Creating a Power Flow Simulation for the Power Grid of a Swiss City

Abstract

Työn aiheena oli luoda tehonjaon simulaatio sveitsiläisen kaupungin sähköverkolle. Työssä oletetaan, että öljylämmityksestä luovutaan tulevaisuudessa kokonaan ja maakaasun poltosta lämmityksessä otetaan vähintäänkin enemmän hyötyä irti yhdistämällä lämmöntuotannon prosessiin myös sähkön tuotanto. Sveitsin energiasuunnitelma tähtää hiilineutraaliuuteen vuoteen 2050 mennessä, ja suunnitelmaan kuuluu uusiutuvan energiantuotannon, mukaan lukien aurinkopaneeleiden, osuuden kasvu Sveitsin energian tuotannossa.

Tämän vuoksi haluttiin luoda koodi, jolla voi tarkastella sekä verkon nykytilannetta että kolmea erilaista tulevaisuuden skenaariota. Tulevaisuuden skenaarioista jokaisessa lisätään aurinkopaneeleja, alueita yhdistetään kaukolämpöverkkoon paikallisten suunnitelmien mukaan ja öljylämmitys vaihdetaan lämpöpumpuiksi. Yhdessä skenaariossa lisäksi kaasulämmittimet vaihdetaan lämpöpumpuiksi ja toisessa CHP-yksiköiksi.

Työ toteutettiin käyttäen Python-ohjelmointikielelle soveltuvaa pandapower-kirjastoa Jupyter Notebook -alustalla. Työ alkoi tietojen esikäsittelyllä ja eteni verkon mallinnukseen sekä lopulta simulaation luomiseen.

Lopputuloksena saatiin koodi, jolla voidaan simuloida Yverdon-les-Bainsin sähköverkkoa. Simulaation tulokset ovat kuitenkin vain likimääräisiä arvioita, joita käsitellään tarkemmin erillisessä julkaisussa. Koodia voidaan käyttää myös muiden sähköverkkojen simulointiin, mutta koodissa on vielä paljon parantamisen varaa, jotta tulokset olisivat realistisempia ja luotettavampia. Simulaatio tarjoaa kuitenkin hyvän pohjan sähköverkon karkeaan analysointiin.

In this work it was assumed, that oil heating will be phased out completely in the future and that natural gas combustion for heating will at least be more beneficial by integrating electricity production into the heat generation process. Also, the Swiss energy plan aims at carbon neutrality by 2050 and includes an increase in renewable energy production, including photovoltaic (PV) production in Swiss energy production.

Therefore, the aim was to create a code that could be used to view both the current state of the grid and three different future scenarios. In each of the future scenarios, solar panels are added, areas are connected to the district heating network according to local plans and oil boilers are replaced by heat pumps. In one scenario, gas boilers were also replaced by heat pumps and in another by co-generation (CHP) units.

The work was implemented using the pandapower library for Python programming language on the Jupyter Notebook platform. The work started with data pre-processing, progressed to network modelling and finally to creation of the simulations.

The result is a code that can be used to simulate the power grid of Yverdon-les-Bains. Results of the simulations are only an approximate estimate and are discussed in more detail in a separate paper. The code can also be used to simulate other electrical networks, but the code still has a lot of room for improvement to make the results more realistic and reliable. However, the simulation provides a good basis for rough analysis of the electricity network.