Functional Scalability and Replicability Analysis for Smart Grid Functions: The InteGrid Project Approach

The evolution of the electrical power sector due to the advances in digitalization, decarbonization and decentralization has led to the increase in challenges within the current distribution network. Therefore, there is an increased need to analyze the impact of the smart grid and its implemented solutions in order to address these challenges at the earliest stage, i.e., during the pilot phase and before large-scale deployment and mass adoption. Therefore, this paper presents the scalability and replicability analysis conducted within the European project InteGrid. Within the project, innovative solutions are proposed and tested in real demonstration sites (Portugal, Slovenia, and Sweden) to enable the DSO as a market facilitator and to assess the impact of the scalability and replicability of these solutions when integrated into the network. The analysis presents a total of three clusters where the impact of several integrated smart tools is analyzed alongside future large scale scenarios. These large scale scenarios envision significant penetration of distributed energy resources, increased network dimensions, large pools of flexibility, and prosumers. The replicability is analyzed through different types of networks, locations (country-wise), or time (daily). In addition, a simple replication path based on a step by step approach is proposed as a guideline to replicate the smart functions associated with each of the clusters

Verteilte Optimierung in Elektrischen Stromnetzen – Simulation und Validierung

Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersIn Stromnetzen wird optimale Lastflussrechnung zur Optimierung des Betriebspunktes des Netzes verwendet und Sekundärregelung um die Frequenz nach Abweichungen wiederherzustellen. Durch das stetige Wachstum von erneuerbaren Energien steigt die Anzahl von steuerbaren Geräten im Stromnetz der nächsten Generation. Dieser Trend setzt die derzeitigen zentralen Regelungsmethoden zunehmend unter Druck, da sie eine limitierte Skalierbarkeit und Erweiterbarkeit haben und einen ”Single Point of Failure“ darstellen. Zur Behebung dieser Defizite wurden neuartige, verteilte und dezentralisierte Regelungsstrategien entwickelt. Diese Arbeit gibt einen genauen Einblick in die Leistungsfähigkeit von verteilter optimaler Lastfluss basierter Sekundärregelung unter Berücksichtigung von Szenarien mit realistischen Kommunikationsnetzwerken. Nach einem Vergleich aktueller Methoden und der Präsentation des derzeitigen Stands der Technik, wird mittels der ”Alternating Direction Method of Multipliers“ eine vollkommen verteilte Implementierung gezeigt, welche zusätzlich zur Sekundärregelung die Verluste im Stromnetz minimiert. Zusätzlich wird das Kommunikationsnetzwerk, das die Controller miteinander verbindet, mit ”GNS3“, einem Kommunikationsnetzwerksimulator, modelliert und simuliert. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, einen neuartigen Ansatz zu zeigen und zu simulieren, welcher anhand der beiden elektrischen Testnetze IEEE 13 und IEEE 123 node test feeder unter Berücksichtigung realistischer Kommunikationsnetze validiert wird. Weiters wird eine Methode gezeigt, mit der Simulationen automatisch erstellt und analysiert werden können. Die vorgestellte Simulationsumgebung ist anpassbar und kann auch zur Untersuchung weiterer Testszenarien oder zum Testen anderer verteilter Algorithmen verwendet werden.In electrical power grids optimal power flow is used to optimize the operating state of the network and secondary control is used to restore the frequency after disturbances. The number of controllable devices will increase in next generation electrical grids through the penetration of renewable generation. This trend challenges the centralized control methods used nowadays as they only have limited scalability, extensibility, and present a single point of failure. Distributed and decentralized control strategies have been proposed to overcome these shortcomings. This work takes a deep look at the interdependencies of distributed optimal power flow based secondary control algorithms and their performance in scenarios with realistic communication networks. After a comparison of current research activities and approaches in use, the “Alternating Direction Method of Multipliers” is implemented in a fully distributed manner to solve the power loss problem. Furthermore, the communication network layer between the controllers implementing the algorithm is modeled with a network emulator, namely “GNS3”. The aim of this thesis is to formulate and simulate this novel approach, and finally validate it using the IEEE 13 and IEEE 123 node test feeders, while considering realistic communication quality of service. By leveraging GNS3, the relation of the algorithm runtime and the latencies of the communication grid is measured. Furthermore, an automatization methodology is introduced which is used to streamline the generation and the analysis of simulations. The proposed framework is fully customizable to allow investigations of other test cases or of other distributed algorithms.10