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High-Level Programming Methods for the Simulation of Power System Transients

Alireza Masoom

Ph.D. thesis (2021)

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Abstract

Modelica is an object-oriented and equation-based language. The advent of high-level languages and their intrinsic features created a new paradigm for modeling and simulation to focus on the equations instead of solutions. Consequently, there is a motivation for employing a modeling environment where the solvers can be selective, and equations representing the model are expressed declaratively and in high-level formalism. Modelica is fully compatible with FMI, a standard widely used for dynamic model exchange and co-simulation via FMU, a combination of XML files, binaries, and C code. Classical electromagnetic transient (EMT) simulation tools, i.e., EMTP®, are often written in traditional imperative languages, i.e., FORTRAN or C, which is well suited for numeric computations with a closed architecture, whose model and solver are tightly integrated. Although this approach yields a good performance, there are limitations in power electronic and control system modeling. Besides, many code lines are necessary to satisfy requirements from low-level data management. Efforts have also been made to develop an EMT-type simulator using the higher-level MATLAB language in an open-source-code approach. Although this approach elevates the abstraction level, the models must be programmed using given numerical methods. Modelica as a standardized language for modeling physical systems has previously been considered to unify the electric power models in the phasor domain study of electrical grids in the iTesla project. The tendency to use Modelica is increasingly growing in power system modeling and standardization of models. Moreover, the language leads to having a consistent model exchange among EMT-type simulation tools. The main contribution of this proposal is to develop a Modelica-based EMT-detailed library. The library includes advanced linear and nonlinear models such as transmission lines, synchronous generators (including magnetic saturation), static loads, controllers, arc models, surge arresters, etc. The models are constructed according to the EMTP® models and validated with the software one by one. The library is used in DynaꞶo, which is a Modelica/C++ hybrid environment. DynaꞶo helps to benefit from the advantages of both languages and skirting the existing problems of Modelica in time-domain simulation.

Résumé

Modelica est un langage orienté objet conçu pour la modélisation des systèmes cyber-physiques à partir de systèmes d'équations. Le langage permet le développement de bibliothèques de composants facilement composables et réutilisables. Modelica s'appuie sur une représentation standard qui permet une compréhension commune et précise de modèle. Modelica est entièrement compatible avec l'interface de maquette fonctionnelle (FMI). L'FMI est une norme industrielle qui permet de combiner les modules de code de simulation (FMU) provenant de n'importe quel outil de modélisation. La norme a été largement utilisé pour l'échange de modèles et la cosimulation. La tendance à utiliser Modelica se développe de plus en plus dans la modélisation des systèmes électriques et la normalisation des modèles. Par exemple, il a déjà été utilisé pour unifier les modèles des réseaux électriques dans domaine de phaseur dans le cadre du projet iTesla. Les outils classiques de modélisation en régime transitoires électromagnétiques (EMT), par exemple EMTP®, sont souvent écrits dans des langages impératifs, FORTRAN ou C, ce qui est bien adapté aux calculs numériques avec une architecture fermée, dont le modèle et le solveur sont intégrés. Des tentatives ont également été faites pour développer un outil de modélisation en régime transitoire en utilisant le langage de haut niveau MATLAB. Bien que cette approche élève le niveau d'abstraction, il reste que la modélisation se focalise sur les méthodes numériques. La principale contribution de ce travail est de construire une librairie EMT basée sur Modelica (soi-disant MSEMT) y compris les modèles avancés de machine synchrone, la ligne de transport (les modèles WB et CP), les charges statiques, les modèles non linéaire (l'arc, le parafoudre), etc. D'autre part, la librairie s'utilise dans DynaꞶo (l'environnement hybride Modelica/C++). DynaꞶo est un outil développé par RTE, pour la simulation des phénomènes transitoires. Il permet de bénéficier des avantages de ces deux langages et de contourner les problèmes existants de Modelica en simulation. Préliminairement, les lignes de transport ont été modélisée dans Modelica ; ensuite, le circuit de IEEE 13-bus, y compris des lignes non transposées et des charges déséquilibrées, a été utilisée pour la validation. Ensuite, les réseaux d'IEEE 118-bus et d'IEEE 39-bus sont utilisés pour vérifier les résultats et comparer les performances de simulation.

Department: Department of Electrical Engineering
Program: Génie électrique
Academic/Research Directors: Jean Mahseredjian, Adrien Guironnet and Tarek Ould-Bachir
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/9924/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 21 Apr 2022 11:11
Last Modified: 21 Apr 2023 10:15
Cite in APA 7: Masoom, A. (2021). High-Level Programming Methods for the Simulation of Power System Transients [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/9924/

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