Rapid control prototyping for networked Smart Grid systems based on an agile development process

Abstract

Ein nachhaltiges Energieversorgungssystem ist unentbehrlich um dem fortschreitenden Klimawandel erfolgreich entgegenzuwirken. Im Zuge der Entwicklung hin zu solch einem Energieversorgungssystem werden zunehmend erneuerbare Energiequellen zur verteilten Stromerzeugung eingesetzt. Regelungssysteme sind nötig, um diese verteilten Erzeugungsanlagen stabil in die elektrischen Energieversorgungssysteme integrieren und dort effizient betreiben zu können. Aufgrund der Neuheit dieser Regelung von aktiven Komponenten in elektrischen Verteilernetzen fehlt es an Methoden und Werkzeugen für eine durchgängige und konsistente Regelungssystementwicklung. Um dem zu begegnen, wird in der vorliegenden Arbeit ein Prozess zum Rapid Prototyping von Regelungssystemen für vernetzte, intelligente Stromnetze entwickelt, angewandt und validiert. Dazu wird zuerst ein Konzept des Prozesses zur Verbindung der einzelnen Regelungssystem-Entwicklungsschritte erstellt. Der Fokus liegt dabei auf der schnellen und Risiko-minimalen Entwicklung und Inbetriebnahme des Regelungssystems im Stromnetz. Für die Umsetzung des Konzepts wird eine spezielle Integrationskomponente entwickelt und eingesetzt die sich durch den gesamten Prozess, vom Entwurf des Regelungssystems bis hin zu dessen Betrieb, zieht und eine nahtlose Inbetriebnahme ermöglicht. Der Beitrag dieser Arbeit, der den vorgestellten Prozess auszeichnet, ist seine agile und flexible Struktur, die daraus resultierende schnelle Entwicklung und nahtlose Inbetriebnahme der Regelungssysteme, sowie die Risikoreduktion die während des gesamten Entwicklungsprozesses im Fokus steht. Der vorgestellte und umgesetzte Entwicklungsprozess wird in einem industriellen Forschungs- und Entwicklungsprojekt zur Regelungssystementwicklung für intelligente Niederspannungsnetze ganzheitlich eingesetzt. Dies beinhaltet die gekoppelte Simulation des Strom- und Kommunikationsnetzes, die Controller-Hardware-in-the-Loop-Evaluierung, die nahtlose Feldintegration, sowie die einfache Verbesserung und Erweiterung der entworfenen Regelungssysteme. Mit dieser Methode wurden Regelungssysteme entwickelt mit dem Ziel der Beeinflussung aktiver Netzkomponenten zur Spannungsstabilisierung in drei österreichischen Niederspannungsnetzen mit hoher Dichte an verteilter Energieerzeugung aus erneuerbaren Ressourcen. Die Ergebnisse des Feldbetriebs dienen in dieser Arbeit zur Validierung des Entwicklungsprozesses. Die Beiträge dieser Arbeit sind in der Anwendung des Prozesses klar erkennbar. Der schnelle und nahtlose Entwicklungsprozess reduziert die Entwicklungszeit signifikant von sieben auf drei Jahre im Vergleich zur Regelungssystementwicklung eines vergleichbaren Projektes. Durch den Einsatz des Prozesses wurden kritische Fehler in den Regelungssystemen frühzeitig identifiziert. Somit wurde das Risiko eines fehlerhaften Regelungssystems im Feld deutlich reduziert und eine schnelle, sichere und erfolgreiche Regelungssystementwicklung ermöglicht.

In order to counteract climate change, a more sustainable energy supply system is inevitable. Therefore, generation from renewable energy sources is currently being introduced into electric energy supply systems in a distributed manner. Automatic control systems are necessary to control these distributed generation units and to ensure a stable supply of electric energy. There is a lack in specific processes and tools for consistent control system engineering because automatic control is new compared to the currently used technology of passively operated distribution grids. In order to fill in this gap, a process for rapid control prototyping for networked smart grid systems is developed, implemented, and validated in this thesis. At first, a concept is elaborated that combines the single steps of control system development to produce a consistent development process, with a focus on rapidness and risk mitigation during the development and deployment process. This process is then implemented utilizing a specific middleware, which supports the whole development process from the first draft through to the final control system in the field. The major contributions of the developed rapid control prototyping process are its' agile structure, the rapid and seamless field deployment of the developed control algorithms, and the mitigation of risk along the development process. The developed process, together with its middleware, is used in an industrial research and development project to develop low voltage grid control systems by using the following: Co-simulation of power and communication network, controller-hardware-in-the-loop evaluation, seamless field deployment, and simple refactoring of the designed control systems. Several control systems have been developed and are successfully maintaining power quality in three rural Austrian low voltage grids with a high share of renewable energy sources. The field operation results are used for the validation of the developed process in this work. The characteristic contribution of the process is advantageously manifested also in the field application. The process's rapidness and seamless field deployment result in a remarkable reduction of the time-to-field, from seven to three years, in comparison to a related control development project. Further to this, the risk reduction-focused process identified various potentially detrimental malfunctions at an early stage before field deployment. Thus allowing for the successful, safe, rapid development and deployment of control systems.