Enhancing smart grid resilience and reliability by using and combining simulation and optimization methods

Abstract

Modern electrical grids include numerous digital technologies for producing, transmitting, distributing, and supplying electricity. The electrical grids that achieve the most reliable, efficient, and less environmental impact operation using the above technologies combined with renewable energy sources are characterized as smart grids.The study of electricity networks aims at the continuous and uninterrupted production, transmission, and distribution of electricity under the safest operating conditions. Therefore, an electrical grid is designed and studied in a multifaceted way to highlight the weaknesses and reduce possible disturbances.One of the most critical disturbances that can occur in energy grids is overload.Overloads on an electrical system are dangerous, as they can cause overheating or an electric arc. Cables in an electrical grid have a maximum ampacity, i.e., current capacity, that can safely flow. If an excessive number of devices, such as electric vehicles, are connected to a circuit, the electrical current will overheat the cables.If the cable insulation melts, an electric arc can be generated and cause a fire in the overheating area, even inside a wall.In order to avoid overloads, fuses are installed in the circuits. If the current exceeds a specific value, the fuse is activated, drops, and opens the circuit, thus interrupting electricity flow.However, even if they are below the safety limits, sustained overloads could also damage the wires.Smart grid operators could change the state of each grid's fuse or could remotely curtail the over-producing/over-consuming users so that, with the minimum interruption, any potential overload could be prevented.Nevertheless, making the most appropriate decisions is a complicated decision-making task, mainly due to contractual and technical obligations.The present dissertation studies the overloading prevention problem in terms of smart grids' reliability and resilience and evaluates real-world topology in a Luxembourg city district.To this end, it suggests solution methods that can suggest optimal countermeasures to operators facing potential overloading incidents.Specifically, the dissertation has three main axes:The first axis regards the deterministic overloading prevention problem. Given the topology and the energy data of a microgrid at the current time, the potential overloading incidents are detected, and the optimal countermeasures are calculated for the next measurement interval. The grid operators can apply the proposed actions to recover the grid from the disturbance. Into the thesis, the problem is defined and formulated as a Multiobjective Mixed Integer Quadratically Constrained Program. The dissertation also suggests a solution method using a combinatorial optimization approach with a state-of-the-art exact solver.The second axis focuses on reliability analysis through simulation after a potential overloading incident. Smart grid operators would be of great use to ensure stability after a potential overload for a planning horizon, as the future electrical values are unknown. To evaluate the robustness of the topology reconfiguration after a disturbance, like an overload, reliability analysis through simulation is employed.The third axis proposes the single-stage stochastic overloading prevention problem. It differs from the deterministic problem as the optimal countermeasures are calculated for a measurement horizon, e.g., 24 h. The dissertation defines the corresponding single-stage stochastic program and proposes a simheuristic method to solve it.Overall, this thesis presents a fully-edge study on reliability optimization for smart grids to provide the appropriate countermeasures after a potential overloading disturbance. The present approach has been developed in collaboration with an industrial partner and evaluated on real-world topology.

Τα σύγχρονα ηλεκτρικά δίκτυα περιλαμβάνουν πολυάριθμες ψηφιακές τεχνολογίες για την παραγωγή, τη μετάδοση, τη διανομή και την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας. Ως έξυπνα δίκτυα χαρακτηρίζονται τα ηλεκτρικά δίκτυα που επιτυγχάνουν την πιο αξιόπιστη, αποδοτική και λιγότερο περιβαλλοντική λειτουργία χρησιμοποιώντας τις παραπάνω τεχνολογίες σε συνδυασμό με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.Η μελέτη των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας στοχεύει στη συνεχή και αδιάλειπτη παραγωγή, μεταφορά και διανομή ηλεκτρικής ενέργειας υπό τις ασφαλέστερες συνθήκες λειτουργίας. Ως εκ τούτου, ένα ηλεκτρικό δίκτυο σχεδιάζεται και μελετάται με πολύπλευρο τρόπο για την ανάδειξη των αδυναμιών και τη μείωση πιθανών διαταραχών.Μία από τις πιο κρίσιμες διαταραχές που μπορεί να προκύψουν στα ενεργειακά δίκτυα είναι η υπερφόρτωση.Οι υπερφορτώσεις σε ένα ηλεκτρικό σύστημα είναι επικίνδυνες, καθώς μπορεί να προκαλέσουν υπερθέρμανση ή ηλεκτρικό τόξο. Τα καλώδια σε ένα ηλεκτρικό δίκτυο έχουν μία μέγιστη επιτρεπόμενη ένταση ρεύματος, δηλαδή τη χωρητικότητα ρεύματος, που μπορεί να ρέει με ασφάλεια. Εάν ένας υπερβολικός αριθμός συσκευών, όπως ηλεκτρικά οχήματα, συνδεθεί σε ένα κύκλωμα, το ηλεκτρικό ρεύμα θα υπερθερμάνει τα καλώδια.Εάν η μόνωση του καλωδίου λιώσει, μπορεί να δημιουργηθεί ηλεκτρικό τόξο και να προκληθεί πυρκαγιά στην περιοχή υπερθέρμανσης, ακόμη και μέσα σε τοίχο.Για την αποφυγή υπερφόρτωσης, τοποθετούνται ασφάλειες στα κυκλώματα. Εάν το ρεύμα υπερβεί μια συγκεκριμένη τιμή, η ασφάλεια ενεργοποιείται, πέφτει και ανοίγει το κύκλωμα, διακόπτοντας έτσι τη ροή του ηλεκτρισμού.Ωστόσο, ακόμη και αν είναι κάτω από τα όρια ασφαλείας, οι παρατεταμένες υπερφορτώσεις θα μπορούσαν επίσης να βλάψουν τα καλώδια.Οι χειριστές των έξυπνων δικτύων θα μπορούσαν να αλλάξουν την κατάσταση της ασφάλειας κάθε δικτύου ή θα μπορούσαν να περιορίσουν εξ αποστάσεως τους χρήστες που υπερπαράγουν ή υπερκαταναλώνουν, έτσι ώστε, με την ελάχιστη δυνατή διακοπή, να αποτραπεί οποιαδήποτε πιθανή υπερφόρτωση.Ωστόσο, η λήψη των πλέον κατάλληλων αποφάσεων είναι μια περίπλοκη διαδικασία λήψης αποφάσεων, κυρίως λόγω συμβατικών και τεχνικών υποχρεώσεων.Η παρούσα διατριβή μελετά το πρόβλημα πρόληψης υπερφόρτωσης όσον αφορά την αξιοπιστία και την ανθεκτικότητα των έξυπνων δικτύων και αξιολογεί την πραγματική τοπολογία ηλεκτρικού δικτύου σε μια περιοχή της πόλης του Λουξεμβούργου.Για το σκοπό αυτό, προτείνει μεθόδους επίλυσης που μπορούν να προτείνουν βέλτιστα αντίμετρα σε χειριστές του δικτύου που, πιθανώς, μπορεί να αντιμετωπίσουν περιστατικά υπερφόρτωσης.Συγκεκριμένα, η διατριβή έχει τρεις βασικούς άξονες:Ο πρώτος άξονας αφορά το ντετερμινιστικό πρόβλημα πρόληψης υπερφόρτωσης. Δεδομένης της τοπολογίας και των ενεργειακών δεδομένων ενός μικροδικτύου την τρέχουσα στιγμή, ανιχνεύονται τα πιθανά συμβάντα υπερφόρτωσης και υπολογίζονται τα βέλτιστα αντίμετρα για το επόμενο διάστημα μέτρησης. Οι φορείς εκμετάλλευσης του δικτύου μπορούν να εφαρμόσουν τις προτεινόμενες ενέργειες για να ανακτήσουν το δίκτυο από τη διαταραχή. Στη διατριβή, το πρόβλημα ορίζεται και διατυπώνεται ως Πολυστοχικό Μικτό Ακέραιο Τετραγωνικά Περιορισμένο Πρόγραμμα. Η διατριβή προτείνει επίσης μια μέθοδο λύσης που χρησιμοποιεί μια προσέγγιση συνδυαστικής βελτιστοποίησης με έναν ακριβή λύτη τελευταίας τεχνολογίας.Ο δεύτερος άξονας εστιάζει στην ανάλυση αξιοπιστίας μέσω προσομοίωσης μετά από ενδεχόμενο συμβάν υπερφόρτωσης, κάτι που θα διευκόλυνε τους χειριστές των έξυπνων δικτύων καθώς διασφαλίζεται η σταθερότητα μετά από μια πιθανή υπερφόρτωση για έναν χρονικό ορίζοντα, καθώς οι μελλοντικές ηλεκτρικές τιμές είναι άγνωστες. Για την αξιολόγηση της ευρωστίας της αναδιαμόρφωσης της τοπολογίας μετά από μια διαταραχή, όπως μια υπερφόρτωση, χρησιμοποιείται ανάλυση αξιοπιστίας μέσω προσομοίωσης.Ο τρίτος άξονας προτείνει το πρόβλημα πρόληψης στοχαστικής υπερφόρτωσης ενός σταδίου. Διαφέρει από το ντετερμινιστικό πρόβλημα καθώς τα βέλτιστα αντίμετρα υπολογίζονται για έναν ορίζοντα μέτρησης, π.χ. 24 ώρες. Η διπλωματική εργασία ορίζει το αντίστοιχο στοχαστικό πρόγραμμα ενός σταδίου και προτείνει μια μέθοδο επίλυσης ευριστικής προσομοίωσης.Συνολικά, αυτή η διατριβή παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη μελέτη σχετικά με τη βελτιστοποίηση αξιοπιστίας για έξυπνα δίκτυα για την παροχή των κατάλληλων αντίμετρων μετά από μια πιθανή διαταραχή υπερφόρτωσης. Η παρούσα προσέγγιση αναπτύχθηκε σε συνεργασία με έναν βιομηχανικό εταίρο και αξιολογήθηκε σε πραγματική τοπολογία.