Power flow constraints in open-source energy system modelling : application to the Bolivian Transmission Network

Rigorous climate policies, energy security, and access to modern energy are at the heart of today’s governments’ agendas. The growing complexity and prominence that electrical systems are experiencing require modelling tools able to integrate diverse energy sources and vectors and perform long-term planning. Differently from traditional power flow analysis tools, multi-period energy system models rely on an oversimplified representation of power lines and do not generally integrate power flow constraints. This work aims at bridging this gap by developing a comprehensive methodology to enhance power flow distribution and improve the accuracy of transmission-related data in such models. The proposed methodology, albeit adaptable to other tools, is tailored to the open-source energy system framework Calliope and it is conceived to improve the tool endogenously, yet without editing the source code. Specifically, we singularly address each of the three main parameters through which Calliope models the power lines, namely, distance, capacity and efficiency. Firstly, we present a new method to overcome classical zoning techniques by exploiting hierarchical clustering and setting as inputs the electrical distances (proportional to impedances) instead of Euclidean ones. Secondly, we introduce a set of new practices to reduce the arbitrariness in power grid reduction operation and build a topology that intrinsically improves the distribution of power flows. Lastly, we suggest a recursive process to enhance the correctness of lines’ efficiency values while making them time- and line-specific. The methodology is implemented on the national transmission network of Bolivia and validated by comparing the outcomes of both the incumbent and the improved model with the ones computed by a Direct Current Power Flow analysis (DCPF) applied to equivalent grids. The results show, for five lines out of six, correct power flow values for at least two-thirds of the year. Simultaneously, no overall effect on the shares of energy sources for yearly electricity generation is revealed. This ultimately confirms the relevance of the proposed methodology, especially for the purposes of transmission network modelling.

Oggigiorno, gli ambiziosi obiettivi di neutralità climatica, il bisogno di una maggiore sicurezza energetica e il diritto di tutti gli abitanti del pianeta di accedere a fonti di energia moderna sono al centro della maggior parte delle agende governative. La crescente complessità e importanza dei sistemi elettrici richiede strumenti di modellizzazione in grado di integrare diverse fonti e vettori energetici ed eseguire pianificazioni a lungo termine. Diversamente dai tradizionali strumenti di power flow analysis, gli strumenti di modellizzazione energetica si basano su una rappresentazione altamente semplificata delle linee elettriche e, generalmente, non sono in grado di svolgere analisi di power flow. Il seguente lavoro mira a colmare questa lacuna sviluppando una metodologia completa per migliorare la distribuzione dei flussi di potenza e, al contempo, aumentare la correttezza dei dati utilizzati per modellizzare le linee elettriche. La metodologia proposta, sebbene adattabile ad altri strumenti open-source, è stata sviluppata sullo strumento di modellizzazione dei sistemi energetici Calliope ed è concepita per migliorarlo dall’interno, senza però modificarne il codice. Nello specifico, ciascuno dei tre parametri principali attraverso i quali Calliope modella le linee elettriche, ovvero distanza, capacità ed efficienza, è oggetto di migliorie. In primo luogo, presentiamo un nuovo metodo per superare le strategie di zonizzazione classiche sfruttando alcune tecniche di clustering gerarchico e impostando come input le distanze elettriche (proporzionali alle impedenze delle linee) invece delle distanze euclidee. In secondo luogo, introduciamo una serie di nuove pratiche per ridurre l'arbitrarietà dell’utente nell’operazione di riduzione della rete elettrica, per costruire una topologia che migliora intrinsecamente la distribuzione dei flussi di potenza. Infine, suggeriamo un processo iterativo per aumentare la correttezza dei valori di efficienza delle linee, rendendole specifiche nel tempo e per ogni linea. La metodologia è applicata sulla rete di trasmissione nazionale della Bolivia e validata confrontando i risultati sia del modello attuale che del modello migliorato con quelli calcolati da una analisi DCPF (Direct Current Power Flow) applicata a reti equivalenti. I risultati mostrano, per cinque linee su sei, dei valori dei flussi di potenza corretti per almeno due terzi dell’anno. Allo stesso tempo, non si nota alcun effetto complessivo sulle quote delle fonti energetiche utilizzate durante la produzione elettrica annuale. Ciò conferma, in conclusione, l’importanza della metodologia proposta, soprattutto ai fini della modellizzazione della rete di trasmissione.