Implementation of load flow analysis in distribution network planning tool for isolated microgrids

One of the sustainable development goals addresses the target of universal access to affordable, reliable and modern energy services. Still, especially in rural areas, there are almost one billion people in the world without access to energy. In particular, lack of electricity hinders socioeconomic development in fields like health, education, technology, agriculture, industry, transportation, communication, etc. Considering this, rural electrification has gained importance in countries with low access rates as well as within the industrial and academic arena. In this framework, and specifically to perform rural electrification planning studies, CESI SpA has developed the tool RETEP (Rural Electrification Techno-Economic Planning). As part of RETEP, RETEP Network is dedicated to plan the distribution network topology in order to contribute to minimise the total cost of investment for isolated mini/microgrids. The scope of this thesis is to develop, implement and validate the capability to perform Load Flow analyses within RETEP Network. The aim is to introduce an additional key capability of performing the technical analysis (i.e. load flow analysis) to support the overall techno-economic analysis considered by RETEP through a more realistic pre-design of the distribution network. The process starts with gathering required load information about the rural area. These loads are considered as low voltage (LV) loads and clustered by RETEP Network tool with the aim of creating a medium voltage (MV) distribution network to be analysed by receiving required MV/LV substation number information as an input. Once MV/LV substations are placed in the grid according to centroid outcomes of clustering analysis, Kruskal algorithm is run for forming the radial network with minimum total length (Kruskal algorithm was already implemented as the basic element of RETEP Network). Then, load flow analysis is performed for electrical parameters calculation and technical analyses of the grid. The Newton-Raphson iteration method is used as the load flow analysis method. All required electrical parameters are displayed as the outcome of this analysis, which makes a way to calculate important technical parameters like voltage drop on lines, line loading and total power loss. Additionally, the tool considers the geographical structure of the rural area and changes the distribution network structure in case of the existence of restrictions like rivers, lakes, roads, etc. The microgrid can be divided in smaller microgrids when needed and all technical parameters are displayed for each microgrid. For testing the performance of the tool, a village in Ethiopia with 141 LV loads were selected as the case study. As a result of different scenarios simulated, it is noticed that improvements made on RETEP Network tool have brought abilities to display optimum placement for MV/ LV substations, optimum placement for the generator, the grid’s obeying or not obeying technical specified limits and total system power loss. To conclude, with economic and technical parameters obtained from RETEP Network tool, pre-feasibility of the rural electrification project is further refined by extending the classical approaches which are based only on techno-economic energy simulation with power system analyses.

Uno degli obiettivi dello sviluppo sostenibile riguarda l'accesso universale a servizi energetici convenienti, affidabili e moderni. Ancora, soprattutto nelle zone rurali, ci sono quasi un miliardo di persone nel mondo senza accesso all'energia elettrica. In particolare, la mancanza di elettricità ostacola lo sviluppo socioeconomico in settori come la salute, l'istruzione, la tecnologia, l'agricoltura, l'industria, i trasporti, la comunicazione, ecc. Alla luce di ciò, l'elettrificazione rurale ha acquisito sempre più importanza in paesi con bassi tassi di accesso, nonché in ambito industriale e accademico. In questo contesto, e in particolare per eseguire studi di pianificazione dell'elettrificazione rurale, CESI SpA ha sviluppato lo strumento RETEP (Pianificazione Tecnico-Economica dell'Elettrificazione Rurale). Nell'ambito di RETEP, la RETEP Network è dedicata alla pianificazione della topologia della rete di distribuzione al fine di contribuire alla minimizzazione del costo totale dell'investimento per mini/micro-reti elettriche isolate. Lo scopo di questa tesi è quello di sviluppare, implementare e validare la capacità di eseguire analisi del flusso di carico all'interno della RETEP Network. L'obiettivo è quello di introdurre una capacità chiave aggiuntiva in grado di eseguire analisi tecniche (ovvero analisi del flusso di carico) per supportare l'analisi tecnico-economica complessiva considerata da RETEP attraverso una pre-progettazione più realistica della rete di distribuzione. Il processo inizia con la raccolta delle informazioni di carico richieste nell'area rurale. Questi carichi sono considerati come carichi a bassa tensione (BT) e raggruppati dalla RETEP Network allo scopo di creare una rete di distribuzione a media tensione (MT) da analizzare ricevendo come input le informazioni sul numero di sottostazioni MT / BT richieste. Una volta che le sottostazioni MT / BT vengono posizionate nella griglia in base ai centroidi risultanti dall'analisi del clustering, viene eseguito l'algoritmo Kruskal per formare la rete radiale con lunghezza totale minima (l'algoritmo Kruskal era già implementato come elemento base della RETEP Network). Successivamente viene eseguita l'analisi del flusso di carico per il calcolo dei parametri elettrici e per le analisi tecniche della rete. Il metodo iterativo di Newton-Raphson viene utilizzato come metodo di analisi del flusso di carico. Tutti i parametri elettrici richiesti vengono visualizzati come risultato di questa analisi, che consente di calcolare importanti parametri tecnici come la caduta di tensione sulle linee, il carico di linea e la perdita di potenza totale. Inoltre, lo strumento tiene conto della conformazione geografica dell'area rurale e cambia la struttura della rete di distribuzione in presenza di restrizioni come fiumi, laghi, strade ecc. La micro-rete elettrica può essere divisa in micro-reti più piccole quando necessario e tutti i parametri tecnici vengono visualizzati per ciascuna micro-rete. Per testare le prestazioni dello strumento, come caso di studio è stato selezionato un villaggio in Etiopia con 141 carichi BT. Come risultato di diversi scenari simulati, si è notato che i miglioramenti apportati allo strumento RETEP Network hanno consentito di visualizzare il posizionamento ottimale sia delle sottostazioni MT / BT che del generatore, il rispetto o meno da parte della rete dei limiti tecnici specificati e la perdita di potenza totale del sistema. Per concludere, con i parametri economici e tecnici ottenuti dalla RETEP Network, la pre-fattibilità del progetto di elettrificazione rurale viene ulteriormente perfezionata estendendo gli approcci classici, che si basano solo sulla simulazione energetica tecno-economica, con le analisi del sistema di alimentazione.