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Measurement system and technique for future active distribution grids = Messsystem und Messtechnik für zukünftige aktive Verteilnetze



VerantwortlichkeitsangabeJunqi Liu

Ausgabe1. Aufl.

ImpressumAachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University 2014

UmfangXII, 144 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheE.On Energy Research Center : ACS, automation of complex power systems ; 18


Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013


Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter


Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-12-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-49581
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229679/files/4958.pdf

Einrichtungen

  1. E.ON Energy Research Center (616400)
  2. Lehrstuhl für Automation of Complex Power Systems (616310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Verteilnetz (Genormte SW) ; Zustandsschätzung (Genormte SW) ; Optimierung (Genormte SW) ; Verteiltes Messsystem (Genormte SW) ; Kalman-Filter (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; dynamische Phasormessung (frei) ; optimale Platzierung von Messtechnik (frei) ; active distribution grids (frei) ; optimal meter placement (frei) ; state estimation (frei) ; dynamic phasor measurement (frei) ; decentralized Kalman filter (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Entwicklungen auf dem Gebiet der aktiven elektrischen Verteilnetze werden mit steigender Komplexität, Dynamiken und Unsicherheit begleitet, die zugleich sowohl neue Herausforderungen an als auch Probleme für die Zuverlässigkeit und die Stabilität der Netze stellen. Ein echtzeitfähiges Mess- und Überwachungssystem, das hochgenaue und umfangreiche Messdaten aufbietet, ist daher Voraussetzung, um eine zuverlässige und effiziente Netzregelung beziehungsweise Netzbetrieb zu gewährleisten. Jedoch ist ein solches Mess- und Überwachungssystem in heutigen elektrischen Verteilnetzen noch nicht vorhanden. Diese Dissertation befasst sich demzufolge mit dem Ziel, neuartiges echtzeitfähiges Messsystem und Messtechnik für zukünftige aktive Verteilungsnetze mit den folgenden drei wesentlichen Aspekten zu entwickeln: Planung des Messsystems, Messalgorithmus zur Schätzung der Betriebsparameter des Netzes und Tracking von Systemzuständen. Die Planung der gesamten nötigen Messinfrastruktur wird in der Dissertation als erstes thematisiert, wobei eine Optimierungsmethode für die Platzierung von Messtechniken als Grundbaustein für die Auslegung eines zukünftigen Messsystems entwickelt wird. Es wird eine Designprozedur für die Zustandsschätzung des Verteilungsnetzes aufgestellt, wobei sowohl konventionelle als auch neuartige Messtechnologien eingebunden werden. Eine stochastische Optimierung, die gleichzeitig die Gewährleistung der Genauigkeit der Netzzustandsschätzung und minimale Investmentkosten erzielt, wird aufgezeigt und realisiert, um das Platzierungsproblem zu lösen. Um die Platzierung der Messtechniken für ein robustes Messsystem zu erreichen, sind Ausfall und Degradation von Messeinheiten sowie mangelhaften Messdaten mit nicht normalverteilen statistischen Eigenschaften berücksichtigt. Die entwickelte Planungsmethode kann Netzbetreiber bei der Entscheidung der Aufrüstung ihrer Messinfrastruktur unterstützen. Im zweiten Teil dieser Dissertation wird ein neuartiger Messalgorithmus für die Schätzung von den Netzbetriebsparametern, nämlich Phasoren und Frequenzen, entwickelt. Ein modifiziertes Taylor-Kalmen-Filter wird für die Messung von sogenannten dynamischen Phasoren unter dynamischen und gestörten Netzbedingungen entwickelt. In Kombination mit der Phasorenmesstechnik wird ein auf einer sogenannten Weighted-Smoothing-Differentiation-Methode basierter Messalgorithmus für die Messung von Frequenz und Rate of Change of Frequency (ROCOF) ausgelegt. Diese offerieren neuartige algorithmische Methoden und bieten hohe Genauigkeit für die Parameterschätzung sowie Informationen zur Versorgungsqualität. Den letzten Teil der Dissertation bildet die Betrachtung der verkoppelten Eigenschaften des elektrischen Netzes mit hohen Systemdynamiken. Dabei ist ein auf dem dezentralen Kalman Filter basierter Ansatz entwickelt, um die Ermittlung der verkoppelten Netzzustände zu erleichtern. Dieser dezentrale Ansatz wird durch die Anwendung des Konzepts „virtuelle Störquelle“ zur Entkopplung der lokalen Systeme des Netzes ermöglicht. Hochgenaue Ermittlung von lokalen Systemzuständen und dynamischen Interaktionen zwischen den lokalen Systemen erfolgt mit erweiterten lokalen Kalman-Filtern und benötigt keine Kommunikation. Diese entwickelte Methode ist für agentenbasierte dezentrale Regelungen gut einsetzbar, um die sogenannte „Plug&Play“ Eigenschaften der Netzkomponenten zu ermöglichen.

The changes in the new landscape of active distribution grids are accompanied by increasing system complexity, dynamics and uncertainty that also raise new challenges and issues for system reliability and stability. A real-time measurement and monitoring system providing accurate and extensive measurement information is needed as the prerequisite for enabling reliable and efficient grid control and operation. However, an appropriate measurement and monitoring system is still not established in distribution grids. Therefore, this dissertation addresses three aspects concerning measurement system planning, system operational parameter estimation and system states tracking with the overall objective to design and develop novel real-time measurement system and techniques for future active distribution grids. The design of an overall measurement infrastructure is first addressed by developing a meter placement optimization procedure which builds the fundamental for facilitating future measurement systems. A design procedure is proposed for distribution system state estimation, where heterogeneous measurements including traditional and emerging measurement technologies are combined. The design problem is posed in terms of a stochastic optimization with the goal of guaranteeing the overall accuracy of the state estimation while minimizing the investment costs. The robustness of the meter placement in case of measurement device failure and degradation as well as the lack of measurement information with non-Gaussian probabilistic nature is also taken into account. The proposed method can assist distribution system operators in making investment decisions to upgrade the grid for the upcoming changes in the active distribution grids. As next aspect, an accurate measurement technique for system operational parameters in the grids is investigated and a new approach for instantaneous phasor and frequency estimation is proposed. A modified Taylor-Kalman filter is developed for accurate dynamic phasor estimation under dynamic and distorted conditions. In addition, accurate estimation of frequency and rate of change of frequency is designed using weighted smoothing differentiation based estimator in combination with the proposed dynamic phasor estimator. The proposed technique provides an alternative method for phasor, frequency information and even power quality measurements with high accuracy for future active distribution grids. Considering the interconnected nature and increasing dynamics of the system components and the grids, a fully decentralized Kalman filtering approach is proposed to facilitate system level awareness. This decentralized approach is enabled by introducing the virtual disturbance concept for power system decoupling. Accurate tracking of local dynamic states and interactions among the subsystems is realized by designing augmented local Kalman filter with proper virtual disturbance modeling without any communication effort. This enables gaining local and to some extent system level awareness at the same time. The herein presented approach is well suited for the agent-based decentralized control to enable “plug&play” features.

Fulltext:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
English

Interne Identnummern
RWTH-CONV-144619
Datensatz-ID: 229679

Beteiligte Länder
Germany

 GO


OpenAccess

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Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Electrical Engineering and Information Technology (Fac.6)
Publication server / Open Access
616400_20140620
Public records
Publications database
616310

 Record created 2014-07-16, last modified 2023-11-03


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