Towards model partitioning automation of distributed real-time power systems simulations of distribution networks

Bogdanović, Milica; Monti, Antonello (Thesis advisor); Benigni, Andrea (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2023)
Buch, Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Moderne Stromversorgungssysteme sind große, komplexe Systeme mit verteilten dynamischen Verbrauchern, erneuerbaren Energiequellen und aktiver Speicherung, und die Energiewende verändert sie grundsätzlich. Bis2050 wird die Stromversorgung weltweit von erneuerbaren Energiequellen dominiert werden, was zu einer Reduktion der Kohlendioxidemissionen und zur Abschwächung des Klimawandels beitragen wird. Die Integration dieser Energiequellen in das Stromnetz ist zu einem aktuellen Thema in Forschung und Industrie geworden. Mit der zunehmenden Zahl der an das Stromverteilungsnetz angeschlossenen erneuerbaren Energiequellen verändert sich die Dynamik des Stromverteilungsnetzes radikal. Mit der steigenden Forderung nach der Integration neuer aktiver Elemente auf der Verteilnetzebene steigt der Bedarf an einer Echtzeitsimulation von Verteilnetzen. Die Echtzeitsimulation von Stromversorgungssystemen ist ein wichtiges Instrument für die Netzanalyse zusammen mit dem Testen der Geräte in der Echtzeitumgebung, die als Power Hardware-in-the-Loop bekannt ist. Die zunehmende Anzahl von Geräten und die Größe des Netzes, das in einer Echtzeitumgebung simuliert wird, stellen jedoch neue Herausforderungen hinsichtlich der Simulation des Modells auf nur einer echtzeitfähigen Simulationseinheit dar. Daher wird es immer häufiger, verteilte Echtzeit-Energiesystem-Simulationen zu verwenden, um die durch ein einzelnes Target, Rack oder einen CPU-Kern gegebenen Grenzen zu überwinden. Die Aufteilung des Systemmodells und die Simulation der Teilsysteme des Modells auf verschiedenen Echtzeit-Simulationseinheiten wird als verteilte Echtzeit-Energiesystem-Simulation bezeichnet. Die verteilte Echtzeit-Energiesystem-Simulation wird verwendet, wenn ein System in Echtzeit simuliert werden soll, das nicht auf einem einzigen Target, Rack oder CPU-Kern eines Echtzeitsimulators simuliert werden kann. Die größte Herausforderung bei der Entwicklung einer verteilten Implementierung besteht darin, Kriterien für die Modellaufteilung und die Zuweisung der Teilsysteme an verschiedene Simulatoreinheiten festzulegen. Die derzeit existierenden Methoden zur Modellaufteilung von Echtzeit-Energiesystem-Simulationen befassen sich nicht mit der Partitionierung von Verteilernetzmodellen. Tatsächlich fehlt in der Literatur noch immer ein umfassender Ansatz für die Analyse und Partitionierung von Simulationen. Diese Dissertation zielt darauf ab, eine umfassende Analyse der Auswirkungen von Entkopplungspunkten zu präsentieren, um die Auswirkungen der Aufteilung und der zwischen den Teilsystemen auftretenden Verzögerungen auf die Leistung der verteilten Echtzeitsimulation aufzuzeigen. Die Doktorarbeit analysiert die Auswirkungen der Entkopplungspunktauswahl auf die Systemeigenwerte der separat diskretisierten Teilsysteme und zeigt, dass durch die Beobachtung der rechten und linken Eigenvektoren des Systems die Erhaltung der monolithischen Systemdynamik im entkoppelten Systembeobachtet werden kann. In dieser Arbeit werden Herausforderungen bei der Entwicklung einer Partitionierungsmethodik für verteilte Echtzeitsimulationen identifiziert und es wird gezeigt, dass die Modellpartitionierung in Bezug auf die Treue der verteilten Simulationen schwer zu verallgemeinern ist. Darüber hinaus wird eine nicht-intrusive Modellpartitionierungsmethodik zur Bewahrung der Stabilität verteilter Systeme als Hauptproblem der verteilten Simulation entwickelt und an Beispielsystemen und einem entwickelten realistischen verteilten Stromversorgungssystemmodell verifiziert. Die Studie über die Auswirkungen der Entkopplungspunkte und die in dieser Arbeit entwickelte Stabilitätsmethodik ist ein Forschungsschritt in Richtung der Entwicklung automatisierter Lösungen für die Modellentkopplung in Echtzeitsimulationen von verteilten Stromversorgungssystemen. Die Beiträge der Dissertation sind eine umfassende Literaturübersicht über die Modellpartitionierung in Echtzeitsimulationen mit einer in der Literatur fehlenden Klassifizierung, eine Analyse der Auswirkungen der Treueberechnung auf die Entscheidung über den Entkopplungspunkt, ein Modell der verteilten Systemsimulation im Zustandsraum, eine Analyse der Auswirkungen der Auswahl des Entkopplungspunkts auf die Systemeigenwerte der separat diskretisierten Teilsysteme, eine Stabilitätsmethodik der verteilten Simulationspartitionierung, die nicht-invasiv auf kritische Systemmoden wirkt, und die Anwendung der Stabilitätsmethodik auf das entwickelte vereinfachte Stromverteilungsnetzmodell im Zustandsraum.

Einrichtungen

• E.ON Energy Research Center [080052]
• Lehrstuhl für Automation of Complex Power Systems [616310]