Analysis of power system restoration paths in the distribution network

Abstract

The high penetration of renewable energy resources (RES), especially inverterbased distributed generation that has no inertia, in electrical power systems pushes grid operation closer to critical limits. This increases the risk of emergency conditions or even blackouts. Furthermore, automatic reconnection of distributed generation can cause frequency instability so that another disconnection may be caused due to over-frequency criterion again. This repeated disconnection and reconnection of distributed generation is known as yo-yo effect.After a power outage, the reconnected loads will generally be significantly different in size and character in comparison to those in the pre-disturbance situation.Therefore, the power demand can be several times higher than before the outage.This phenomenon is called cold load pickup and occurs after power outages in the distribution and transmission system.This master thesis focuses on the assessment of three given power system restorationpaths (PSR paths) in a specific power system with mainly RES, more especifically,hydro generators as renewable generation and one gas turbine. These PSRpaths have been previously generated by Monte Carlo tree search algorithms and all these start off from a stable situation with specific BSU capable power plants running as the initial state. An optimal PSR should not only minimize the restorationtime (time supply) but also assure the power system stability during the entire power system restoration process. In this work, the key performance indicators are used to check whether the PSR paths are efficient, reliable and secure or not. Each load switching action choice can lead to a different system state and system characteristics (frequency, voltage, power supply, time supply).Lastly, a comparison of the three PSR paths is conducted using the results from the previous analyses, and a relationship between each load switching action choice and its outcomes on the power system parameters is established. The observed patterns lead to recommendations and guidelines on how to build an optimal PSRpath.

Die hohe Einspeisung von erneuerbaren Energiequellen, insbesondere der auf Wechselrichtern basierenden dezentralen Erzeugung ohne Massenträgheit, in Stromversorgungssystemen bringt den Netzbetrieb näher an kritische Grenzen. Dies erhöht das Risiko von kritischen Netzzuständen sowie von Stromausfällen. Darüber hinaus kann eine automatische Netzeinbindung der verteilten Erzeugung Frequenzinstabilitäten verursachen, sodass eine weitere Unterbrechung, aufgrund eines Überfrequenzkriteriums,verursacht werden kann. Diese wiederholte Trennung und Wiederverbindung der verteilten Erzeugung wird als Jo-Jo Effekt bezeichnet.Nach einem Stromausfall unterscheiden sich die wieder angeschlossenen Lasten im Allgemeinen in Größe und Charakter erheblich von denen in der Situation vor der Störung. Daher kann der Strombedarf um ein Vielfaches höher sein als vor dem Ausfall. Dieses Phänomen wird als „cold load pickup” bezeichnet und tritt nach Stromausfällen im Verteilungs- und Übertragungssystem auf.Diese Masterarbeit konzentriert sich auf die Bewertung von drei generierten Netzwiederaufbaupfaden in einem bestimmten Stromnetz, welches hauptsächlich aus erneuerbaren Energieerzeugungsanlagen, insbesondere Wasserkraftwerksanlagen sowie einer Gasturbine aufgebaut ist. Diese Netzwiederaufbaupfade wurden zuvornach den Monte-Carlo-Baumsuchverfahren generiert und gehen alle von einer stabilen Situation, in der bestimmte Schwarzstartsfähige Kraftwerke als Ausgangszustand ausgeführt werden, aus. Ein optimaler Netzwiederaufbaupfad sollte nicht nur die Wiederaufbauzeit minimieren, sondern auch die Stabilität des Stromversorgungssystems,während des gesamten Netzwiederaufbausprozesses des Stromversorgungssystems,gewährleisten. In dieser Arbeit wird anhand der definierten Bewertungsparameter (Key Performance Indicators) überprüft, ob die Netzwiederaufbaupfade effizient, zuverlässig und sicher sind oder nicht. Die Wahl jeder Schalthandlung kann zu einem anderen Systemzustand und unterschiedlichen Systemeigenschaften (Frequenz, Spannung, Stromversorgung, Wiederaufbauzeit) führen.Zuletzt wird ein Vergleich der drei PSR-Pfade unter Verwendung der Ergebnisse der vorherigen Analysen durchgeführt, und eine Beziehung zwischen jeder Wahl der Lastschaltaktion und ihren Auswirkungen, bezüglich der Parameter des Stromversorgungssystems,wird hergestellt. Im Anschluss wird versucht die beobachteten Muster in Empfehlungen und Richtlinien zum Aufbau eines optimalen Wiederaufbaupfades zu überführen.