Investigation of the Application of Optimal Power Flow in the Assessment of Power System Reliability
Master thesis
Date
2023Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for elkraftteknikk [2499]
Abstract
Med modernisering av kraftnettet er det avgjørende å ha smarte løsninger for effektiv ogsikker systemplanlegging og drift. Tradisjonelle optimeringsmetoder av kraftsystemer blirreevaluert, siden de nå er relevante for nye bruksområder. En slik metode er ”SecurityConstrained Optimal Power Flow” (SCOPF), som er en utvidelse av optimal lastflyt(OPF). I denne avhandlingen, er målet med SCOPF er minimere kostnader gjennomå finne den mest kostnadseffektive fordelingen av kraftproduksjon for et gitt system,samtidig som alle systembegrensninger oppfylles, ikke bare under normale driftsforhold,men også under eventuelle utfall av linjer eller generatorer.
Målet med denne avhandlingen er å benytte en ikke-sekvensiell Monte Carlo-simuleringsmetodeog integrere den med en DC optimal lastflyt (DCOPF) ved bruk av programmeringsspråketPython, og rammeverket Pyomo. Hovedfokuset er å vurdere påliteligheten til kraft-systemer. En ny tilnærming for DC ”Preventive Security Constrained Optimal PowerFlow” (DC-PSCOPF) som er en utvidelse OPF, er utviklet for å vurdere pålitelighetentil kraftsystemer. Hovedbidraget i denne oppgaven er implementering av DC-PSCOPF iOPF-analysen av den algoritmiske tilnærmingen ved beregning av pålitelighetsindekser.
Denne avhandlingen er et pionerarbeid innen anvendelsen av SCOPF i pålitelighetsstudierpå kraftsystemer, og representerer et forskningsområde som ikke tidligere har blitt grundigutforsket. Integreringen av SCOPF-teknikker, i dette tilfellet DC-PSCOPF, i pålitelighetsanalysenfor kraftsystemer videreutvikler rammeverket og dataverktøyene for pålitelighetsanalyseved Institutt for Elektrisk Energi (tidligere Institutt for Elkraftteknikk), NTNU. Vedå ta hensyn til både normale driftsforhold og eventuelle utfall, har denne nyskapendetilnærmingen som mål å gi verdifulle innsikter i pålitelighetsanalysen av kraftsystemer.Et av målene med avhandlingen er å skape en reproduserbar metode som kan brukessom et springbrett for fremtidig forskning innen emnet. Pålitelighetsindikatorer basertpå DCOPF og DC-PSCOPF blir presentert. Det gis en omfattende beskrivelse av denmetodiske tilnærmingen brukt, inkludert nødvendige tilpasninger og underliggende an-takelser. De detaljerte opplysningene gir en klar forståelse av den anvendte tilnærmingenog sikrer tydelighet i metoden
Det er utviklet to dataverktøy for implementeringen av DCOPF og DC-PSCOPF iPyomo-rammeverket i Python. Disse dataverktøyene brukes i kombinasjon med tidligereutviklede dataverktøy tilgjengelig ved Institutt for Elektrisk Energi på NTNU, for åevaluere og kvantifisere pålitelighetsindikatorer for kraftsystemer ved hjelp av de nevnteoptimeringsmetodene. Det første skriptet fokuserer på den grunnleggende metoden forpålitelighetsanalyse ved DCOPF, og blir anvendt på Roy Billinton Test System (RBTS)og IEEE-Reliability Test System (IEEE RTS). Det andre skriptet bygger videre på detførste skriptet ved å inkludere DC-PSCOPF, og blir også anvendt på systemene RBTSog IEEE RTS. For å gi en viss verifikasjon av koden, gjennomføres det en sammenligningav de oppnådde pålitelighetsindikatorene ved lignende metodiske tilnærminger. With the modernisation of the electric grid, it is crucial to have smart solutions for effec-tive and secure system planning and operation. Traditional power system optimisationmethods are being reevaluated and are becoming relevant for new applications. One suchmethod is the Security Constrained Optimal Power Flow (SCOPF), which is an extensionof the Optimal Power Flow (OPF) problem. In this thesis, the objective of SCOPF isto minimise cost of load curtailments, while satisfying all system constraints not only innormal operation conditions, but also in anticipated contingencies such as line outagesand generator outages.
The objective of this Master’s thesis is to make use of a non-sequential Monte CarloSimulation and integrate it with a DC optimal power flow (DCOPF) approach usingthe Python programming language and the Pyomo framework. The primary focus ison assessing the reliability (adequacy aspect) of composite power systems. A novel DCpreventive security constrained optimal power flow (DC-PSCOPF) approach has beendeveloped for assessing the reliability of composite power systems. The main contributionof this thesis is the implementation of DC-PSCOPF in the OPF analysis of the algorithmicapproach in calculating the reliability indices.
This thesis intends to pioneer the application of SCOPF in the assessment of power sys-tem reliability, representing a research area that has not been extensively explored before.The integration of SCOPF techniques, in this case DC-PSCOPF, in the composite sys-tem adequacy assessment, further develops the framework for evaluating the reliabilityof power systems available at the Department of Electric Energy (formerly, Departmentof Electric Power Engineering), NTNU. By considering both pre- and post-contingencyconstraints, this fresh perspective aims to offer helpful insights into the adequacy as-sessment of composite power systems. One of the goals of this thesis work is to createa reproducible method, which could be used as a stepping-stone for future research onthe topic. Reliability indices utilising DCOPF and DC-PSCOPF are presented. A com-prehensive deployment of the methodological approach used is presented, including thenecessary adaptations and underlying assumptions. The details provided offer a clearunderstanding of the approach utilised, ensuring transparency in the method.
Two main scripts are developed for the implementation of DCOPF and DC-PSCOPFin the Pyomo framework in Python. These scripts are used in conjunction with thepreviously developed in-house scripts at the Department of Electric Energy, for evaluatingand quantifying power system reliability indices. The first script focuses on the standardcomposite system adequacy assessment, utilising the DCOPF approach applied to theRoy Billinton Test System (RBTS) and the IEEE-Reliability Test System (IEEE RTS).The second script builds upon the first script by incorporating DC-PSCOPF, and it is alsoapplied to the RBTS and IEEE RTS systems. In order to give some sense of verificationof the developed code, a comparison of the obtained reliability indices is conducted usingsimilar methodological approaches.