IMPALA – Auswirkungen aggregierter elektrischer Anlagen auf die Stabilität des elektrischen Energiesystems

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502170
• Projekttitel Englisch: IMPALA – Impact of aggregated electrical assets on the power system

Kurzbeschreibung (Deutsch)

In diesem Projekt werden umfangreiche dynamische Simulationen im Übertragungssystem von Kontinentaleuropa durchgeführt und diverse Szenarien unter Berücksichtigung von möglichen Ausfällen der in Pools aggregierten Lasten und Erzeuger untersucht. Die dynamische Reaktion des Systems wird bezüglich der Auswirkungen von Fehlfunktionen oder plötzlichem Verlust grosser OEM-Asset-Pools (wie Wärmepumpen, PV-Wechselrichter, Batterien, EV-Ladegeräte u.v.a.m., die übers Internet angesteuert werden können) in Bezug auf die Systemstabilität bewertet und erreichte Ergebnisse quantifiziert. Das Projekt steht in enger Zusammenarbeit mit der IEA International Smart Grids Action Network, ISGAN, Annex 5 und 6. Zu den erwarteten Ergebnissen gehört die Definition der Randbedingungen für die Menge an Assets, die verloren gehen können, bevor die Stabilität des elektrischen Energiesystems wesentlich beeinflusst wird.

Kurzbeschreibung (Englisch)

In this project different studies and an extensive amount of dynamic simulations in the transmission system of Continental Europe will be conducted. The dynamic response of the system will be used to evaluate the stability and quantify the impact caused by malfunction or sudden loss of large Original Equipment Manufacturer (OEM) asset pools such as heat-pumps, PV-inverters, batteries, EV-chargers among others, which are connected via internet. The project is in close collaboration with the International Smart Grids Action Network ISGAN, Annex 5+ 6. Some of the expected results include the definition of the boundary conditions of the amount of assets that can be lost before the security of the system is threatened. Although in this work, the nature of the communication malfunction is not considered, this will be a topic that is going to be investigated in subsequent projects.

Schlussbericht (Deutsch)

Da die Aggregation von Betriebsmitteln wie verteilte Lasten, Erzeugung und Speicherung verschiedene Vorteile in Bezug auf die kollektive Kapazität und den optimierten Betrieb bieten kann, nimmt die Verbreitung von Haushaltsgeräten, die mit einer Cloud verbunden sind und ausschliesslich über eine Internetverbindung gesteuert werden, immer mehr zu. Solche Clouds können jedoch zu einer Gefahr für das System werden, da jeder internetbasierte Dienst anfällig für Kommunikationsprobleme und Cyberangriffe ist. Ausserdem müssen Ausfälle, die durch diese virtuellen, aggregierten Anlagen verursacht werden, vom Stromnetzbetreiber durch die Beschaffung von Regelreserven ausgeglichen werden. Die verfügbare Leistung der Primärreserve könnte jedoch nicht ausreichen, um eine gleichzeitige Abschaltung/Wiederzuschaltung der beteiligten Geräte zu einem bestimmten Zeitpunkt abzudecken. Auch wenn sie bewusst zu Regelungszwecken gesteuert werden können, können ungewollte und unerwünschte Steueraktionen die Stabilität des Stromsystems erheblich beeinträchtigen, zu dramatischen Kaskadeneffekten führen und einen Systemzusammenbruch verursachen.

In Anbetracht der oben genannten Probleme werden in diesem Bericht die Ergebnisse der Forschungsarbeiten vorgestellt, die durchgeführt wurden, um die Frequenzstabilität des kontinentaleuropäischen Stromversorgungssystems zu bewerten, wenn es zu Fehlfunktionen oder plötzlichen Ausfällen grosser Bestände von OEM-Anlagen (Original Equipment Manufacturer) kommt. Um das Hauptziel zu erreichen, wurde eine Reihe von Arbeiten durchgeführt, darunter die Definition von Szenarien und Studienfällen für aktuelle und künftige Bedingungen des untersuchten Systems, die Entwicklung eines Ansatzes zur Darstellung und Umsetzung der Störung grosser Anlagenpools und ihrer Auswirkungen auf die Frequenzdynamik, die Analyse und Quantifizierung dieser Auswirkungen sowie die laborgestützte Bewertung und Erprobung von Geräten, die zur Verhinderung der Ausbreitung von Ausfällen eingesetzt werden können. Die künftige Entwicklung des Systems wurde hier im Hinblick auf die Verringerung der Gesamtträgheit des Systems (unter der Annahme möglicher Durchdringungsgrade von Stromrichter-geschalteter Erzeugung) behandelt. Die ungewollte und unerwünschte Steuerung von Cloud-basierten Anlagen wurde definiert und in Form einer plötzlichen und gleichzeitigen Abschaltung/Zuschaltung von kollektiver Leistung, die über das gesamte System verteilt ist, angewendet. Eine Quantifizierung der damit verbundenen Auswirkungen wurde anhand der resultierenden transienten Frequenzabweichung und des RoCoF für eine Reihe von Leistungsungleichgewichten und Variationen der äquivalenten Trägheit des Systems sowohl im Verbundbetrieb als auch bei der Simulation der Systemaufteilung durchgeführt. Darüber hinaus wurde ein Laboraufbau (basierend auf einem Echtzeit-Energiesystem-Simulator und tiko-Boxen) für die Erkennung von Netztrennung anhand der mit tiko-Hardware gemessenen Frequenzabweichungen aufgebaut.

Basierend auf umfangreichen Simulationen mit dem Initial Dynamic Model of Continental Europe und der Modellierung verschiedener realistischer Übertragungssystemszenarien in Zusammenarbeit mit dem nationalen Übertragungsnetzbetreiber (Swissgrid) zeigen die Ergebnisse, dass die RoCoFs im Verbundbetrieb im Allgemeinen gering sind (selbst bei Szenarien mit geringer Trägheit). Die untersuchten System-Split-Fälle ergaben jedoch RoCoFs von mehr als 1 Hz/s, wobei die Werte bei zunehmender Verringerung der Systemträgheit noch kritischer sind. Mit der zunehmenden Verbreitung von Cloud-Aggregaten können Ereignisse im Zusammenhang mit Wirkleistungsdefiziten, die die tatsächliche Frequenzhaltungsreserve (FCR) von 3 GW überschreiten, häufiger und häufiger auftreten, wodurch das potenzielle Risiko einer inakzeptablen Frequenzdynamik aufgrund unzureichender Eindämmungsfähigkeit des Systems steigt.

Da Systemspaltungen Teile des Netzes schwerwiegenden Betriebsbedingungen aussetzen können, insbesondere bei Inseln mit unzureichender Erzeugungsreserve, wird die automatische Erkennung von Insellösungen sehr wichtig, um mit den daraus resultierenden isolierten Teilsystemen angemessen umzugehen, so dass deren Resynchronisierung und die Wiederherstellung des gesamten Systems so schnell wie möglich erfolgen kann. In diesem Sinne werden auch Ergebnisse im Zusammenhang mit der Erprobung und Bewertung industrieller Geräte (die von der tiko AG zur Verfügung gestellt wurden) zur Erkennung einer möglichen Trennung des Netzes und zur Auslösung von Notsteuerungsmassnahmen, wie z. B. Lastabwurf, auf der Grundlage eines cyber-physischen Testbeds im Labormassstab und Hardware-in-the-Loop-Techniken bereitgestellt

Schlussbericht (Englisch)

Since the aggregation of resources such as distributed loads, generation, and storage can provide diverse benefits in terms of collective capacity and optimized operation, the proliferation of household assets connected to a cloud and controlled purely through an internet connection is growing more and more. However, such clouds can turn into system’s hazards given that any internet-based service isprone to communication problems and susceptible to cyber-attacks. Furthermore, any outage caused by these virtual aggregated cloud grids of assets must also be compensated by the power system operator using procured control reserves. However, the amount of available power for primary reserve might be insufficient to cover a simultaneous disconnection/reconnection of the devices involved at some instant. Even though they can be intentionally controlled for balancing purposes, the nonintentional and undesired control actions may significantly affect the stability of the power system, lead to dramatic cascading effects, and result in a system collapse.

Considering the aforementioned issues, this report presents the obtained results of the research conducted to evaluate the frequency stability of the Continental European power system when subjected to the malfunction or sudden loss of large pools of original equipment manufacturer (OEM) assets. A set of key activities were carried out to accomplish the main pursued goal, including the definition of scenarios and study cases for current and future conditions of the study system, the development of the approach to represent and implement the malfunction of large asset pools and their impact on frequency dynamics, the analysis and quantification of these effects, and the lab based evaluation and testing of devices to be used in the prevention of outage spread. The future development of the system was addressed here in terms of reductions of overall system inertia (assuming potential penetrations levels of converter-interfaced generation). Non-intentional and undesired control of cloud-based assets was defined and applied in terms of the sudden and simultaneous disconnection/connection of collective power randomly accommodated across the entire system. A quantification of related impacts was performed according to the resultant transient frequency deviation and RoCoF for a set of power imbalances and variations in the equivalent inertia of the system under both interconnected operation and system split simulation cases. Furthermore, a lab-scale setup was assembled (based on a real-time power system simulator and tiko boxes) for the detection of grid separation according to frequency deviations measured with tiko hardware.

Based on extensive simulations with the Initial Dynamic Model of Continental Europe and modelling of different realistic transmission system scenarios in collaboration with the national transmission system operator (Swissgrid), the results show that RoCoFs are generally small during interconnected operation (even under low inertia scenarios). However, considered system split cases revealed RoCoFs higher than 1 Hz/s, with even more critical values under increasing system inertia reductions. Then, with the proliferation of cloud aggregated assets, events related to active power deficits exceeding the actual frequency containment reserves (FCR) of 3 GW may become more frequent and common, rising the potential risk of unacceptable frequency dynamics due to insufficient containment capability of the system.

Since system splits may expose parts of the grid to severe operating conditions, particularly in islands with insufficient generation reserve, the automatic islanding detection becomes very important to appropriately deal with the resultant isolated subsystems so that resynchronization of them and restoration of the whole system can be accomplished as fast as possible. In this sense, results related to the testing and evaluation of industrial devices (provided by tiko AG) to detect possible separation of the grid and trigger emergency control actions, such as load shedding, are also provided based on a lab-scale cyber-physical testbed and Hardware-in-the-Loop techniques

Zugehörige Dokumente

• Final report [PDF] 5'423 kB

Schlussbericht (Französisch)

Étant donné que l'agrégation de ressources telles que les charges, la production et le stockage distribués peut offrir divers avantages en termes de capacité collective et de fonctionnement optimisé, la prolifération des actifs domestiques connectés à un nuage et contrôlés uniquement par le biais d'une connexion internet est de plus en plus importante. Cependant, ces nuages peuvent devenir des dangers pour le système, étant donné que tout service basé sur l'internet est sujet à des problèmes de communication et susceptible de subir des cyber-attaques. En outre, toute panne causée par ces réseaux virtuels agrégés d'actifs doit être compensée par l'opérateur du système électrique à l'aide de réserves de contrôle achetées. Cependant, la quantité de puissance disponible pour la réserve primaire peut être insuffisante pour couvrir une déconnexion/reconnexion simultanée des appareils concernés à un moment donné. Même s'ils peuvent être contrôlés intentionnellement à des fins d'équilibrage, les actions de contrôle non intentionnelles et non souhaitées peuvent affecter de manière significative la stabilité du système électrique, conduire à des effets en cascade dramatiques et entraîner un effondrement du système.

Compte tenu des questions susmentionnées, ce rapport présente les résultats obtenus dans le cadre de la recherche menée pour évaluer la stabilité de la fréquence du réseau électrique de l'Europe continentale en cas de dysfonctionnement ou de perte soudaine d'un grand nombre d'actifs des fabricants d'équipements d'origine (OEM). Une série d'activités clés ont été menées pour atteindre le principal objectif poursuivi, notamment la définition de scénarios et de cas d'étude pour les conditions actuelles et futures du système étudié, le développement de l'approche pour représenter et mettre en œuvre le dysfonctionnement de grands groupes d'actifs et leur impact sur la dynamique de la fréquence, l'analyse et la quantification de ces effets, et l'évaluation et le test en laboratoire des dispositifs à utiliser dans la prévention de la propagation des pannes. Le développement futur du système a été abordé ici en termes de réduction de l'inertie globale du système (en supposant des niveaux de pénétration potentiels de la production interfacée avec les convertisseurs). Le contrôle non intentionnel et indésirable des actifs basés dans le nuage a été défini et appliqué en termes de déconnexion/connexion soudaine et simultanée de la puissance collective hébergée de manière aléatoire dans l'ensemble du système. Une quantification des impacts associés a été réalisée en fonction de l'écart de fréquence transitoire résultant et du RoCoF pour un ensemble de déséquilibres de puissance et de variations de l'inertie équivalente du système dans les cas de simulation de fonctionnement interconnecté et de division du système. En outre, un dispositif de laboratoire a été mis en place (basé sur un simulateur de système électrique en temps réel et des boîtiers tiko) pour la détection de la séparation du réseau en fonction des écarts de fréquence mesurés avec le matériel tiko.

Sur la base de simulations approfondies avec le modèle dynamique initial de l'Europe continentale et de la modélisation de différents scénarios réalistes de systèmes de transmission en collaboration avec l'opérateur national du système de transmission (Swissgrid), les résultats montrent que les RoCoF sont généralement faibles pendant le fonctionnement interconnecté (même dans les scénarios à faible inertie). Cependant, les cas envisagés de division du système ont révélé des RoCoFs supérieurs à 1 Hz/s, avec des valeurs encore plus critiques en cas de réduction croissante de l'inertie du système. Ensuite, avec la prolifération des actifs agrégés dans le nuage, les événements liés aux déficits de puissance active dépassant les réserves réelles de confinement de fréquence (FCR) de 3 GW peuvent devenir plus fréquents et communs, augmentant le risque potentiel d'une dynamique de fréquence inacceptable en raison d'une capacité de confinement insuffisante du système.

Étant donné que les divisions du système peuvent exposer des parties du réseau à des conditions d'exploitation sévères, en particulier dans les îles où la réserve de production est insuffisante, la détection automatique de l'îlotage devient très importante pour traiter de manière appropriée les sous-systèmes isolés qui en résultent, de sorte que leur resynchronisation et le rétablissement de l'ensemble du système puissent être réalisés aussi rapidement que possible. Dans ce sens, les résultats liés au test et à l'évaluation des dispositifs industriels (fournis par tiko AG) pour détecter une éventuelle séparation du réseau et déclencher des actions de contrôle d'urgence, telles que le délestage, sont également fournis sur la base d'un banc d'essai cyber-physique à l'échelle du laboratoire et des techniques Hardware-in-the-Loop.