Reliability aspects of network planning for meshed subtransmission networks
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2015-11-17
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
124 + app. 74
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 167/2015
Abstract
As the intermediate part of the power system connecting transmission and distribution systems, the subtransmission networks incorporate a great number of intrinsic features. Despite their ambiguous role, sometimes being treated as distribution or as transmission, the subtransmission networks have a clear and direct effect on power quality issues for end-customers. Therefore, they must be handled and appropriately modeled, because of their particularities and operational practices. This thesis proposes modifications to the generic network cost function which is adjusted to the subtransmission networks. These modifications are located in the outage cost component, in the inclusion of the voltage sag cost component, and in the network assessment of two-dimensional time-related scenarios. More particularly, this work is focused on urban meshed topology with underground cable and overhead line connections. This type of network is well represented by the typical 110-kV Nordic subtransmission network which constitutes a realistic example in cold countries. Furthermore, this thesis develops four modules that complement the subtransmission network assessment algorithm. The Reliability Module assesses networks in a block-layer structure from the perspective of the delivery point. The Voltage Sag Module determines the voltage sag distribution function and its severity coefficients. The Network Cost Module compiles statistical data and results from the previous modules to estimate the total network cost over a project period. As an ancillary tool, the Sensitivity Module identifies zones of low reliability within the tested network and suggests remedial actions. The results show that this sort of subtransmission network with short and medium-length lines contains large voltage sag and outage costs. For instance, overhead networks are susceptible to meteorological phenomena, thus producing high rates of failures, interruptions and voltage sags. Conversely, underground networks are virtually immune to these, consequently resulting in an extremely low number of interruptions and voltage sags. Despite the aggregated investments, the gradual replacement of overhead networks with underground networks would most likely yield several operational benefits, including reinforcement of grid resilience and reliability, as well as supporting power quality to end-customers. Suurjännitteinen jakeluverkko yhdistää kanta- ja jakeluverkot. Suurjännitteisellä jakeluverkolla on monia sähkön jakeluun vaikuttavia ominaispiirteitä. Monissa tutkimuksissa suurjännitteistä jakeluverkkoa käsitellään joko vain kantaverkkona tai jakeluverkkona. Sen vuoksi suurjännitteistä jakeluverkkoa on käsiteltävä ja mallinnettava sen erityispiirteitä tarkastellen. Tässä tutkimuksessa esitetään muutoksia verkon geneeriseen funktioon, joka muodostetaan suurjännitteisiin verkkoihin. Muutoksia tehtiin keskeytyskustannuksen lohkoon, lisättiin jännitekuoppakustannuksen lohko ja verkon analyysi simuloitiin kahdella aikasuureella, jotka olivat jaettu skenaarioiden mukaan. Tässä väitöskirjassa keskitytään silmukoituihin kaupunkiverkkoihin, joissa on sekä maakaapeleita että avolinjoja. Hyvä esimerkki tällaisesta verkosta on silmukoitu 110-kV pohjoismaalainen suurjännitteinen jakeluverkko. Tämän lisäksi tässä väitöskirjassa kehitetään neljä moduulia, jotka yhdessä sisältyvät suurjännitteisten jakeluverkkojen analyysin algoritmiin. Luotettavuus-moduuli arvioi verkkoja lohkokerrosrakenteessa suurjännitteisen jakeluverkon kuormapisteen kohdalta. Jännitekuoppa-moduuli määrittelee jännitekuopparakennefunktion ja sen vakavuuskertoimen. Verkkokustannus-moduuli kerää tietoja ja tuloksia edellisiltä moduuleilta ja laskee verkon kokonaiskustannukset projektien pitoaikana. Apuvälineenä herkkyys-moduuli tunnistaa matalan luotettavuuden alueita testatussa verkossa ja ehdottaa mahdollisia korjauksia. Tulokset osoittivat, että tällaiset lyhyitä johtoja sisältävät suurjännitteiset jakeluverkot aiheuttavat suuria jännitekuoppa- ja keskeytyskustannuksia. Avolinjat ovat alttiina säätilojen vaikutuksille, jotka saavat aikaan korkeita keskeytys-, katko- ja jännitekuoppamääriä. Sitä vastoin maakaapeleihin sääolosuhteet eivät vaikuta ja sen takia keskeytyksiä ja jännitekuoppia on erittäin vähän. Huolimatta investointikustannuksista asteittainen siirtyminen avoverkosta maanalaisiin kaapeleihin sisältää useita etuja. Tämä mm. lisää verkon kestävyyttä ja luotettavuutta sekä parantaa sähkön laatua loppuasiakkaille.Description
Supervising professor
Lehtonen, Matti, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, FinlandKeywords
outage cost, reliability analysis, sensitivity analysis, subtransmission network, voltage sag distribution function, herkkyysanalyysi, jännitekuopparakennefunktio, keskeytyskustannus, luotettavuusanalyysi, suurjännitteinen jakeluverkko
Other note
Parts
- [Publication 1]: Sousa, B. J. O., Humayun, M., and Lehtonen, M. (2014). “Inclusion of voltage sag cost to underground and overhead subtransmission network planning”. International Review of Electrical Engineering, volume 9, issue 3, pages 548–558. ISSN: 1827-6660.
-
[Publication 2]: Sousa, B. J. O., Pihkala, A., and Lehtonen, M. (2014). “Comparison of voltage sag and outage costs in urban meshed 110-kV subtransmission network planning”. In the 5th IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe (ISGT 2014). Istanbul, Turkey. October 12–15. ISBN: 978-1-4799-7720-8.
DOI: 10.1109/ISGTEurope.2014.7028744 View at publisher
-
[Publication 3]: Sousa, B. J. O., Humayun, M., Pihkala, A., and Lehtonen, M. (2014). “Three-layer seasonal reliability analysis in meshed overhead and underground subtransmission networks in the presence of co-generation”. International Journal of Electrical Power and Energy Systems, volume 63, pages 555–564. ISSN: 0142-0615.
DOI: 10.1016/j.ijepes.2014.06.026. View at publisher
- [Publication 4]: Millar, R. J., Sousa, B. J. O., Lehtonen, M., Pihkala, A., and Saarijärvi, E. (2015). “Impact of investment in primary substation double 110-kV busbars versus inter-primary substation backup on urban MV network topology and costs”. In the 5th Conference on Power Engineering, Energy and Power Drives (POWERENG 2015). Riga, Latvia. May 11–15. ISBN: 978-1-4799-9978-1.
- [Publication 5]: Sousa, B. J. O., Millar, R. J., Pihkala, A., and Lehtonen, M. (2015). “Layered reliability assessment of a typical Finnish medium voltage network under multiple weather and load scenarios”. In the 23rd International Conference and Exhibition on Electricity Distribution (CIRED 2015). Lyon, France. June 15–18. ISBN: 2032-9644.
- [Publication 6]: Sousa, B. J. O., Pihkala, A., and Lehtonen, M. (2015). “Sensitivity and viability analyses of overhead and underground meshed subtransmission networks”. International Review of Electrical Engineering, volume 10, issue 2. pages 221–232. ISSN: 1827-6660.
- [Publication 7]: Sousa, B. J. O., Humayun, M., Pihkala, A., and Lehtonen, M. (2015). “Block-layer reliability assessment of distribution systems under various operating scenarios”. Submitted to the journal IEEE Transactions on Power Systems.