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Uncertainty-Aware Distribution System State Estimation - A State Estimation Method for Medium Voltage Grids Using Heterogenous Measurement Input

Buchta, Eva (2024)
Uncertainty-Aware Distribution System State Estimation - A State Estimation Method for Medium Voltage Grids Using Heterogenous Measurement Input.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027467
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Uncertainty-Aware Distribution System State Estimation - A State Estimation Method for Medium Voltage Grids Using Heterogenous Measurement Input
Language: English
Referees: Niessen, Prof. Dr. Stefan ; Hanson, Prof. Dr. Jutta
Date: 10 June 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xvi, 119 Seiten
Date of oral examination: 2 May 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027467
Abstract:

In Germany, as in many other countries, the “Energiewende” is a central political and social goal to counteract climate change. To achieve this goal, dependence on fossil fuels must be reduced and a transition to a sustainable energy economy promoted. However, this paradigm shift towards renewable energies, decentralized energy sources, and electrification of different sectors significantly impacts the distribution grids’ structure and strains. Integrating decentralized, primarily volatile energy sources, such as solar and wind power plants, leads to a locally and temporally fluctuating electricity feed in. In addition, new consumers, such as electric vehicles and heat pumps, place heavy strains on the lower voltage levels. The distribution grid operators are now faced with the task of keeping the power supply stable despite highly variable feed-in and load. In order to continue to ensure the reliability and efficiency of the power supply, the integration of technologies for real-time monitoring and analysis of the status is crucial. By using innovative monitoring that provides early warning of critical system conditions and automated control applications, existing grids can usually continue to operate safely for a longer period without needing immediate grid expansion. In this thesis, a state estimation method for medium-voltage grids is developed. The aim is to estimate the current state of the power system as accurately as possible. The focus here is on detecting limit violations, such as voltage bands or thermal limit currents, and on the modeling of uncertainties. Since medium-voltage grids are usually only equipped with a scarce measurement infrastructure, additional input, usually only available historically, is used as background information for the state estimation. This input has significantly higher uncertainties than the precise real-time measurements. Therefore, it is particularly important in medium-voltage grids to apply state estimation methods that consider these uncertainties in the output assessment. Based on this requirement, a probabilistic state estimation method is developed that is suitable for practice-relevant measurement availability scenarios. The basic algorithm of the developed state estimation method is based on the Bayes’ rule. This algorithm was extended in the present work by corresponding modules in order to fulfill the analyzed requirements for state estimation methods for medium-voltage grids. These extensions include evaluating the probability distribution regarding critical system states and parameterizing the statistical properties of loads using the available measurement information. Annual simulations of a representative German medium-voltage grid are used for the evaluation. With the developed method, it is possible to estimate the probability of critical system states. The estimation takes less than one second, and the critical system states can be reliably identified with a detection rate of over 90 %. The method also includes classification and output of warning and alarm stages, which provides an early warning of bottlenecks in the grid. In order to be practicable for field usage, the method places particular emphasis on a realistic assumption of the temporally available input data in medium-voltage grids.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In Deutschland, wie auch in vielen anderen Ländern, ist die Energiewende ein zentrales politisches und gesellschaftliches Ziel, um dem Klimawandel entgegenzuwirken. Um dieses Ziel zu erreichen, muss die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen reduziert und ein Übergang zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft gefördert werden. Dieser Paradigmenwechsel hin zu erneuerbaren Energien, dezentraler Stromversorgung und Elektrifizierung verschiedener Sektoren hat jedoch erhebliche Auswirkungen auf die Struktur und Belastung der Verteilnetze. Die Integration von dezentralen, volatilen Energiequellen wie Solar- und Windkraftanlagen, führt zu einem örtlich und zeitlich schwankenden Stromangebot. Hinzu kommen neue Verbraucher wie Elektroautos und Wärmepumpen, welche die unteren Spannungsebenen zusätzlich stark belasten. Die Verteilnetzbettreiber stehen nun vor der Aufgabe die Stromversorgung, trotz stark variabler Einspeisung und Last, stabil zu halten. Um die Zuverlässigkeit und die Effizienz der Stromversorgung weiterhin sicherzustellen, ist der Einsatz von Technologien zur Echtzeitüberwachung und -analyse des Netzzustands von entscheidender Bedeutung. Durch den Einsatz von innovativen Monitoringapplikationen, welche frühzeitig vor kritischen Systemzuständen warnen, und automatisierten Regelungsapplikationen können die bestehenden Netze meist für einen längeren Zeitraum ohne einen sofortigen Netzausbau sicher weiter betrieben werden. In dieser Arbeit wird eine Zustandsschätzungsmethode für Mittelspannungsnetze entwickelt. Ziel ist es, den aktuellen Zustand des Stromsystems damit möglichst genau einzuschätzen. Hierbei liegt der Fokus auf der Erkennung von Grenzwertverletzungen, so wie von Spannungsbändern oder thermischen Grenzsströmen, und auf der Modellierung von Unsicherheiten. Da Mittelspannungsnetze meist nur geringfügig mit Messinfrastruktur ausgestattet sind, werden zusätzliche, meist nur historisch verfügbare Daten als Hintergrundinformation für die Zustandsschätzung verwendet. Dieser Input weist im Vergleich zu den präzisen Echtzeitmessungen deutlich höhere Unsicherheiten auf. Daher ist es in der Mittelspannung besonders wichtig, Zustandsschätzungsmethoden einzusetzen, die diese Unsicherheiten auch in der Output-Bewertung berücksichtigen. Basierend auf dieser Anforderung wird ein probabilistisches Zustandsschätzungsverfahren entwickelt, das für praxisrelevante Messverfügbarkeitsszenarien geeignet ist. Der Basisalgorithmus der entwickelten Zustandsschätzungsmethode beruht auf dem Konzept von Bayes. Dieser Algorithmus wurde in der vorliegenden Arbeit durch entsprechende Module erweitert, um die analysierten Anforderungen an Zustandsschätzungsmethoden für Mittelspannungsnetze zu erfüllen. Diese Erweiterungen beinhalten eine Auswertung der Wahrscheinlichkeitsverteilung hinsichtlich kritischen Systemzuständen sowie eine Parametrierung der statistischen Eigenschaften von Lasten mittels der zur Verfügung stehenden Messinformationen. Für die Auswertung werden Jahressimulationen eines repräsentativen deutschen Mittelspannungsnetzes herangezogen. Mit der entwickelten Methode ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit für kritische Systemzustände abzuschätzen. Die Abschätzung erfolgt in weniger als einer Sekunde und die kritischen Systemzustände lassen sich mit einer Erkennungsrate von über 90 % zuverlässig identifizieren. Die Methode beinhaltet zudem eine Klassifizierung und Ausgabe von Warn- und Alarmstufen, welche frühzeitig vor Engpässen im Netz warnen. Um praktikabel für den Feldeinsatz zu sein, wird besonderer Wert auf eine realistische Annahme der in Mittelspannungsnetzen zeitlich verfügbaren Inputdaten gelegt.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-274675
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 621.3 Electrical engineering, electronics
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Technology and Economics of Multimodal Energy Systems (MMES)
Date Deposited: 10 Jun 2024 11:36
Last Modified: 11 Jun 2024 11:12
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/27467
PPN: 519009347
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