Distributed optimization in electrical grids : simulation and validation

Abstract

In Stromnetzen wird optimale Lastflussrechnung zur Optimierung des Betriebspunktes des Netzes verwendet und Sekundärregelung um die Frequenz nach Abweichungen wiederherzustellen. Durch das stetige Wachstum von erneuerbaren Energien steigt die Anzahl von steuerbaren Geräten im Stromnetz der nächsten Generation. Dieser Trend setzt die derzeitigen zentralen Regelungsmethoden zunehmend unter Druck, da sie eine limitierte Skalierbarkeit und Erweiterbarkeit haben und einen ”Single Point of Failure“ darstellen. Zur Behebung dieser Defizite wurden neuartige, verteilte und dezentralisierte Regelungsstrategien entwickelt. Diese Arbeit gibt einen genauen Einblick in die Leistungsfähigkeit von verteilter optimaler Lastfluss basierter Sekundärregelung unter Berücksichtigung von Szenarien mit realistischen Kommunikationsnetzwerken. Nach einem Vergleich aktueller Methoden und der Präsentation des derzeitigen Stands der Technik, wird mittels der ”Alternating Direction Method of Multipliers“ eine vollkommen verteilte Implementierung gezeigt, welche zusätzlich zur Sekundärregelung die Verluste im Stromnetz minimiert. Zusätzlich wird das Kommunikationsnetzwerk, das die Controller miteinander verbindet, mit ”GNS3“, einem Kommunikationsnetzwerksimulator, modelliert und simuliert. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, einen neuartigen Ansatz zu zeigen und zu simulieren, welcher anhand der beiden elektrischen Testnetze IEEE 13 und IEEE 123 node test feeder unter Berücksichtigung realistischer Kommunikationsnetze validiert wird. Weiters wird eine Methode gezeigt, mit der Simulationen automatisch erstellt und analysiert werden können. Die vorgestellte Simulationsumgebung ist anpassbar und kann auch zur Untersuchung weiterer Testszenarien oder zum Testen anderer verteilter Algorithmen verwendet werden.

In electrical power grids optimal power flow is used to optimize the operating state of the network and secondary control is used to restore the frequency after disturbances. The number of controllable devices will increase in next generation electrical grids through the penetration of renewable generation. This trend challenges the centralized control methods used nowadays as they only have limited scalability, extensibility, and present a single point of failure. Distributed and decentralized control strategies have been proposed to overcome these shortcomings. This work takes a deep look at the interdependencies of distributed optimal power flow based secondary control algorithms and their performance in scenarios with realistic communication networks. After a comparison of current research activities and approaches in use, the “Alternating Direction Method of Multipliers” is implemented in a fully distributed manner to solve the power loss problem. Furthermore, the communication network layer between the controllers implementing the algorithm is modeled with a network emulator, namely “GNS3”. The aim of this thesis is to formulate and simulate this novel approach, and finally validate it using the IEEE 13 and IEEE 123 node test feeders, while considering realistic communication quality of service. By leveraging GNS3, the relation of the algorithm runtime and the latencies of the communication grid is measured. Furthermore, an automatization methodology is introduced which is used to streamline the generation and the analysis of simulations. The proposed framework is fully customizable to allow investigations of other test cases or of other distributed algorithms.