Investigation of the Application of Optimal Power Flow in the Assessment of Power System Reliability

Abstract

Med modernisering av kraftnettet er det avgjørende å ha smarte løsninger for effektiv og sikker systemplanlegging og drift. Tradisjonelle optimeringsmetoder av kraftsystemer blir reevaluert, siden de nå er relevante for nye bruksområder. En slik metode er ”Security Constrained Optimal Power Flow” (SCOPF), som er en utvidelse av optimal lastflyt (OPF). I denne avhandlingen, er målet med SCOPF er minimere kostnader gjennom å 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-simuleringsmetode og integrere den med en DC optimal lastflyt (DCOPF) ved bruk av programmeringsspråket Python, og rammeverket Pyomo. Hovedfokuset er å vurdere påliteligheten til kraft- systemer. En ny tilnærming for DC ”Preventive Security Constrained Optimal Power Flow” (DC-PSCOPF) som er en utvidelse OPF, er utviklet for å vurdere påliteligheten til kraftsystemer. Hovedbidraget i denne oppgaven er implementering av DC-PSCOPF i OPF-analysen av den algoritmiske tilnærmingen ved beregning av pålitelighetsindekser.

Denne avhandlingen er et pionerarbeid innen anvendelsen av SCOPF i pålitelighetsstudier på kraftsystemer, og representerer et forskningsområde som ikke tidligere har blitt grundig utforsket. Integreringen av SCOPF-teknikker, i dette tilfellet DC-PSCOPF, i pålitelighetsanalysen for kraftsystemer videreutvikler rammeverket og dataverktøyene for pålitelighetsanalyse ved Institutt for Elektrisk Energi (tidligere Institutt for Elkraftteknikk), NTNU. Ved å ta hensyn til både normale driftsforhold og eventuelle utfall, har denne nyskapende tilnærmingen som mål å gi verdifulle innsikter i pålitelighetsanalysen av kraftsystemer. Et av målene med avhandlingen er å skape en reproduserbar metode som kan brukes som et springbrett for fremtidig forskning innen emnet. Pålitelighetsindikatorer basert på DCOPF og DC-PSCOPF blir presentert. Det gis en omfattende beskrivelse av den metodiske tilnærmingen brukt, inkludert nødvendige tilpasninger og underliggende an- takelser. De detaljerte opplysningene gir en klar forståelse av den anvendte tilnærmingen og sikrer tydelighet i metoden

Det er utviklet to dataverktøy for implementeringen av DCOPF og DC-PSCOPF i Pyomo-rammeverket i Python. Disse dataverktøyene brukes i kombinasjon med tidligere utviklede dataverktøy tilgjengelig ved Institutt for Elektrisk Energi på NTNU, for å evaluere og kvantifisere pålitelighetsindikatorer for kraftsystemer ved hjelp av de nevnte optimeringsmetodene. Det første skriptet fokuserer på den grunnleggende metoden for pålitelighetsanalyse ved DCOPF, og blir anvendt på Roy Billinton Test System (RBTS) og IEEE-Reliability Test System (IEEE RTS). Det andre skriptet bygger videre på det første skriptet ved å inkludere DC-PSCOPF, og blir også anvendt på systemene RBTS og IEEE RTS. For å gi en viss verifikasjon av koden, gjennomføres det en sammenligning av 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 optimisation methods are being reevaluated and are becoming relevant for new applications. One such method is the Security Constrained Optimal Power Flow (SCOPF), which is an extension of the Optimal Power Flow (OPF) problem. In this thesis, the objective of SCOPF is to minimise cost of load curtailments, while satisfying all system constraints not only in normal operation conditions, but also in anticipated contingencies such as line outages and generator outages.

The objective of this Master’s thesis is to make use of a non-sequential Monte Carlo Simulation and integrate it with a DC optimal power flow (DCOPF) approach using the Python programming language and the Pyomo framework. The primary focus is on assessing the reliability (adequacy aspect) of composite power systems. A novel DC preventive security constrained optimal power flow (DC-PSCOPF) approach has been developed for assessing the reliability of composite power systems. The main contribution of this thesis is the implementation of DC-PSCOPF in the OPF analysis of the algorithmic approach 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 reliability of power systems available at the Department of Electric Energy (formerly, Department of Electric Power Engineering), NTNU. By considering both pre- and post-contingency constraints, 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 create a reproducible method, which could be used as a stepping-stone for future research on the topic. Reliability indices utilising DCOPF and DC-PSCOPF are presented. A com- prehensive deployment of the methodological approach used is presented, including the necessary adaptations and underlying assumptions. The details provided offer a clear understanding of the approach utilised, ensuring transparency in the method.

Two main scripts are developed for the implementation of DCOPF and DC-PSCOPF in the Pyomo framework in Python. These scripts are used in conjunction with the previously developed in-house scripts at the Department of Electric Energy, for evaluating and quantifying power system reliability indices. The first script focuses on the standard composite system adequacy assessment, utilising the DCOPF approach applied to the Roy 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 also applied to the RBTS and IEEE RTS systems. In order to give some sense of verification of the developed code, a comparison of the obtained reliability indices is conducted using similar methodological approaches.