s v o l t a g e , b u t p o w e r f a c t o r i s n o t a m e a s u r e o f t h e n e e d f o r t h e a b o v e . S o , f o r a u t i l i t y s u b s t a t i o n , p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n i s n o t t h e b e s t c o n t r o l c r i t e r i a f o r s w i t c h i n g . T h e a b o v e w i l l b e e x p l a i n e d u s i n g s y s t e m d a t a i n a l a t e r c h a p t e r . 1 4 3 . 3 . 5 . V A R c o n t r o l V A R c o n t r o l i s t h e n a t u r a l m e a n s t o c o n t r o l c a p a c i t o r s b e c a u s e t h e l a t t e r a d d s a f i x e d a m o u n t o f l e a d i n g V A R t o t h e s y s t e m r e g a r d l e s s o f o t h e r c o n d i t i o n s , a n d l o s s r e d u c t i o n d e p e n d s o n l y o n r e a c t i v e c u r r e n t . S i n c e r e a c t i v e c u r r e n t a t a n y p o i n t a l o n g a f e e d e r i s a f f e c t e d b y d o w n s t r e a m c a p a c i t o r b a n k s , t h i s k i n d o f c o n t r o l i s s u s c e p t i b l e t o i n t e r a c t i o n w i t h d o w n s t r e a m b a n k s [ 6 ] . I n a s y s t e m l i k e C E B , t h e r e a r e n o s w i t c h a b l e c a p a c i t o r b a n k s a l o n g t h e d i s t r i b u t i o n f e e d e r s o t h a t t h i s p r o b l e m w i l l n o t a r i s e . H o w e v e r , i n m u l t i p l e c a p a c i t o r f e e d e r s , t h e f u r t h e s t d o w n s t r e a m b a n k s s h o u l d g o o n - l i n e f i r s t a n d o f f - l i n e l a s t . V A R c o n t r o l s r e q u i r e c u r r e n t s e n s o r s a n d t y p i c a l l y c o s t l y . ~ . ! 3 ~ C a p O n I I R e a c t i v e C u u e n t W i t h o u t C a p a c i t o r I C a p O f f I W i t h C a p a c i t o r F i g u r e 3 . 3 . 5 O n e o f t h e m e t h o d s o f c o n t r o l l i n g c a p a c i t o r V A R i n p u t t o t h e s y s t e m 3 . 3 . 6 . V o l t a g e c o n t r o l V o l t a g e c o n t r o l i s u s e d t o r e g u l a t e v o l t a g e p r o f i l e s o n t h e b u s o n w h i c h t h e c a p a c i t o r s a r e c o n n e c t e d t o [ 1 3 ] . H o w e v e r , w h i l e d o i n g t h i s i t m a y n o t c o n s i d e r t h e r e d u c t i o n o f s y s t e m l o s s e s s i n c e l a g g i n g o r l e a d i n g l o w p o w e r f a c t o r s a l w a y s i n c r e a s e t h e c u r r e n t s t h r o u g h i t s c o m p o n e n t s . V o l t a g e c o n t r o l r e q u i r e s n o c u r r e n t s e n s o r s . C o n s i d e r i n g a b o v e p a r a m e t e r s f o r s w i t c h i n g t h e c a p a c i t o r b a n k s , w e c a n d e f i n e t w o c o n c e p t s o f c o n t r o l p h i l o s o p h i e s . F i r s t i s s i n g l e v a r i a b l e s w i t c h i n g t h a t c o n s i d e r s o n l y o n e m e a s u r i n g p a r a m e t e r . S e c o n d c o n c e p t i s m u l t i v a r i a b l e a n d B o o l e a n s w i t c h i n g . I n t h e l a t t e r c a s e m u l t i p l e p a r a m e t e r s a r e m e a s u r e d a n d t h e d e c i s i o n f o r s w i t c h i n g i s d o n e d e p e n d i n g o n t h e o p t i m a l s i t u a t i o n c o n s i d e r i n g b o t h p a r a m e t e r s . T h e f a c t w e h a v e t o c o n s i d e r i s t h e c o s t o f t h e c o n t r o l l e r s . 3 . 4 D e s c r i p t i o n o f t h e e x i s t i n g c o n t r o l l e r i n t h e G a l l e G S . T h e B r e a k e r S w i t c h C a p a c i t o r B a n k s ( B S C ) i s p r o d u c t o f A S E A S w e d e n w h i c h i s w e l l k n o w n p o w e r p r o d u c t m a n u f a c t u r e r b u t i t i s n o m o r e i n t h e m a r k e t a s A S E A . T h e c o n t r o l s y s t e m c o n s i s t s o f t w o u n i t s c a l l e d p r o g r a m m i n g u n i t a n d t h e c o n t r o l u n i t ( B a s i c u n i t ) . T h e p r o g r a m m e s e n t e r e d i n t o t h e R e a d / W r i t e M e m o r y ( R A M ) o f t h e b a s i c u n i t b y m e a n s o f t h e p u s h b u t t o n s o n t h e p r o g r a m m i n g u n i t [ 6 ] . 1 5 T h e b a s i c u n i t w h i c h i s c a l l e d a s A s e a M a s t e r P i e c e 2 0 w o r k s d i g i t a l i n p u t a n d o u t p u t s i g n a l s . T h e i n p u t s i g n a l s a r e c o m e s f r o m d i f f e r e n t t y p e o f s e n s o r s l i k e p o w e r f a c t o r t r a n s d u c e r , c u r r e n t a n d v o l t a g e t r a n s d u c e r s . T h e c o n t r o l p r o g r a m c o n s i s t s o f s e r i e s o f i n s t r u c t i o n e a c h o f w h i c h d o c u m e n t s a s t e p i n t h e p r o g r a m m e m o r y . F i g u r e 3 . 4 . 1 s h o w s t h e b a s i c u n i t o f t h e B S C c o n t r o l l e r a n d F i g u r e 3 . 4 . 2 s h o w s t h e t y p e s o f t r a n s d u c e r s u s e d f o r m e a s u r e m e n t a n d t h e F i g u r e 3 . 4 . 3 s h o w s o n e o f t h e i n t e r n a l p r o g r a m m o d u l e s o f t h e c o n t r o l l e r . F i g u r e 3 . 4 . 1 B a s i c u n i t o f t h e B S C c o n t r o l l e r ( M a s t e r P i e c e 0 2 0 ) F i g u r e 3 . 4 . 2 T y p e o f t h e t r a n s d u c e r s u s e d f o r t h e s i g n a l l i n g 1 6 . . . , ciQ . = . . , ~ ~ .. . ~ co (/ l n C ) Pl ::s ;;> <:" () 0 ::s . . . . . . . ,.. ., 0 " 0 ,..., 0 (] 0 iii 3 C/1 ....... ,..., c () 2 ,..., (1) (1) 3 C) (1) 0 . 0 . (1) 0 . s· . . . . . . . 0 ..... . . ;::: ;- (1) ~ Pl C/1 ....... (1) ,..., '1::) (i)' () (1) 0 N 0 - . . . . ) I X \0 0 X I O S . W A il ll l IX - W A • • • • < : ~ H7 t . . . . 11 l'i1 U: ~~ - i ,. .. .. .. .. .& t... ...J ,. .. .. .. .. _ PI. S it o 4 J ~ I sr c n:r ~t. , - - r - - {P ls !H lH 1 -- ' - - - & n r - - . . . . . . . . . . . _ ,. .. .. .{P lSc I M m t- -- l ~~01 )~1 HOJ )4~4 )'407 rf' .!, ?]~ ~?J - W U C I.O .I 1X · W A . FC I.f ll 1X . W !l f(t (l1 1) ( - W B . fG f ll lX - W A .JU U 1 A l> lt P0 )4 r- - l& I )41 0 1 > -- & H m - W A R 2, 0.1 A ilE PO lS , . - - - & r - ._ _ I )41 1 - \ol ll. FO .O .t AI ~( & H ~ H 11 5/ 4 V ( 7/ A 1/C ~~ HI U - W 8. FH .Il 1 . . . LE ~ - " J" ~J 25 tO JC . . . . . . . . - - - ~n t & I 1/ C ~t <; A , _ _ 1- lo O . I m 1 ~ ~7 1 ' L:J ,!. ._ ... H J5 4 s . . . ~W R r M 1 < / 1 I I I j=B SC -A3 1 . . _ . ,. ,. ._ " " " " - H- ;:1 ~ ~ 1 LR~ H n5 ~ II l.. J, l 6 A 11 t16 8 ( 11 12 1 0 H1 4< lf l'< r M li1 VA M l 211 1. U fl V ( v c 21 ( 5J A v c vc ~ ~ 1 -~P t~ l l? lt ~ P ~ lM : l . . - F G lJC 2 J( 11 A f& l ... . l'! Z~5 1/C ~Z /0 . G AlL E SI S ~~ ' - PR Oi iR AI '1 DI AG RA M H H 2i 8 tt ll ; li ( H lf1 v c M t.H A' III EU T RA NS N CE YL CW E LE CT fliC I R C IT I BO AA D n Eq yt pm et ~t Sla t~< ; Co rn pe tl ~a tl or Co nt ra et N o. _ n e e ta s .r ta l N o. 'J JC »t /n G A -1 7- 1t ,; ;. r n e x t l ' N I I r l g . C i p S . n l . . & e n l a C L O S E c : o n v n a n c 1 8 a l l k 6 l a : U O . . C 2 1 a n g e d 1 1 0 " C L O S E P E N D I N G • N o o e F e r 1'11o·~ C i l ! l 5 a n k C O I \ 1 1 0 1 , l h l ! c . p 8 i l l ' l k - · P < * l t A ! p o l 1 5 w . C I O O e / 0 p t ! < 1 o p e r . l l k l l 1 o c c t m ! C I a n d l h l ! N e = l C t . m ! n t 5 e i 1 6 C < A ! I ! A Y 1 & t t t e neu~ cWte~~l v a l u e . Y l l t o n c a p C o n l r o l t : o n n g u r a b l o S o t l l n g a 1 o 1 a x c o n : t r m T l l n e : 1 0 ~11,...11!• t . 1 1 n c o n n n n P e r c e n t 7 5 % F a l l . . - e P e r o e n t 2 5 % O p e m l n g R a n g e - 4 . 5 0 1 1 0 • s o k V A R f l r i t A Y a U . Dl e c . p 8 a n t : E O I I l V A R " • c ~ ~Camenr~ S e n . a r r - o - w . . , C l i P C c r k a l l O N y ) F l E X P a g i n g ( A d d i t i o n a l O n e - W a y C o n w n u n 1 c a t i o n O p t J o n s : R a d i o , D L C , V H F ) ( T w o - Wa y C a n i T U \ i c . n i o n O p t i o n s : I P / s l a c k , B L P . Oig~al C e l l u l a r . O N P 3 . 0 ) 1 0 : 1 ) 6 V A R r e - . g a r 0 l V A R . B o n k t r ; C 2 1 a n g e d I D l h l ! C l O S E D i i i ! < ! ( C O ! I I I r m e < l ) . ~~ . . C < J n l m 1 T l m e . . c a n < e l l e c 1 C B C ) _ ) _ ) _ ~ ) _ ) _ ) _ ~ ) _ ) _ ) _ ' T I F e e d e r 3 F i g u r e 3 . 4 . 4 M o d e m o v e r a l l s y s t e m h o w t h e B S C b a n k s c o n t r o l s u s i n g S C A D A s y s t e m a n d t h e s e r v e r 1 8 " ' . . t i I ' • U B R A R Y i t l l f t R S r T Y O F M O R A T U W A . I I I ~ M O R A T U W A C h a p t e r 4 4 . C a s e s t u d y f o r G a l l e G r i d S u b s t a t i o n A c o m p r e h e n s i v e s t u d y o n t h e r e a l s y s t e m b e h a v i o u r i s a n i m p o r t a n t n e c e s s i t y . F a c t o r s l i k e c o n v e n i e n c e i n f i x i n g e q u i p m e n t , f l e x i b i l i t i e s i n s u p e r v i s i o n e t c , m a d e t h e s e l e c t i o n f u r t h e r e a s y . T h e l o a d c u r v e s b o t h r e a l a n d r e a c t i v e w e r e c o m p a r e d w i t h t h e s y s t e m b e h a v i o u r a n d f o u n d s a t i s f a c t o r i l y m a t c h i n g a n d r e p r e s e n t i n g t h e s y s t e m a s a w h o l e . T h e G a l l e G S i s t h e o n e o f t h e o l d e s t s u b s t a t i o n i n S r i L a n k a . I t c o n s i s t s o f a t w o 1 3 2 k V t r a n s m i s s i o n l i n e w h i c h c o m e s f r o m t h e B a l a n g o d a G S a n d t w o 1 3 2 k V / 3 3 k V p o w e r t r a n s f o r m e r . A p a r t f r o m t h a t G S w a s i n t r o d u c e d S t a t i c V A R C o m p e n s a t o r ( S V C ) a n d f o u r n u m b e r s o f 5 M V A R c a p a c i t o r b a n k s . D u e t o t h e r a d i a l n a t u r e o f t h e s y s t e m t h e v o l t a g e a n d V A R v a r i a t i o n i n t h e G S i s s u b s t a n t i a l c o m p a r e d t o o t h e r G S S i n t h e c o u n t r y . H o w e v e r , s t u d y i n g t h e t o t a l s y s t e m i s p r a c t i c a l l y i m p o s s i b l e i n a l i v e s y s t e m . T h e r e a r e l o t s o f o p e r a t i o n a l d i f f i c u l t i e s f o r p r e c i s e d a t a c o l l e c t i o n a n d m e a s u r e m e n t s i n a n o p e r a t i n g s y s t e m . H o w e v e r , a c a s e s t u d y i s a s u f f i c i e n t a n d s a t i s f a c t o r y s o l u t i o n f o r a r e s e a r c h l i k e t h i s . S u c h a s a m p l e s t u d y h a s t o b e s e l e c t e d t o r e p r e s e n t t h e t o t a l s y s t e m a s a w h o l e . O n t h e o t h e r h a n d , t h e d u r a t i o n d u r i n g w h i c h t h e d a t a c o l l e c t i o n a n d m e a s u r e m e n t s i s d o n e , s h a l l c o v e r a s u b s t a n t i a l d u r a t i o n t o r e p r e s e n t t h e a c t u a l s y s t e m v a r i a t i o n s . T h e g e n e r a l p r a c t i c e o f s u c h a s t u d y i s t o h a v e o n e w e e k d u r a t i o n . 4 . 1 S u b s t a t i o n d e t a i l s S u b s t a t i o n c a p a c i t y I n c o m i n g T r a n s m i s s i o n l i n e N o o f f e e d e r s - 2 x 3 0 M V A t r a n s f o r m e r s - C o n n e c t e d t o B a l a n g o d a G S I D o u b l e c i r c u i t c o n n e c t i o n - 8 N o o f c a p a c i t o r b a n k s - 4 x 5 M v a r M a x i m u m a v e r a g e n i g h t p e a k - 5 9 M W + 3 3 M v a r M i n i m u m a v e r a g e l o a d - 2 7 M W + 1 6 M v a r 4 . 2 C o l l e c t i o n o f t h e s y s t e m d a t a a n d m e a s u r e m e n t s . F o l l o w i n g o n l i n e m e a s u r e m e n t s w e r e r e c o r d e d f o r 7 d a y s c y c l e a t 1 3 2 k V a n d 3 3 k V v o l t a g e l e v e l s . T w o o n l i n e d a t a l o g g e r s w e r e u s e d f o r r e c o r d i n g d a t a , o n e a t 3 3 k V v o l t a g e l e v e l a n d . 3 3 k V s i d e m e a s u r e m e n t s - M W a n d M v a r - 3 3 k V b u s v o l t a g e - P o w e r f a c t o r a t 3 3 k V i n c o m e r - T r a n s f o r m e r 2 - T a p p o s i t i o n o f o n l o a d t a p c h a n g e r - t r a n s f o r m e r 2 1 3 2 k V s i d e m e a s u r e m e n t s - M W & M v a r - P o w e r F a c t o r a t 1 3 2 k V b u s b a r - 1 3 2 k V b u s v o l t a g e 1 9 ~405 4 , . . . ; . . U s i n g t h e s e m e a s u r e d d a t a c o m p u t e r s i m u l a t i o n m o d e l · w a s d e s i g n e d u s i n g P S C A D w h i c h i s t h e s i m u l a t i o n s o f t w a r e u s e d f o r t h e n e t w o r k s i m u l a t i o n s . F o l l o w i n g t h e r e s u l t s o f t h e s e s i m u l a t i o n s , t h e s a m e m e a s u r e m e n t s w e r e d o n e w i t h a l l f o u r c a p a c i t o r b a n k s f o r c i b l y c o n n e c t e d t o t h e s y s t e m . 4 . 3 M e a s u r i n g d e v i c e s a n d d a t a l o g g e r s T h e f o l l o w i n g s t a n d a r d d a t a l o g g i n g e q u i p m e n t w i t h t h e i r s e n s i n g e q u i p m e n t w e r e u s e d i n m e a s u r i n g a n d r e c o r d i n g t h e d a t a . • L E M Q w a v e P r i m i u m - p o w e r q u a l i t y A n a l i z e r • E l l i t e 4 - P h o l y p h a s e p o w e r m e t e r F i g u r e s 4 . 1 a n d 4 . 2 s h o w t h e e q u i p m e n t a n d t h e i r s e n s i n g d e v i c e s u s e d f o r t h e d a t a l o g g i n g a n d r e c o r d i n g . F i g u r e 4 . 1 ( a ) B e n a n a l y z e r c o n n e c t e d f o r 3 3 k V m e a s u r e m e n t s F i g u r e 4 . 1 ( b ) A n a l y z e r c o n n e c t e d f o r 1 3 2 k V m e a s u r e m e n t s 2 0 F i g u r e 4 . 2 H o w t h e s e n s i n g e q u i p m e n t s a r e c o n n e c t e d 4 . 4 V a r i a t i o n o f t h e p o w e r f a c t o r i n t h e s y s t e m F i g u r e s 4 . 3 ( a ) s h o w s a r e g u l a r d a i l y p a t t e r n w i t h t w o p e a k s . O n e p e a k c a n b e o b s e r v e d a r o u n d 5 . 0 0 h r s i n t h e m o r n i n g , d u r i n g t h e m o r n i n g l o a d p e a k . T h e s e c o n d p e a k i s d u r i n g t h e n i g h t p e a k t i m e a t a r o u n d 1 9 . 0 0 h r s . F i g u r e 4 . 3 ( b ) i n d i c a t e s o n e d a y t i m e w i n d o w o f t h e v a r i a t i o n o f t h e P F . 1 . 0 0 0 0 0 . 9 5 0 0 1 - o 0 . . . . . . u r o ~ 0 . 9 0 0 0 1 - o ~ 0 p . . 0 . 8 5 0 0 0 . 8 0 0 0 0 . 7 5 0 0 P o w e r f a c t o r - G a l l e G S S ( 1 5 t h t o 2 5 t h J u l y 2 0 0 9 ) M e a s u r e d a t 3 3 k V b u s a n d 1 3 2 k V b u s - - P F a t 3 3 b u s - P F a t 1 3 2 b u s 1 5 . 0 7 . 0 9 1 6 . 0 7 . 0 9 1 7 . 0 7 . 0 9 1 8 . 0 7 . 0 9 1 9 . 0 7 . 0 9 2 0 . 0 7 . 0 9 2 1 . 0 7 . 0 9 2 2 . 0 7 . 0 9 2 3 . 0 7 . 0 9 2 4 . 0 7 . 0 9 2 5 . 0 7 . 0 9 2 1 : 3 0 : 0 0 1 4 : 1 0 : 0 0 0 6 : 5 0 : 0 0 2 3 : 3 0 : 0 0 1 6 : 1 0 : 0 0 0 8 : 5 0 : 0 0 0 1 : 3 0 : 0 0 1 8 : 1 0 : 0 0 1 0 : 5 0 : 0 0 0 3 : 3 0 : 0 0 2 0 : 1 0 : 0 0 T i m e o f t h e d a y F i g u r e 4 . 3 ( a ) P a t t e r n o f t h e p o w e r f a c t o r m e a s u r e d a t 3 3 k v & 1 3 2 k V l e v e l s o v e r t o t a l m e a s u r e m e n t p e r i o d 2 1 . , t~ , . , 1 . \ ~ ' 0 . 9 8 0 . 9 6 0 . 9 4 0 . 9 2 > : 2 . 0 . 9 . . . Q ) ~ o 0 . 8 8 0 . 0 . 8 6 0 . 8 4 0 . 8 2 0 . 8 0 . 0 P o w e r f a c t o r v a r i a t i o n o n t h e 2 1 s t J u l y 2 0 0 9 a t 5 . 0 G a l l e G S - 3 3 k v s i d c 1 0 . 0 1 5 . 0 2 0 . 0 2 5 . 0 H o u r s 3 0 . 0 P F - 1 3 2 k V s i d e P F F i g u r e 4 . 3 ( b ) P a t t e r n o f t h e p o w e r f a c t o r s m e a s u r e d a t 3 3 k v & 1 3 2 k V l e v e l s o n 2 1 5 1 J u l y 2 0 0 9 4 . 5 S w i t c h i n g p a t t e r n o f c a p a c i t o r b a n k s i n t h e S u b s t a t i o n T h e b e h a v i o u r o f t h e c a p a c i t o r b a n k s i n t h e s u b s t a t i o n w i t h t h e p r e s e n t s w i t c h i n g c r i t e r i a w a s o b s e r v e d . T h e c a p a c i t o r c o n t r o l l e r i n s t a l l e d a t G a l l e g r i d s u b s t a t i o n b e h a v e s a s f o l l o w s [ 7 ] . C o n t r o l l e r T y p e - M a s t e r p i e c e 2 0 A S E A c o n t r o l l e r - A S E A - 0 9 5 - 2 2 2 - A O O O S S w i t c h i n g O N c r i t e r i a ; I f m e a s u r e d p o w e r f a c t o r ( C o s < p , ) < 0 . 9 5 S w i t c h i n g O F F c r i t e r i a ; I f C o s < p 2 > C o s < p 1 * ( 1 + H y s t e r e s i s / 1 0 0 ) W h e r e C o s < p 2 = P o w e r f a c t o r c a l c u l a t e d f r o m t h e a c t u a l cos~ v a l u e a n d s e t cos~ v a l u e H y s t e r e s i s = A s e t t i n g v a l u e d e f i n e d b y u s e r ( s e t v a l u e 1 0 % ) C o s < p 1 = S e t p o w e r f a c t o r ( 0 . 9 5 ) I f t h e P F i s b e l o w t h i s v a l u e B S C b a n k w i l l s w i t c h o n a c c o r d i n g t o t h e p r o g r a m s e t b y M a s t e r p i e c e 2 0 B y o b s e r v i n g t h e s w i t c h i n g p a t t e r n s , t h e f o l l o w i n g f a c t o r s a r e n o t i c e d . 2 2 . , d i f f e r e n c e ( i : e c o n t r o l l e r i n i n d e p e n d e n t m o d e o f o p e r a t i o n w h e n t h e 3 3 b u s c o u p l e r O F F ) • I n t h e i n d e p e n d e n t m o d e , t w o c a p a c i t o r b a n k s ( o n e f o r e a c h t r a n s f o r m e r ) a r e i n O N s t a t e t h r o u g h o u t t h e d a y . I n t h e m a s t e r s l a v e m o d e , m o s t o f t h e t i m e f o u r c a p a c i t o r s a r e i n O N p o s i t i o n . • I n m a s t e r s l a v e m o d e , s i n c e f o u r b a n k s a r e O N i n t h e m i d n i g h t t i m e , i . e . a p p r o x i m a t e l y a f t e r t h e n i g h t p e a k t i m e a n d u p t o a r o u n d 6 . 0 0 h r s m o r n i n g , t h e s u b s t a t i o n o p e r a t e s a t a h i g h l e a d i n g p o w e r f a c t o r . • I n t h e r e a l s i t u a t i o n , d u r i n g t h e p e r i o d w i t h l i g h t l y l o a d e d l i n e s e s p e c i a l l y i n m i d n i g h t , t h e l i n e c a p a c i t a n c e s d o m i n a t e a n d F e r r a n t i e f f e c t s c a u s e s h i g h v o l t a g e s a t l o a d e n d s . A d d i t i o n o f c a p a c i t o r s d u r i n g s u c h a p e r i o d a t s u b s t a t i o n m a k e s t h e s i t u a t i o n w o r s t . D u e t o t h i s , t h e c o n t r o l c e n t r e s o m e t i m e s i n s t r u c t s t o s w i t c h o f f t h e c a p a c i t o r b a n k s m a n u a l l y . U n d e r s u c h c i r c u m s t a n c e s , d u e t o o p e r a t i o n a l d i f f i c u l t i e s , t h e o p e r a t o r s s w i t c h o f f t h e c o n t r o l l e r s a n d h e n c e a l l t h e b a n k s a r e s w i t c h e d o f f . W h e n o p e r a t i n g a t r a n s m i s s i o n n e t w o r k , t h i s k i n d o f l e a d i n g r e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o n i s a l s o n e c e s s a r y . A l t h o u g h t h i s i s a n u n - e c o n o m i c a l s i t u a t i o n a s f a r a s t h e s u b s t a t i o n i s c o n s i d e r e d , i t i s u n a v o i d a b l e . T h e s i t u a t i o n s l i k e t h i s o n c e a g a i n p r o v e t h a t t h e p o w e r f a c t o r r e g u l a t i o n i s n o t t h e b e s t s w i t c h i n g c r i t e r i a f o r C E B s u b s t a t i o n s . • D a i l y s w i t c h i n g p a t t e r n s h o w s t h a t e v e n a t t i m e s w h e r e a l l f o u r b a n k s c a n b e s w i t c h e d o n , t h e r e a r e o c c a s i o n s w h e r e t h e c o n t r o l l e r s w i t c h e s o n l y t h r e e b a n k s e s p e c i a l l y d u r i n g d a y t i m e . T h i s m a y b e d u e t o t h e f l a t p r o f i l e o f t h e p o w e r f a c t o r d u r i n g s u c h p e r i o d s . B o t h r e a l a n d r e a c t i v e p o w e r i n c r e a s e s i n t h e s a m e p r o p o r t i o n k e e p i n g t h e p o w e r f a c t o r u n c h a n g e d . T h e c o n t r o l l e r d o e s n o t c o n s i d e r r e a c t i v e p o w e r i n c r e a s e i f t h e r e i s n o d e c r e a s e i n p o w e r f a c t o r b e l o w l i m i t s . • W h e n t h e b a n k s a r e s w i t c h e d o f f a t n i g h t s m a n u a l l y t o a v o i d v o l t a g e r i s e s a n d a g a i n p u t i n t o a u t o m o d e i n t h e n e x t m o r n i n g , t h e n t h e s w i t c h i n g p a t t e r n d i s r u p t s a n d b e c o m e e v e n m o r e u n e c o n o m i c a l . 4 . 6 U n c o m p e n s a t e d r e a c t i v e p o w e r T h e b e s t o p e r a t i o n a l c r i t e r i o n f o r t h e s u b s t a t i o n i s t o o p e r a t e i t s l o a d s c l o s e a s p o s s i b l e t o u n i t y p o w e r f a c t o r a s f a r a s t h e l o s s e s a r e c o n c e r n e d . T h e d a t a m e a s u r e d a n d r e c o r d e d s h o w s t h a t t h e r e a r e o c c a s i o n s w h e r e r e a c t i v e l o a d s c o u l d b e f u r t h e r c o m p e n s a t e d b y t h e c a p a c i t o r b a n k s w h i l e t h e y a r e n o t f u l l y u t i l i z e d , t o m i n i m i z e l i n e a n d t r a n s f o r m e r l o s s e s . T h e b r e a k e r s w i t c h e d c a p a c i t o r s o p e r a t e s i n s t e p s a n d h e n c e t h e y g i v e p o o r r e g u l a t i o n . L o w p o w e r f a c t o r s w h e t h e r l a g g i n g o r l e a d i n g g i v e s s a m e e f f e c t s a s f a r a s l o s s e s a r e c o n c e r n e d . H o w e v e r , u n d e r t h e c o n d i t i o n s w h e r e t r a n s m i s s i o n n e t w o r k n e e d s r e a c t i v e p o w e r , o p e r a t e w i t h l e a d i n g p o w e r f a c t o r c a n b e c o n s i d e r e d . 2 3 . , t : , . 1. • T h e f u n c t i o n o f t h e o n l o a d t a p c h a n g e r ( O L T C ) i s t o a d j u s t t h e L V b u s v o l t a g e t o i t s n o m i n a l v a l u e . W h e n t h e l o a d i s h i g h , t h e b u s v o l t a g e i s l o w d u e t o I Z d r o p a n d t a p c h a n g e r r a i s e s i t s t a p t o h i g h p o s i t i o n t o a d j u s t t h e t e r m i n a l v o l t a g e . T h e v o l t a g e r i s e o b t a i n e d b y r a i s i n g o n e t a p p o s i t i o n u p , i s 1 . 2 5 % o f t h e v o l t a g e a t t h e p o i n t o f m e a s u r i n g . T h i s i s a s p e r t h e s p e c i f i c a t i o n s o f t h e O L T C . A t 3 3 k V v o l t a g e t h i s r i s e i s a b o u t 0 . 4 1 2 5 k V . T h e a p p r o x i m a t e d p e r c e n t a g e v o l t a g e r i s e g i v e n b y s w i t c h i n g o n e 5 M v a r c a p a c i t o r b a n k i s g i v e n a s ( k v a r I k v a ) * X 1 W h e r e k v a r = a d d i t i o n o f r e a c t i v e l o a d , k v a = t r a n s f o r m e r r a t i n g a n d X 1 = t r a n s f o r m e r r e a c t a n c e i r r % [ 8 ] . W h e n t w o t r a n s f o r m e r s a r e i n p a r a l l e l , t h i s v a l u e b e c o m e s 0 . 6 5 % a n d t h e v o l t a g e r i s e i s 0 . 2 0 6 3 k V a t 3 3 k V . A s t h e s e f i g u r e s s u g g e s t s , t h e e f f e c t o f r i s e i n o n e t a p s t e p i s s a m e a s a d d i n g t w o 5 M v a r c a p a c i t o r b a n k s w h e n t w o t r a n s f o r m e r s a r e p a r a l l e l e d o r o n e 5 M v a r b a n k s w h e n o n e t r a n s f o r m e r i s c o n n e c t e d . T a p c h a n g e r a d j u s t s t h e v o l t a g e b y a d j u s t i n g t h e t r a n s f o r m e r r a t i o b u t c a p a c i t o r b a n k s b y r e d u c i n g t h e r e a c t i v e p o w e r t h r o u g h t h e t r a n s f o r m e r s a n d t r a n m i s s i o n l i n e s . F u r t h e r i t r e d u c e s t h e c u r r e n t s a n d h e n c e t h e l o s s e s a n d r e l e a s e t h e e u i p m e n t c a p a c i t i e s . T h e r e f o r e , t h e r e a c t i o n s o f c a p a c i t o r c o n t r o l l e r a n d A V R h a s t o b e o p t i m a l l y u t i l i z e d [ 3 ] . M u l t i p l e R u n O u t p u t F i l e N o c a p b a n k s R u n # T a p P o s i t i o n H V V o l t a q e L V V o l t a q e P h A n q L V L V M W L V M V a r T F H V C u r r e n t 1 . 9 2 5 0 0 0 0 0 0 0 7 4 . 7 8 1 2 0 5 1 1 3 3 . 5 0 2 2 7 8 2 4 - 2 3 . 5 1 5 0 0 3 3 2 4 7 . 1 2 5 2 4 5 4 6 2 0 . 5 0 5 5 6 9 2 9 . 1 7 1 4 1 9 5 1 2 8 2 . 9 4 0 0 0 0 0 0 0 0 7 4 , 7 9 5 5 7 3 1 5 3 2 . 9 ! ! 0 6 2 9 5 2 . - 2 3 . . 5 1 5 0 0 1 4 9 _ 4 5 . 6 6 9 2 0 9 5 9 1 9 . 8 7 2 0 0 5 \ ' 1 1 . ,,16()Q712497~:c~~7··~~·(B) 3 . 9 5 5 0 0 0 0 0 0 0 7 4 . 8 0 9 2 6 4 7 1 3 2 . 4 7 4 7 6 9 7 0 - 2 3 . 5 1 5 0 0 4 6 4 4 4 . 2 7 9 0 7 6 8 3 1 9 . 2 6 7 1 1 8 3 0 . 1 6 0 9 6 9 0 1 6 7 , , 4 . 9 7 0 0 0 0 0 0 0 0 7 ' 4 . 6 2 2 3 2 1 6 3 . 3 1 9 1 1 4 0 0 2 5 6 . - 2 3 . 5 1 5 0 0 3 2 3 4 2 . 9 5 0 9 6 2 6 3 . 1 8 , \ ' ) 8 9 2 1 7 0 7 . 1 5 6 0 9 8 0 1 2 9 ~-~---·······(A) 5 . 9 8 5 0 0 0 0 0 0 0 7 4 . 8 3 4 7 8 2 5 8 3 1 . 5 0 7 6 7 1 5 2 - 2 3 . 5 1 4 9 9 6 3 5 4 1 . 6 8 1 2 6 1 9 7 1 8 . 1 3 6 7 3 3 2 8 . 1 5 1 4 4 4 5 3 1 1 M u l t i p l e R u n O u t p u t F i l e 3 c a p b a n k s R u n # T a p P o s i t i o n H V V o l t a q e L V V o l t a q e P h A n q L V L V M W L V M V a r T F H V C u r r e n t 1 . 9 2 5 0 0 0 0 0 0 0 7 5 . 1 7 4 2 9 3 5 6 3 4 . 4 5 4 1 1 0 5 2 - 6 . 1 7 1 9 1 8 1 6 9 4 9 . 8 3 9 4 4 4 3 4 5 . 3 8 9 3 1 9 5 5 2 . 1 6 2 1 6 8 5 4 2 5 2 . 9 4 0 0 0 0 0 0 0 0 7 5 . 1 7 6 4 3 5 9 9 3 3 . 9 1 2 4 4 8 0 8 - 6 . 1 7 2 0 7 4 9 5 5 4 8 . 2 8 5 2 2 6 0 1 5 . 2 2 1 7 6 6 0 2 2 . 1 5 7 0 9 1 3 4 3 7 3 . 9 5 5 0 0 0 0 0 0 0 7 5 . 1 7 8 4 9 4 8 8 3 3 . 3 8 7 2 5 1 1 0 - 6 . 1 7 1 0 8 4 0 3 7 4 6 . 8 0 0 2 7 5 6 0 5 0 6 0 0 7 6 6 0 9 . 1 5 2 2 2 6 2 0 4 8 4 . 9 7 0 0 0 0 0 0 0 0 ?s.1~ao3815S . . . 3 2 . 8 7 8 0 9 6 3 8 , 6 . 1 ? o e o 8 7 7 3 4 5 . 3 8 4 1 2 4 0 7 .4 . . 9 0 6 9 9 1 9 6 5 , 1476J88801:c:~~:c~-·~~(C) 5 . 9 8 5 0 0 0 0 0 0 0 7 5 . 1 8 2 1 9 7 4 0 3 2 . 3 8 4 0 6 9 6 4 - 6 . 1 7 1 6 2 0 0 4 6 4 4 . 0 3 0 6 1 9 5 4 4 . 7 6 0 7 5 0 8 7 9 . 1 4 3 1 9 6 3 6 5 5 T a b l e 4 . 6 O u t o f t h e s i m u l a t i o n a n d a c t u a l r e a d i n g T h e T a b l e 4 . 6 g i v e s a n e x t r a c t f r o m a o u t p u t f i l e s h o w i n g s i m u l a t i o n r e s u l t s f o r L V a n d H V v o l t a g e , M W a n d M v a r a t L V s i d e a n d t r a n s f o r m e r H V s i d e p e a k c u r r e n t s u n d e r d i f f e r e n t t a p p o s i t i o n s w i t h n o c a p a c i t o r b a n k s a n d w i t h f o u r c a p a c i t o r b a n k s . ( s i m u l a t i o n r e s u l t s f o r c o n d i t i o n s a t 2 0 . 3 0 h r s o n 2 3 . 0 7 . 0 9 ) I f t h e c o n d i t i o n s t a r t s f r o m p o i n t ( A ) i n t a b l e 4 . 6 , I t s t a b i l i z e s a t p o i n t ( B ) u n d e r t a p c h a n g e r c o n t r o l a n d e n d s a t p o i n t ( C ) w h e n c a p a c i t o r s a r e s w i t c h e d o n b y a v o l t a g e c o n t r o l s c h e m e [ 3 ] . 2 4 • . t : t · ' ! F r o m ( A ) t o ( B ) , t h e r e s u l t s s h o w s 3 % v o l t a g e r i s e , 6 % r e a l p o w e r i n c r e a s e , 5 % r e a c t i v e p o w e r i n c r e a s e a n d 4 % c u r r e n t i n c r e a s e . F r o m ( A ) t o ( C ) , t h e r e i s a v o l t a g e i n c r e a s e o f 3 % , r e a l p o w e r i n c r e a s e o f 5 % b u t t h e c u r r e n t a n d r e a c t i v e p o w e r r e d u c e s b y 6 . 6 % a n d 7 1 % r e s p e c t i v e l y . T h i s s h o w s t h e e f f e c t i v e n e s s o f b o t h c o n t r o l l o o p s w h e n o p e r a t e s i n d e p e n d e n t l y . l : " I i ~ ! i f i I ~ ~ 8 5 . 0 0 , - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - , 1 6 - - - - . . - . . - - - - - . . - . . . - - - - - - - - - . . - - - - - - - - - - 1 5 8 3 . 0 0 8 1 . 0 0 7 9 . 0 0 7 7 . 0 0 7 5 . 0 0 7 3 . 0 0 7 1 . 0 0 6 9 . 0 0 1 4 1 3 1 2 6 1 1 i 1 0 ~ : i 7 ~ 6 ' ! 5 5 i 4 6 7 . 0 0 I 1 3 6 5 . 0 0 L---------------------------------------------------------------------------------~ 2 1 . 0 1 . 2 0 0 9 2 1 . 0 1 . 2 0 0 9 2 1 . 0 1 . 2 0 0 9 2 1 . 0 1 . 2 0 0 9 2 1 . 0 1 . 2 0 0 9 2 2 . 0 1 . 2 0 0 9 2 2 . 0 1 . 2 0 0 9 2 2 . 0 1 . 2 0 0 9 2 2 . 0 1 . 2 0 0 9 2 2 . 0 1 . 2 0 0 9 0 0 : 0 0 : 0 0 0 5 : 0 0 : 0 0 1 0 : 0 0 : 0 0 1 5 : 0 0 : 0 0 2 0 : 0 0 : 0 0 0 1 : 0 0 : 0 0 0 6 : 0 0 : 0 0 1 1 : 0 0 : 0 0 1 6 : 0 0 : 0 0 2 1 : 0 0 : 0 0 T i m e o f D a y - - 1 3 2 k V b u s v o l t a g e - - N o m m a l 1 3 2 k V v o l t a g e - • M a x . C o n t i n u o u s 1 3 2 v o l t a g e - - N o o f C a p B a n k s - - N o o f M a x C a p B a n k s - - T a p p O S i t i O n 2 Fi~ure: 4 . 6 ( a ) P a t t e r n o f t a p p o s i t i o n w i t h n o c a p a c i t o r b a n k s 2 1 5 1 & 2 2 n d J a n u a r y 2 0 0 9 8 5 . 0 0 8 3 . 0 0 8 1 . 0 0 7 9 . 0 0 7 7 . 0 0 1 6 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . 1 5 1 4 1 3 1 2 6 I 7 5 . 0 0 1 1 1 1 0 ~ : i ~ ~ 7 3 . 0 0 7 1 . 0 0 6 9 . 0 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 6 7 . 0 0 6 5 . 0 0 2 5 . 0 1 . 2 0 0 9 2 5 . 0 1 . 2 0 0 9 2 5 . 0 1 . 2 0 0 9 2 5 . 0 1 . 2 0 0 9 2 6 . 0 1 . 2 0 0 9 2 6 . 0 1 . 2 0 0 9 2 6 . 0 1 . 2 0 0 9 2 7 . 0 1 . 2 0 0 9 2 7 . 0 1 . 2 0 0 9 2 7 . 0 1 . 2 0 0 9 0 0 : 0 0 : 0 0 0 7 : 3 0 : 0 0 1 5 : 0 0 : 0 0 2 2 : 3 0 : 0 0 0 6 : 0 0 : 0 0 1 3 : 3 0 : 0 0 2 1 : 0 0 : 0 0 0 4 : 3 0 : 0 0 1 2 : 0 0 : 0 0 1 9 : 3 0 : 0 0 T i m e o f D a y - - 1 3 2 k V b u s v o l t a g e - - M a x . C o n t i n u o u s 1 3 2 v o l t a g e - - N o m 1 n a l 1 3 2 k V v o l t a g e - - N o o f C a p B a n k s - - N o o f M a x C a p B a n k s - - T a p p O S i t i o n B 6 ' ! 5 5 i 4 3 Fi~ure: 4 . 6 ( b ) P a t t e r n o f t a p p o s i t i o n w i t h n o c a p a c i t o r b a n k s 2 5 1 h & 2 i h J a n u a r y 2 0 0 9 F i g u r e s 4 . 6 ( a ) , a n d ( b ) s h o w s t h e o b s e r v a t i o n s o n t h e b e h a v i o u r o f t h e t a p p o s i t i o n i n t h e a b s e n c e o f t h e c a p a c i t o r s . T h e n u m b e r o f c a p a c i t o r b a n k s t h a t c o u l d b e c o n n e c t e d i f t h e c o n t r o l l e r w a s i n a u t o m o d e , i s a l s o i n d i c a t e d i n t h e f i g u r e s . T h e f i g u r e s r e v e a l t h a t t h e r e i s t h e p o s s i b i l i t y o f o p e r a t i n g t h e s u b s t a t i o n a t l o w e r t a p p o s i t i o n s i f t h e c a p a c i t o r b a n k s c o n n e c t e d u n d e r t h e p r e s e n t c r i t e r i a . 2 5 A p p e n d i x ( B ) c o m p a r e s t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e p a t t e r n s o f t h e t a p p o s i t i o n w h i l e h a v i n g n o c a p a c i t o r b a n k s a n d t h e s a m e w i t h t h e m a x i m u m n u m b e r o f c a p a c i t o r b a n k s . S i n c e t h e v o l t a g e b o o s t u p b y a d d i n g c a p a c i t o r s a t 3 3 k V s i d e , t h e r a i s e o f t r a n s f o r m e r t a p c a n b e m i n i m i z e d . 4 . 7 S u m m a r y o f t h e s y s t e m s t u d y B y s u m m a r i z i n g t h e r e s u l t s f r o m t h e c a s e s t u d y , i t s e e m s t h a t t h e p r e s e n t s w i t c h i n g c r i t e r i a e s p e c i a l l y w h e n t h e b u s s e c t i o n b r e a k e r i s i n O N p o s i t i o n d o s e n o t n e i t h e r m a x i m i z e n o r o p t i m i z e t h e u s e o f i n s t a l l e d c a p a c i t o r b a n k s i n t h e s e l e c t e d s u b s t a t i o n . T h e r e f o r e , i t i s w o r t h t o c o n s i d e r d i f f e r e n t s w i t c h i n g c r i t e r i a t h a t u t i l i z e t h e c a p a c i t o r b a n k s , t h a n t h e e x i s t i n g u t i l i z a t i o n . H o w e v e r , u n d e r s u c h c i r c u m s t a n c e s , t h e e f f e c t s t o t h e s y s t e m v o l t a g e , a v o i d i n g e x t r e m e o v e r c o m p e n s a t i o n t h a t i n t r o d u c e s l o s s e s d u e t o l e a d i n g p o w e r f a c t o r a n d o t h e r t e c h n i c a l c o n s t r a i n t s h a v e t o b e c o n s i d e r e d . 2 6 : . : , , C h a p t e r 5 5 . S y s t e m m o d e l l i n g a n d s i m u l a t i o n S t u d y i n g t h e p o s s i b i l i t i e s o f o p t i m i s i n g t w o c o n t r o l l e r s o p e r a t i o n s f o r s o l v i n g t h e p r e v i o u s l y e n c o u n t e r e d p r o b l e m s h a v e t o b e d o n e i n s e v e r a l s t e p s . A s d i s c u s s e d i n t h e p r e v i o u s c h a p t e r s , t h e f i r s t i s t o c o l l e c t a n d r e c o r d t h e s y s t e m d a t a a n d a n a l y z e t h e m . T h e n b y c o n s i d e r i n g t h o s e r e s u l t s , s i m u l a t i o n o f t h e s y s t e m u n d e r v a r i o u s o p e r a t i n g s c e n a r i o s a n d d i f f e r e n t c a p a c i t o r b a n k c o m b i n a t i o n s c a n b e d o n e . T h e r e f o r e a s u i t a b l y d e v e l o p e d c o m p u t e r s i m u l a t i o n m o d e l i s v e r y m u c h e s s e n t i a l . U s i n g s u c h a s i m u l a t i o n v a r i o u s e f f e c t s o n t h e s y s t e m d u e t o s w i t c h e d c a p a c i t o r b a n k s a n d t r a n s f o r m e r A V R c o n t r o l c a n b e s t u d i e d . F o l l o w i n g s a r e t h e a r e a s t h a t h a v e t o b e s t u d i e d a s m e n t i o n e d a b o v e . • V o l t a g e v a r i a t i o n d u e a d d i t i o n o f c a p a c i t o r b a n k s a t t h e b u s b a r i n w h i c h t h e y a r e c o n n e c t e d ( M a x i m u m v o l t a g e r i s e ) • T r a n s f o r m e r O L T C a n d A V R t o h a n d l e t h o s e v o l t a g e v a r i a t i o n s b y c h a n g i n g t a p p o s i t i o n , w h e n n e c e s s a r y . • C h a n g i n g t h e V A R f l o w t h r o u g h t r a n s f o r m e r w h e n a t a p o p e r a t i o n o c c u r s . • C h a n g e i n t h e V A R c o n s u m p t i o n o f t h e t r a n s f o r m e r w h e n t a p o p e r a t i o n o c c u r s . • A r e l a t i o n s h i p b e t w e e n 1 3 2 k V V A R f l o w a n d t a p o p e r a t i o n i n t h e G S S • C o s t a n a l y s i s c o n s i d e r i n g t h e r e d u c t i o n o f l o s s e s d u e t o p o w e r f a c t o r i m p r o v e m e n t , r e l e a s e o f s y s t e m c o m p o n e n t c a p a c i t i e s e t c . a n d m a n y o t h e r s . 5 . 1 S o f t w a r e s e l e c t i o n f o r m o d e l l i n g T h e r e m u s t b e v e r y g o o d c o m p u t e r a i d e d s o f t w a r e n e e d e d f o r t h e s y s t e m m o d e l l i n g o f t h e s u b s t a t i o n t h i s m u s t b e c a p a b l e o f m o d e l l i n g t h e s u b s t a t i o n f o r a n a l y z i n g v a r i o u s s y s t e m c o n d i t i o n s b y s i m u l a t i o n . T h e s o f t w a r e s h o u l d h a v e c a p a b i l i t i e s o f b o t h t r a n s i e n t a n d s t e a d y s t a t e w a s n e e d e d f o r t h i s p u r p o s e . P o w e r S y s t e m C o m p u t e r A i d e d D e s i g n a b b r e v i a t e d a s P S C A D [ 7 ] s c h e m a t i c a l l y c o n s t r u c t a c i r c u i t , r u n a s i m u l a t i o n , a n a l y z e t h e r e s u l t s a n d m a n a g e t h e d a t a i n a c o m p l e t e l y i n t e g r a t e d g r a p h i c a l e n v i r o n m e n t . P S C A D w h i c h i s a t o o l u s e d b y m a n y p o w e r s y s t e m e n g i n e e r s , w a s u s e d f o r m o d e l l i n g a n d s i m u l a t i o n s . P S C A D h a s a g r a p h i c a l u s e r i n t e r f a c e w o r k i n g a l o n g w i t h a n e l e c t r o m a g n e t i c t r a n s i e n t a n a l y s i s p r o g r a m c a l l e d E M T D C a n d a w i d e l y u s e d s o f t w a r e b y p o w e r s y s t e m e n g i n e e r s f o r p o w e r s y s t e m s t u d i e s [ 9 ] . A l l t h e p o w e r s y s t e m s o f t w a r e n e e d s o m e s o r t o f l i c e n s e w h i c h m e a n s i t h a s t o b e p u r c h a s e d f r o m t h e s o f t w a r e d e v e l o p e r . I t w i l l c o s t m u c h f o r o b t a i n i n g l i c e n c e b u t t h i s P S S C A D p r o v i d e f r e e s t u d e n t v e r s i o n a n d t h e t r i a l v e r s i o n f o r f a m i l i a r i s a t i o n . B y u s i n g t h e s e t w o o p t i o n s t h e b a s i c t r i a l s w e r e d o n e f o r s i m p l e s t b l o c k s w i t h t h e f r e e s t u d e n t v e r s i o n a n d l a t e r t h e c o m p l e t e m o d e l w a s d e v e l o p e d w i t h t h e t r i a l v e r s i o n . 2 7 • 5 . 2 C o m p o n e n t s i n S u b s t a t i o n m o d e l M a i n s u b s t a t i o n c o m p o n e n t s s u c h a s p o w e r t r a n s f o r m e r s , g r o u n d i n g z i g z a g t r a n s f o r m e r s , c i r c u i t b r e a k e r s , s u b s t a t i o n l o a d , c a p a c i t o r b a n k s , t a p c h a n g e r s , e t c . , a r e i n c l u d e d i n t h e m o d e l . M a s t e r l i b r a r y p r o v i d e m o s t o f t h e b a s i c c o m p o n e n t s a n d i f n e e d s o m e u s e r d e f i n e d c o m p o n e n t o r s a m p l e m o d e l c a n b e d e v e l o p e d o r d e s i g n e d . P o w e r t r a n s f o r m e r s a r e t a k e n a s t w o w i n d i n g t r a n s f o r m e r s w i t h t h e t a p c h a n g e r o n H V s i d e o f t h e t r a n s f o r m e r s . T h e a c t u a l t r a n s f o r m e r w a s a p p r o x i m a t e d t o t h e s i m p l e s t f o r m a n d p . u i m p e d a n c e w a s c o n s i d e r e d a s a n i n d u c t a n c e o n l y . T h e n o l o a d c i r c u i t w a s a p p r o x i m a t e d w i t h t y p i c a l v a l u e s . T h e r e d s q u a r e s r e p r e s e n t t h e e i t h e r s i d e c i r c u i t b r e a k e r s . T h e v o l t a g e a n d c u r r e n t m e a s u r e m e n t d e v i c e s a r e a l s o c o n n e c t e d t o t h e s y s t e m . T h i s r e p r e s e n t s a v e r y g o o d a p p r o x i m a t e d c o m p o n e n t s a r r a n g e m e n t f o r t h e p o w e r t r a n s f o r m e r m o d e l l i n g . T h e d e v e l o p e d m o d u l e f o r t h e t r a n s f o r m e r i s a s g i v e n i n f i g u r e 5 . 1 P 1 3 2 0 1 3 2 ( . T I 0 0 B R K 1 T i m e d B r e a k e r L o g i c O p e n @ t O V F P h ~ ~ la1 • · / 1 ' B R K 1 R L E~1 B R K 2 T i m e d B r e a k e r L o g i c O p e n @ t O B R K 4 I a / 1 ' ~ ~ T i m e d B r e a k e r B R K B C L o g 1 c O p e n @ t O F i g u r e 5 . 1 1 3 2 k V s y s t e m a n d T r a n s f o r m e r m o d u l e w i t h t h e c i r c u i t b r e a k e r s . T h e m o d e l l i n g o f t h e t a p c h a n g e r i s r e p r e s e n t e d a s a H V t o L V r a t i o c h a n g e r t o s u i t t h e r e a l t a p c h a n g e r r a t i o s . N o m i n a l r a t i o o f t h e t r a n s f o r m e r i s 8 a n d t h i s h a s t o b e t a k e n a s 1 i n t h e P S C A D m o d e l . T h e t a p c h a n g e r a t G a l l e i s c o n s i s t i n g o f 2 0 t a p s w i t h e a c h 1 . 2 5 % v o l t a g e d i f f e r e n c e . T h e t a p c h a n g e r i s a r r a n g e d a s t o c o n t r o l m a n u a l l y o r c h a n g e s t e p w i s e i n t h e m u l t i p l e r u n m o d e , a s b e l o w . ~ A r v B i n : C o n t r o l s T a p : ; 1 C t r l = 1 C t r l = 1 " T a p A 1 S V V T a p 8 1 S V V • ·~ B B T a p A 1 6 t r l T a p A 1 C t r l T a p 8 1 . ~ . . . ~~ . O F F O N O F F O N , , - - 1 1 1 F i g u r e 5 . 2 : M o d e l l i n g o f t h e O L T C o f t h e t r a n s f o r m e r 2 8 ' I . . ~ 0 M a i n : C o n t r o l s T a p A 1 1 I T a p A 1 2 w I I I ~ I = J 1 = 1 1 . 0 1 I 0 . 9 6 J 1 . 0 1 _ j _ 0 . 9 6 _ j F i g u r e 5 . 2 : M o d e l l i n g o f t h e O L T C o f t h e t r a n s f o r m e r . R e d u c i n g t h e n e t w o r k b e y o n d t h e 1 3 2 k V b u s b a s i c a l l y d e p e n d s o n a p p r o x i m a t i o n s . I n a n y a p p r o x i m a t e d r e p r e s e n t a t i o n , i f f r e q u e n c y r e s p o n s e a n a l y s i s a t t h e b u s b a r l e v e l i s n o t e x p e c t e d t h e n a s i m p l e T h e v i n i n ' s m o d e l l i n g i s s u f f i c i e n t . A f i x e d l o a d a t a t i m e i s r e p r e s e n t e d i n t h e m o d e l a n d a s a l u m p e d l o a d . T h i s i s s p e c i f i e d w i t h r e a l a n d r e a c t i v e p o w e r b u t t h e i n p u t v a l u e s a r e r e a l v a l u e s s o t h a t i n p u t p a r a m e t e r s f r o m o u t p u t s o f o t h e r s m o d u l e s c o u l d n o t b e u s e d i n t h i s m o d u l e . T h e r e f o r e , d u r i n g m u l t i p l e r u n f u n c t i o n s , t h e s e c o n d m o d u l e w i t h R a n d L v a l u e s w a s u s e d . R a n d L v a l u e s a r e c a l c u l a t e d a s p e r t h e M W a n d M v a r v a l u e s a t d i f f e r e n t t i m e s l o t s . · - - , . . , . . . _ E~1 I i i 1 @ _ : · ~ l a l 2 ~ B R K F E E D A 1 ~ ' E~2 - l a l 3 F i g u r e 5 . 3 L o a d & l o a d c u r r e n t m e a s u r i n g m o d u l e a "+ ' a . . B r e a k e r S w i t c h c a p a c i t o r B a n k ( B S C ) w i t h i n r u s h a n d d e t u n e r e a c t o r s a r e m o d e l l e d w i t h e q u i v a l e n t C a n d L v a l u e s a s i n s h o w n t h e d i a g r a m . R e a l c a p a c i t o r b a n k c o n f i g u r a t i o n i s u n g r o u n d e d d o u b l e W Y E c o n f i g u r a t i o n , i t i s s h o w n a s i t s w i t h t h e f l o a t i n g g r o u n d f o r t h e a n a l y s i s . f - • ~ - j 1 4 . 6 3 [ u F ) B R K B S C B 2 1 0 0 [ u H ] F i g u r e 5 . 4 C a p a c i t o r b a n k & I n r u s h / D e t u n i n g r e a c t o r m o d u l e T h e c o m p l e t e m o d e l i s d e v e l o p e d u s i n g a b o v e c o m p o n e n t s f o r t h e G a l l e G r i d S u b s t a t i o n . T h e m e a s u r e m e n t s o f t h e V , Q , P , P F a r e d o n e u s i n g m e t e r s a v a i l a b l e a t m a s t e r l i b r a r y . G a l l e G r i d S u b s t a t i o n i n C E B s y s t e m i s s h o w n i n t h e F i g u r e 5 . 4 2 9 . . : . : , ; . 5 . 3 R u n n i n g t h e s i m u l a t i o n s T h e s i m u l a t i o n i s r u n f o r m e a s u r e d d a t a , r e a l a n d r e a c t i v e l o a d s , t a p p o s i t i o n s , a n d v o l t a g e a t s o u r c e e n d a n d r e c o r d e d d a t a w a s c o m p a r e d w i t h t h e a c t u a l m e a s u r e d d a t a . T h i s w a s d o n e w i t h a n d w i t h o u t c a p a c i t o r b a n k s c o n n e c t e d t o t h e 3 3 k V b u s . F u r t h e r , t h e a c t u a l m e a s u r e m e n t s w e r e d o n e w i t h 5 m i n u t e i n t e r v a l b u t i t w a s t i m e c o n s u m i n g t o r u n t h e s i m u l a t i o n s w i t h t h e s a m e t i m e i n t e r v a l s . T h e r e f o r e t h e s i m u l a t i o n s w e r e r u n o n l y f o r 1 5 m i n u t e i n t e r v a l . T h e d a t a w e r e r e c o r d e d a t v a r i o u s s t a g e s f o r s t u d y i n g t h e s y s t e m b e h a v i o u r , V o l t a g e , P o w e r , V a r s a n d p o w e r f a c t o r w e r e r e c o r d e d . T h e m a x i m u m a n d m i n i m u m l o a d s a t G S S w a s d i v i d e d e q u a l l y i n 1 5 s t e p s a n d t i m e s l o t s w e r e a l l o c a t e d a c c o r d i n g l y t o e x e c u t e t h e a c t u a l s y s t e m w i t h e m o d e l 5 . 3 . 1 T h e o r e t i c a l a s p e c t o f t h e s i m u l a t i o n s t u d y A c c o r d i n g t o t h e t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s , t h e v o l t a g e r i s e a t L V s i d e o f a t r a n s f o r m e r c a n b e a p p r o x i m a t e d a s f o l l o w s . P e r c e n t a g e v o l t a g e r i s e = ( M V A R I S k ) W h e r e k v a r = a d d i t i o n o f r e a c t i v e l o a d S k ( M V A ) = S h o r t C i r c u i t C a p a c i t y a t t h e p o i n t o f V A R i n j e c t i o n W i t h p r e s e n t c o n f i g u r a t i o n , t h e m a x i m u m e f f e c t i v e r e a c t i v e p o w e r i n j e c t i o n w h e n e i t h e r t r a n s f o r m e r s i n p a r a l l e l , o r t r a n s f o r m e r s a r e i n d e p e n d e n t , i s 1 O M v a r ( s i n c e e a c h t r a n s f o r m e r i s c o n n e c t e d w i t h t w o b a n k s ) . T h e r e f o r e , a s p e r t h e a b o v e a p p r o x i m a t i o n , f o r t h i s s u b s t a t i o n a d d i t i o n o f f u l l r e a c t i v e l o a d o f 2 0 M V A R g i v e a r i s e o f a b o u t 1 . 4 7 k V a t 3 3 k V b u s v o l t a g e . A s i n d i c a t e d i n s e c t i o n 4 . 7 , t h e c h a n g e o f o n e t a p p o s i t i o n c h a n g e t h e v o l t a g e b y 0 . 0 1 2 5 p u a n d t h i s i s a b o u t 0 . 4 1 2 5 k V a t 3 3 k V . T h e e f f e c t o f r i s e i n v o l t a g e o v e r t h e n o m i n a l v a l u e d u e t o a d d i t i o n o f m a x i m u m c a p a c i t o r b a n k s c a n b e h a n d l e d w i t h t w o t a p p o s i t i o n s . 5 . 3 . 2 . T r a n s f o r m e r v a r c o n s u m p t i o n N o l o a d V A R d r a w n b y t h e t r a n s f o r m e r ( Q n o - l o a d ) = V 2 / X s h u n t N o l o a d c u r r e n t d r a w n b y t h e t r a n s f o r m e r = 0 . 0 4 I r a t e d ( f r o m t h e t e s t r e p o r t s ) T h e r e f o r e Q n o - l o a d d r a w n b y t h e t r a n s f o r m e r = 0 . 0 4 * M V A 1 r = 0 . 0 4 * 3 0 Q n o - l o a d t f = 1 . 2 M V A r M a i x i m u m v a r d r a w n b y t h e t r a n s f o r m e r a t r a t e d c u r r e n t ( Q l o a d 1 r ) = X p u * M V A 1 r = 0 . 1 * M V A t r = 0 . 1 * 3 0 Q l o a d t f = 3 M V A r T o t a l M V A R t a k e n b y t h e t r a n s f o r m e r i t s e l f = Q n o - l o a c l t r + Q l o a d t r = 1 . 2 + 3 = 4 . 2 M V A r 3 0 T h i s v a l u e w e l l s u i t e d w i t h t h e s i m u l a t i o n t h e s i m u l a t i o n s h o w s 4 . 4 6 M V A R c o n s u m p t i o n o f V A R a t r a t e d c u r r e n t a t r a t e d v o l t a g e a t t a p p o s i t i o n 0 8 5 . 3 . 3 V A R f l o w t o t h e 3 3 k V s y s t e m w h e n a t a p o p e r a t i o n o c c u r s . l t w i \ \ b e n o t e d f r o m t h e s i m u l a t i o n t h a t w h e n t h e O L T C c h a n g e t h e t u r n s r a t i o o f t h e t r a n s f o r m e r w h i c h w i l l d r a w m o r e r e a c t i v e p o w e r t h a n d e l i v e r i n g t o t h e l o a d . T h e r e f o r e i t i s n o t w o r t h w h i l e t o a l l o w d r a w i n g t h e V a r t h r o u g h t h e t r a n s f o r m e r i f i t i s a v a i l a b l e o f B S C b a n k a t 3 3 k V b u s t o s w i t c h i t o n g i v i n g p r o r i t y t o t h e B S C b a n k c o n t r o l l e r . I t r e v e a l s f r o m t h e s i m u l a t i o n m o d e l t h a t t w o t h i r d o f t h e V a r i s c o n s u m e d b y t h e t r a n s f o r m e r w h e n i t ' s t a p p o s i t i o n i n m a x i m u m p o i n t . F r o m t h a t w e c a n d e d u c e t h a t w h e n t r y t o d r a w t h e V a r f r o m t h e s y s t e m i t w i l l i n c r e a s e t h e n u m b e r o f t h e t a p o p e r a t i o n a n d o n t h e o t h e r h a n d i t w i l l c o n s u m e d t h e m o r e V a r f u r t h e r d e t e r i o r a t i n g t h e s y s t e m v o l t a g e p r o f i l e . T h e s a m p l e c a l c u l a t i o n d o n e o n V a r f l o w w h e n t a p o p e r a t i o n o c c u r s a b o v e s h o w s t h a t t h e s i m u l a t i o n r e s u l t i s w e l l w i t h i n t h e c a l c u l a t i o n . T h e a c u a l v o l t a g e d r o p a n d V a r f l o w d o n e b y m e a s u r e m e n t t o o i n d i c a t e t h e r e s u l t a r e w e l l s u i t e d w i t h e a c h o t h e r s . 5 3 1 L • • • • l 'RL c..n 0 0 V F ,Ph IC\J;:;;:;';"l Ia 1 BRK1 ~ E~ L$ Tim ed Breaker Logic Open@ tO f--- BRK1 Tim ed Breaker BRK2 Logic BRK4 Open@ tO ~ Ia 2 .;1\ 2 ~ BRKBC ~ lb 2 IT\ 3 ~ Tim ed Breaker Logic Open@ tO f- L$ • BRK4 ·f~ Tim ed Breaker Logic Open@ tO f- L$ • BRK5 f--- - - ~ BRKBSCA1 100[~ 1 ~63 [uF] f- . laL2 E~1 ----~-·- .;1\ I · - BRKFEEDA1 ~ E~2 laL3 f- .;1\ ~ . E~3 ~ _ BRKBSCA2 100 [uH] 14.63 (uF] Ia Ea f- ~ . ~ _ BRKBSCB2 100 [uH] 14 .63 [uF] f- a ----~ + BRKFEEDB1 ~ [)_ f--- - - ~ BRKBSCB1 100 [uH] 14 .63 [uF] a '+ [)_ I=: 0 ·~ ..... 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V A R a n d V o l t a g e v a r i a t i o n a t f i x e d t a p w i t h v a r y i n g l o a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . I M u l t i p l e R u n O u t p u t F i l e A l l C a p s 1 7 . 2 M W 9 . 6 M v a r R u n # T a p P o s i t i o n H V V o l t a q e L V V o l t a q e P h A n q L V L V M W L V M V a r T F H V C u r r e n t ' 5 5 t s 4 0 0 20~>4349~ Q 1 9 5 1 2 . 9 2 2 8 6 : 1 5 3 1 0 5 1 7 3 8 4 8 0 2 1 . 0 1 5 0 0 0 0 0 0 8 3 . 0 6 7 4 5 0 8 1 3 6 . 3 0 9 5 6 7 2 5 3 1 . 2 0 4 8 6 1 3 7 2 0 . 7 4 6 7 0 2 6 0 - 1 2 . 5 4 2 2 9 0 6 6 . 1 0 2 0 8 8 0 7 5 7 3 1 . 0 3 0 0 0 0 0 0 0 8 3 . 0 5 8 5 2 5 1 5 3 5 . 7 7 9 2 0 6 8 7 3 1 . 2 0 5 2 9 4 5 3 2 0 . 1 4 4 9 5 2 1 5 - 1 2 . 1 7 8 3 5 4 5 6 . 9 9 1 5 5 4 8 6 7 2 E - 0 1 I 4 1 0 4 5 0 0 0 0 0 0 8 3 . 0 4 9 9 7 8 5 2 3 5 . 2 6 4 1 2 6 9 8 3 1 . 2 0 5 4 8 6 4 9 1 9 . 5 6 8 5 7 4 7 7 - 1 1 . 8 3 0 1 5 2 2 2 . 9 6 3 5 9 5 4 6 5 7 E - 0 1 5 1 . 0 6 0 0 0 0 0 0 0 8 3 0 4 1 7 9 0 2 1 3 4 . 7 6 3 6 7 3 2 7 3 1 . 2 0 5 2 4 5 0 9 1 9 0 1 8 5 5 9 1 2 - 1 1 . 4 9 6 6 7 9 1 4 . 9 3 6 5 2 5 8 0 5 4 E - 0 1 6 1 . 0 7 5 0 0 0 0 0 0 8 3 . 0 3 3 9 4 5 6 9 3 4 . 2 7 7 2 6 9 2 1 3 1 . 2 0 5 2 7 4 5 2 1 8 . 4 9 0 7 0 2 4 4 - 1 1 . 1 7 7 0 8 3 7 9 . 9 1 0 7 1 1 6 2 7 5 E - 0 1 I 7 1 . 0 9 0 0 0 0 0 0 0 8 3 . 0 2 6 4 2 4 6 5 3 3 . 8 0 4 2 8 8 1 5 3 1 . 2 0 5 0 4 3 0 8 1 7 . 9 8 3 0 4 1 9 2 - 1 0 . 8 7 1 4 5 6 7 6 . 8 8 6 0 0 3 1 2 0 8 E - 0 1 8 1 . 1 0 5 0 0 0 0 0 0 8 3 . 0 1 9 2 0 2 3 4 3 3 . 3 4 4 2 0 1 0 9 3 1 . 2 0 5 3 6 7 7 7 1 7 . 4 9 7 4 7 6 5 3 - 1 0 . 5 7 6 5 0 0 6 3 . 8 6 2 2 6 0 1 9 2 6 E - 0 1 1 I M u l t i p l e R u n O u t p u t F i l e A l l C a p s 1 7 . 2 M W 9 . 6 M v a r I R u n # T a p P o s i t i o n H V V o l t a g e L V V o l t a g e P h A n q L V L V M W L V M V a r T F H V C u r r e n t 0 0 0 0 0 0 0 0 0 a : 5 5 3 0 0 2 1 o 3 5 . 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P F a n g l e 3 7 . 0 0 4 7 3 6 . 3 7 6 2 3 5 . 8 0 6 3 5 . 2 8 4 2 5 3 4 . 8 1 5 6 3 3 . 9 6 5 0 5 3 3 . 5 9 3 6 3 3 . 2 5 3 2 . 9 3 2 1 3 2 . 6 3 7 8 5 3 2 . 3 6 4 3 3 2 . 1 1 0 4 3 1 . 8 7 4 2 5 3 1 . 6 5 4 4 5 3 1 . 4 4 9 3 5 I I 3 3 : . • j • ~ I T h e t a b l e 5 . 2 v e r y c l e a r l y i n d i c a t e s t h a t t h e h i g h v o l t a g e s i d e b u s v o l t a g e a t t h e p r e s e n t r e a l c o n d i t i o n s d o e s n o t o v e r s t e p t h e m a x i m u m c o n t i n u o u s v o l t a g e o f 8 3 . 7 1 5 k V . T h e f i g u r e a l s o s h o w s t h a t f o r m a x i m u m a l l o w a b l e H V b u s v o l t a g e a n d f o r m i n i m u m l o a d , t h e m a x i m u m L V b u s v o l t a g e r i s e f o r s a m e t a p p o s i t i o n i s ( 3 6 . 7 5 5 8 - 3 5 . 3 9 5 9 ) k V e q u a l l i n g t o 1 . 3 6 k V . T h e F i g u r e s 5 . 6 s h o w t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s o f h o w t h e v o l t a g e a t t h e H V b u s b e h a v e s w i t h t h e n u m b e r o f c a p a c i t o r b a n k s , f o r 2 2 n d o f J u l y 2 0 0 9 7 8 7 7 . 5 7 7 7 6 . 5 ~76 c u a t ) t t l ' 5 5 . 5 > c u " ' ~75 Q . 7 4 . 5 7 4 7 3 . 5 7 3 0 5 B u s v o l t a g e 1 3 2 k V o n 2 2 n d J u l y 2 0 0 9 1 0 1 5 2 0 2 5 D a t e a n d T i m e - S i m u l a t i o n w i t h n o B S C b a n k - S i m u l a t i o n w i t h B S C b a n k w i t h p r e s e n t c r i t e r i a - S i m u l a t i o n r e s u l t w i t h m a x i m u m B S C b a n k u s e - S i m u l a t i o n r e s u l t 3 0 w i t h o p t i m u m B S C b a n k u s e F i g u r e 5 . 6 H V b u s v o l t a g e v a r i a t i o n s u n d e r d i f f e r e n t c a p b a n k c o n f i g u r a t i o n s - S i m u l a t e d d a t a f o r 2 2 n d J u l y 2 0 0 9 5 . 4 D a t a r e c o d i n g a n d g r a p h s A s m e n t i o n e d i n t h e p r e v i o u s p a r a g r a p h , w h i l e p r o v i d i n g t h e n e c e s s a r y r e a c t i v e p o w e r s u p p o r t t o t h e s y s t e m a t g r i d s u b s t a t i o n , i f t h e s w i t c h i n g o f t h e c a p a c i t o r b a n k s i s n o t b a s e d o n v o l t a g e , i . e - v o l t a g e c o n t r o l l e d s w i t c h i n g , a n d t h e n r i s e o f v o l t a g e s b e y o n d t h e n o m i n a l v a l u e s h a s t o b e m a i n t a i n e d b y t h e A V R a n d t a p c h a n g e r . F o r t h i s p u r p o s e , t h e v o l t a g e a t 3 3 k V b u s h a s t o b e w i t h i n t h e c o n t r o l l a b l e l i m i t o f t h e t a p p o s i t i o n s . O t h e r w i s e , t h e c a p a c i t o r b a n k s w i l l b e t r i p p e d b y t h e o v e r v o l t a g e r e l a y . 3 4 1 8 1 6 1 4 " ' .! 2 · v ; 0 c . . i o 1 - 8 6 4 0 V a r i a t i o n s o f t a p p o s i t i o n 1 6 t h J u l y - 2 3 r d J u l y 2 0 0 9 s o 1 C \ 9 a y s a n d h o u f ? 0 2 0 0 - - M e a s u r e m e n t o f t a p p o s i t i o n w i t h T F A V R a n d s s e b a n k c o n t r o l o o t i m i s a t i o n - - M e a s u r e m e n t o f t a p p o s i t i o n w i t h s s e b a n k O N - - M e a s u r e m e n t o f t a p p o s i t i o n w i t h N O S S e b a n k s w i t c h o n 2 5 0 F i g u r e 5 . 7 T a p p o s i t i o n v a r i a t i o n t o g i v e c o n s t a n t L V v o l t a g e - S i m u l a t i o n r e s u l t s T h e f i g u r e 5 . 7 s h o w s t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s o f v a r i a t i o n o f t h e t a p p o s i t i o n u n d e r m a x i m u m v a r s u p p o r t . I t i n d i c a t e s t h a t t h e t a p p o s i t i o n r e m a i n s a r o u n d t h e n o m i n a l t a p a n d v o l t a g e v a r i a t i o n h a s b e e n h a n d l e d b y t h e t a p s . A r e a l t i m e m e a s u r e m e n t a l s o w a s d o n e t o t r a c k t h e v a r y i n g t a p p o s i t i o n t h r o u g h o u t c o u p l e o f d a y s w i t h a l l c a p a c i t o r s c o n n e c t e d a n d t h e d a t a i s s h o w n i n F i g u r e 5 . 8 . 1 8 A c t u a l n l e a s u r e m e n t · o r t h e t a p p o s i t i o n 1 6 1 4 1 2 1 0 - T a p p o s i t i o n 8 6 4 0 1 6 t l l l o 1 7 t f u 1 8 . ! b 19~ 20~ 2 1 s o 2 L r ! J j 2 3 n J l J u l y J u l y J u l y J u l y J u l y J u l y , y , y , u , y 1 F i g u r e 5 . 8 T a p p o s i t i o n v a r i a t i o n s t o g i v e c o n s t a n t L V v o l t a g e - A c t u a l m e a s u r e m e n t s 3 5 Q f l o w w i t h t r a n s f o r m e r T a p v a r i a t i o n w i t h B S C 2 9 ' 0 0 _ . _ _ . _ _ . _ _ . _ _ . b 9 n . k ~witc;h . Q N . _ . _ _ . _ _ . _ _ . _ _ . _ - Q f l o w 3 3 . 5 0 3 3 . 3 3 3 T a p 1 0 - 1 3 2 7 . 0 0 2 5 . 0 0 2 3 . 0 0 ~21.00 ; : : : 2 <~:19.00 > : ; 0 1 7 . 0 0 1 5 . 0 0 1 3 . 0 0 1 1 . 0 0 9 . 0 0 / 3 3 . o o - O f l o w a t t a p 3 2 . 6 7 7 1 0 - 1 4 3 2 . 5 0 3 2 . 0 0 3 1 . 5 0 3 1 . 0 0 3 0 . 5 0 3 0 . 0 0 ~/ ~ / ~/ ~/ Q / ' / ~/ ~/ ~/ ~/ ~ / ~/ ~/ Q / ~/ ~/ ~ ' ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ Q ( M V A R ) L o a d F i g u r e 5 . 9 ( a ) V o l t a g e a n d V A R f l o w o f t h e s y s t e m w h e r e . V a r i a t i o n i n S y s t e m V o l t a g e W i t h r e s p e c t t o C h a n g e i n S y s t e m Q ( M V a r ) W i t h f i x e d t a p 0 8 , 1 0 , 1 2 , 1 4 , 1 6 . V 3 3 k v ( T a p 0 8 ) - - V 3 3 k v ( T a p 1 0 ) - V 3 3 k v ( T a p 3 5 . 0 0 1 2 ) 1 : ? - 1 6 · > - · > - · > - · > - · > - · > - · > - · > - · > - · > - V 3 3 k v ( T a p 3 3 . 0 0 0 0 3 2 . 6 7 t 2 . 5 0 0 0 Q l ~2 .0000 g 3 1 . 5 0 0 0 3 1 . 0 0 0 0 3 0 . 5 0 0 0 3 0 . 0 0 0 0 . . . . . ~ ··· · ' \ .' \ . . . . . . . ,c c , . · · · . . . ,O J · · · · , _ Q . . . . , _ ' \ . · · · · , _ , _ . . . · , _ . , _ , . . . · , _ < , · · · · , _ Q · · · · , _' \ . . . . , _ c c , . · · · , _O J · · · · . , _ , Q · · · · , ' \ . · · · · , . , _ , . . . · Q L o a d ( M v a r ) 3 3 . 0 0 1 4 - 1 6 ) 3 1 . 0 0 2 5 . 0 0 - . : : 2 3 . 0 0 . , > : ; 2 1 . 0 0 ~ 1 9 . 0 0 0 u : : : 1 7 . 0 0 c J 1 5 . 0 0 1 3 . 0 0 F i g u r e 5 . 9 ( b ) V o l t a g e a n d V A R f l o w o f t h e s y s t e m a t v a r y i n g t a p w i t h B S C b a n k s w i t c h i n g O N 3 6 C h a p t e r 6 6 . D e s i g n o f n e w c o n t r o l l e r f o r B S C b a n k c o n t r o l l i n g A s y s t e m a n d m e t h o d f o r c o o r d i n a t i n g s h u n t r e a c t a n c e s w i t c h i n g i n a s y s t e m w i t h a t r a n s f o r m e r h a v i n g a p r i m a r y v o l t a g e a n d a s e c o n d a r y v o l t a g e f o r s u p p l y i n g l o w v o l t a g e p o w e r t o a l o a d . V o l t a g e a n d p o w e r m e t e r s a r e p r o v i d e d f o r m e a s u r i n g t h e p r i m a r y v o l t a g e a n d t h e r e a c t i v e p o w e r f l o w i n g t o t h e l o a d . A p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r r e c e i v e s a s o n e s e t o f i n p u t s m e a s u r e m e n t s o f p r i m a r y v o l t a g e a n d r e a c t i v e p o w e r f l o w i n g t o t h e l o a d , a n d a s a n o t h e r s e t o f i n p u t s , p r e d e t e r m i n e d r a n g e s e s t a b l i s h i n g h i g h a n d l o w l i m i t s f o r t h e p r i m a r y v o l t a g e a n d t h e r e a c t i v e p o w e r . B a s e d o n t h e s e i n p u t s , t h e p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r c o n n e c t s o r d i s c o n n e c t s a t l e a s t o n e s h u n t r e a c t a n c e t o m a i n t a i n t h e l o a d v o l t a g e s u b s t a n t i a l l y c o n s t a n t . 6 . 1 I n t r o d u c t i o n o f t h e d e s i g n V o l t a g e f l u c t u a t i o n s a n d v a r i a t i o n o n h i g h v o l t a g e A C t r a n s m i s s i o n s y s t e m c a n b e r e d u c e d b y i n s t a l l i n g s t a t i c r e a c t i v e p o w e r g e n e r a t o r s ( s o m e t i m e s k n o w n a s V A R g e n e r a t o r s ) i n t h e t r a n s m i s s i o n G r i d S u b s t a t i o n s ( G S S ) . V o l t a g e r e g u l a t i o n i s b a s e d o n t h e f a c t t h a t i n a n e s s e n t i a l l y i n d u c t i v e t r a n s m i s s i o n l i n e , t r a n s f o r m e r , v o l t a g e i n c r e a s e s i f c a p a c i t i v e c u r r e n t i s i n j e c t e d i n t o t h e l i n e b y , f o r e x a m p l e , c o n n e c t i o n o f a s h u n t c a p a c i t o r a c r o s s t h e p a r t i c u l a r b u s [ 5 ] . A l t e r n a t i v e l y , v o l t a g e c a n b e d e c r e a s e d b y c o n n e c t i n g a n i n d u c t o r a c r o s s t h e b u s ( o r r e m o v i n g a p r e v i o u s l y c o n n e c t e d c a p a c i t o r ) . S t a t i c V A R g e n e r a t o r s m a y b e s w i t c h e d a c r o s s t h e b u s u s i n g e l e c t r o m a g n e t i c r e l a y d e v i c e s c o n t r o l l e d b y a p r e d e t e r m i n e d t i m e r o r u s i n g a t h y r i s t o r ( o r o t h e r s e m i c o n d u c t o r ) . A p r o b l e m f a c i n g m a n y u t i l i t i e s i s c o n t r o l l i n g s h u n t c o m p e n s a t i o n o n v o l t a g e b u s e s e s p e c i a l l y w h e r e v o l t a g e i s a l r e a d y r e g u l a t e d b y o n l o a d t a p c h a n g e ( O L T C ) t r a n s f o r m e r s . I n a n O L T C t r a n s f o r m e r , t h e l o w s i d e l i n e v o l t a g e d e l i v e r e d t o t h e l o a d i s m o n i t o r e d a n d r e g u l a t e d b y a c o n v e n t i o n a l , f i n e t u n i n g O L T C c o n t r o l l e r . S u c h a c o n t r o l l e r m e a s u r e s a c t u a l l o w s i d e v o l t a g e , c o m p a r e s i t w i t h t h e d e s i r e d v a l u e , a n d t h e n a d j u s t s t h e p o s i t i o n w h e r e t h e l o a d t a p m a k e s c o n t a c t w i t h t h e h i g h s i d e O L T C t r a n s f o r m e r c o i l , e . g . , v i a a c o n t r o l s i g n a l t o a m o t o r i z e d t a p c h a n g e r [ 1 0 ] . T y p i c a l O L T C t r a n s f o r m e r s m a y h a v e 1 6 o r 3 2 t a p p o s i t i o n s , w i t h e a c h p o s i t i o n b e i n g r e p r e s e n t a t i v e o f s o m e f r a c t i o n a l p o r t i o n o f r a t e d v o l t a g e . T h u s , f o r e x a m p l e , a o n e p o s i t i o n t a p c h a n g e o n a 3 2 t a p O L T C t r a n s f o r m e r w o u l d c a u s e a r e l a t i v e l y s m a l l b u s v o l t a g e c h a n g e a s c o m p a r e d w i t h t h e r a t e d o r d e s i r e d o u t p u t v o l t a g e . O L T C t r a n s f o r m e r s f u n c t i o n w e l l t o e f f e c t s m a l l c h a n g e s i n v o l t a g e . H o w e v e r , l a r g e v o l t a g e f l u c t u a t i o n s r e q u i r e s w i t c h i n g o f s h u n t r e a c t a n c e t o e n s u r e t h a t s u f f i c i e n t r e a c t i v e p o w e r i s p r o v i d e d t o t h e s y s t e m , e n d - u s e r s a n d t h e c u s t o m e r s s u c h t h a t s e c o n d a r y v o l t a g e c a n b e h e l d e s s e n t i a l l y c o n s t a n t . S i n c e t h e O L T C c o n t r o l l e r i s a l r e a d y m o n i t o r i n g a n d r e g u l a t i n g t h e s e c o n d a r y d i s t r i b u t i o n v o l t a g e , a s h u n t r e a c t a n c e c o n t r o l u n i t c a n n o t a l s o d i r e c t l y c o n t r o l t h a t s e c o n d a r y d i s t r i b u t i o n v o l t a g e [ 1 2 ] . A s a r e s u l t , m o s t u t i l i t i e s t y p i c a l l y f o l l o w a f a i r l y r i g i d l o a d c y c l e o r p o w e r f a c t o r t o e s t i m a t e r o u g h l y w h e n a r e a c t a n c e e l e m e n t , s u c h a s a c a p a c i t o r b a n k , s h o u l d b e s w i t c h e d i n s h u n t a c r o s s t h e l o a d t o o f f s e t a d e c r e a s e i n t h e s e c o n d a r y d i s t r i b u t i o n v o l t a g e f r o m a n i n c r e a s e d l o a d . A f t e r c a p a c i t o r b a n k s w i t c h i n g , t h e O L T C c o n t r o l l e r g r a d u a l l y a d j u s t s t h e t a p t o r e t u r n t h e l o w s i d e v o l t a g e t o t h e d e s i r e d v a l u e . T h i s r i g i d s c h e d u l i n g i s f a r f r o m o p t i m a l b e c a u s e i t f a i l s t o a c c u r a t e l y r e s p o n d t o a c t u a l s y s t e m n e e d s ( a s o p p o s e d t o s c h e d u l e d e s t i m a t e s ) a n d t o d e t e c t a b n o r m a l s y s t e m c o n d i t i o n s . 3 7 6 . 2 F a c t o r s t h a t h a v e b e e n c o n s i d e r e d f o r d e s i g n i n g t h e c o n t r o l l e r T h e p r e s e n t m e t h o d s e e k s t o o v e r c o m e t h e s e p r o b l e m s b y f l e x i b l y c o o r d i n a t i n g t h e O L T C f i n e t u n e c o n t r o l l e r a n d s h u n t r e a c t a n c e s w i t c h i n g . M o r e s p e c i f i c a l l y , i t p r o v i d e s v o l t a g e a n d p o w e r r e g u l a t i o n u s i n g a p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r f o r c o n t r o l l i n g s h u n t c a p a c i t o r s w i t c h i n g i n o r d e r t o a t t a i n t h e f o l l o w i n g e x e m p l a r y o b j e c t i v e s : ( I ) M a i n t a i n d i s t r i b u t i o n a n d t r a n s m i s s i o n v o l t a g e s f a i r l y c o n s t a n t ; ( 2 ) T r a c k s t a t i o n l o a d i n g ; ( 3 ) C o m p l e m e n t t h e a c t i o n o f O L T C t r a n s f o r m e r s ; ( 4 ) P r o v i d e s u f f i c i e n t d e a d - b a n d a n d t i m e d e l a y s t o a v o i d h u n t i n g ; a n d ( 5 ) D e t e c t a n d c o m p e n s a t e f o r a b n o r m a l s y s t e m c o n d i t i o n s . ( 5 ) . M e a s u r e t h e V A R c o n s u m p t i o n o f t h e t r a n s f o r m e r a t v a r i o u s l o a d i n g c o n d i t i o n s w i t h r e s p e c t t o t h e t a p o p e r a t i o n s ( 6 ) . M e a s u r e t h e V A R g e n e r a t i o n b y t h e t r a n s f o r m e r w h e n a t a p o p e r a t i o n o c c u r s I n o n e e m b o d i m e n t , t h e p r e s e n t s t u d y p r o v i d e s a s y s t e m f o r c o o r d i n a t i n g s h u n t r e a c t a n c e s w i t c h i n g i n a p o w e r d i s t r i b u t i o n s u b s t a t i o n w h i c h i n c l u d e s a t r a n s f o r m e r h a v i n g a p r i m a r y v o l t a g e a n d a s e c o n d a r y v o l t a g e f o r s u p p l y i n g l o w v o l t a g e p o w e r t o a l o a d . V o l t a g e a n d p o w e r s e n s o r s a r e p r o v i d e d f o r m e a s u r i n g t h e p r i m a r y v o l t a g e a n d t h e r e a c t i v e ( o r r e a l ) p o w e r f l o w i n g t o t h e l o a d . A p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r r e c e i v e s a s o n e s e t o f i n p u t s m e a s u r e m e n t s o f p r i m a r y v o l t a g e a n d r e a c t i v e ( o r r e a l ) p o w e r f l o w i n g t o t h e l o a d , a n d a s a n o t h e r s e t o f i n p u t s , p r e d e t e r m i n e d r a n g e s e s t a b l i s h i n g h i g h a n d l o w l i m i t s f o r t h e p r i m a r y v o l t a g e a n d t h e r e a c t i v e ( o r r e a l ) p o w e r . B a s e d o n t h e s e i n p u t s , t h e p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r c o n n e c t s o r d i s c o n n e c t s a t l e a s t o n e s h u n t r e a c t a n c e a c r o s s t h e l o a d t o m a i n t a i n t h e l o a d v o l t a g e s u b s t a n t i a l l y c o n s t a n t . T h i s i s p a r t i c u l a r l y w e l l s u i t e d t o c o o r d i n a t e s h u n t r e a c t a n c e s w i t c h i n g w i t h O L T C t r a n s f o r m e r s . A n O L T C c o n t r o l l e r m o n i t o r s t h e s e c o n d a r y v o l t a g e a n d a d j u s t s t h e t a p c o n t a c t p o s i t i o n i n r e s p o n s e t o s e c o n d a r y v o l t a g e v a r i a t i o n s . T h e p r e s e n t s t u d y i s a l s o a p p l i c a b l e a s w e l l t o p o w e r t r a n s m i s s i o n l i n e s f o r d e l i v e r i n g s e c o n d a r y v o l t a g e s t o a v a r i e t y o f l o a d s . I n b o t h e n v i r o n m e n t s , a p r i m a r y v o l t a g e o f t h e O L T C t r a n s f o r m e r o r t h e t r a n s m i s s i o n l i n e i s m o n i t o r e d a l o n g w i t h r e a c t i v e p o w e r t o a l o a d . T h e p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r u s e s t h e p r e d e t e r m i n e d r a n g e s f o r p r i m a r y v o l t a g e a n d r e a c t i v e p o w e r t o d e t e r m i n e a d e a d - b a n d r a n g e o f o p e r a t i o n i n w h i c h n o r e a c t a n c e s w i t c h i n g i s n e c e s s a r y . T h e d e a d - b a n d r a n g e a n d s w i t c h i n g d e t e r m i n a t i o n a r e b a s e d u p o n a m a t h e m a t i c a l m o d e l f o r m u l a t e d a s a f u n c t i o n o f ( 1 ) P r i m a r y o r h i g h s i d e v o l t a g e a n d ( 2 ) P o w e r ( P o r Q ) f l o w i n g t o t h e l o a d . 3 8 I f t h a t f u n c t i o n e x c e e d s a c a l c u l a t e d d e a d - b a n d r a n g e , a n e r r o r i s c a l c u l a t e d , a n d i n t e g r a t e d , o v e r t i m e . W h e n t h e i n t e g r a t e d e r r o r e x c e e d s a p r e s e t v a l u e , r e a c t a n c e s w i t c h i n g o c c u r s . T h e p r e s e n t s t u d y a l s o i n c l u d e s a m e t h o d f o r c o o r d i n a t i n g s h u n t r e a c t a n c e s w i t c h i n g w i t h a n O L T C t r a n s f o r m e r i s h a v i n g a h i g h v o l t a g e s i d e a n d a l o w v o l t a g e s i d e f o r s u p p l y i n g l o w v o l t a g e t o a l o a d i n c l u d i n g : ( 1 ) . A d j u s t i n g t h e p o s i t i o n o f a n a d j u s t a b l e t a p c o n t a c t i n g w i n d i n g s o n t h e h i g h v o l t a g e s i d e i n r e s p o n s e t o v a r i a t i o n s i n t h e l o w s i d e v o l t a g e ; ( 2 ) M e a s u r i n g t h e h i g h s i d e v o l t a g e a n d r e a c t i v e p o w e r f l o w i n g t o t h e l o a d ; a n d ( 3 ) . S w i t c h i n g a t l e a s t o n e r e a c t a n c e i n s h u n t w i t h t h e l o a d t o m a i n t a i n a s u b s t a n t i a l l y c o n s t a n t l o w s i d e v o l t a g e b a s e d o n t h e m e a s u r e m e n t s i n s t e p ( 2 ) a n d o n p r e d e t e r m i n e d r a n g e s f o r t h e h i g h s i d e v o l t a g e a n d r e a c t i v e p o w e r . T h e m e t h o d m a y f u r t h e r i n c l u d e c a l c u l a t i n g a d e a d - b a n d r a n g e o f o p e r a t i o n i n w h i c h n o r e a c t a n c e s a r e s w i t c h e d a n d o u t s i d e o f w h i c h r e a c t a n c e s a r e s w i t c h e d [ 1 2 ] . T h e m e t h o d f u r t h e r i n c l u d e s t h e s t e p s o f i n p u t t i n g p r e d e t e r m i n e d r a n g e s w h i c h i n c l u d e a m i n i m u m p r i m a r y v o l t a g e , a m a x i m u m p r i m a r y v o l t a g e , a m i n i m u m r e a c t i v e p o w e r , a n d a m a x i m u m r e a c t i v e p o w e r , a n d c a l c u l a t i n g a d e a d - b a n d r a n g e o f o p e r a t i o n i n w h i c h n o r e a c t a n c e s a r e s w i t c h e d a n d o u t s i d e o f w h i c h r e a c t a n c e s a r e s w i t c h e d b a s e d o n t h o s e p r e d e t e r m i n e d r a n g e s . 6 . 3 B r i e f d e s c r i p t i o n o f t h e d r a w i n g s a n d f i g u r e s T h e s e a n d o t h e r f e a t u r e s a n d a d v a n t a g e s o f t h e s t u d y w i l l b e r e a d i l y a p p a r e n t i n t h e a r t f r o m t h e f o l l o w i n g w r i t t e n d e s c r i p t i o n , r e a d i n c o n j u n c t i o n w i t h t h e d r a w i n g s , i n w h i c h : F i g u r e 6 . 4 1 i s a n e x e m p l a r y f u n c t i o n a l b l o c k d i a g r a m i n w h i c h t h i s m e t h o d c a n b e a p p l i e d t o a n O L T C t r a n s f o r m e r w i t h s h u n t r e a c t a n c e s a n d l o a d r e s i d i n g a t p h y s i c a l l y s e p a r a t e l o c a t i o n s ; F i g u r e 6 . 4 . 2 i s a g r a p h i c d e p i c t i o n o f t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l e m p l o y e d i n t h e d e s i g n o f c o n t r o l l e r ; F i g u r e 6 . 4 . 3 S h o w s t h e s i n g l e p h a s e a r r a n g e m e n t o f t h e s c h e m a t i c d i a g r a m . F i g u r e 6 . 5 . 1 i s a f l o w d i a g r a m i l l u s t r a t i n g e x e m p l a r y p r o c e s s e s w h i c h m a y b e u s e d f o r c a r r y i n g o u t t h e i n t h e d e s i g n ; a n d F i g u r e s 6 . 5 . 2 t h r o u g h F i g u r e 6 . 5 . 1 0 a r e g r a p h s s h o w i n g t h e o p e r a t i o n o f t h e c o n t r o l l e r u n d e r v a r i o u s o p e r a t i n g c o n d i t i o n s . 6 . 4 D e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h e d e s i g n I n t h e f o l l o w i n g d e s c r i p t i o n , f o r p u r p o s e s o f e x p l a n a t i o n a n d n o t l i m i t a t i o n , s p e c i f i c e m b o d i m e n t s a r e s e t f o r t h , i n c l u d i n g p a r t i c u l a r c i r c u i t s , c i r c u i t c o m p o n e n t s , t e c h n i q u e s , e t c . i n o r d e r t o p r o v i d e a t h o r o u g h u n d e r s t a n d i n g o f t h e p r o c e s s . H o w e v e r , i t w i l l b e a p p a r e n t t o o n e s k i l l e d i n t h e a r t t h a t t h e s t u d y m a y b e p r a c t i c e d i n o t h e r r e l a t e d a r e a s t h a t d e p a r t f r o m t h e s e s p e c i f i c d e t a i l s . I n o t h e r i n s t a n c e s , d e t a i l e d d e s c r i p t i o n s o f 3 9 w e l l k n o w n m e t h o d s , d e v i c e s , a n d c i r c u i t s a r e o m i t t e d s o a s t o n o t o b s c u r e t h e d e s c r i p t i o n o f t h e p r o c e s s w i t h u n n e c e s s a r y d e t a i l . T h e s t u d y w i l l b e d e s c r i b e d i n o n e e x e m p l a r y e m b o d i m e n t i n t h e c o n t e x t o f a n O L T C t r a n s f o r m e r i n c o n j u n c t i o n w i t h F i g u r e 6 . 4 . 1 . O L T C t r a n s f o r m e r i n c l u d e s p r i m a r y ( P ) a n d s e c o n d a r y ( S ) w i n d i n g s r e s p e c t i v e l y , f o r s t e p p i n g d o w n a h i g h p r i m a r y v o l t a g e , f o r e x a m p l e , 1 3 2 k V t o a l o w e r s e c o n d a r y v o l t a g e , f o r e x a m p l e , 3 3 k V . A n O L T C c o n t r o l l e r f u n c t i o n s i n t h e c o n v e n t i o n a l w a y a s d e s c r i b e d a b o v e t o m o n i t o r t h e s e c o n d a r y d i s t r i b u t i o n v o l t a g e t o a l o a d a n d t o a d j u s t t h e t a p p o s i t i o n o f v a r i a b l e t a p i n o r d e r t o m a i n t a i n a s u b s t a n t i a l l y c o n s t a n t s e c o n d a r y v o l t a g e [ 1 3 ] . F 1 F 2 ~ 1 3 2 k V B u s B a r ~ . _ , , y · 3 3 k V P T 1 , - t ) C T 1 q > c [ S w i t c h O N I S w i t c h O N I O B S C b a n k B 2 M a s t e r F o l l o w e r I n d e p e n d e n t ( M F I ) L o g i c B l o c k A V R f u n c t i o n D e - b l o c k A V R f u n c t i o n _ - L . .'~~ t l P L C c o n t r o l l e r o r l E D I 1 V o l t a g e M e a s u r e m e n t ( V ) C u r r e n t M e a s u r e m e n t ( I ) S w i t c h O N I O F F B S C B a n k A S w i t c h O N I O F F B S C B a n k A E r r o r T h r e s h o l d ( v • t ) U p p e r a n d L o w e r V o l t a g e l i m i t s ( V m a x a n d V m i n ) [1~[1 U p p e r a n d L o w e r Q l i m i t s ( Q m a x a n d Q m i n ) F 3 F 4 F i g u r e 6 . 4 1 C i r c u i t d i a g r a m a n d t h e c o n t r o l l e r a r r a n g e m e n t o f t h e s y s t e m . A v o l t a g e t r a n s f o r m e r i s s h u n t e d a c r o s s t h e p r i m a r y w i n d i n g i n o r d e r t o d e t e c t t h e p r i m a r y v o l t a g e . A p o w e r s e n s o r m e a s u r e s t h e r e a c t i v e p o w e r f l o w i n g t o l o a d b y m e a s u r i n g t h e v o l t a g e a c r o s s t h e l o a d a n d t h e c u r r e n t f l o w i n g t o t h e l o a d a s i n d i c a t e d b y F i g u r e 6 . 4 . 1 . S h u n t r e a c t a n c e s a n d ( i l l u s t r a t e d a s c a p a c i t o r s ) a r e c o n n e c t e d i n s h u n t t o t h e l o a d v i a c i r c u i t b r e a k e r s . I t w i l l b e a p p r e c i a t e d t h a t s h u n t r e a c t a n c e s c o u l d b e e i t h e r c a p a c i t o r s o r i n d u c t o r s a n d t h a t c o n t r o l l i n g d e v i c e s c o u l d b e a n y t y p e o f c i r c u i t b r e a k e r o r s e m i c o n d u c t o r ( t h y r i s t o r ) s w i t c h e s . A p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r r e c e i v e s a n u m b e r o f i n p u t s i n c l u d i n g v o l t a g e r e a d i n g s f r o m V T a n d r e a c t i v e p o w e r r e a d i n g s f r o m p o w e r m e t e r . I n a d d i t i o n , t h e p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r r e c e i v e s u s e r i n p u t s i n c l u d i n g a n e r r o r t h r e s h o l d , u p p e r a n d l o w e r p r i m a r y v o l t a g e l i m i t s , a n d u p p e r a n d l o w e r r e a c t i v e p o w e r l i m i t s . O u t p u t s o f p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r i n c l u d e c o n t r o l s i g n a l s t o r e l a y d r i v e r s f o r c o n t r o l l i n g t h e s t a t e o f c i r c u i t b r e a k e r s f o r s w i t c h i n g t h e s h u n t r e a c t a n c e s i n t o o r o u t o f t h e n e t w o r k . I t w i l l b e u n d e r s t o o d b y 4 0 ~' t h o s e s k i l l e d i n t h e a r t t h a t a n y n u m b e r o f s h u n t r e a c t a n c e s m a y b e i n c l u d e d i n t h e c i r c u i t d e p e n d i n g o n t h e i n s t a l l a t i o n . F i g u r e 6 . 4 . 1 a l s o i l l u s t r a t e s t h a t t h e r e a c t i v e d e v i c e s m a y i f d e s i r e d b e r e m o t e l y l o c a t e d o n a s e c o n d a r y n e t w o r k a n d m a y b e r e m o t e l y l o c a t e d f r o m l o a d . I t w i l l b e u n d e r s t o o d b y t h o s e t h a t a v a r i e t y o f l o c a t i o n s e x i s t f o r t h e m e a s u r e m e n t d e v i c e s , c i r c u i t b r e a k e r s , a n d l o a d s . F o r e a c h o f t h e c o m p o n e n t s d e s c r i b e d a b o v e , t h e c o n t r o l l e r s o p e r a t e s e s s e n t i a l l y t o r e g u l a t e t h e v o l t a g e t o t h e l o a d a n d t o s w i t c h s h u n t r e a c t a n c e s a s n e c e s s a r y t o e n s u r e t h a t t h e l o a d v o l t a g e r e m a i n s e s s e n t i a l l y c o n s t a n t . T h e p r i m a r y " e n g i n e " o f t h e s t u d y i s p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r , e . g . a s u i t a b l e p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r i s a v a i l a b l e f r o m t h e v e n d o r s . C u r r e n t s o f t w a r e f o r p r o g r a m m i n g p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l i s a l s o c o n v e n t i o n a l , e . g . L a d d e r L o g i c s o f t w a r e i s a v a i l a b l e f r o m v e n d o r s . I t w i l l , o f c o u r s e a p p r e c i a t e t h a t o t h e r c o n v e n t i o n a l p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r s a n d s u i t a b l e s o f t w a r e m a y b e u s e d t o i m p l e m e n t s t u d y a s d e s c r i b e d b e l o w . T h e p r o c e s s w i l l n o w b e d e s c r i b e d i n c o n j u n c t i o n w i t h e x e m p l a r y c o n d i t i o n s g r a p h i c a l l y d e p i c t e d i n F i g u r e 6 . 4 . 2 . 1 . 1 0 0 0 0 0 V ( V o l t a g e _ P U ) Vs Q F l o w (MAlar~ 1 . 0 5 0 0 0 0 • F H i g h 1 . 0 2 5 0 0 0 - . _ y M . a , _ I - . I . , • · · · · I _ - ~ . , 1 0 0 0 0 0 0 I _ _ ; _ ; _ · - . -~ · - . • . _ . _ J ! l _ , _ . . . - I . - . - . - . - > o 0 . 9 7 5 0 0 0 ~ . v. . . I . - - . - •• . I ~ 0 . 9 5 0 0 0 0 - . j ' ' - . --~ I r 0 . 9 0 0 0 0 0 I - t t - - p M a x • V M i d i Vr v 1 i n I . . I . 0 . 8 5 0 0 0 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 - 5 - 1 0 - 1 5 - 2 0 - 2 5 Q ( M V a r ) F i g u r e 6 . 4 . 2 M a t h e m a t i c a l m o d e l e m p l o y e d i n t h e c o n t r o l l e r f o r d e c i s i o n - F l o w F h i g h T h e c o n t r o l l e r d e t e r m i n e s w h e n a n d i f t o s w i t c h t h e s h u n t r e a c t a n c e s e i t h e r i n t o o r o u t o f t h e n e t w o r k t o i n c r e a s e o r d e c r e a s e v o l t a g e t o t h e l o a d . H o w e v e r , i n o r d e r t o e l i m i n a t e h u n t i n g a n d e x c e s s i v e r e a c t a n c e s w i t c h i n g ( e i t h e r o n o r o f f ) , i t i s d e s i r a b l e t o i n c l u d e a " d e a d - b a n d " r a n g e a r o u n d i d e a l o p e r a t i n g v o l t a g e a n d p o w e r c o n d i t i o n s . T h i s d e a d - b a n d r a n g e i s d e f i n e d a s t h e r e g i o n b e t w e e n t h e t w o s o l i d d i a g o n a l l i n e s s h o w n i n F i g u r e 6 . 4 . 2 4 1 T h e p r e s e n t i n v e n t i o n d e f i n e s t h e d e a d - b a n d r a n g e b a s e d o n a d e c i s i o n v a r i a b l e F ( V , Q ) w h i c h i s a f u n c t i o n o f v o l t a g e a n d p o w e r f l o w t o t h e l o a d . W h i l e t h e p r e s e n t s t u d y w i l l b e d e s c r i b e d b e l o w u s i n g p r i m a r y v o l t a g e a n d r e a c t i v e p o w e r , i t i s t o b e u n d e r s t o o d b y t h o s e s k i l l e d i n t h e a r t t h a t o t h e r v o l t a g e s i n c l u d i n g t h e s e c o n d a r y v o l t a g e a s w e l l a s r e a l p o w e r , c o u l d b e u t i l i z e d a s t h e v o l t a g e a n d p o w e r p a r a m e t e r s , r e s p e c t i v e l y . I n i t i a l l y , a n o p e r a t o r s e t s p r e d e t e r m i n e d u p p e r a n d l o w e r l i m i t s f o r b o t h p r i m a r y v o l t a g e a n d r e a c t i v e p o w e r f l o w . I n t h e e x a m p l e s h o w n i n F i g u r e 6 . 4 . 2 , r e a c t i v e p o w e r f l o w ( i n M V A R ) i s r e c o r d e d o n t h e v e r t i c a l s c a l e w i t h O m i n = - 1 5 M V A R a n d O m a x = 1 5 M V A R O n t h e h o r i z o n t a l s c a l e , n o r m a l i z e d p r i m a r y v o l t a g e ( i n p e r u n i t " p u " ) i n c l u d e s V m i n = 1 . 0 a n d V m a x = 1 . 0 2 5 . F o u r m i d p o i n t s 1 - 4 a r e d e t e r m i n e d f o r e a c h s i d e o f a r e c t a n g l e f o r m e d b y t h e Q m i n , O m a x , V m i n , a n d V m a x t h r e s h o l d l i m i t s ( i n d i c a t e d b y d a s h e d l i n e s ) . F o r e x a m p l e , m i d p o i n t 1 i s t h e p o i n t a t z e r o r e a c t i v e p o w e r f l o w h a l f w a y b e t w e e n t h e u p p e r a n d l o w e r r e a c t i v e p o w e r l i m i t s O m a x a n d Q m i n T w o p a r a l l e l d i a g o n a l l i n e s a r e d e t e r m i n e d w h i c h i n t e r s e c t m i d p o i n t s 1 a n d 2 a n d m i d p o i n t s 3 a n d 4 , r e s p e c t i v e l y . T h e s e t w o d i a g o n a l l i n e s d e f i n e t h e b o u n d a r i e s o f t h e p e r m i s s i b l e d e a d b a n d o p e r a t i o n a n d a r e d e f i n e d m a t h e m a t i c a l l y a s M • x h u m M V A r ( Q ) p e r h l p o p e . . t l o n ! : ; , ' : ' : , . . I 1- - 1 ( ~( ~ ~ I s I • I • s n l m u m M V A r p . , . M l t a I D O - < ! I t i D n M e t e r e d V o l t a g e M e t - C u r r e n t _ . ' l P r o g r a m m a b l e L o g i c C o n t r o l e r ( P L C ) O R e l n t e l e g e n t E l e c t r o n i c D • v l c • ( l E D ) t . . . . . _ . . . . . . . . _ . . . . _ . . E r r o r T h r e s h o l d V o l t a g e L i m i t s R - y D t t v . , . R e l a y D r i v e r u . . . . . . . . . . , J l . . w • • P o w e r U m l t s F i g u r e 6 . 4 . 3 S h o w s t h e s i n g l e p h a s e a r r a n g e m e n t o f t h e s c h e m a t i c d i a g r a m F lo w = V m i n - k Q m i d F hi g h = V m a x - k Q m i d T h e g a i n o r s l o p e v a r i a b l e k i s c a l c u l a t e d a s k = (Vmll~e -V m i 1 1 ) ( Q m a x - Q m i n ) I I J 4 2 a n d Q m i d i s d e f i n e d a s Q m i d = Q m i n + ( Q m a x - Q m i n ) 2 T h e d e c i s i o n f u n c t i o n F d e t e r m i n e s t h e e x t e n t t o w h i c h a c t u a l l y m e a s u r e d v o l t a g e a n d r e a c t i v e p o w e r v a r y f r o m t h e d e a d - b a n d r a n g e d e f i n e d b y d i a g o n a l l i n e s F h i g h a n d F l o w T h u s , t h e a c t u a l o p e r a t i n g p o i n t o f t h e s y s t e m a t a n y p o i n t i n t i m e c a n b e d e t e r m i n e d u s i n g t h e f u n c t i o n F ( V a c t , Q n o w ) = Y a c t - k Q n o w w h e r e : Y a c t i s t h e m e a s u r e d h i g h v o l t a g e ; k i s a g a i n p a r a m e t e r r e l a t i n g v o l t a g e a n d r e a c t i v e p o w e r f l o w r a n g e s ; Q n o w i s t h e m e a s u r e d r e a c t i v e p o w e r f l o w i n g t o t h e l o a d ; Y m i n i s t h e l o w p r i m a r y v o l t a g e l i m i t ; Y 1 1 1 a x i s t h e h i g h p r i m a r y v o l t a g e l i m i t ; Q m i n i s t h e l o w r e a c t i v e p o w e r f l o w l i m i t ; O m a x i s t h e h i g h r e a c t i v e p o w e r f l o w l i m i t ; Q m i d i s t h e m i d p o i n t o f t h e r e a c t i v e f l o w r a n g e . T o c a l c u l a t e t h e d e c i s i o n f u n c t i o n X f o r t h e e x a m p l e s h o w n i n F i g u r e 6 . 4 . 2 c o n s i d e r t h e f o l l o w i n g v a l u e s : Y m i n = 1 . 0 0 p u V o l t s ; Y m a x = 1 . 0 2 6 p u V o l t s ; Y m i d = - 1 0 . 0 M Y A R ; Q m a x = 1 0 . 0 M V A R ; Q m i d = 0 . 0 M Y A R ; k e q u a l s 0 . 0 2 6 / 2 0 . 0 = 0 . 0 0 1 3 ( p u V o l t s / M V A R ) ; F l o w = 1 . 0 0 0 p u V o l t s ; F h i g h = 1 . 0 2 6 p u V o l t s . I n a f i r s t c a l c u l a t i o n p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r c a l c u l a t e s v a l u e s k , F l o w , F h i g h b a s e d o n i n p u t l i m i t v a l u e s Q m i n , O m a x , Y m i n , Y m a x a n d t h e m i d p o i n t r e a c t i v e p o w e r v a l u e Q m i d S u b s e q u e n t l y , b a s e d o n t h e a c t u a l v o l t a g e a n d r e a c t i v e p o w e r f l o w m e a s u r e m e n t s f r o m v o l t m e t e r a n d p o w e r m e t e r , p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r d e t e r m i n e s d e c i s i o n f u n c t i o n 4 3 6 . 5 S a m p l e c a l c u l a t i o n o f t h e d e c i s i o n v a r i a b l e s F ( V , Q ) . F o r e x a m p l e , i f t h e p r i m a r y v o l t a g e i s 0 . 9 9 p u a n d t h e r e a c t i v e p o w e r f l o w i s 5 M V A R , X = 0 . 9 9 - ( 0 . 0 0 1 3 x 5 . 0 ) = 0 . 9 8 3 5 . P r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r t h e n c o m p a r e s F t o t h e F 1 o w a n d F h i g h v a l u e s t o d e t e r m i n e i f F i s o u t s i d e t h e d e a d - b a n d r a n g e o f o p e r a t i o n . S i n c e 0 . 9 8 3 5 i s l e s s t h a n F l o w = 1 . 0 0 0 p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r s t a r t s a t i m e r t o a c c u m u l a t e / i n t e g r a t e a v o l t a g e e r r o r . A n e r r o r f o r l o w c o n d i t i o n s i s d e f i n e d a s E R R 1 = F 1 o w - F a n d f o r h i g h c o n d i t i o n s i s d e f i n e d a s E R R 2 = F - F h i g h e r r o r v a l u e s E R R 1 o r E R R 2 a r e i n t e g r a t e d o v e r t i m e a n d w h e n t h e i n t e g r a t e d v a l u e r e a c h e s a p r e d e t e r m i n e d t h r e s h o l d , a p p r o p r i a t e r e a c t a n c e s w i t c h i n g i s i n i t i a t e d . A s s h o w n i n F i g u r e 6 . 4 . 2 , i f E R R 1 e x c e e d s i t s t h r e s h o l d , a c a p a c i t o r r e a c t a n c e b a n k i s s w i t c h e d o n . C o n v e r s e l y , i f E R R 2 e x c e e d s i t s t h r e s h o l d , t h e p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r s w i t c h e s a c a p a c i t o r r e a c t a n c e b a n k i n t o t h e n e t w o r k . T h e t h r e s h o l d v a l u e m a y b e , f o r e x a m p l e , 1 . 0 p u V o l t s e c o n d s t o a l l o w f o r g r a d u a l c h a n g e s i n l o a d o r v o l t a g e s a n d f o r q u i c k r e s p o n s e i n c o n t i n g e n c y c o n d i t i o n s . I n t h i s i n s t a n c e , a t e n p e r c e n t ( 0 . 1 0 p u ) v o l t a g e e r r o r c a u s e s r e a c t a n c e s w i t c h i n g i n t e n s e c o n d s w h i l e a o n e p e r c e n t ( 0 . 0 1 p u ) v o l t a g e e r r o r r e q u i r e s o n e h u n d r e d s e c o n d s f o r s w i t c h i n g . P r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r o n l y a c c u m u l a t e s e r r o r s w h e n F i s o u t s i d e o f t h e d e a d - b a n d r a n g e . I f F r e t u r n s i n s i d e t h e d e a d - b a n d b e f o r e a r e a c t a n c e s w i t c h i n g s i g n a l i s g e n e r a t e d . N O 4 4 F i g u r e 6 . 5 . 1 F l o w c h a r t i l l u s t r a t i n g t h e p r o c e s s o f c a l c u l a t i o n i n t h e F i g u r e s 6 . 5 . 2 t o 6 . 5 . 4 s h o w t h e r e s p o n s e t o a g r a d u a l d e c l i n e i n s y s t e m v o l t a g e f r o m 1 . 0 4 p u t o 0 . 9 5 p u o v e r a 3 0 m i n u t e p e r i o d . A s s y s t e m v o l t a g e d r o p O L T C c o n t r o l l e r r e a c t s t o m a i n t a i n t h e s e c o n d a r y v o l t a g e w i t h i n p r e d e t e r m i n e d l i m i t s . W h e n h i g h s i d e v o l t a g e d r o p s b e l o w l . O p u e r r o r s t a r t s t o a c c u m u l a t e . W h e n e r r o r r e a c h e s a t h r e s h o l d a t 4 4 0 s e c o n d s a f i r s t s h u n t B S C b a n k i s s w i t c h e d i n t o t h e n e t w o r k . A s a r e s u l t s b o t h p r i m a r y a n d s e c o n d a r y v o l t a g e r i s e . A s t h e s y s t e m v o l t a g e d r o p s f u r t h e r , a s e c o n d B S C b a n k i s s w i t c h e d O N a t 6 4 0 s e c o n d s . A t t h i s p o i n t t h e h o w e v e r t h e s e c o n d a r y v o l t a g e e x c e e d s a n u p p e r l i m i t s a n d O L T C c o n t r o l l e r r e a c t s t o d e c r e a s e t h e v o l t a g e . A t a p p r o x i m a t e l y 9 1 0 s e c o n d s r e a c t i v e p o w e r f l o w d r o p s b e l o w t h e s p e c i f i e d Q m i n w i t h p r i m a r y v o l t a g e d e p r e s s e d c a u s i n g s w i t c h i n g o f t h e t h i r d B S C b a n k . : : l Q . . 5 . . . . 1 . 0 5 ~ 0 9 5 0 . > ~ 0 . 9 · ; ; ; ; > o < ; 0 . 8 5 .5 0 : 0 . 8 0 0 0 . . . . . 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 I l l I l l N " " . , . " ' " ' I D P r i m e r y V o l t a g e - + - S e r i e s l 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 I l l 0 0 0 I l l " ' I l l " ' I l l I l l " ' " ' I l l " " t O " ' " ' 0 . . . . . N " " . , . I l l I D " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N N t O . . . . . T i m e i n s e c o n d s F i g u r e 6 . 5 . 2 P r i m a r y s y s t e m v o l t a g e v a r i a t i o n w i t h B S C b a n k O N ( 1 5 M V A R ) : : > C l . .~ " ' . . . . " 5 > " ' " 0 1 . 0 3 1 . 0 2 1 . 0 1 ·~ 0 . 9 9 . . " 0 8 0 . 9 8 " ' " ' 0 . 9 7 0 . 9 6 S e c o n d e r y V o l t a g e : : : o~g~~~~~0~~~8~~~~~~~~~~~ -M~VLn@~~CO~(j\;::~~~~~~~~s~~ Ti~e i n s e c o n d - + - S e n e s l F i g u r e 6 . 5 . 3 S e c o n d a r y s y s t e m v o l t a g e v a r i a t i o n w i t h B S C b a n k O N ( 5 M V A R ) · . . . . ~ . . . ; _ • . . 't" 'l~ )· . 4 5 T o t a l M V A R F l o w 2 0 1 0 0 a : < ( > : : ; : · = - 1 0 ~ s : ; , < = > < : ; ~<:; f · P f - P " < : ; " < : ; " < : ; " < : ; " < : ; " < : ; " < : ; " ' " ~ q O J ~ ~ ~ 0 ~ ~ ~ ~ ~ < o " - ' - + - T o t ; r l V A R F l o w ; ; : : 0 - 2 0 - 3 0 - 4 0 T i m e i n s e c o n d s F i g u r e 6 . 5 . 4 S y s t e m M V A R f l o w t h r o u g h t h e t r a n s f o r m e r s F i g u r e s 6 . 5 . 5 t o 6 . 5 . 7 i l l u s t r a t e s t h e r e s p o n s e t o a s h a r p c h a n g e i n s y s t e m v o l t a g e s u c h a s t h a t c a u s e d b y a s y s t e m f a u l t . T h e i n i t i a l v o l t a g e i s 1 . 0 5 p u w h i c h d r o p s t o 0 . 9 6 p u a t 2 2 s e c o n d s . W i t h t h e s h a r p d r o p i n t h e p r i m a r y v o l t a g e t h e f i s t B S C b a n k i s s w i t c h e d o n i m m e d i a t e l y t o i n c r e a s e t h e p r i m a r y a n d s e c o n d a r y v o l t a g e s H o w e v e r t h e s e v o l t a g e s d o n o t r e a c h w i t h i n d e a d b a n d l i m i t s , a s e c o n d a n d t h i r d B S C b a n k s a r e a l s o s w i t c h e d o n . T h e O L T C c o n t r o l l e r a d j u s t s t h e s e c o n d a r y v o l t a g e a t a p p r o x i m a t e l y 1 2 0 s e c o n d s . A t 2 2 0 s e c o n d s , s y s t e m v o l t a g e i s s t e p p e d b a k e d u p t o 1 . 0 p u w i t h O L T C o p e r a t i n g i n c o n j u n c t i o n w i t h r e m o v a l o f o n e B S C b a n k t o r e d u c e t h e s e c o n d a r y v o l t a g e . ~ P r i m a r y s i d e v o l t a g e 1 . 0 6 1 . 0 4 1 . 0 2 : : : > 1 ~ ~ 0 . 9 8 I t ! - 0 . 9 6 0 > 0 . 9 4 - P r i m a r y s i d e v o l t a g e 0 . 9 2 0 . 9 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 T i m e { s ) F i g u r e 6 . 5 . 5 S u d d e n v o l t a g e d i p e x i s t e d i n t h e p r i m e r a y s i d e f o r 1 7 5 S p e r i o d 4 6 S e c o n d a r y s i d e v o l t a g e 1 . 1 1 . 0 5 : : : > l l . 1 < I I Q O I l l 0 . 9 5 . . . 0 > 0 . 9 - s e c o n d a r y s i d e v o l t a g e 0 . 8 5 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 T i m e ( s ) F i g u r e 6 . 5 . 6 S e c o n d a r y s i d e v o l t a g e v a r i a t i o n w i t h B S C b a n k s w i t c h O N S y s t e m V A R f l o w 2 0 1 0 - 0 a : < { - 1 0 u 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 > ~ L - , - S y s t e m V A R f l o w - 0 - 2 0 - 3 0 - 4 0 T i m e ( s ) F i g u r e 6 . 5 . 7 S y s t e m V A R f l o w a t t h a t i n s t a n c e w i t h s w i t c h i n g t h e B S C b a n k F i g u r e s 6 . 5 . 8 t o 6 . 5 . 1 0 s h o w s a s t e a d y i n c r e a s e i n l o a d . F o r t h e s l o w c h a n g e s i n s y s t e m c o n d i t i o n s , t h e O L T C c o n t r o l l e r a c t s i n i t i a l y a n d t h e n a t 2 3 4 0 s e c o n d s , a f i r s t c a p a c i t o r b a n k i s s w i t c h e d o n f o l l o w e d b y a s e c o n d c a p a c i t o r b a n k a t 3 3 1 0 s e c o n d s t o c o u n t e r a c t l o a d i n c r e a s e s . 4 7 1 . 0 4 1 . 0 3 5 1 . 0 3 : : : > 1 . 0 2 5 Q . 1 . 0 2 ~ 1 . 0 1 5 I V 1 . 0 1 - 0 > 1 . 0 0 5 1 0 . 9 9 5 0 . 9 9 P r i m a r y s i d e v o l t a g e 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 T i m e ( s ) 5 0 0 0 - P r i m a r y s i d e . . . F i g u r e 6 . 5 . 8 P r i m a r u s i d e v o l t a g e v a r i a t i o n w i t h s t e a d y i n c r e a s e i n l o a d 1 . 0 3 1 . 0 2 1 . 0 1 : : : : > Q . 1 C l l Q O ~ 0 . 9 9 0 > 0 . 9 8 0 . 9 7 0 . 9 6 0 S e c o n d a r y ~ide v o l t a g e 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 T i m e ( s ) - s e c o n d a r y s i d e . . . F i g u r e 6 . 5 . 9 S e c o n d a r y s i d e v o l t a g e v a r i a t i o n w i t h s t e a d y i n c r e a s e i n l o a d 2 5 2 0 1 5 a : 1 0 ~ ~ 5 S y s t e m V A R f l o w . 5 - t - S y s t e m c J 0 V A R . . . · 5 0 s o 1 0 0 1 5 0 2 0 0 · 1 0 · 1 5 T i m e ( s ) F i g u r e 6 . 5 . 1 0 S y s t e m M V A R f l o w t h r o u g h t h e G S S 4 8 I n a l l t h r e e s c e n a r i o s i n F i g u r e 6 . 5 . 2 t o 6 . 5 . 1 0 s w i t c h i n g o f t h e B S C b a n k i s w e l l c o o r d i n a t e d w i t h t h e O L T C c o n t r o l l e r f i n e t u n i n g a d j u s t m e n t s . T h e c o o r d i n a t e d s y s t e m a l l o w s f o r f l e x i b l e , p r o g r a m m a b l e , a n d d y n a m i c r e s p o n s e t o a c t u a l c h a n g i n g l o a d c o n d i t i o n s w h e t h e r n o r m a l o r a b n o r m a l , s t e a d y s t a t e o r t r a n s i e n t . M o r e o v e r , v a r i a b l e d a e d b a n d r e s p o n s e i s p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e d s i m p l y b y c h a n g i n g t h e u s e r i n p u t t o p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r . W h i l e t h e s t u d y h a s b e e n d e s c r i b e d i n c o n j u n c t i o n w i t h w h a t i s p r e s e n t l y c o n s i d e r e d t o b e t h e m o s t p r a c t i c a l a n d p r e f e r r e d , i t i s t o b e u n d e r s t o o d t h a t t h i s s t u d y i s n o t b e l i m i t e d t o t h e a b o v e b u t o n c o n t r a r y i s i n t e n d e d t o c o v e r v a r i o u s m o d i f i c a t i o n s a n d e q u i v a l e n t a r r a n g e m e n t s i n c l u d e d w i t h i n t h e s p r i t e a n d s c o p e o f t h e f o l l o w i n g s e c t i o n . 6 . 6 . F a c t o r s t h a t c a n b e i n c l u d e d i n t h e d e s i g n f o r f u r t h e r i m p r o v e m e n t s 6 . 6 . 1 V A R c o n t r o l l i n g o f t h e B S C b a n k C a p a c i t o r b a n k s w i t c h i n g b a s e d o n r e a c t i v e p o w e r r e q u i r e m e n t s i s a m o r e f l e x i b l e a n d n a t u r a l m e a n s o f c a p a c i t o r c o n t r o l c o n c e p t s . I t a d d s a f i x e d a m o u n t o f l a g g i n g r e a c t i v e p o w e r i n t o t h e s y s t e m r e g a r d l e s s o f m o s t o t h e r c o n d i t i o n s . S i n c e t h e r e d u c t i o n o f l o s s e s a n d t h e c a p a c i t y r e l e a s e d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e r e a c t i v e c u r r e n t d r a w n , i n j e c t i n g t h e r e a c t i v e p o w e r a t s u b s t a t i o n b u s l e v e l r e d u c e s l o s s e s b e y o n d b u s t o w a r d s s o u r c e i n c l u d i n g t h e t r a n s f o r m e r . L e g C l o s e = 2 1 3 b a n k s i z e V A R L e e d T 1 i p S e t P o i n t O N O F F C a p B o n k S t o t u s F i g u r e 6 . 6 . 1 T y p i c a l V A R c o n t r o l c o n c e p t T o a v o i d r e s p o n d i n g t o s u d d e n r e a c t i v e p o w e r c h a n g e s , r e s t r a i n t c o n t r o l o r i n t e g r a t i o n o f i n p u t s o v e r c e r t a i n t i m e p e r i o d c a n b e u s e d . T h e s e a r e a v a i l a b l e i n m o s t o f t h e c a p a c i t o r b a n k c o n t r o l l e r s . • W h e n t r a n s f o r m e r s a r e p a r a l l e l e d , o n e c o n t r o l l e r f e e l s o n l y a h a l f o f t h e c a p a c i t y o f a s w i t c h e d b a n k . 4 9 • S t e p s i z e o f a b a n k i s 5 M v a r . • S w i t c h i n g O N w h e n l a g g i n g r e a c t i v e p o w e r e x c e e d s 2 . 5 * 2 / 3 = 1 . 6 M v a r ( l a g ) • S w i t c h i n g O F F w h e n l e a d i n g r e a c t i v e p o w e r e x c e e d s ( 2 . 5 * 1 / 3 ) * 1 . 4 ~ 1 . 2 M v a r ( l e a d ) S w i t c h i n g p o i n t s w e r e s e l e c t e d f r o m s i m u l a t i o n r e s u l t s w i t h a p p r o x i m a t e d A V R c o n t r o l a n d s h o w n i n F i g u r e 6 . 6 . 1 t h e s w i t c h i n g p o i n t s b a s e d o n l o w e s t r e a c t i v e p o w e r d r a w n f r o m s y s t e m a n d p o w e r f a c t o r c l o s e t o u n i t y ( o p t i m u m c o m p a r e d t o l o s s e s ) w a s a l s o s h o w i n t h e d i a g r a m . A t y p i c a l c a p a c i t o r b a n k s w i t c h c a n o p e r a t e 6 t i m e s p e r d a y c o n s i d e r i n g 5 0 , 0 0 0 n o o f o p e r a t i o n s a n d 2 0 y e a r s l i f e t i m e . T h e n o o f o p e r a t i o n s o f t h e b r e a k e r s a r e w i t h i n t h e a c c e p t a b l e l i m i t s [ 3 ) . N u m b e r o f s w i t c h i n g D a t e B a n k 1 B a n k 2 B a n k 3 B a n k 4 2 4 . 0 7 . 0 9 0 0 2 2 2 8 0 7 . 0 9 0 0 2 2 3 1 . 0 7 . 0 9 0 0 1 2 T a b l e 6 . 6 . 1 N o o f s w i t c h i n g o p e r a t i o n s u n d e r p r o p o s e d v a r c o n t r o l s c h e m e T h e u t i l i z a t i o n f a c t o r i s c a l c u l a t e d b a s e d o n t h e s a m e c r i t e r i a d e s c r i b e d e a r l y i n t h e c h a p t e r a n d e q u a l s t o 8 0 % . T h e u t i l i z a t i o n i s a p p r o x i m a t e l y s a m e a s t h e p r e s e n t s y s t e m b u t t h e n e w s c h e m e i s c l o s e r t o t h e l o s s o p t i m i z e d p a t t e r n . 6 . 6 . 2 . V o l t a g e c o n t r o l l i n g o f t h e B S C b a n k V o l t a g e c o n t r o l b a s e d c a p a c i t o r s w i t c h i n g i n a u t i l i t y s u b s t a t i o n h a s t o f o l l o w a c o m p l e x a l g o r i t h m . T h e d i f f i c u l t y i n v o l t a g e c o n t r o l b a s e d s w i t c h i n g i s d u e t o t h e v o l t a g e r e g u l a t o r o f t h e p o w e r t r a n s f o r m e r s . W h e n b o t h f u n c t i o n s t r y t o c o n t r o l v o l t a g e a t t h e s a m e t i m e w i t h o u t a n y c o o r d i n a t i o n b e t w e e n t h e m , t h e n t h e r e w i l l b e s e v e r e m a l f u n c t i o n i n g o f t h e t w o c o n t r o l l e r s . T h i s w i l l c a u s e h u n t i n g o f c a p a c i t o r b a n k s a n d t a p c h a n g e r . T h e r e f o r e , f o r s u c h a c o n t r o l s c h e m e , a n a l g o r i t h m t o c o o r d i n a t e A V R a n d c a p a c i t o r b a n k c o n t r o l l e r i s r e q u i r e d . T h e f a c t o r s t h a t h a s t o b e c o n s i d e r e d i n s u c h a s y s t e m a r e , • D u r i n g s w i t c h i n g o n f o r d e c r e a s i n g b u s b a r v o l t a g e s , t h e c a p a c i t o r s s h a l l c o m e f i r s t i f t h e r e a c t i v e p o w e r l o a d i s m o r e t h a n a p o r t i o n o f t h e m i n i m u m s t e p o f a b a n k o t h e r w i s e t h e t a p c h a n g e r c a n i n c r e a s e t h e v o l t a g e . T h e p u r p o s e o f t h i s i s t o m i n i m i z e t h e l o s s e s a n d a d d i n g e x c e s s l e a d i n g r e a c t i v e p o w e r [ 8 ] . • D u r i n g s w i t c h i n g o f f f o r i n c r e a s i n g t e r m i n a l v o l t a g e s , A V R a n d t h e c a p a c i t o r c o n t r o l l e r s h a l l f o l l o w t h e s a m e p h i l o s o p h y . T h e r e a c t i v e p o w e r a t t h e t i m e o f d e c i s i o n m u s t b e c o n s i d e r e d i n d e c i d i n g w h e t h e r t o r e d u c e t h e t a p o r t o s w i t c h o f f a c a p a c i t o r b a n k . 5 0 • A l g o r i t h m f o r a n a b o v e c o n t r o l i s n e c e s s a r y t o o p t i m i z e t h e u s e o f c a p a c i t o r b a n k s . I f t h e o n l y r e q u i r e m e n t i s t o c o n t r o l t h e v o l t a g e , t h e n p r o p e r d e a d b a n d s e l e c t i o n f o r t w o c o n t r o l l e r s a l s o c a n s e r v e t h e p u r p o s e . O n e o t h e r t h i n g t o b e c o n s i d e r e d i s t h a t w h e n t h e n e t w o r k c o n t r o l c e n t r e i n c r e a s e s t h e v o l t a g e a t s o m e o t h e r s t a t i o n h a v i n g n o c a p a c i t o r b a n k s b y g e n e r a t o r v o l t a g e a d j u s t m e n t s , t h e s u b s t a t i o n h a v i n g c a p a c i t o r b a n k s a l s o w i l l f e e l t h a t a n d t h e b u s v o l t a g e w i l l i m p r o v e . T h e n t h e c a p a c i t o r s w i l l t e n d t o s w i t c h o f f r e s p o n d i n g t o o u t s i d e v o l t a g e a d j u s t m e n t s . T h i s i s n o t a n e c o n o m i c a l s o l u t i o n [ 9 ] . 3 3 . 6 5 k I A Y R t a o l o w e r 3 3 . 4 0 k C a o b a n k O F F N o m i n a l 3 3 0 0 k 3 2 . 6 5 k I C a o b a n k O N A V R t a o r a i s e 3 2 . 5 0 F i g u r e 6 . 6 . 2 . 1 P r o p o s a l f o r d e a d b a n d s f o r A V R a n d c a p a c i t o r c o n t r o l l e r 4 . 5 4 3 . 5 3 2 . 5 1 . 5 0 . 5 0 0 C o m p a r i s i o n o f V A R c o n t r o l V s V o l t a g e c o n t r o l o n 2 3 r d J u l y ~00~ n H - v ~ 5 1 0 1 5 2 0 1 ' - 2 5 - - P r o p o s e d v o l t a g e c o n t r o l s c h c m e B i u e - - P r o p o s e d V A R c o n t r o l f r o m 7 . 0 0 h r t o 2 4 h r s 5 1 F i g u r e 6 . 6 . 2 . 2 C o m p a r i s o n o f s w i t c h e d b a n k s u n d e r v o l t a g e c o n t r o l & v a r c o n t r o l s c h e m e s M a x i m u m M V A r ( Q ) . . . . a : w . 1 1 1 : . . . > " " > I I C . c : · = ~-o=o . , c o l e £ ; g~ ~~ i c 1 ~ - - 2 R e a c t a n c e s w i t c h i n g ( B S C b a n k o r R e a c t o r ) M e t e r e d V o l t a g e ( P r l m e r y ) C o m m a n d 1 C o r r t r o l l e r ( P L C ) O R ( S e c o n d a r y ) . , I a l n t e l e g e n t E l e c t r o n i c D e v i c e M e t e r e d C u r r e n t ( l E D ) E r r o r T h r e s h o l d U p p e r 8 n d L o w e r V o l t a g e L i m i t s U p p e r a n d l L o w e r P o w e r U m l t s C o m m a n d 2 F i g u r e 6 . 6 . 2 . 3 B l o c k d i a g r a m a n d i n p u t a n d o u t p u t s i g n a l a r r a n g e m e n t o f t h e c o n t r o l l e r 5 2 C h a p t e r 7 1 . C o n c l u d i n g r e m a r k s a n d r e c o m m e n d a t i o n s 7 . 1 A n a l y s i s a n d r e s u l t s 1 . S t e p s i z e o f t h e B S C b a n k i s s o s m a l l t o e f f e c t t h e v o l t a g e v a r i a t i o n i n t h e 3 3 k v b u s . F o r , e g . n o r m a l l y t h e v o l t a g e r i s e o f t h e 3 3 k V b u s w h e n 5 M V A r b a n k s w i t c h i n g i s a b o u t h a l f t h e s t e p s i z e v o l t a g e o f t h e O L T C w i t h t w o t r a n s f o r m e r s a r e i n p a r a l l e l 1 1 . T h e r e f o r e c o o r d i n a t i o n o f t h e s e t w o e x i s t i n g c o n t r o l l e r s i s d i f f i c u l t w i t h t h e i r p r e s e n t p a r a m e t e r s . O c c a s i o n s w h e r e t h e c a p a c i t o r b a n k s a r e s w i t c h e d O N a n d O F F m a n u a l l y b y o v e r - r i d i n g t h e a u t o c o n t r o l l e r w a s f r e q u e n t l y o b s e r v e d . 1 1 1 . S i m u l a t i o n s m o d e l s p r o v e t h a t u n n e c e s s a r y t a p c h a n g i n g o p e r a t i o n s o f t h e s u b s t a t i o n t r a n s f o r m e r o c c u r r e d . T h e s w i t c h i n g o f t h e B S C b a n k i n a n d o u t , a n d O L T C o p e r a t i o n w i t h f e e d e r t r i p p i n g h a s t o b e t a k e i n t o a c c o u n t b e c a u s e t h i s w i l l r e d u c e d t h e l i f e t i m e o f t h e s w i t c h i n g d e v i c e . T h e r e s u l t s a n d a n a l y s i s r e v e a l s t h a t i t i s p o s s i b l e t o a c h i e v e t h e p u r p o s e o f o p t i m i s i n g t h e O L T C a n d B S C b a n k w i t h m o d i f i c a t i o n s t o t h e e x i s t i n g c o n t r o l s y s t e m [ 6 ] . I V . S i m u l a t i o n s h o w s t h a t t h e m a x i m u m v o l t a g e r i s i n g u n d e r d i f f e r e n t c a p a c i t o r b a n k c o m b i n a t i o n s ( w i t h e f f e c t i v e T a p c o n t r o l ) a r e 7 7 . 6 7 k V , 7 7 . 8 9 k V & 7 7 . 2 7 k V r e s p e c t i v e l y . T h e m a x i m u m p e r c e n t a g e r i s e f o r h i g h v o l t a g e s i d e i s 0 . 4 3 % a n d t h a t f o r l o w v o l t a g e s i d e i s 1 . 1 5 % . v . T h e r e s p o n s e t i m e o f t r a n s f o r m e r A V R a n d B S C b a n k c o n t r o l l e r a r e v e r y s l o w c o m p a r e d t o S V C o r T C R . [ 5 ] T h e r e f o r e r i s k o f o v e r v o l t a g e d u r i n g s u d d e n l o a d r e j e c t i o n m a y a f f e c t t h e e q u i p m e n t l i f e t i m e . W e c a n n o t i n c r e a s e t h e i n t e g r a t i o n t i m e o r e r r o r t h r e s h o l d o f t h e t w o c o n t r o l l e r s a s r e q u i r e d b y t h e s t u d y t o c o o r d i n a t e t h e c o n t r o l l e r s . v t . S i m u l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e H i g h V o l t a g e s i d e v o l t a g e m e a s u r e m e n t n e e d e d f o r t h e c o o r d i n a t i o n o f t h e t w o c o n t r o l l i n g s y s t e m . T h i s n e w p a r a m e t e r c h e c k t h e s y s t e m Q - V v a r i a t i o n t o i m p l e m e n t t h e c a p a c i t o r b a n k s s w i t c h i n g w h i c h i s w e l l c o o r d i n a t e d w i t h t h e d o w n s t r e a m O L T C o p e r a t i o n w h i c h t r y t o m a i n t a i n t h e c o n s t a n t v o l t a g e a t 3 3 k V b u s [ 1 ] . v 1 1 . D o w n s t r e a m v o l t a g e ( 3 3 k V ) v a r i a t i o n w i t h a d d e d r e a c t i v e p o w e r c a n b e h a n d l e d b y t h e t r a n s f o r m e r A V R a n d t a p c h a n g e r c o n t r o l s s o t h a t a n y c o m b i n a t i o n o f b a n k s i s f e a s i b l e t o c o n n e c t o r d i s c o n n e c t . V I I I . T h e O L T C i s c a p a b l e e n o u g h t o d i v e r t l e a d i n g r e a c t i v e p o w e r t o u p s t r e a m o f t h e n e t w o r k w i t h o u t v i o l a t i n g c u r r e n t c a r r y i n g c a p a c i t y o f t h e O L T C . I X . P o w e r f a c t o r b a s e d c o n t r o l l i n g i s a v e r y m u c h e c o n o m i c a l m e t h o d o f c a p a c i t o r b a n k c o n t r o l l i n g c o m p a r e d w i t h o t h e r m e t h o d s . O n e o f t h e m a i n p r o b l e m a u t i l i t y m a y f a c e i s t h a t , s o m e t i m e s e s p e c i a l l y i n l i g h t l o a d c o n d i t i o n s w i t h l o n g 5 4 t r a n s m i s s i o n l i n e s ( G a l l e G S S i s c u r r e n t l y f a c i n g ) , t h e r e m a y b e a n e c e s s i t y o f s o m e l a g g i n g r e a c t i v e p o w e r h a s t o b e i n j e c t e d t o r e d u c e t h e F e r r a n t i e f f e c t s . x . C E B f a c e d r e a l c h a l l e n g e m a i n t a i n i n g v o l t a g e s t a b i l i t y a t t h e 1 3 2 k V b u s w h i c h f a r a w a y f r o m t h e g e n e r a t i o n . T h i s h a p p e n e d m o s t o f t h e u t i l i t i e s i n t h e w o r l d b e c a u s e p r o d u c t i o n o f t h e e l e c t r i c i t y w a s c o n c e n t r a t e d i n o n e p l a c e d d u e t o r e s o u r c e a v a i l a b i l i t y . I n s u c h a c a s e , v o l t a g e c o n t r o l b a s e d c a p a c i t o r s w i t c h i n g w i l l b e a g o o d s o l u t i o n . 7 . 2 C o n c l u s i o n C o n s i d e r i n g a l l t h e s e f a c t o r s d i s c u s s e d s o f a r , f o l l o w i n g s a r e t h e c o n c l u s i o n s f r o m t h i s r e s e a r c h s t u d y . 1 . E x i s t i n g c o n t r o l p h i l o s o p h y d o e s n o t g i v e m a x i m u m b e n e f i t s t o t h e C E B t r a n s m i s s i o n n e t w o r k . T w o s c h e m e s n e i t h e r m a x i m i z e s n o r o p t i m i s e s t h e u t i l i z a t i o n o f t h e B S C a n d t h e t a p o p e r a t i o n . 1 1 . F r o m t h e s i m u l a t i o n t h e v a r c o n s u m p t i o n o f t h e t r a n s f o r m e r i s m u c h h i g h c o m p a r e d t o d e l i v e r i n g t o t h e 3 3 k V s y s t e m w h e n i n c r e a s i n g t a p o p e r a t i o n t o m a k e t h e v o l t a g e c o n s t a n t . F o r e x a m p l e t h e t r a n s f o r m e r c o n s u m e s 1 . 1 0 2 M V A R v a r s w h e n i n c r e a s i n g t a p f r o m 8 t o 1 2 f o r m a i n t a i n i n g c o n s t a n t v o l t a g e a t 3 3 k V b u s o n l y d e l i v e r i n g 1 . 4 7 9 M V A R v a r s t o t h e l o a d s a t 3 3 k V . 1 1 1 . S w i t c h i n g i n o f t h e B S C b a n k o n t h e 3 3 k V b u s h a s i n c r e a s e d o n l y h a l f o f t h e t a p s t e p s i z e o f t h e v o l t a g e . S i m u l a t i o n r e s u l t s h o w s t h a t ; i t i s t e c h n i c a l l y p o s s i b l e t o u t i l i z e t h e f u l l i n s t a l l e d c a p a c i t i e s i n a l l s u b s t a t i o n s w i t h o u t v i o l a t i n g t h e t e c h n i c a l s t a n d a r d s . 1 v . T h e s t u d y r e v e a l s t h a t i t i s p o s s i b l e t o c o n s i d e r t h e c o n t r o l l e r s w i t h m u l t i - p a r a m e t e r o r b o o l e a n s w i t c h i n g o p t i o n s . R e a c t i v e p o w e r a n d v o l t a g e c a n b e t h e p a r a m e t e r s t o b e c o n s i d e r e d i n t h e s w i t c h i n g d e c i s i o n s . v . T h e s t u d y w i l l a l l o w f o r c o n t r o l l e d s w i t c h i n g a t a l o c a t i o n w i t h i n t h e " l o a d " n e t w o r k t h a t i s p h y s i c a l l y o u t s i d e o f t h e p o w e r d i s t r i b u t i o n s u b s t a t i o n . T h a t i s , t h e s w i t c h e d r e a c t a n c e s c a n b e a t o t h e r b u s e s w h i c h a r e e l e c t r i c a l l y c o n n e c t e d t h r o u g h l o w s i d e s y s t e m i m p e d a n c e s ( l i n e s , c a b l e s , e t c . ) t o t h e O L T C t r a n s f o r m e r . T h i s s w i t c h i n g o f r e m o t e l y l o c a t e d r e a c t i v e e l e m e n t s w i l l r e q u i r e c o m m u n i c a t i o n c i r c u i t r y o f t h e v a r i e t y r e a d i l y a v a i l a b l e t h r o u g h n o r m a l S C A D A ( s y s t e m c o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n ) s y s t e m s . 7 . 3 R e c o m m e n d a t i o n s f o r f u t u r e s t u d i e s 1 . S p e c i a l l y t h e m o s t o f t h e f u t u r e s u b s t a t i o n s w e r e u n m a t m e d a n d a u t o m a t e d o n e c a n l o o k f o r t h e p o s s i b i l i t y o f i n t e g r a t i n g t h i s s y s t e m f o r d i s t r i b u t i o n m a n a g e m e n t s y s t e m ( D S M ) t o m i n i m i s e l o s s e s a n d o p t i m i s e v o l t a g e a n d v a r f l o w t h r o u g h t r a n s m i s s i o n a n d d i s t r i b u t i o n n e t w o r k . 2 . S u i t a b l e a r c h i t e c t u r e f o r h a r d w a r e a n d s o f t w a r e s h o u l d b e d e c i d e d a n d t o t a l v a r i a b l e a n d t h e c a l c u l a t i o n t h a t h a s t o b e h a n d l e d b y t h e c o n t r o l l e r h a s t o b e s t u d i e d . T h e 5 5 d e c i s i o n v a r i a b l e s a n d c o m m a n d c a n b e i m p l e m e n t e d o n t h e c o n t r o l l e r ( l E D ) o r ( P L C ) a s s t u d i e d b y t h i s r e s e a r c h [ 1 0 ] . 3 . F u r t h e r s t u d i e d c a n b e d o n e i n c l u d i n g e m b e d d e d g e n e r a t i o n w h i c h p l a y m o r e v i t a l r o l e i n f u t u r e ( s a y i t i s p l a n n e d t o a d d 2 0 % r e n e w a b l e e n e r g y b y y e a r 2 0 2 0 t o m i n i m i s e t h e G H G e m i s s i o n ) g e n e r a t i o n a s r e n e w a b l e e n e r g y t o t h e 3 3 k V b u s o f t h e G S S ( 6 1 . 4 T h e s t u d y a l s o i n c l u d e s a m e t h o d f o r r e g u l a t i n g s h u n t r e a c t a n c e - s w i t c h i n g i n a p o w e r t r a n s m i s s i o n s y s t e m p r o v i d i n g a p l u r a l i t y o f d i s t r i b u t i o n v o l t a g e s i n c l u d i n g a f i r s t v o l t a g e a n d a s e c o n d v o l t a g e f o r s u p p l y i n g p o w e r t o a l o a d i n c l u d i n g t h e s t e p s o f ( 1 ) M e a s u r i n g t h e f i r s t v o l t a g e a n d r e a c t i v e p o w e r f l o w i n g t o w a r d s t h e l o a d , a n d ( 2 ) . S w i t c h i n g a t l e a s t o n e s h u n t r e a c t a n c e t o m a i n t a i n t h e s e c o n d v o l t a g e s u b s t a n t i a l l y c o n s t a n t b a s e d o n t h e m e a s u r e m e n t s m a d e i n s t e p ( 1 ) a n d p r e d e t e r m i n e d r a n g e s f o r t h e f i r s t v o l t a g e a n d r e a c t i v e p o w e r . 5 . T h i s s t u d y c a n b e e x t e n d e d t o i n v e s t i g a t e p e r f o r m a n c e o f t h e s l o w v o l t a g e c o l l a p s e p h e n o m e n a i n t h e H V s i d e b e c a u s e t h e e x i s t i n g s y s t e m f u r t h e r d e t e r i o r a t e t h e v o l t a g e c o l l a p s e b y d o i n g t a p o p e r a t i o n s [ 1 ] 5 6 R e f e r e n c e s [ I ] Z o r a n G a j i c , D a n i e l K a r i s s o n , M i k e K o c k o t t , " A d v a n c e d O L T C c o n t r o l t o c o u n t e r a c t p o w e r s y s t e m v o l t a g e i n s t a b i l i t y " [ 2 ] K u s u m s h a n t h i K . P " B e n c h m a r k t h e S r i L a n k a n p o w e r s y s t e m b y p o w e r q u a l i t y m o n i t o r i n g & a n a l y s i s " M a s t e r T h e s i s , U n i v e r s i t y o f M o r a t u w a , 2 0 0 5 . C h a p t e r 8 . 2 p p 4 2 [ 3 ] D D U D o p a g e " O p t i m i s i n g t h e u s e o f b r e a k e r s w i t c h c a p a c i t o r b a n k i n C E B t r a n s m i s s i o n n e t w o r k " M a s t e r T h e s i s , U n i v e r s i t y o f M o r a t u w a , 2 0 0 9 . C h a p t e r 6 p p 4 2 - 4 8 . [ 4 ] I E C 6 0 8 7 1 - 1 S h u n t c a p a c i t o r s f o r A C p o w e r s y s t e m s h a v i n g a r a t e d v o l t a g e a b o v e 1 0 0 0 V P a r t 1 : G e n e r a l - P e r f o r m a n c e , t e s t i n g a n d r a t i n g . S a f e t y r e q u i r e m e n t s - G u i d e f o r i n s t a l l a t i o n a n d o p e r a t i o n - S e c t i o n 4 . [ 5 ] T a y l o r C . W . " P o w e r s y s t e m v o l t a g e s t a b i l i t y " M c G r a w - H i l l , 1 9 9 3 C h a p t e r 1 0 . p p 2 4 2 - 2 5 1 [ 6 ] A B B r e v i e w 2 0 0 9 p a r t 3 p p 3 3 - 3 7 [ 7 ] U s e r M a n u a l f o r P S C A D [ 8 ] W e b s i t e h t t p : / / w . w . w . n e p s i . c o m ( R e a d i n g r e f e r e n c e ) [ 9 ] W e b s i t e h t t p : / / w . w . w . n o k i a n c a p a c i t o r s . c o m " R e a c t o r s a n d s h u n t c a p a c i t o r b a n k s - A n a p p l i c a t i o n n o t e - E N T H 0 8 1 1 / 2 0 0 4 " p p 2 - 4 [ I 0 ] M R - T a p c o n t r a n s f o r m e r A V R c o n t r o l l e r m a n u a l [ 1 1 ] A B B S w i t c h g e a r m a n u a l ( F o r t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s ) [ 1 2 ] W e b s i t e h t t p : / / w . w . w . c o o p e r c a p a c i t o r . c o m ( R e a d i n g r e f e r e n c e ) [ 1 3 ] S u r e s h K u m a r K . S " A p p l i c a t i o n s o f p o w e r c a p a c i t o r s i n e l e c t r i c a l d i s t r i b u t i o n s y s t e m s " p p 1 - 5 5 7 A p p e n d i c e s A p p e n d i x A A p p e n d i x A l - S i n g l e l i n e a r r a n g e m e n t o f t h e G a l l e G S S S a m a n a l a w e w a P S 1 3 2 k V B u s B a r G a l l e G S e s c b a n k 8 1 T . L 6 5 C b a n k 6 2 ,~. F 2 F J F 4 " v C l - t 3 1 ! } a i ! C S ; . ~ ' - ' ; < • ~ - < l n t > i l - k ' ' . . ~ . ' . · 6 5 C b a n k A 1 T . L 6 S C b a n k A 2 F S F 6 " A p p e n d i x A 2 - A V R a n d P F c o n t r o l c i r c u i t a r r a n g e m e n t o f t h e G S S S a m a n a l a w e w a P S S V C I J n t l . 1 3 1 ~aile r C X > [ ({ r 1 3 2 k V B u s B a r 6 S C b a n k 6 2 B S C b a n k A 2 I~ " F 2 F 3 F 4 F~ F & F 7 F ! 5 8 A p p e n d i x A 3 - S i n g l e u n i t ( 5 M V A r ) o f t h e B S C b a n k a t G a l l e G S S 5 9 A p p e n d i x B A p p e n d i x ( B l . l ) - F i x e d t a p a t r a t e d V B S C a r e O F F ( T A l l T a p 0 8 ) P l o a d Q l o a d Q 3 3 k v P 3 3 k v V 3 3 k v Q 1 3 2 k V P 1 3 2 k V V m a x V m i n 4 . 5 0 0 0 0 0 2 . 6 6 6 6 6 7 1 4 . 6 5 7 2 7 2 5 . 3 5 9 8 3 1 . 6 0 0 9 1 9 . 3 1 4 6 2 5 . 6 5 7 3 3 3 . 3 3 3 2 . 6 7 4 . 8 5 5 5 5 6 2 . 8 5 5 5 5 6 1 5 . 5 8 7 9 2 7 . 1 4 5 3 1 . 5 0 8 2 2 0 . 4 6 8 2 7 . 4 4 2 1 5 . 2 1 1 1 1 1 3 . 0 4 4 4 4 4 1 6 . 5 0 5 6 5 2 8 . 9 0 4 7 3 1 . 4 1 5 8 2 1 . 6 2 1 5 5 . 5 6 6 6 6 7 3 . 2 3 3 3 3 3 1 7 . 4 1 0 6 3 0 . 6 3 9 2 3 1 . 3 2 3 3 2 2 . 7 7 4 6 2 9 . 2 0 1 6 3 0 . 9 3 6 5 . 9 2 2 2 2 2 3 . 4 2 2 2 2 2 1 8 . 3 0 2 9 3 3 2 . 3 4 8 9 3 1 . 2 3 0 6 2 3 . 9 2 7 5 3 2 . 6 4 5 9 6 . 2 7 7 7 7 8 3 . 6 1 1 1 1 1 1 9 . 1 8 2 7 1 3 4 . 0 3 4 6 3 1 . 1 3 7 7 2 5 . 0 7 9 9 3 4 . 3 3 1 5 6 . 6 3 3 3 3 3 3 . 8 0 0 0 0 0 2 0 . 0 5 0 2 3 5 . 6 9 6 3 3 1 . 0 4 5 2 6 . 2 3 1 8 3 5 . 9 9 4 1 6 . 9 8 8 8 8 9 3 . 9 8 8 8 8 9 2 0 . 9 0 9 5 3 7 . 3 3 4 6 3 0 . 9 5 2 4 2 7 . 3 8 3 2 3 7 . 6 3 3 7 . 3 4 4 4 4 4 4 . 1 7 7 7 7 8 2 1 . 6 1 1 8 3 8 . 9 5 3 0 . 8 5 9 4 2 8 . 5 3 3 8 3 9 . 2 4 9 1 7 . 7 0 0 0 0 0 4 . 3 6 6 6 6 7 2 2 . 5 7 9 6 4 0 . 5 4 2 5 3 0 . 7 6 6 7 2 9 . 6 8 3 7 4 0 . 8 4 2 4 8 . 0 5 5 5 5 6 4 . 5 5 5 5 5 6 2 3 . 3 9 8 7 4 2 . 1 1 2 4 3 0 . 6 7 4 3 0 . 8 3 2 8 4 2 . 4 1 3 4 8 . 4 1 1 1 1 1 4 . 7 4 4 4 4 4 2 4 . 2 0 6 4 3 . 6 6 0 5 3 0 . 5 8 1 1 3 1 . 9 8 0 8 4 3 . 9 6 2 3 8 . 7 6 6 6 6 7 4 . 9 3 3 3 3 3 2 5 . 0 0 1 5 4 5 . 1 8 6 6 3 0 . 4 8 8 2 3 3 . 1 2 7 9 4 5 . 4 8 9 5 9 . 1 2 2 2 2 2 5 . 1 2 2 2 2 2 2 5 . 7 8 5 6 4 6 . 6 9 1 1 3 0 . 3 9 5 5 3 4 . 2 7 3 8 4 6 . 9 9 5 9 . 4 7 7 7 7 8 5 . 3 1 1 1 1 1 2 6 . 5 5 6 8 4 8 . 1 7 4 1 3 0 . 3 0 3 3 5 . 4 1 8 5 4 8 . 4 7 9 3 9 . 8 3 3 3 3 3 5 . 5 0 0 0 0 0 2 7 . 3 1 9 4 9 . 6 3 6 1 3 0 . 2 1 0 2 3 6 . 5 6 1 9 4 9 . 9 4 2 4 P F a n g l e 3 7 . 0 0 4 7 3 6 . 3 7 6 2 3 5 . 8 0 6 3 5 . 2 8 4 2 5 3 4 . 8 1 5 6 3 3 . 9 6 5 0 5 3 3 . 5 9 3 6 3 3 . 2 5 3 2 . 9 3 2 1 3 2 . 6 3 7 8 5 3 2 . 3 6 4 3 3 2 . 1 1 0 4 3 1 . 8 7 4 2 5 3 1 . 6 5 4 4 5 3 1 . 4 4 9 3 5 A p p e n d i x ( B 1 . 2 ) - T a p i s v a r y i n g t o b r i n g t h e v o l t a g e t o s e t B W l i m i t s B S C a r e O F F ( T A l l T a p 1 0 ) P l o a d Q l o a d Q 3 3 k v P 3 3 k v V 3 3 k v Q 1 3 2 k V P 1 3 2 k V V m a x V m i n P F a n g l e 4 . 5 0 0 0 0 0 2 . 6 6 6 6 6 7 4 . 8 5 5 5 5 6 2 . 8 5 5 5 5 6 1 5 . 3 7 3 9 1 2 6 . 6 0 6 6 3 2 . 3 6 0 7 2 0 . 9 8 8 3 2 6 . 9 1 9 3 3 . 3 3 3 2 . 6 7 3 7 . 0 1 8 3 5 1 6 . 3 4 8 5 6 2 8 . 4 7 7 3 2 . 2 6 4 6 2 2 . 1 8 6 2 8 . 7 8 8 3 3 6 . 4 0 2 3 5 . 2 1 1 1 1 1 3 . 0 4 4 4 4 4 1 7 . 3 0 9 7 3 0 . 3 2 0 4 3 2 . 1 6 8 6 2 3 . 3 8 4 2 3 0 . 6 3 0 9 5 . 5 6 6 6 6 7 3 . 2 3 3 3 3 3 1 8 . 2 5 7 2 9 3 2 . 1 3 7 3 2 . 0 7 2 6 2 4 . 5 8 1 9 3 2 . 4 4 6 9 5 . 9 2 2 2 2 2 3 . 4 2 2 2 2 2 1 9 . 1 9 1 2 7 3 3 . 9 2 7 2 3 1 . 9 7 6 2 2 5 . 7 7 9 3 4 . 2 3 7 6 . 2 7 7 7 7 8 3 . 6 1 1 1 1 1 2 0 . 1 1 2 1 3 5 . 6 9 1 8 3 1 . 8 8 0 1 2 6 . 9 7 5 9 3 6 . 0 0 1 6 6 . 6 3 3 3 3 3 3 . 8 0 0 0 0 0 2 1 . 0 1 9 8 3 7 . 4 3 1 1 3 1 . 7 8 3 6 2 8 . 1 7 2 3 3 7 . 7 4 1 6 . 9 8 8 8 8 9 3 . 9 8 8 8 8 9 2 1 . 9 1 4 4 3 9 . 5 1 3 8 3 1 . 6 8 7 4 2 9 . 3 6 7 9 3 9 . 4 5 5 7 7 . 3 4 4 4 4 4 4 . 1 7 7 7 7 8 2 2 . 7 9 6 1 4 0 . 8 3 5 2 3 1 . 5 9 0 8 3 0 . 5 6 2 7 4 1 . 1 4 6 1 7 . 7 0 0 0 0 0 4 . 3 6 6 6 6 7 2 3 . 6 6 5 1 4 2 . 5 0 0 9 3 1 . 4 9 4 5 3 1 . 7 5 6 8 4 2 . 8 1 2 4 8 . 0 5 5 5 5 6 4 . 5 5 5 5 5 6 2 4 . 5 2 1 3 4 4 . 1 4 2 5 3 1 . 3 9 8 2 3 2 . 9 4 9 8 4 4 . 4 5 4 9 8 . 4 1 1 1 1 1 4 . 7 4 4 4 4 4 2 5 . 3 6 5 4 5 . 7 6 0 7 3 1 . 3 0 1 7 3 4 . 1 4 1 9 4 6 . 0 7 3 9 8 . 7 6 6 6 6 7 4 . 9 3 3 3 3 3 2 6 . 1 9 6 1 4 7 . 3 5 5 7 3 1 . 2 0 5 3 3 5 . 3 3 2 7 4 7 . 6 6 9 9 9 . 1 2 2 2 2 2 5 . 1 2 2 2 2 2 2 7 . 0 1 5 1 4 8 . 9 2 7 6 3 1 . 1 0 9 3 6 . 5 2 2 4 4 9 . 2 4 2 9 9 . 4 7 7 7 7 8 5 . 3 1 1 1 1 1 2 7 . 8 2 1 7 5 0 . 4 7 6 8 3 1 . 0 1 2 9 3 7 . 7 1 0 6 5 0 . 7 9 3 2 9 . 8 3 3 3 3 3 5 . 5 0 0 0 0 0 2 8 . 6 1 6 5 5 2 . 0 0 3 4 3 0 . 9 1 6 4 3 8 . 8 9 7 3 5 2 . 3 2 1 1 3 5 . 8 3 7 9 3 5 . 3 2 1 2 3 4 . 8 4 6 4 3 4 . 4 1 2 1 5 3 4 . 0 1 1 8 3 3 . 6 4 1 9 3 3 . 3 0 0 6 3 2 . 9 8 4 6 5 3 2 . 6 9 1 6 3 2 . 4 1 9 3 5 3 2 . 1 6 6 6 3 1 . 9 3 1 2 5 3 1 . 7 1 1 9 5 3 1 . 5 0 7 1 5 6 0 A p p e n d i x ( 8 1 . 3 ) - T a p i s v a r y i n g t o b r i n g t h e v o l t a g e t o s e t B W l i m i t s B S C a r e O F F ( T A l l T a p 1 2 ) P l o a d Q l o a d 4 . 5 0 0 0 0 0 2 . 6 6 6 6 6 7 Q 3 3 k v P 3 3 k v V 3 3 k v Q 1 3 2 k V P 1 3 2 k V V m a x 1 6 . 1 3 7 1 1 2 7 . 9 3 7 5 3 3 . 1 4 9 7 2 2 . 9 9 3 1 2 8 . 2 7 2 1 3 3 . 3 3 4 . 8 5 5 5 5 6 2 . 8 5 5 5 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