Monte Carlo and hardware in the loop simulation for reliability evaluation of integrated energy system

Energy is the foundation for the survival and development of mankind, and the lifeline of economic society. Under the twin pressures of energy crisis and environmental degradation, power system as the core, Integrated Energy Systems (IESs) arise which coordinate and optimize energy distribution, transformation, storage and consumption, and make full use of renewable energy. Because IESs contribute to improving the energy efficiency, promoting the large-scale development of renewable energy, and improving the utilization efficiency of social infrastructure and energy supply reliability, their development are increasingly important in energy industry in the 21st century. As the foundation of planning and operation, reliability assessment is of great significance to the development of IESs. Integrated Energy System (IES) is composed of multiple energy supply subsystems, which have significant pluripotent coupling properties. And different forms of energy have different characteristics, making the conventional reliability assessment theory impossible to apply to integrated energy system. This thesis is based on Monte Carlo Simulation (MCS) and Hardware In The Loop (HIL) simulation method, and studies the model and algorithm for reliability evaluation of IESs. The main contents of this thesis are the following: 1) In IESs there is a complex coupling relationship between various forms of energy: the concept of Energy Hub is introduced and the IESs reliability assessment model based on Energy Hub is established, depicting the impact of complex interconnection between different power subsystems on reliability. 2) A reliability evaluation method based on MCS and HIL is studied. Based on LABVIEW software platform and hardware products offered by NI company, circuit breaker selectivity HIL simulation is realized, the selectivity of relay protection device is simulated and analyzed, and then the influence of different configuration schemes of relay protection device on reliability is assessed. 3) The reliability evaluation method and model of IES are verified through a number of typical case studies. An analytic method is employed to calculate reliability index for IES considering the selectivity of the circuit breaker, and simulation method is used to calculate reliability index for IES not considering selectivity. The reliability indices include Loss Of Load Probability (LOLP) and Expected Energy Not Supplied (EENS). And the results demonstrate the validity of the proposed model and method. In summary, focusing on typical features of IESs, the thesis put forward a reasonable set of IESs reliability evaluation models and algorithms, and verifies the effectiveness of the proposed model and algorithm through case analysis. This thesis will provide a helpful reference for the development of IESs.

L’energia è la base per la sopravvivenza e lo sviluppo dell’umanità e la base dell’economia sociale. Sotto la pressione della crisi energetica e del degrado ambientale, sono stati proposti dei sistemi integrati di energia (Integrate Energy Systems IESs) che coordinano e ottimizzano la distribuzione, la trasformazione, lo stoccaggio e il consumo di energia e sfruttano appieno le energie rinnovabili. Poiché questi sistemi contribuiscono a migliorare l’efficienza energetica, promuovendo lo sviluppo delle energie rinnovabili su larga scala e migliorando l’efficienza di utilizzo delle infrastrutture sociali e dell’affidabilità di alimentazione, il loro sviluppo è sempre più importante nell’industria energetica nel XXI secolo. Alla base della pianificazione e del funzionamento, la valutazione dell’affidabilità è di grande importanza per lo sviluppo degli IESs. Questi sistemi integrati di energia sono composti da più sottosistemi di alimentazione che hanno differenti proprietà. Le diverse forme di energia hanno caratteristiche diverse, cosa che rende impossibile applicare la teoria convenzionale di valutazione dell’affidabilità a questi sistemi. Questa tesi è basata sul metodo di simulazione Monte Carlo (MCS) e su simulazioni Hardware In The Loop (HIL) e si propone di definire un modello per la valutazione dell’affidabilità di un sistema integrato di energia (IES). I principali contenuti sono i seguenti: 1) Per i sistemi integrati di energia, esiste una complessa relazione di accoppiamento tra le varie forme di energia. Viene introdotto il concetto di Energy Hub. La valutazione dell’affidabilità di un IES è basato su un modello dell’Energy Hub che permette di analizzare l’impatto sull’affidabilità delle complesse interconnessioni tra i diversi sottosistemi di potenza. 2) Si descrive un metodo basato su Monte Carlo e Hardware In the Loop per la valutazione dell’affidabilità. In particolare, per la parte relativa ai guasti elettrici viene verificata la selettività degli interruttori mediante simulazione HIL che utilizza software LabView e prodotti hardware di National Instrument (NI). I risultati di tale verifica di selettività tra i dispositivi vengono quindi considerati per studiare l’influenza sull’affidabilità dei diversi schemi di configurazione dei dispositivi di protezione. 3) Il metodo di valutazione dell’affidabilità e il modello dell'IES sono applicati ad alcuni casi tipici. In particolare, vengono calcolati gli indici di affidabilità per un sistema integrato di energia in presenza o meno di selettività tra gli interruttori. Gli indici di affidabilità considerati includono la probabilità di perdita di carico (Loss Of Load Probability LOLP) e l’energia prevista non fornita (Expected Energy Not Supply EENS). I risultati dimostrano la validità del modello e del metodo proposti. In sintesi, sulla base delle caratteristiche dei sistemi integrati di energia IESs, la tesi presenta un dal modello e un algoritmo di valutazione dell’affidabilità e li applica all’analisi di diversi casi.