A relaxation scheme to combine Phasor-Mode and Electromagnetic Transients Simulations

This paper deals with a new scheme for coupling phasor-mode and electromagnetic transients simulations. In each simulation, an iteratively updated linear equivalent is used to represent the effect of the subsystem treated by the other simulation. Time interpolation and phasor extraction methods adapted to this scheme are presented and compared to existing methods. Finally, simulation results obtained with a 74-bus test system are reporte

Co-Simulation of Electromagnetic Transients and Phasor Models: A Relaxation Approach

Co-simulation opens new opportunities to combine mature electromagnetic transients (EMT) and phasor-mode (PM) solvers, and takes advantage of their respective high accuracy and execution speed. In this paper, a relaxation approach is presented, iterating between an EMT and a PM solver. This entails interpolating over time the phasors of the PM simulation, extracting phasors from the time evolutions of the EMT simulation, and representing each subsystem with a proper multiport equivalent when simulating the other subsystem. Various equivalents are reviewed and compared in terms of convergence of the PM-EMT iterations. The paper also considers the update with frequency of the Thévenin impedances involved in the EMT simulation, the possibility to compute the EMT solution only once per time step, and the acceleration of convergence through a prediction over time of the boundary variables. Results are presented on a 74-bus, 23-machine test system, split into one EMT and one PM subsystem with several interface buses

Accurate and Efficient Simulation of Electromagnetic Transients Using Frequency Dependant Line and Cable Models

RÉSUMÉ La conception et le fonctionnement efficace des lignes de transmission dépendent fortement des simulations précises des transitoires électromagnétiques, qui nécessitent de couvrir une large gamme de fréquences, comprenant celles très proches du courant continu (CC). Plusieurs approches de modélisation des lignes de transmission et des câbles ont été développées au cours des dernières décennies. Les modèles les plus sophistiqués souffrent de problèmes de performances de calcul et les modèles simplifiés ne sont pas suffisamment précis lorsqu'ils sont utilisés dans une large gamme de transitoires. Cette thèse passe en revue les modèles prédominants à l’heure actuelle et démontre leurs inconvénients au moyen de simulations. Ensuite, elle étudie les pratiques de modélisation requises pour obtenir des simulations plus précises et plus rapides dans le domaine temporel en utilisant de modèles de lignes/câbles dépendant de la fréquence. Dans la première partie, cette thèse contribue à une procédure d’ajustement améliorée pour l’identification de la fonction de propagation dans les câbles. La procédure d’ajustement H proposée repose sur des techniques de pondération adaptative et de partitionnement de fréquence afin d’assurer la précision de l’ajustement pour toutes les entrées de la matrice , comprenant des éléments hors diagonaux de faible magnitude. En outre, une technique de réduction d’ordre de modèle via une réalisation équilibrée est appliquée pour obtenir un ordre d’approximation réduit. Les résultats numériques montrent que la méthodologie proposée permet d’obtenir un ajustement plus précis et qu’elle, combinée à des schémas d’intégration précis, fournit des simulations stables et plus précises.L’analyse transitoire des lignes de transmission en capturant avec précision la réponse du courant continu est devenue un intérêt particulier avec le nombre croissant de systèmes HVDC planifiés et installés. Une pratique pour capturer la réponse CC consiste à démarrer la gamme de fréquences dans le modèle à partir d'un échantillon de très basse fréquence dans l'ajustement des fonctions de ligne de transmission. Toutefois, cela peut rigidifier l'ajustement en raison de l’augmentation de la gamme de fréquences, et les valeurs calculées de tension/courant de ligne de régime permanent à courant continu peuvent s'écarter de la solution correcte. Pour résoudre ce problème, cette thèse propose une méthode d’ajustement en deux étapes dans laquelle les échantillons de basse fréquence sont exclusivement pris en compte.----------ABSTRACT The design and effective operation of transmission lines strongly depend on accurate electromagnetic transients (EMT) simulations, which require covering a wide range of frequencies including those very close to DC. Several approaches for transmission line and cable modeling have been developed during the last decades. The more sophisticated models suffer from computational performance issues, and the simplified models are not sufficiently accurate when they are used in a wide range of transients. This thesis first reviews the most currently predominant models and demonstrates their drawbacks through simulations. Then, it investigates the modeling practice required to obtain more accurate and faster time-domain simulations using frequency-dependent line/cable models. In the first part, this thesis contributes with an improved fitting procedure for the identification of the propagation function in cables. The proposed fitting procedure relies on adaptive weighting and frequency partitioning techniques to ensure the precision of fitting for all the entries of including the low-magnitude off-diagonal elements. In addition, a model order reduction technique via balanced realization is applied to obtain a reduced order of approximation. Numerical results show that the proposed methodology allows obtaining more accurate fitting, and when combined with more precise integration schemes, it yields stable and more accurate time-domain simulations. Transient analysis of transmission lines while accurately capturing the DC response has become of special interest with the increasing number of planned and installed HVDC systems. One practice to capture the DC response is to start the frequency range in the model from a very low frequency sample in the fitting of transmission line functions. However, this may stiffen the fitting due to increased range of frequencies, and the calculated DC steady-state line voltage/current values may deviate from the correct solution. To address this problem, this thesis proposes a two-stage fitting method in which low frequency samples are exclusively considered. In the first step, the fitting is performed by excluding very low frequency samples such as those below 1 Hz. In the second step, a correction function is found for the excluded low frequency samples. It is proposed to use this approach for avoiding numerical instabilities due to unbalanced fitting, and for improving the precision of the DC response

Parallel and Multistep Simulation of Power System Transients

RÉSUMÉ La simulation des régimes transitoires électromagnétiques (EMT) est devenue indispensable aux ingénieurs dans de nombreuses études des réseaux électriques. L’approche EMT a une nature de large bande et est applicable aux études des transitoires lents (électromécaniques) et rapides (électromagnétiques). Cependant, la complexité des réseaux électriques modernes qui ne cesse de s’accroître, particulièrement des réseaux avec des interconnexions HVDC et des éoliennes, augmente considérablement le temps de résolution dans les études des transitoires électromagnétiques qui exigent la résolution précise des systèmes d’équations différentielles et algébriques avec un pas de calcul pré-déterminé. En tant que sujet de recherche, la réduction du temps de résolution des grands réseaux électriques complexes a donc attiré beaucoup d’attention et d’intérêt. Cette thèse a pour objectif de proposer de nouvelles méthodes numériques qui sont efficaces, flexibles et précises pour la simulation des régimes transitoires électromagnétiques des réseaux électriques. Dans un premier temps, une approche parallèle et à pas multiples basée sur la norme Functional Mock-up Interface (FMI) pour la simulation transitoire des réseaux électriques avec systèmes de contrôle complexes est développée. La forme de co-simulation de la norme FMI dont l’objectif est de faciliter l’échange de données entre des modèles développés avec différents logiciels est implémentée dans EMTP. Tout en profitant de cette implémentation, les différents systèmes de contrôle complexes peuvent être découplés du réseau principal en mémoire et résolus de façon indépendante sur des processeurs séparés. Ils communiquent avec le réseau principal à travers une interface de co-simulation pendant une simulation. Cette méthodologie non seulement réduit la charge de calcul total sur un seul processeur, mais elle permet aussi de simuler les systèmes de contrôle découplés de façon parallèle et à pas multiples. Deux modes de co-simulation sont proposés dans la première étape du développement, qui sont les modes asynchrone et synchrone. Dans le mode asynchrone, tous les systèmes de contrôle découplés (esclaves) sont simulés en parallèle avec le réseau principal (maître) en utilisant un seul pas de calcul tandis que le mode synchrone permet une simulation séquentielle en utilisant différents pas de calcul dans le maître et les esclaves. La communication entre le maître et les esclaves est réalisée et coordonnée par des fonctions qui implémentent le primitif de synchronisation de bas niveau sémaphore.----------ABSTRACT The simulation of electromagnetic transients (EMT) has become indispensable to utility engineers in a multitude of studies in power systems. The EMT approach is of wideband nature and applicable to both slower electromechanical as well as faster electromagnetic transients. However, the ever-growing complexity of modern-day power systems, especially those with HVDC interconnections and wind generations, considerably increases computational time in EMT studies which require the accurate solution of usually large sets of differential and algebraic equations (DAEs) with a pre-determinded time-step. Therefore, computing time reduction for solving complex, practical and large-scale power system networks has become a hot research topic. This thesis proposes new fast, flexible and accurate numerical methods for the simulation of power system electromagnetic transients. As a first step in this thesis, a parallel and multistep approach based on the Functional Mock-up Interface (FMI) standard for power system EMT simulations with complex control systems is developed. The co-simulation form of the FMI standard, a tool independent interface standard aiming to facilitate data exchange between dynamic models developed in different simulation environments, is implemented in EMTP. Taking advantage of the compatibility established between the FMI standard and EMTP, various computationally demanding control systems can be decoupled from the power network in memory, solved independently on separate processors, and communicate with the power network through a co-simulation interface during a simulation. This not only reduces the total computation burden on a single processor, but also allows parallel and multistep simulation for the decoupled control systems. Following a master-slave co-simulation scheme (with the master representing the power network and the slaves denoting the decoupled control systems), two co-simulation modes, which are respectively the asynchronous and synchronous modes, are proposed in the first stage of the development. In the asynchronous mode, all decoupled subsystems are simulated in parallel with a single numerical integration time-step whereas the synchronous mode allows the use of different numerical time-steps in a sequential co-simulation environment. The communication between master and slaves is coordinated by functions employing the low-level synchronization primitive semaphore

Telecommunications for a deregulated power industry

Telecommunication plays a very important role in the effective monitoring and control of the power grid. Deregulation of the US power industry has enabled utilities to explore various communication options and advanced technologies. Utilities are increasingly investing in distributed resources, dynamic real-time monitoring, automated meter reading, and value added services like home energy management systems and broadband access for its customers. Telecommunication options like power line communications (PLC) and satellites are fast replacing legacy telephone and microwave systems in the US.;The objective of this thesis is to study the communication options that are available for utilities today. Phasor measurement units (PMUs) are analyzed in detail and communication delays due to the use of PMUs in wide area measurement systems (WAMS) are also studied. The highlight of this thesis is a close look at the characteristics of the power line channel by presenting a power line channel model and the use of digital modulation techniques like SS and OFDM, which help overcome the effects of such a hostile medium of communication. (Abstract shortened by UMI.)

Field simulation of axisymmetric plasma screw pinches by alternating-direction-implicit methods

An axisymmetric plasma screw pinch is an axisymmetric column of ionized gaseous plasma radially confined by forces from axial and azimuthal currents driven in the plasma and its surroundings. This dissertation is a contribution to detailed, high resolution computer simulation of dynamic plasma screw pinches in 2-d {ital rz}-coordinates. The simulation algorithm combines electron fluid and particle-in-cell (PIC) ion models to represent the plasma in a hybrid fashion. The plasma is assumed to be quasineutral; along with the Darwin approximation to the Maxwell equations, this implies application of Ampere`s law without displacement current. Electron inertia is assumed negligible so that advective terms in the electron momentum equation are ignored. Electrons and ions have separate scalar temperatures, and a scalar plasma electrical resistivity is assumed. Altemating-direction-implicit (ADI) methods are used to advance the electron fluid drift velocity and the magnetic fields in the simulation. The ADI methods allow time steps larger than allowed by explicit methods. Spatial regions where vacuum field equations have validity are determined by a cutoff density that invokes the quasineutral vacuum Maxwell equations (Darwin approximation). In this dissertation, the algorithm was first checked against ideal MM stability theory, and agreement was nicely demonstrated. However, such agreement is not a new contribution to the research field. Contributions to the research field include new treatments of the fields in vacuum regions of the pinch simulation. The new treatments predict a level of magnetohydrodynamic turbulence near the bulk plasma surface that is higher than predicted by other methods

Modeling of Direct Current Grid Equipment for the Simulation and Analysis of Electromagnetic Transients

RÉSUMÉ Les transmissions à base de courant continu sont capables de répondre mieux que les transmissions traditionnelles à base de courant alternatif aux enjeux de nos jours tels que l’intégration des énergies renouvelables, les difficultés avec l’installation des nouvelles lignes aériennes pour les raisons socio-environnementaux, la gestion des flux de puissance sur le réseau électrique. Ceci est grâce aux systèmes de contrôle performants et rapides, à un niveau de fiabilité accrue des composants utilisés, à l’efficacité énergétique des technologies de pointe, telles que les convertisseurs modulaires multiniveaux (Modular Multilevel Converter ou MMC en anglais). Ces avantages ont contribué à une croissance rapide du nombre de transmissions à courant continu à travers le monde dans les dernières années, avec les plans d’établir des réseaux multi-terminaux d’un niveau supérieur aux réseaux électriques traditionnels dans le but de les renforcer. Les outils de simulation numériques sont nécessaires pour faciliter et accélérer la mise en œuvre de ce type de projets d’envergure. Ils permettent d’analyser et d’étudier les systèmes électriques de plus en plus complexes et par conséquent d’éviter les problèmes opérationnels, d’augmenter la fiabilité et l’efficacité des réseaux électriques. La complexité accrue des réseaux électriques modernes qui contiennent les composants à base de l’électronique de puissance tels que les liaisons à courant continu exige une recherche sur les outils de simulation et les modèles avancés. Ainsi, cette thèse se focalise sur le développement d’un cadre pour les simulations précises et rapides des liaisons à courant continu. À la suite d’une revue de la littérature il est démontré que la modélisation des MMCs a un impact particulièrement important sur la précision et l’accélération des simulations et par conséquent une grande partie de cette thèse est dédiée aux différentes méthodes pour réduire le temps de simulation et améliorer la précision des résultats dans les études avec les MMCs. Le cœur du sujet commence par la présentation de la modélisation des MMC hybrides et leurs systèmes de contrôle. Les modèles sont classés en quatre catégories selon le niveau de précision : le modèle détaillé permet de représenter les non-linéarités au niveau des composants semiconducteurs.----------ABSTRACT Compared to the traditional alternating current technology-based electrical grids, High-Voltage Direct Current (HVDC) transmission systems can more effectively respond to the challenges of the modern power grid related to the integration of renewable energy sources, difficulty to install new overhead lines due to socio-environmental reasons, and power flow management. This is mainly due to high performance of control systems, fast response times, reliable components and energy efficiency of the state-of-the-art HVDC technologies of today, such as the Modular Multilevel Converter (MMC). These advantages have contributed to the rapid growth in the number of HVDC projects in recent years with plans of having overlay HVDC grids that can reinforce the existing electrical grids. To facilitate and accelerate the implementation of large-scale HVDC projects, it is required to use numerical simulation tools. Such tools allow to perform advanced analysis of involved electrical systems for preventing operating problems, increasing robustness and efficiency in power grids. The increased level of complexity of modern power grids with power electronics-based components, such as HVDC, requires research on advanced simulation tools and models. Therefore, this thesis aims to develop a framework allowing for accurate modeling and fast simulations of HVDC projects. After analysis of existing literature, the areas with high potential impact on accuracy and acceleration of electromagnetic transient simulations are found, and it is the modeling of MMCs that is considered in this thesis. Thus, a significant part of this thesis is dedicated to research on efficient modeling techniques that allow to reduce simulation time and improve accuracy for MMC-based HVDC systems. The modeling aspects and control systems of hybrid MMCs are presented first. The MMC models used in electromagnetic transient simulations are grouped into four categories. The detailed model represents the nonlinear current-voltage characteristics of semiconductor switches. The detailed equivalent model represents the switches as two-value resistances: a small value for the closed state and a large value for the open state. The arm equivalent model assumes all capacitors in each arm have identical voltages, so a single equivalent capacitor is used to represent the whole arm, thus greatly reducing the computational burden of the model

On power system automation: a Digital Twin-centric framework for the next generation of energy management systems

The ubiquitous digital transformation also influences power system operation. Emerging real-time applications in information (IT) and operational technology (OT) provide new opportunities to address the increasingly demanding power system operation imposed by the progressing energy transition. This IT/OT convergence is epitomised by the novel Digital Twin (DT) concept. By integrating sensor data into analytical models and aligning the model states with the observed system, a power system DT can be created. As a result, a validated high-fidelity model is derived, which can be applied within the next generation of energy management systems (EMS) to support power system operation. By providing a consistent and maintainable data model, the modular DT-centric EMS proposed in this work addresses several key requirements of modern EMS architectures. It increases the situation awareness in the control room, enables the implementation of model maintenance routines, and facilitates automation approaches, while raising the confidence into operational decisions deduced from the validated model. This gain in trust contributes to the digital transformation and enables a higher degree of power system automation. By considering operational planning and power system operation processes, a direct link to practice is ensured. The feasibility of the concept is examined by numerical case studies.The electrical power system is in the process of an extensive transformation. Driven by the energy transition towards renewable energy resources, many conventional power plants in Germany have already been decommissioned or will be decommissioned within the next decade. Among other things, these changes lead to an increased utilisation of power transmission equipment, and an increasing number of complex dynamic phenomena. The resulting system operation closer to physical boundaries leads to an increased susceptibility to disturbances, and to a reduced time span to react to critical contingencies and perturbations. In consequence, the task to operate the power system will become increasingly demanding. As some reactions to disturbances may be required within timeframes that exceed human capabilities, these developments are intrinsic drivers to enable a higher degree of automation in power system operation. This thesis proposes a framework to create a modular Digital Twin-centric energy management system. It enables the provision of validated and trustworthy models built from knowledge about the power system derived from physical laws, and process data. As the interaction of information and operational technologies is combined in the concept of the Digital Twin, it can serve as a framework for future energy management systems including novel applications for power system monitoring and control, which consider power system dynamics. To provide a validated high-fidelity dynamic power system model, time-synchronised phasor measurements of high-resolution are applied for validation and parameter estimation. This increases the trust into the underlying power system model as well as the confidence into operational decisions derived from advanced analytic applications such as online dynamic security assessment. By providing an appropriate, consistent, and maintainable data model, the framework addresses several key requirements of modern energy management system architectures, while enabling the implementation of advanced automation routines and control approaches. Future energy management systems can provide an increased observability based on the proposed architecture, whereby the situational awareness of human operators in the control room can be improved. In further development stages, cognitive systems can be applied that are able to learn from the data provided, e.g., machine learning based analytical functions. Thus, the framework enables a higher degree of power system automation, as well as the deployment of assistance and decision support functions for power system operation pointing towards a higher degree of automation in power system operation. The framework represents a contribution to the digital transformation of power system operation and facilitates a successful energy transition. The feasibility of the concept is examined by case studies in form of numerical simulations to provide a proof of concept.Das elektrische Energiesystem befindet sich in einem umfangreichen Transformations-prozess. Durch die voranschreitende Energiewende und den zunehmenden Einsatz erneuerbarer Energieträger sind in Deutschland viele konventionelle Kraftwerke bereits stillgelegt worden oder werden in den nächsten Jahren stillgelegt. Diese Veränderungen führen unter anderem zu einer erhöhten Betriebsmittelauslastung sowie zu einer verringerten Systemträgheit und somit zu einer zunehmenden Anzahl komplexer dynamischer Phänomene im elektrischen Energiesystem. Der Betrieb des Systems näher an den physikalischen Grenzen führt des Weiteren zu einer erhöhten Störanfälligkeit und zu einer verkürzten Zeitspanne, um auf kritische Ereignisse und Störungen zu reagieren. Infolgedessen wird die Aufgabe, das Stromnetz zu betreiben anspruchsvoller. Insbesondere dort wo Reaktionszeiten erforderlich sind, welche die menschlichen Fähigkeiten übersteigen sind die zuvor genannten Veränderungen intrinsische Treiber hin zu einem höheren Automatisierungsgrad in der Netzbetriebs- und Systemführung. Aufkommende Echtzeitanwendungen in den Informations- und Betriebstechnologien und eine zunehmende Menge an hochauflösenden Sensordaten ermöglichen neue Ansätze für den Entwurf und den Betrieb von cyber-physikalischen Systemen. Ein vielversprechender Ansatz, der in jüngster Zeit in diesem Zusammenhang diskutiert wurde, ist das Konzept des so genannten Digitalen Zwillings. Da das Zusammenspiel von Informations- und Betriebstechnologien im Konzept des Digitalen Zwillings vereint wird, kann es als Grundlage für eine zukünftige Leitsystemarchitektur und neuartige Anwendungen der Leittechnik herangezogen werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Framework entwickelt, welches einen Digitalen Zwilling in einer neuartigen modularen Leitsystemarchitektur für die Aufgabe der Überwachung und Steuerung zukünftiger Energiesysteme zweckdienlich einsetzbar macht. In Ergänzung zu den bereits vorhandenen Funktionen moderner Netzführungssysteme unterstützt das Konzept die Abbildung der Netzdynamik auf Basis eines dynamischen Netzmodells. Um eine realitätsgetreue Abbildung der Netzdynamik zu ermöglichen, werden zeitsynchrone Raumzeigermessungen für die Modellvalidierung und Modellparameterschätzung herangezogen. Dies erhöht die Aussagekraft von Sicherheitsanalysen, sowie das Vertrauen in die Modelle mit denen operative Entscheidungen generiert werden. Durch die Bereitstellung eines validierten, konsistenten und wartbaren Datenmodells auf der Grundlage von physikalischen Gesetzmäßigkeiten und während des Betriebs gewonnener Prozessdaten, adressiert der vorgestellte Architekturentwurf mehrere Schlüsselan-forderungen an moderne Netzleitsysteme. So ermöglicht das Framework einen höheren Automatisierungsgrad des Stromnetzbetriebs sowie den Einsatz von Entscheidungs-unterstützungsfunktionen bis hin zu vertrauenswürdigen Assistenzsystemen auf Basis kognitiver Systeme. Diese Funktionen können die Betriebssicherheit erhöhen und stellen einen wichtigen Beitrag zur Umsetzung der digitalen Transformation des Stromnetzbetriebs, sowie zur erfolgreichen Umsetzung der Energiewende dar. Das vorgestellte Konzept wird auf der Grundlage numerischer Simulationen untersucht, wobei die grundsätzliche Machbarkeit anhand von Fallstudien nachgewiesen wird