Sensitivity and cost-benefit analysis of state-estimation based voltage control for distribution systems

Pacheco, David; Monti, Antonello; Pau, Marco; Ginocchi, Mirko

doi:10.18154/RWTH-2024-08145

Sensitivity and cost-benefit analysis of state-estimation based voltage control for distribution systems = Sensitivitäts- und Kosten-Nutzen-Analyse einer auf Zustandsschätzung basierenden Spannungsregelung für Verteilnetze

Pacheco, David^RWTH*

2023 & 2024

VerantwortlichkeitsangabeDavid Alejandro Pacheco Castro

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource: Illustrationen

Masterarbeit, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Monti, Antonello (Thesis advisor)^RWTH* ; Ginocchi, Mirko (Consultant)^RWTH* ; Pau, Marco (Consultant)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-06-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-08145
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/992313/files/992313.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Mit der hohen Durchdringung von dezentralen Energieressourcen (DERs) in Verteilernetzen ergeben sich viele Herausforderungen für den Netzbetrieb, insbesondere für die Spannungsregelung. Die auf einer Zustandsschätzung (SE) basierende Spannungsregelung für Verteilnetze nutzt Spannungsschätzungen, um zu berechnen, wie viel flexible Leistung erforderlich wäre, um die Spannungen innerhalb der gewünschten Grenzen zu halten. Die Wirksamkeit dieser Methode hängt von der Genauigkeit der SE ab, die verschiedenen Unsicherheitsquellen unterliegt. Die Installation zusätzlicher Zähler im Netz kann dazu beitragen, die Gesamtgenauigkeit zu erhöhen, aber die damit verbundenen Kosten für die Zähler müssen vor der Entscheidung über ihre Installation berücksichtigt werden. Um wirtschaftliche Überlegungen bei der Verbesserung der SE zu berücksichtigen, wird in dieser Arbeit ein zweimoduliger Rahmen für die Durchführung einer Sensitivitäts- und Kosten-Nutzen-Analyse (KNA) der SE-basierten Spannungssteuerung entwickelt. Zunächst wird eine auf der Globalen Sensitivitätsanalyse (GSA) basierende Methodik für die Zählerplatzierung vorgeschlagen, die eine Top-Down-Prioritätenliste der zu installierenden Zähler erstellt, um die Genauigkeit der SE zu verbessern. Da die Installation zusätzlicher Zähler aus wirtschaftlicher Sicht sinnvoll sein sollte, werden die aus der Zählerplatzierung hervorgehenden Zähler einer Kosten-Nutzen-Analyse unterzogen, bei der die Kosten für die Installation eines zusätzlichen Zählers mit den Einsparungen an flexibler Leistung verglichen werden, die sich aus der Verbesserung der Spannungsregelungsstrategie mit dem installierten Zähler ergeben (im Sinne einer geringeren Leistungsflexibilität, die erforderlich ist, um die Spannung innerhalb der zulässigen Grenzen zu halten).Der vorgeschlagene Rahmen wird angewandt, um verschiedene Szenarien mit unterschiedlichen Niveaus von Last, Erzeugung und DER-Durchdringung in einem repräsentativen 99-Knoten-Verteilungsnetz zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen den Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Schätzungsunsicherheiten und unterstreichen die Bedeutung der Auswahl der besten Metrik für das DSO-Ziel, da die Zählerplatzierung die Ergebnisse der KNA stark beeinflusst. Es wird auch gezeigt, dass signifikante Einsparungen mit einer geringen Anzahl von Zählern erreicht werden können, insbesondere in Szenarien mit geringer Erzeugung, Last und DER-Durchdringung. Das entwickelte Rahmenwerk weist aufgrund seiner Modularität genügend Flexibilität auf, z.B. kann die vorgeschlagene Zählerplatzierungsstrategie durch jede andere Zählerplatzierungsmethode ersetzt werden, ohne die KNA zu beeinträchtigen, spezifische Kosten können in das KNA-Modul aufgenommen werden, was die Replizierbarkeit des Rahmenwerks mit alternativen Randbedingungen sicherstellt, und die Zählerplatzierungsstrategie allein kann für jede andere SE-basierte Anwendung übernommen werden, falls wirtschaftliche Überlegungen nicht von Interesse sind. Darüber hinaus bietet der vorgeschlagene Rahmen den VNB ein neues Instrument, das ihnen hilft, fundierte Entscheidungen in Bezug auf betriebliche Aufgaben zu treffen: Durch die Verknüpfung der Zählerplatzierung mit der Spannungssteuerung und die Hervorhebung der wirtschaftlichen Vorteile können die VNB effektiv entscheiden, ob sich die Installation eines Zählers aufgrund von Kostenüberlegungen lohnt, anstatt nur Unsicherheitsschwellen zu berücksichtigen.

With the high penetration of distributed energy resources (DERs) in distribution systems, many challenges arise in grid operation, particularly for voltage control. State-estimation (SE) based voltage control for distribution systems makes use of voltage estimates to calculate how much flexible power would be required to keep the voltages within desired limits. The effectiveness of this method depends on the accuracy of the SE, which is subject to different sources of uncertainty. The installation of additional meters in the grid can help to increase the overall accuracy, but the associated costs of the meters need to be considered before deciding on their installation. To account for economic considerations in the process of improving SE, this thesis elaborates a two-module framework to perform a sensitivity and cost-benefit analysis (CBA) of the SE-based voltage control. First, a Global Sensitivity Analysis (GSA) based meter placement methodology is proposed, which produces a top-down priority list of meters to be installed to help improve the accuracy of the SE, and different ranking metrics are elaborated to reflect Distribution System Operators (DSOs)-specific objectives. Second, as the installation of additional meters should make sense from an economic point of view, the meters coming from the meter placement are subject to a CBA where the cost of installing an additional meter is compared with the savings in flexible power coming from the improvement of the voltage control strategy with the installed meter (in terms of lower power flexibility required to keep the voltage within the allowed boundaries).The proposed framework is applied to study various scenarios with different levels of load, generation, and DER penetration, on a representative 99-node distribution grid. The results show the influence of operating conditions on the estimation uncertainties and highlight the importance of selecting the fittest metric for the DSO target, as the meter placement heavily influences the results of the CBA. It is also shown that significant savings can be achieved with a low number of meters, especially in scenarios with low generation, load, and DER penetration. The developed framework showcases enough flexibility due to its modularity, e.g., the proposed meter placement strategy can be replaced by any other meter placement method without affecting the CBA, specific costs can be included in the CBA module ensuring the replicability of the framework with alternative boundary conditions, and the meter placement strategy alone can be adopted for any other SE-based application in the case economic considerations are not of interest. Moreover, the proposed framework provides DSOs with a new tool to help them in making informed decisions with respect to operational tasks: by linking the meter placement with the voltage control and emphasizing the economic benefits, DSOs can effectively decide if a meter is worth installing based on cost considerations rather than just accounting for uncertainty thresholds.

OpenAccess:
PDF
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