Optimaal en schaalbaar beheer van slimme elektrische netten Optimaal en schaalbaar beheer van slimme

download Optimaal en schaalbaar beheer van slimme elektrische netten Optimaal en schaalbaar beheer van slimme

of 190

  • date post

    21-Jan-2020
  • Category

    Documents

  • view

    1
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Optimaal en schaalbaar beheer van slimme elektrische netten Optimaal en schaalbaar beheer van slimme

  • Optimaal en schaalbaar beheer van slimme elektrische netten met elektrische voertuigen

    Optimal and Scalable Management of Smart Power Grids with Electric Vehicles

    Kevin Mets

    Promotoren: prof. dr. ir. C. Develder, prof. dr. ir. F. De Turck Proefschrift ingediend tot het behalen van de graad van Doctor in de Ingenieurswetenschappen: Computerwetenschappen

    Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: prof. dr. ir. D. De Zutter Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2014 - 2015

  • ISBN 978-90-8578-779-2 NUR 961, 980 Wettelijk depot: D/2015/10.500/23

  • Universiteit Gent Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur

    Vakgroep Informatietechnologie

    Promotoren: Prof. Dr. Ir. Chris Develder Prof. Dr. Ir. Filip De Turck

    Universiteit Gent Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur

    Vakgroep Informatietechnologie Gaston Crommenlaan 8 bus 201 B-9050 Gent, België

    Tel.: +32-9-331.49.00 Fax.: +32-9-331.48.99 Web: www.intec.ugent.be

    Dit werk kwam tot stand in het kader van een doctoraatsbeurs voor strategisch basisonderzoek

    door het Agentschap voor Innovatie door Wetenschap en Technologie (IWT)

    Proefschrift tot het behalen van de graad van Doctor in de Ingenieurswetenschappen:

    Computerwetenschappen Academiejaar 2014-2015

  • Dankwoord

    Het begon allemaal met een bezoek aan het doctoraatssymposium op woensdag 3 december 2008, waar ik o.a. mijn thesisbegeleider Philip Leroux tegenkwam. Het onderwerp doctoreren kwam hier voor het eerst ter sprake. Niet veel later had ik mijn eerste gesprek met Piet Demeester, Filip De Turck en Chris Develder over een academische carrière binnen de onderzoeksgroep IBCN. Ik had wel vaker met het idee gespeeld, dus de keuze was snel gemaakt. Op 1 augustus 2009 begon ik aan mijn doctoraatsonderzoek rond smart grids en elektrische voertuigen. Woensdag 10 december 2014 was het dan eindelijk zover en diende ik mijn proefschrift in. Een klus die ik nooit alleen had kunnen klaren.

    Doukje, mijn beste vriendin, partner en supermama. Jij bent er altijd voor mij en ons gezin. Ik besef maar al te goed dat het niet altijd even makkelijk was. Je hebt de vreugde ervaren wanneer een paper aanvaard werd, maar ook de frustratie wanneer een experiment maar niet wou lukken. Toch stond je steeds klaar, onge- acht wat. Bedankt daarvoor! Op maandag 9 september 2013 werd ons prinsesje Geike geboren. Ik geniet van elke dag die ik samen met jullie doorbreng en kijk dan ook enorm uit naar alle avonturen die we nog zullen beleven.

    Mijn ouders wil ik bedanken voor alle kansen die ze mij gegeven hebben. Dankzij hen ben ik aan mijn studies kunnen starten en heb ik deze tot een goed einde kunnen brengen. Bedankt voor alle steun en om altijd klaar te staan.

    Zonder mijn promotoren Chris Develder en Filip De Turck had dit werk nooit tot stand kunnen komen. Jullie hebben mij de kans gegeven om mij te verdiepen in smart grids. Chris zou ik in het bijzonder willen bedanken voor de vele paper reviews, brainstorms en kritische feedback. Uiteraard wil ik ook Piet Demees- ter bedanken als drijvende kracht achter de onderzoeksgroep IBCN. Ik wil ook graag de leden van de examencommissie bedanken voor hun kritische feedback en vragen: Patrick De Baets, Tom Dhaene, Lieven Vandevelde, Geert Deconinck en Stuart Galloway. Ik wil natuurlijk ook iedereen van het smart grids team bedan- ken voor alles wat we samen bereikt hebben de afgelopen jaren. Chris, Wouter en Matthias, jullie hebben voor een fantastisch team gezorgd!

    Ik begon mijn avontuur op de Zuiderpoort niet alleen, maar samen met Jono die al jaren een goede vriend was (en dat nog steeds is) en met Tom waarmee ik samengewerkt had tijdens mijn stage en thesis. Op hen heb ik steeds kunnen rekenen. Uiteraard waren er nog andere bekende gezichten, ook jullie ben ik niet

  • ii

    vergeten. De afgelopen jaren heb ik natuurlijk ook heel wat nieuwe mensen leren kennen. Vanaf dag één werd ik goed ontvangen door mijn nieuwe bureaugenoten Jens, Peter, Pieter, Kristof, Jos, Masha, Johannes, Adhemar, Jan en Bart. Ik denk nog graag terug aan die tijd daar op het tweede verdiep in bureau 2.22. Zo hadden we eens het halve bureau nodig om een C++ probleem op te lossen. Gelukkig konden we tijdens de lunchbreaks wat stoom aflaten. Uiteindelijk ben ik op de derde verdieping terecht gekomen in bureau 3.12. Bedankt Tom, Dieter, Jelle, Fredo, Stijn, Anna, Frederick, Stein, Lode, Thomas, Adhemar, Arun, Nasrin en Sam om me ook daar op mijn plek te laten voelen. Ook daar waren er wel eens C++ problemen te bespeuren, maar verder ook een USB rocket launcher met custom made web interface, een moestuin in een keyboard en soms zelf een hoelahoep. Dan zijn er ook nog de collega’s van de sensorgroep die ik wil bedanken voor de gezellige lunches bij de belastingen, de toffe momenten in de softmeeting of op recepties en de terrasjes na het werk.

    In het kader van nationale en internationale projecten ben ik ook in contact gekomen met collega’s uit de bedrijfswereld en andere onderzoeksinstellingen. Hen wil ik bedanken voor de vele samenwerkingen en de mooie resultaten die daaruit zijn voortgekomen. Naast mijn onderzoek heb ik ook studenten kunnen begeleiden bij hun stage, masterthesis of in het kader van vakken zoals SA en SOP van Frank Gielen. Een onvergetelijke ervaring die ik heb mogen delen met een fantastisch team van begeleiders.

    Natuurlijk wil ik ook alle ondersteunende diensten bedanken, zoals het secreta- riaat, de admins, finances, de poetsvrouwen, maar ook het BBQ team. Niet alleen bedankt om alles in goede banen te leiden, maar ook voor de leuke babbels.

    Als laatste wil ik ook de vrienden in Gent en Putte zeker niet vergeten. Lange avonden boardgamen, de LAN-parties, de festivals, de gesprekken op de trein, nog eens goed op stap gaan, de activiteiten met de oudleiding of gewoon een pint gaan drinken op café. Het waren allemaal zaken die essentieel waren om eens goed te ontspannen.

    Putte-Kapellen, februari 2015 Kevin Mets

  • Table of Contents

    Dankwoord i

    Nederlandse samenvatting xxi

    English summary xxv

    1 Introduction 1-1 1.1 Smart Power Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-1 1.2 Renewable Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-3 1.3 Electric Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-4

    1.3.1 Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-5 1.3.2 Opportunities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-6

    1.4 Demand Side Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-7 1.5 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-8 1.6 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-10 1.7 Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-11

    1.7.1 Publications in international journals . . . . . . . . . . . 1-11 1.7.2 Publications in international conferences . . . . . . . . . 1-11 1.7.3 Publications in national conferences . . . . . . . . . . . . 1-13

    References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-14

    2 Combining power and communication network simulation for cost- effective smart grid analysis 2-1 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-2

    2.1.1 The role of communication networks in smart grids . . . . 2-4 2.1.2 Advanced metering and demand response . . . . . . . . . 2-5 2.1.3 Distributed renewable energy sources (DRES) . . . . . . . 2-6 2.1.4 Wide-Area Monitoring, Protection & Control . . . . . . . 2-7

    2.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-8 2.2.1 Why simulation? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-8 2.2.2 Smart grid simulator design challenges . . . . . . . . . . 2-9

    2.3 Smart Grid Simulation Paradigms . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-11 2.3.1 Combined simulation of power and communication systems 2-11 2.3.2 Continuous time and discrete event simulation models . . 2-13

  • iv

    2.3.3 Emulation, Real-Time Simulation and Hardware-in-the- Loop Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-13

    2.4 Power System Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-16 2.4.1 PSCAD/EMTDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-19 2.4.2 DigSilent - PowerFactory . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-19 2.4.3 Siemens PSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-21 2.4.4 EMTP-RV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-21 2.4.5 PowerWorld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-21 2.4.6 ETAP PSMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-22 2.4.7 Cymdist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-22 2.4.8 EuroStag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-22 2.4.9 Homer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-22 2.4.10 OpenDSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-23 2.4.11 ObjectStab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-23 2.4.12 Real-time hardware-based simulation . . . . . . . . . . . 2-23 2.4.13 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-24

    2.5 Communication Network Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . 2-25 2.5.1 Network Simulator (ns-2 and ns-3) . . . . . . . . . . . . . 2-25 2.5.2 OMNeT++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-26 2.5.3 NeSSi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-27 2.5.4 OPNET Modeler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-28 2.5.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-29

    2.6 Smart Grid Simulation . . . . . . . . . . . .