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

Bogdanović, Milica; Monti, Antonello; Benigni, Andrea

doi:42313

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

Bogdanović, Milica^RWTH*

2023

VerantwortlichkeitsangabeMilica Bogdanović

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-948234-29-4

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Monti, Antonello (Thesis advisor)^RWTH* ; Benigni, Andrea (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-02-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-05487
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/958934/files/958934.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
distributed real-time simulation (frei) ; model partitioning (frei) ; real-time simulations (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

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.

Modern power systems are large, complex systems with distributed dynamic loads, renewable energy sources, and active storage, and the energy transition is fundamentally changing them. Renewable energy sources production will be dominant world’s electricity production by 2050, cutting carbon emissions and helping to alleviate climate change. Integrating these sources into the power system has become an ongoing research and industry topic. With the increased number of renewable energy sources connected to the distribution grid, the power system distribution network is encountering a radical change in its dynamics. With the rising demand for the integration of new active elements in the distribution system, the need for real-time power system simulation of distribution networks is increasing. Real-time simulation of power systems is an important tool for grid analysis together with testing of the devices in the real-time environment known as Power Hardware-in-the-Loop. However, the increased number of devices and size of the grid simulated in a real-time environment pose new challenges concerning simulating the model on just one real-time capable simulation unit. As result, it is becoming more and more typical to use distributed real-time power system simulation to overcome the limits given by a single target, rack, or CPU core. Partitioning the system model and simulating the model subsystems on multiple real-time simulation units is referred to as distributed real-time power system simulation. Distributed real-time power system simulation is used when we have a real-time simulation of a system that cannot be simulated on just one target, rack, or CPU core of a real-time simulator. The key challenge in developing distributed implementation is to give criteria for performing the model partitioning and assigning the subsystems to different simulator units. The currently existing methods for model partitioning of real-time power system simulations are not addressing distribution system model partitioning for distributed real-time simulations. As matter of fact, a comprehensive analysis and partitioning simulation approach is still missing in the literature. This dissertation aims at presenting an extensive decoupling point impact analysis to show the effect of partitioning and delays occurring between subsystems on the distributed real-time simulation performance. The thesis analyses the decoupling point selection impact on the system eigenvalues of the separately discretized subsystems and shows that by observing the right and left eigenvectors of the system, the monolithic system dynamics preservation in the decoupled system can be observed. This thesis identifies challenges when developing partitioning methodology for distributed real-time simulations and shows that model partitioning regarding fidelity of the distributed simulations is difficult to generalize, and an analysis of the fidelity calculation impact on the decoupling point decision is conducted. Moreover, a non-intrusive model partitioning methodology for preserving distributed system stability as the main distributed simulation issue is developed and verified on example systems and developed realistic distributed power system model. The decoupling point impact study and stability methodology developed in the thesis represent a research step forward towards the design of automatized solutions for the partitioning of real-time simulations of distribution power systems. The contributions of the thesis are an extensive literature review of model partitioning in real-time simulations with classification missing in the literature, analysis of the fidelity calculation impact on decoupling point decision, model of the distributed system simulation in the state-space domain, analysis of the decoupling point selection impact on the system eigenvalues of the separately discretized subsystems, stability methodology of distributed simulation partitioning acting non-intrusive on critical system modes and application of the stability methodology to the developed simplified distribution system model in state-space domain.

OpenAccess:
PDF
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