Modelling and analysis of networked control strategies in smart power distribution grids: development of co-simulation tools

This thesis is focused on Smart Grid applications in medium voltage distribution networks. For the development of new applications it appears useful the availability of simulation tools able to model dynamic behavior of both the power system and the communication network. Such a co-simulation environment would allow the assessment of the feasibility of using a given network technology to support communication-based Smart Grid control schemes on an existing segment of the electrical grid and to determine the range of control schemes that different communications technologies can support. For this reason, is presented a co-simulation platform that has been built by linking the Electromagnetic Transients Program Simulator (EMTP v3.0) with a Telecommunication Network Simulator (OPNET-Riverbed v18.0). The simulator is used to design and analyze a coordinate use of Distributed Energy Resources (DERs) for the voltage/var control (VVC) in distribution network. This thesis is focused control structure based on the use of phase measurement units (PMUs). In order to limit the required reinforcements of the communication infrastructures currently adopted by Distribution Network Operators (DNOs), the study is focused on leader-less MAS schemes that do not assign special coordinating rules to specific agents. Leader-less MAS are expected to produce more uniform communication traffic than centralized approaches that include a moderator agent. Moreover, leader-less MAS are expected to be less affected by limitations and constraint of some communication links. The developed co-simulator has allowed the definition of specific countermeasures against the limitations of the communication network, with particular reference to the latency and loss and information, for both the case of wired and wireless communication networks. Moreover, the co-simulation platform has bee also coupled with a mobility simulator in order to study specific countermeasures against the negative effects on the medium voltage/current distribution network caused by the concurrent connection of electric vehicles.

Impacto da integração dos veículos eléctricos nos edifícios multi-habitacionais, nas redes de distribuição de baixa tensão e no diagrama de carga nacional

Associado à escassez dos combustíveis fósseis e ao desejado controlo de emissões nocivas para a atmosfera, assistimos no mundo ao desenvolvimento do um novo paradigma — a mobilidade eléctrica. Apesar das variações de maior ou menor arbítrio político dos governos, do excelente ou débil desenvolvimento tecnológico, relacionados com os veículos eléctricos, estamos perante um caminho, no que diz respeito à mobilidade eléctrica, que já não deve ser encarado como uma moda mas como uma orientação para o futuro da mobilidade. Portugal tendo dado mostras que pretende estar na dianteira deste desafio, necessita equacionar e compreender em que condições existirá uma infra-estrutura nacional capaz de fazer o veículo eléctrico vingar. Assim, neste trabalho, analisa-se o impacto da mobilidade eléctrica em algumas dessas infra-estruturas, nomeadamente nos edifícios multi-habitacionais e redes de distribuição em baixa tensão. São criados neste âmbito, quatro perfis de carregamento dos EVs nomeadamente: nas horas de chegada a casa; nas horas de vazio com início programado pelo condutor; nas horas de vazio controlado por operador de rede (“Smart Grid”); e um cenário que contempla a utilização do V2G. Com a obrigação legal de nos novos edifícios serem instaladas tomadas para veículos eléctricos, é estudado, com os cenários anteriores a possibilidade de continuar a conceber as instalações eléctricas, sem alterar algumas das disposições legais, ao abrigo dos regulamentos existentes. É também estudado, com os cenários criados e com a previsão da venda de veículos eléctricos até 2020, o impacto deste novo consumo no diagrama de carga do Sistema Eléctrico Nacional. Mostra-se assim que a introdução de sistemas inteligentes de distribuição de energia [Smartgrid e vehicle to grid” (V2G)] deverá ser encarada como a solução que por excelência contribuirá para um aproveitamento das infra-estruturas existentes e simultaneamente um uso acessível para os veículos eléctricos.

Gestão de Recursos Energéticos nas SmartGrids

A sustentabilidade do sistema energético é crucial para o desenvolvimento económico e social das sociedades presentes e futuras. Para garantir o bom funcionamento dos sistemas de energia actua-se, tipicamente, sobre a produção e sobre as redes de transporte e de distribuição. No entanto, a integração crescente de produção distribuída, principalmente nas redes de distribuição de média e de baixa tensão, a liberalização dos mercados energéticos, o desenvolvimento de mecanismos de armazenamento de energia, o desenvolvimento de sistemas automatizados de controlo de cargas e os avanços tecnológicos das infra-estruturas de comunicação impõem o desenvolvimento de novos métodos de gestão e controlo dos sistemas de energia. O contributo deste trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia de gestão de recursos energéticos num contexto de SmartGrids, considerando uma entidade designada por VPP que gere um conjunto de instalações (unidades produtoras, consumidores e unidades de armazenamento) e, em alguns casos, tem ao seu cuidado a gestão de uma parte da rede eléctrica. Os métodos desenvolvidos contemplam a penetração intensiva de produção distribuída, o aparecimento de programas de Demand Response e o desenvolvimento de novos sistemas de armazenamento. São ainda propostos níveis de controlo e de tomada de decisão hierarquizados e geridos por entidades que actuem num ambiente de cooperação mas também de concorrência entre si. A metodologia proposta foi desenvolvida recorrendo a técnicas determinísticas, nomeadamente, à programação não linear inteira mista, tendo sido consideradas três funções objectivo distintas (custos mínimos, emissões mínimas e cortes de carga mínimos), originando, posteriormente, uma função objectivo global, o que permitiu determinar os óptimos de Pareto. São ainda determinados os valores dos custos marginais locais em cada barramento e consideradas as incertezas dos dados de entrada, nomeadamente, produção e consumo. Assim, o VPP tem ao seu dispor um conjunto de soluções que lhe permitirão tomar decisões mais fundamentadas e de acordo com o seu perfil de actuação. São apresentados dois casos de estudo. O primeiro utiliza uma rede de distribuição de 32 barramentos publicada por Baran & Wu. O segundo caso de estudo utiliza uma rede de distribuição de 114 barramentos adaptada da rede de 123 barramentos do IEEE.

Microgrids and their operations

Interconnection of loads and small size generation forms a new type of distribution systems, the Microgrid. The microgrids can be operated together with the utility grid or be operated autonomously in an island. Thesesmall grids present a new paradigm of the construction of the low voltage distribution systems. The microgrids in the distribution systems can become small, controllable units, which immediately react to the system's changes. Along with that the microgrids can realize the special properties, such as increasing the reliability, reducing losses, voltage sag correction, uninterruptible supplying. The goals of the thesis are to explain the principles of the microgrid's functioning, to clarify the main ideas and positive features of the microgrids, to find out and prove their advantages and explain why they are so popular nowadays all over the world. The practical aims of the thesis are to construct and build a test setup of a microgrid based on two inverters from SMA Technologie AG in the laboratory and to test all the main modes and parameters of the microgrid's operating. Also the purpose of the thesis is to test the main component of the microgrid - the battery inverter which controls allthe processes and energy flows inside a microgrid and communicates with the main grid. Based on received data the main contribution of the thesis consists of the estimation of the established microgrid from the reliability, economy and simplicity of operating points of view and evaluation ofthe advisability of its use in different conditions. Moreover, the thesis assumes to give the recommendations and advice for the future investigations of the built system.

Applicability of Power-Line Communications to Data Transfer of On-line Condition Monitoring of Electrical Drives

The research of power-line communications has been concentrated on home automation, broadband indoor communications and broadband data transfer in a low voltage distribution network between home andtransformer station. There has not been carried out much research work that is focused on the high frequency characteristics of industrial low voltage distribution networks. The industrial low voltage distribution network may be utilised as a communication channel to data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors. The advantage of using power-line data transfer is that it does not require the installing of new cables. In the first part of this work, the characteristics of industrial low voltage distribution network components and the pilot distribution network are measured and modelled with respect topower-line communications frequencies up to 30 MHz. The distributed inductances, capacitances and attenuation of MCMK type low voltage power cables are measured in the frequency band 100 kHz - 30 MHz and an attenuation formula for the cables is formed based on the measurements. The input impedances of electric motors (15-250 kW) are measured using several signal couplings and measurement based input impedance model for electric motor with a slotted stator is formed. The model is designed for the frequency band 10 kHz - 30 MHz. Next, the effect of DC (direct current) voltage link inverter on power line data transfer is briefly analysed. Finally, a pilot distribution network is formed and signal attenuation in communication channels in the pilot environment is measured. The results are compared with the simulations that are carried out utilising the developed models and measured parameters for cables and motors. In the second part of this work, a narrowband power-line data transfer system is developed for the data transfer ofon-line condition monitoring of electric motors. It is developed using standardintegrated circuits. The system is tested in the pilot environment and the applicability of the system for the data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors is analysed.

Vaihtosuuntauksen ja suodatuksen toteuttaminen tasasähkönjakeluverkossa

Pienjännitejakeluverkko Suomessa on toteutettu 400 V:n kolmivaiheisella vaihtosähköllä. Pienestä jännitteestä johtuen 20/0.4 kV:n muuntajat täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa, jotta siirtohäviöt eivät nouse liian suuriksi. Suuremman vaihto- tai tasajännitteen käyttö pienjännitejakelussa kasvattaisi verkon tehonsiirtokapasiteettia ja mahdollistaisi pidempien siirtomatkojen käytön. Käynnissä olevassa tutkimushankkeessa käsitellään vaihtoehtoa, jossa tasajännitettä käytettäisiin 20 kV:n verkon ja kuluttajan välisessä tehonsiirrossa ja kuluttajalla sijaitseva vaihtosuuntaaja muodostaisi tasasähköstä standardien mukaista yksi- tai kolmivaiheista vaihtosähköä. Tässä diplomityössä käsitellään tehoelektroniikan soveltamista kuluttajalle sijoitetussa vaihtosuuntaajassa. Työssä tarkastellaan yksivaiheisia invertteritopologioita, niiden ohjausta ja soveltamista erilaisissa vaihtosuuntaajaratkaisuissa sekä LC- ja LCL-suotimien soveltuvuutta invertterin lähtöjännitteen suodatukseen. Lisäksi esitellään erilaisia rakenneratkaisuja vaihtosuuntauksen toteutukseen ja tarkastellaan näiden järjestelmien vikatilanteita ja sähköturvallisuutta. Lopuksi käsitellään koko järjestelmän häviöitä ja hyötysuhdetta eri suodinkomponenteilla sekä kytkentätaajuuksilla ja esitellään laboratorioprototyyppi. Työssä saatiin selville, että puolisiltainvertteri ei sovellu suurten kondensaattorien vuoksi syöttämään verkkotaajuista kuormaa, vaan joudutaan käyttämään kokosiltainvertteriä. Kokosiltainvertterin ja LC- tai LCL-suotimen käsittävää kokonaisuutta tarkasteltaessa havaittiin, että pienimmät häviöt saavutetaan LC-suotimella 5 %:n ja LCL-suotimella 1 %:n särövaatimuksella. Hyötysuhdekäyrää tarkasteltaessa saatiin sama tulos läpi koko invertterin tehoalueen. Suotimen häviöiden tarkka laskenta on kuitenkin erittäin haasteellista, joten tulokset ovat suuntaa-antavia.

Sellutehtaan varavoimajärjestelmän mitoitus ja teknistaloudellinen vertailu 400 ja 690 voltin jännitteillä

Tämän diplomityön tarkoitus on selvittää pienjakelujännitteen nostosta aiheutuvia vaikutuksia sellutehtaan varavoimaverkossa. Työn alussa esitellään varavoimaverkkoon kuuluvia osia, selvitetään erilaisten kuormien vaikutusta varavoimaverkon sähkön laatuun sekä kuormien jakoa varmennettuihin verkkoihin. Seuraavaksi suunnitellaan kaksi keskitettyä varavoimaverkkomallia eri pienjakelujännitteillä. Mallien nimellisjännitteet ovat 400 V ja 690 V. Varavoimaverkkomallien kuormat ja osastojen väliset etäisyydet on otettu valmiista sellutehtaista. Tässä diplomityössä painotutaan erityisesti varavoimaverkkomallien mitoitukseen ja jakelujännitteen nostosta aiheutuvien vaikutusten teknistaloudelliseen vertailuun. Vertailu tehdään keskijännitekojeiston ja varavoimakeskusten välisellä alueella, johon kuu-luvat jakelumuuntaja, varavoimakone, varavoimapääkeskus, kiskosillat, jakelukaapelit, kytkinvaroke- ja katkaisijalähdöt sekä mahdolliset välimuuntajat. Varavoimaverkkojen välisessä kustannusvertailussa käytetään nykyarvomenetelmää.

1000 V sähkönjakelujärjestelmän teknistaloudellisen kannattavuuden tarkastelu

Tässä työssä tutkitaan 1000 V pienjännitejakelun taloudellista kannattavuutta. Tutkimus perustuu teoreettiseen tarkasteluun, jossa noudatetaan yleisiä verkostosuunnittelun periaatteita. EU-lainsäädäntö mahdollistaa 1000 V pienjänniteportaan sijoittamisen nykyisen keskijänniteverkon ja pienjänniteverkon väliin lisäten kolmannen jakelujänniteportaan nykyään käytettävien 20 kV ja 0,4 kV väliin. Jakeluverkkojen kehittämiseksi on etsittävä ratkaisu, joka on taloudellinen sekä asiakkaiden että verkonhaltijoiden kannalta. Tällaiset ratkaisut pienentävät verkon käytön kokonaiskustannuksia ja parantavat sähkön laatua. Lisättäessä jakeluverkkoon kolmas jänniteporras, keskijänniteverkon johtopituus lyhenee ja varsinkin lyhyiden haarajohtojen määrä vähenee. Tämä vähentää keskijänniteverkossa esiintyvien keskeytysten määrää ja pienentää keskeytyskustannuksia. Kilovoltin järjestelmä on kannattava korvattaessa sillä osa keskijänniteverkkoa, tai estettäessä perinteisellä järjestelmällä tarvittava muuntopiirin jakaminen. Osana varsinaista pienjänniteverkkoa ei kilovoltinjärjestelmä ole kannattava. Tässä työssä kolmijänniteportaista jakeluverkkoa tutkitaan teoreettisilla verkkosuunnitelmilla, joita tehdään muutamille perusverkkotopologioille. Taloudellista kannattavuutta tutkitaan vertaamalla perinteistä kaksijänniteportaista ja kolmijänniteportaista verkkoratkaisua kustannusten suhteen teknisten reunaehtojen puitteissa. 1000 V pienjännitejakelu vaatii uudenlaisia verkostokomponentteja. Näistä on erityisesti käsitelty 1/0,4 kV pienjännitemuuntajaa. Muuntajasuunnittelun lähtökohtana on 1000 V verkon käyttäminen keskijänniteverkon jatkeena maasta erotettuna verkkona.

Taajama-alueen sähkönjakeluverkon kehittämissuunnitelma

This work analyses the medium voltage network in central built-up area of Savonlinna city, evaluates the future standards of the electricity distribution network and presents methods for the network renovation. Main challenge is to find a working topology and network solutions for the transitional phase of the renovation progress. The network renovation methods are verified with an example solution for an existing suburban area of Savonlinna City, wherein the medium voltage and small voltage distribution networks are renovated.

Virranahto ja jänniterasitukset taajuusmuuttajakäytöissä

Nykyiset IGB-transistorit voivat tuottaa jopa 30 ns nousureunoja, jolloin jänniterasitus jakautuu hyvin epätasaisesti käämien ja kierrosten kesken. Tämä ja eristeissä esiintyvät ilmataskut asettavat käämikierrosten välisten eristeiden jännitekestävyyden koetukselle, ja aiheuttavat riskin osittaispurkaukselle. Urassa hajavuon epätasaisen jakauman aiheuttama virranahto on yleensä ollut esillä suurissa koneissa, jotka toimivat 50 Hz:llä. Nykyään taajuusmuuttajien soveltaminen on mahdollistanut nimellistaajuudeltaan satojen hertsien suurnopeuskoneiden käämitysten valmistamisen pyörölangasta, jolloin virranahto tulee merkittäväksi, koska kierroksia on muutama urassa. Työssä mitattiin jännitteen jakautumista 3.5 MW:n tuulivoimageneraattorin segmentissä käyttäen käämitysten syöttöön erilaisia jännitteen nousuaikoja, ja pyrittiin arvioimaan onko kyseinen kone vaarassa kokea osittaispurkauksia elinikänsä aikana. Työssä on myös käsitelty virranahtoa käyttäen finiittielementtimenetelmää simuloimaan ja vertaamaan erilaisia tilanteita käämitystavoissa pyörölankakoneessa. Tämä on myös osittain sovellettavissa muotokuparilla käämittyihin koneisiin. Käämivyyhdin vyyhdenpään alueella tehdyn johdinnipun 180 asteen kierron vaikutusta simuloitiin ja sen aiheuttamaa parannusta varmennettiin käytännön mittauksilla.

Rovakaira Oy:n keskijänniteverkon kehittämissuunnitelma toimitusvarmuuskriteeristön näkökulmasta

Diplomityössä tavoitteena on etsiä teknistaloudellisimmat ratkaisut sekä tutkia niiden vaikutuksia sähkönjakeluverkoston käyttövarmuuteen ja luotettavuuteen toimitusvarmuuskriteeristön näkökulmasta. Lisäksi työssä esitetään uusi tunnusluku kriteeristön ylityksestä aiheutuvan haitan arvostukseen. Merkittävä osa Rovakaira Oy:n keskijänniteverkosta joudutaan uusimaan lähivuosikymmeninä teknistaloudellisen pitoajan täyttyessä. Verkon uusiminen antaa mahdollisuuden toteuttaa verkkoa nykyisiin vaatimuksiin paremmin sopivilla ratkaisuilla. Kehitysvaihtoehtoina vertaillaan johdon tien varteen siirtoa, maastokatkaisijoiden lisäämistä, pienitehoisten ja päättyvien haarajohtojen korvaamista 1 kV tekniikalla sekä pienoissähköaseman kannattavuutta. Työssä tarkastellaan yksityiskohtaisemmin Sodankylän käyttövarmuuden parantamista sähköasemavian aikana ja alueen kuormituksenkasvuun varautumista.

Sähköntuotannon pienjänniteverkkoon liittäminen - määräykset ja sähköturvallisuus

Älykkäiden sähköverkkojen (Smart Grid) avulla pyritään vastaamaan sähkönkäytön tehostamisvaatimuksiin. Pientuotanto on yksi tärkeimmistä älykkäiden sähköverkkojen osatekijöistä. Suomessa yksityishenkilöiden innostus omaan sähköntuotantoon ei ole vielä virinnyt, monista eri tekijöistä johtuen. Tulevaisuuden sähköverkoissa pientuotannon rooli on kuitenkin merkittävä. Diplomityössä tarkastellaan pientuotannon yleistymisen edellytyksiä ja tuotannon pienjänniteverkkoon liittämistä. Pientuotannon potentiaalia tarkastellaan eri tuotantomuotojen ja niiden kannattavuuden näkökulmasta. Työn tärkein osuus keskittyy verkkoonliittämismääräyksiin ja sähköturvallisuuteen. Pienjänniteverkkoon liitetty tuotantolaitos on uusi syöttöpiste verkossa ja aiheuttaa esimerkiksi suojaushaasteita. Lisäksi aihepiiri on vielä uusi ja toimintamenetelmät ovat osin vaillinaisia. Työssä esitetään tärkeimmät haasteet, pohditaan niiden merkittävyyttä ja käydään läpi ratkaisuvaihtoehtoja. Selviä teknisiä esteitä pientuotannon yleistymiselle ei Suomessa ole.

20 kV ilmajohtoverkon maakaapeloinnin vaikutus maasulkusuojaukseen ja loistehotaseeseen

Sähkömarkkinalakimuutokset ovat ohjanneet useita verkkoyhtiötä muuttamaan investoin-tistrategioitaan. Kiristyneet toimitusvarmuusvaatimukset edellyttävät useilta verkkoyh-tiöiltä aiempaa suurempaa panostusta jakeluverkon kehittämiseksi. Toimitusvarmuusvaa-timusten täyttäminen edellyttää myös merkittäviä muutoksia verkkoyhtiöiden käyttämiin verkostotekniikoihin. Suurhäiriöille alttiita ilmajohtoja muutetaan verkkoyhtiöissä totuttua nopeammalla aikataululla maakaapeleiksi tiukentuneiden toimitusvarmuusvaatimusten täyttämiseksi. PKS Sähkönsiirto Oy:n 20 kV sähköverkko on ollut suurimmalta osalta avojohtoverkkoa jossa toimitusvarmuus ei ole nykyisellään muuttuneen sähkömarkkinalain asettamalla ta-solla. Tämä on johtanut verkostostrategian luomiseen, jossa yhtenä toimena toimitusvar-muuden lisäämiseksi vaaditulle tasolle on avojohtolinjojen korvaaminen maakaapeleilla. Maakaapelointien nopea rakennusaikataulu tuo monia haasteita verkkoyhtiöille. Maakaa-pelointien korkea maasulkuvirran ja loistehon tuotto verrattuna avojohtoverkkoon tulee huomioida yhtiössä verkkoa rakennettaessa. Tässä diplomityössä selvitetään PKS Sähkönsiirto Oy:n verkostostrategian mukaisten maakaapelointien vaikutuksia sähköverkolle. Työssä on arvioitu tavoiteverkon mukaisten maakaapeleiden aiheuttamaa maasulkuvirran ja loistehon tuoton tasoa. Tulosten perusteel-la on tehty johtopäätökset mihin verkkoyhtiön on kiinnitettävä huomioita kaapelointeja suunnitellessa ja toteuttaessa.

Time-series-based maximization of distributed wind power generation integration

Energy policies and technological progress in the development of wind turbines have made wind power the fastest growing renewable power source worldwide. The inherent variability of this resource requires special attention when analyzing the impacts of high penetration on the distribution network. A time-series steady-state analysis is proposed that assesses technical issues such as energy export, losses, and short-circuit levels. A multiobjective programming approach based on the nondominated sorting genetic algorithm (NSGA) is applied in order to find configurations that maximize the integration of distributed wind power generation (DWPG) while satisfying voltage and thermal limits. The approach has been applied to a medium voltage distribution network considering hourly demand and wind profiles for part of the U.K. The Pareto optimal solutions obtained highlight the drawbacks of using a single demand and generation scenario, and indicate the importance of appropriate substation voltage settings for maximizing the connection of MPG.

Evaluating distributed time-varying generation through a multiobjective index

In the last decade, distributed generation, with its various technologies, has increased its presence in the energy mix presenting distribution networks with challenges in terms of evaluating the technical impacts that require a wide range of network operational effects to be qualified and quantified. The inherent time-varying behavior of demand and distributed generation (particularly when renewable sources are used), need to be taken into account since considering critical scenarios of loading and generation may mask the impacts. One means of dealing with such complexity is through the use of indices that indicate the benefit or otherwise of connections at a given location and for a given horizon. This paper presents a multiobjective performance index for distribution networks with time-varying distributed generation which consider a number of technical issues. The approach has been applied to a medium voltage distribution network considering hourly demand and wind speeds. Results show that this proposal has a better response to the natural behavior of loads and generation than solely considering a single operation scenario.