Master's Thesis

HIL simulation of power plant control with coordinated active and reactive power regulation

Final Thesis 6.64 MB Appendix 17.47 kB

Author of thesis: Bc. Lukáš Podmela

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. et Ing. Stanislav Lang, Ph.D.

Reviewer: Ing. Petr Hadraba, Ph.D.

Abstract:

This thesis presents the design, implementation, and verification of a Power Management System (PMS) for an industrial electrical network using the ABB 800xA distributed control system with Process Power Manager (PPM) libraries. The PMS application encompasses coordinated active and reactive power control, blackout prevention via priority-based Fast Load Shedding, load management, generator control, and synchronization. For verification, a Hardware-in-the-Loop (HIL) simulation environment was developed, connecting an ABB AC800M controller with a dynamic network model in DIgSILENT PowerFactory through the Mosaik co-simulation framework. The system was validated across five scenarios, including island operation, generator trips, and topology reconfigurations. All scenarios confirmed the correct behavior of the control algorithms, demonstrating the viability of the HIL approach for the development and pre-commissioning testing of industrial power management systems.

Keywords:

Power Management System, ABB 800xA, Process Power Manager, Hardware-in-the-Loop, co-simulation, PowerFactory, Mosaik, power regulation, load shedding, synchronization

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student obeznámil komisi s výsledky své DP. Po přečtení posudků následovaly dotazy oponenta (viz posudek oponenta) a komise: Dotaz na napěťovou hladinu 110kV. Proč zrovna tato hladina. HIL simulace (práce se signály). Řešení vstupů. Použití jazykového modelu ke korektuře (AI). Student reagoval na všechny dotazy uspokojivě. Komise zhodnotila DP jako zajímavou. Jedinou výtkou byla formální úprava DP a využití AI.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Applied Computer Science and Control (N-AIŘ-P)

Composition of Committee

doc. Ing. Oldřich Trenz, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Jakub Kůdela, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Škrabánek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. David Fojtík, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jiří Jaroš, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miloš Hammer, CSc. (člen)

Diplomová práce se věnuje problematice řízení elektrické distribuční sítě zahrnující konvenční i obnovitelné zdroje energie a řízení spotřebitelských segmentů podle stanovených priorit. Modelová topologie sítě je víceúrovňová a odpovídá reálné části distribuční soustavy. Pro ověření navržených řídicích algoritmů byla využita metoda Hardware‑in‑the‑Loop, která umožnila experimentální validaci v podmínkách blízkých reálnému provozu.

Student přistupoval k řešení úkolu s vysokou mírou profesionality, zodpovědnosti a samostatnosti. Výrazně rozšířil své znalosti v oblasti energetických systémů, která je pro obor zásadní, avšak v rámci výuky je pokryta pouze částečně. Úspěšně realizoval HIL simulaci, implementoval řídicí algoritmy do systému ABB DCS a provedl jejich ověření.

Za nejvýznamnější praktický přínos práce považuji vytvoření orchestrátoru HIL simulace a implementaci OPC DA adaptéru pro simulační prostředí. Student dále doplnil systém o uživatelské grafické rozhraní. Jeho odborná praxe se pozitivně promítla do kvality výsledného řešení. Práce byla zpracovávána průběžně a student pravidelně konzultoval své výsledky. Výsledné dílo představuje velmi kvalitní inženýrskou práci a jednoznačně dokládá studentovu schopnost řešit komplexní technické úlohy.

Práci hodnotím jako vynikající.

Práce vznikla ve spolupráci se společností ABB, která poskytla veškeré potřebné softwarové i hardwarové prostředky a odborné know‑how. Praktická část byla vedena a konzultována pracovníky firmy ABB z oddělení energetiky. Odbornými konzultanty byli pánové Kseňak a Frgál; níže uvádím hodnocení pana Frgála, cituji:

„Student ve své práci prokázal velmi dobrou úroveň odborných znalostí v oblasti řízení elektrizačních soustav, regulace činného a jalového výkonu a použití metod Hardware‑in‑the‑Loop (HIL). Při řešení práce správně aplikoval teoretické poznatky z oblasti regulace frekvence a napětí, modelování elektrických sítí a dynamiky synchronních generátorů. Návrh simulační architektury a volba vhodných nástrojů odpovídají současné průmyslové i výzkumné praxi. Student rovněž prokázal schopnost realizovat funkční simulační model a provádět jeho oživování, nastavování a experimentální ověřování chování regulačních algoritmů v různých provozních stavech, včetně poruchových situací. Pracovní úsilí studenta lze hodnotit velmi kladně. Student práci věnoval dostatečné množství času a postupoval systematicky a cílevědomě. Jednotlivé kroky řešení na sebe logicky navazují a je patrné, že student problému dobře porozuměl. K řešení přistupoval svědomitě, zodpovědně a s odpovídající mírou technické pečlivosti, což se pozitivně odrazilo v kvalitě výsledků i v celkovém zpracování práce. Z hlediska samostatnosti a iniciativy student prokázal schopnost pracovat převážně samostatně. Konzultace s vedoucím práce využíval účelně, zejména k upřesnění odborných detailů a ke korekci navržených postupů. Většinu koncepčních i implementačních rozhodnutí byl schopen učinit samostatně a aktivně vyhledával potřebné informace v odborné literatuře a materiálech. Za zvláštní potíže, se kterými se student v průběhu řešení setkal, lze považovat zejména vyšší složitost problematiky řídicí aplikace, nutnost sladění simulačního a řídicího prostředí, časovou synchronizaci a stabilitu celého systému. Student se s těmito problémy dokázal vyrovnat vhodnou volbou koncepce a postupnou optimalizací řešení, což svědčí o jeho technickém uvažování a schopnosti řešit komplexní úlohy. Práce je po obsahové i technické stránce zpracována na velmi dobré úrovni a splnila stanovené cíle. Výsledky práce jsou využitelné jak pro studijní, tak i pro výzkumné účely a mohou sloužit jako základ pro další rozšíření či navazující projekty.“
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Petr Hadraba, Ph.D.

Obsáhlá diplomová práce pana Podmely ukazuje značné množství odvedené práce na návrhu a realizaci HIL řešení pro ověřování řízení elektrické sítě. Student prokázal schopnost propojit simulační model elektrické sítě s reálným řídicím systémem, implementovat řídicí logiku a doplnit řešení o uživatelské rozhraní. Z technického hlediska se jedná o náročnou integrační úlohu, která vyžadovala orientaci v oblasti elektrických sítí, průmyslových řídicích systémů, komunikace mezi subsystémy a simulačních nástrojů.

Tuto rozsáhlou a technicky hodnotnou práci však snižuje kvalita výsledného textového zpracování. Text je místy obtížně čitelný, často přechází do několika úrovní bodových výčtů s různým číslováním a některé informace jsou podány příliš heslovitě. To ztěžuje pochopení návazností mezi jednotlivými částmi řešení a oslabuje celkovou koncepčnost výkladu. Také některá schémata by zasloužila lepší grafické zpracování, protože jejich čitelnost není vždy dostatečná.

Další rezervy vidím ve formálních náležitostech práce. Jde zejména o nejednotnou práci s citacemi, kolísající formátování textu, proměnlivý způsob zápisu jednotek a další dílčí formální nedostatky. Tyto chyby nesnižují samotný technický rozsah realizovaného řešení, ale negativně ovlivňují srozumitelnost a odbornou úroveň prezentace dosažených výsledků.

Celkově práci hodnotím jako technicky velmi rozsáhlou a prakticky přínosnou, avšak s výraznějšími rezervami ve formálním, stylistickém a prezentačním zpracování. Studentovi bych do budoucna doporučil věnovat větší pozornost nejen samotné realizaci technického řešení, ale také jeho jasné, souvislé a jednotné prezentaci, protože schopnost srozumitelně popsat a obhájit technické výsledky je v inženýrské praxi velmi důležitá.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací C
Topics for thesis defence:
  1. Jaké konkrétní signály byly v HIL smyčce předávány mezi modelem v PowerFactory a řídicím systémem ABB 800xA a jak jste řešil jejich časovou synchronizaci?
  2. Jaké parametry generátorů, regulátorů buzení a regulátorů otáček by bylo nutné identifikovat pro použití HIL simulace na reálné průmyslové síti a jak byste ověřil správnost jejich nastavení?
  3. Jaký scénář z ověření práce podle Vás nejlépe demonstruje přínos propojení reálného ABB kontroléru s dynamickým modelem v PowerFactory a co by na něm nebylo možné stejně dobře ověřit čistě softwarovou simulací?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová