Continuation Power Flow as a tool for multi-step simulation in meshed and radial power systems

Abstract

Dagens kraftnett opplever økt belastning som resultat av stadige utvidelser av nettverk samt utvikling av nye teknologi. Dette skaper økt kompleksitet i nettverket generelt. Samtidig oppleves en stadig økning av produksjon av såkalt grønn og fornybar energi. Disse er distribuerte og gir nye produksjonsfordelinger. Samtidig som mange av disse er intermitterende og har en mindre sikker produksjonsprofil. Sikkerhet, fleksibilitet og levering av kraftoverføring blir derfor spesielt viktig for å holde tritt med den raske utviklingen. Stabilitet i kraftnettet er kritisk i samfunnsinfrastruktur både for helsetjeneste, næringsliv og befolkningen generelt. Forekomst av nett- og/eller spenningskollaps er derfor viktig å forhindre. Spenningskollaps oppstår vanligvis ved en feil i kraftsystemet, for mye last eller mangel på reaktiv effekt.

Lastflytanalyse av nettet er ett av verktøyene som benyttes over hele verden for å studere spenningsprofilen til et overføringsnett. Denne brukes til å planlegge optimal drift, kontrollering av eksisterende systemer eller å planlegge fremtidig utvidelse i samsvar med det økende behovet for elektrisitet. En slik analyse bidrar til å identifisere påvirkningen av nye laster, nye generasjonsstasjoner, nye linjer og nye forbindelser før de installeres i det faktiske systemet. Dette kan føre til minimerte tap i systemet, samtidig som det kan verifisere stabiliteten av systemet. Målet med denne oppgave er å konstruere et program som utfører simuleringer ved bruk av en kvasi-statisk metode. Programmet skal også kunne undersøke ytelsen til systemet. I oppgaven ble programmeringspråket Python brukt til å implementere programmet. Pythonmodellen som ble konstruert, baserer seg på eksterne prognoser for generasjon og belastning. Dette programmet vil kunne simulere tidsserier for generasjon og belastning med en fleksibel tidsoppløsning. Konseptet benyttet i oppgaven er basert på å bruke den forrige generasjons- og belastningsfordelingen til å forutsi både vinkler og spenninger for de neste tidsintervall. Under simulasjonene er observasjon av både linjeflyt og spenning avgjørende. Det har derfor har det blitt lagt til noen ekstra overvåkningsverktøy i form av linjestabilitetsindekser.

Den konstruerte programmet ble testet gjennom forskjellige simuleringer av et 9-buss IEEE nett. Det er mange aspekter ved en slik beregning som burde testes før man kan gå videre. Det ble valgt å holde fokus i simuleringene på bruk av startverdier, som innebærer testing av en spesiell metode brukt for å forsterke nettet, samt testing av overvåknings- \\ verktøyene som ble brukt.

For å kunne konkludere med at dette verktøyet er fullt operativt, er det behov for flere simuleringer for å videre validere det foreslåtte konseptet og gjennom dette forbedre programmet ytterligere. De forskjellige resultatene som ble oppnådd i denne oppgaven viser hvordan en operatør kan påvirke systemets evne til å balansere ønsket belastning og generering. Linjeflyt og spenning ble nøye overvåket, og effektive tiltak ble iverksatt når begrensningene, satt på systemet, ble brutt. Resultatene viser at det foreslåtte konseptet og det konstruerte programmet kan gi en fundamental analyse av et rutenett hvor det ikke oppstår plutselige belastningsendringer.

The modern power grid experience an increase in demand due to expansions in the networks and the discovery of new technologies. There has been a rapid increase in green and renewable energy, combined with a development towards today’s interconnected grid with more distributed generation. This distributed generation gives a new load distribution, along with the fact that many of these are intermittent and therefore having a less stable load profile. This results in more unforeseen situations and challenges for the grids in meeting these new demands. To keep up with this rapid development, the security, flexibility and delivery of power transmission is essential. Stability in the power distribution is crucial in the modern society, and therefore occurrences of either grid collapse and/or voltage collapse must be prevented. Voltage collapses usually occur on power systems that are faulted, heavily loaded or have a shortage of reactive power. Power flow analysis is one of the necessary tools used worldwide to study the voltage profile of a transmission network.

Load flow analysis is used to plan for optimal operation, control of existing systems and to plan future expansion in accordance to the growing load demand. Such analysis contribute in identifying the effects of new loads, new generating stations, new lines, and new interconnections prior to being installed. This can result in minimizing system losses, and to verify the system stability.

The objective of this thesis is to construct a program, simulate a quasi-static method and to investigate the system’s performance. Python was used to implement the program, which is based on external forecasts of generation, load, and energy storage profiles. The Python model will be able to simulate time-series of generation and load with a flexible time resolution. The concept is based on using the previous load distribution to predict both angles and voltages for the next time interval. The observation of both line flow and voltage magnitudes are essential, and therefore the addition of some monitoring tools were included in the form of line stability indices.

The constructed model was tested throughout different simulations run on a 9-bus IEEE grid setup. There are many aspects of such a computation to test. Therefore the focus of these simulations were on the use of initial values, addition of a special load flow case, and the testing of the monitoring devices used.

To conclude that this tool is fully operational, more simulations are needed to validate the proposed concept and to further improve the program. The different results obtained in this thesis shows how an operator could influence the system's ability to balance the desired load and generation. The flow conditions were closely monitored, with some additional tools, and effective measures were taken whenever limitations were breached. These results showe that the proposed concept and constructed program can provide a fundamental analysis on a lightly meshed grid with no sudden inclusions on new load demand.