Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Distributed Topology Inference for Electric Power Grids
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Electric Power and Energy Systems.ORCID iD: 0000-0002-6590-6634
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Electric Power and Energy Systems.ORCID iD: 0000-0003-3014-5609
2017 (English)In: IEEE Transactions on Industrial Informatics, ISSN 1551-3203, E-ISSN 1941-0050, Vol. 13, no 6, p. 3206-3215Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

This paper proposes an algorithm, including a multiagent-based system architecture, for distributed inference of power grid topologies. The core algorithm is based on processing measurement time series, or fingerprints, using statistical correlation to determine the connectivity between nodes. Notably, the method and proposed system architecture is completely distributed. The solution has been developed with contemporary IEC 61850 compliant substation automation systems in mind. This paper includes a presentation of the theoretical foundation for the distributed topology inference algorithm as well as the proposed system architecture. A case study utilizing the RBTS bus 4 model is included to demonstrate the capabilities of the method under static as well as transient situations. Furthermore, the results and analysis of the performance and scalability of the algorithm are presented. The main contribution of this paper is an application to infer the electrical connectivity of power grids without central functionality.

Place, publisher, year, edition, pages
Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2017. Vol. 13, no 6, p. 3206-3215
Keywords [en]
Electrical engineering, electrical topology, IEC 61850, multiagent systems (MASs), real-time operation, overlay networks, substation automation
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-243553DOI: 10.1109/TII.2017.2740933ISI: 000418128400043Scopus ID: 2-s2.0-85028508586OAI: oai:DiVA.org:kth-243553DiVA, id: diva2:1286770
Funder
VINNOVA
Note

QC 20180207

Available from: 2019-02-07 Created: 2019-02-07 Last updated: 2019-09-12Bibliographically approved
In thesis
1. Distributed Topology Inference for Power System Applications: Algorithms and architectures utilising industry standards
Open this publication in new window or tab >>Distributed Topology Inference for Power System Applications: Algorithms and architectures utilising industry standards
2019 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The electrical transmission and distribution system is undergoing unprecedented changes to meet the need for a carbon emission-free global energy system. An expected increase in the portion of end-user energy use in the form of electricity and need to integrate renewable energy sources into the power grid on a large scale require major changes in how power grids are operated and controlled.The systems and methods used to monitor, control and protect the power grid have developed in a context where the net power flow could be assumed to originate at large centralised power stations and be transmitted, distributed and delivered to end-users. The operation and control systems still largely follow a centralised and hierarchical structure with a control centre extending a multitude of connections out to automation systems over the geographical span of the grid. With the large-scale integration of distributed generation in the power system and the interconnection of grid infrastructures to facilitate inter-area trade of electricity, many of the premises on which traditional control systems were developed are currently changing. As more distributed generation capacity is integrated into parts of the power grid, efficient methods for determination of the electrical connectivity, the grid topology, become essential components for the development of all other control systems. The systems on which these methods are implemented must interoperate seamlessly with existing and future infrastructure. One effort to address this is an internationally coordinated standardisation process for power systems management and information exchange. The resulting standards, for example, IEC 61850 and IEC 61970, provide a framework for the development of new architectures and methods with a high level of interoperability whilst remaining applicable to the wide variety of equipment and applications that will be required. This thesis aims to test the hypothesis that distributing the application logic closer to the substation automation systems directly connected to the electrical process, provides a suitable architecture which can acquire system-wide knowledge of grid topologies without the assistance of a central entity. To achieve this, three research objectives are identified; proposing of novel control system architectures, utilising state-of-the-art structured data and equipment in substation automation systems and finally to develop a distributed topology inference algorithm utilising minimum prior knowledge of the grid it is acting within.The results firstly demonstrate the use of multi-agent systems as a distributed control and monitoring architecture. Secondly, the result demonstrates the application of relevant standardised IEC 61850 data models and interfaces for data exchange, and how they can be integrated into such architectures. Thirdly, the development of work on a multi-agent systems architecture and algorithm for distributed topology analysis of power grids is described and a formal description of the topology inference algorithm is given. Finally, a validation for the algorithm using a reference power grid model is presented.

Abstract [sv]

Det elektriska transmissions- och distributionssystemet genomgår oöverträffade förändringar för att möta behovet av ett globalt energisystem utan koldioxidutsläpp. En förväntad ökning av andelen energikrav för slutanvändare i form av el och behovet av att integrera förnybara energikällor i elnätet i stor skala kräver stora förändringar i hur elnätet drivs och styrs.De system och metoder som används för att övervaka, styra och skydda kraftnätutrustningen har utvecklats i ett sammanhang där nettoeffektflödet kan antas härröra från stora centraliserade kraftverk och överföras, distribueras och levereras till slutanvändare. Operations- och styrsystemen följer fortfarande i stor utsträckning en centraliserad och hierarkisk struktur med endriftcentral som navpunkt med en mängd anslutningar ut till automationssystem över nätets geografiska utbredning. Med den omfattande integrationen av distribuerad elproduktion på olika punkter i elsystemet samt sammankopplingen av elnätinfrastrukturer för att underlätta elhandeln mellan områden, förändras m˙anga av de premisser som traditionella drift- och styrsystem utvecklats under.Eftersom mer distribuerad produktionskapacitet integreras i olika delar av elnätet, blir effektiva metoder för bestämning av den elektriska anslutningen, dvs. elnättopologin, nödvändiga komponenter för utvecklingen av alla andra styrsystem. De system på vilka dessa metoder genomförs m˙aste kunna samverka sömlöst med befintlig och framtida infrastruktur. Ett pågående arbete med att bemöta detta är en internationellt samordnad standardiseringsprocess för styrning av energisystem och informationsutbyte. De resulterande standarderna, till exempel IEC 61850 och IEC 61970 Common Infromation Model, utgör ett ramverk för utvecklingen av nya arkitekturer och metoder med hög driftskompatibilitet medan de fortfarande är tillämpbara på ett brett spektrum av utrustning och applikationer som framgent kommer att krävas.Denna avhandling syftar till att testa hypotesen att en arkitektur där applikationslogiken distribueras närmare ställverksautomationssystem som är direkt kopplade till elöverföringsprocessen, utgör en lämplig arkitektur som kan förvärva systembred kunskap om elnättopologier utan hjälp av en central enhet. För att uppn˙a detta har tre forskningsmål identifierats; föreslå nya styrsystemsarkitekturer, utnyttja state-of-the-art strukturerad data och utrustning i ställverksautomationssystem och slutligen utveckla en distribueradtopologiinferensalgoritm som behöver minsta möjliga förkunskaper om det nät som det verkar inom.Resultaten demonstrerar för det första användningen av multi-agent-system som en distribuerad kontroll- och övervakningsarkitektur. För det andra visar resultatet att tillämpliga standardiserade IEC 61850 datamodeller och gränssnitt används för datautbyte och hur de kan integreras i sådana arkitekturer. För det tredje beskrivs utvecklingen av arbetet med en multi-agent systemarkitektur och algoritm för distribuerad topologianalys av elnät och en formell beskrivning av topologiinferensalgoritmen ges. Slutligen presenteras en validering för algoritmen med hjälp av en referenskraftnätmodell.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2019
Series
TRITA-EECS-AVL ; 2019:67
Keywords
substation automation systems, IEC 61850, electrical topology, electrical engineering
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-259343 (URN)978-91-7873-298-2 (ISBN)
Public defence
2019-10-04, Ångdomen, Osquars backe 31, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2019-09-13 Created: 2019-09-12 Last updated: 2019-09-13Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Honeth, NicholasNordström, Lars

Search in DiVA

By author/editor
Honeth, NicholasNordström, Lars
By organisation
Electric Power and Energy Systems
In the same journal
IEEE Transactions on Industrial Informatics
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 21 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf