Εξοικονόμηση ενέργειας στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας αναπτύσσοντας προηγμένα ενιαία μοντέλα εκτίμησης κόστους κατασκευής και λειτουργίας μετασχηματιστών

Abstract

The present PhD thesis deals with transformer design optimization, optimal transformer sizing as well as transformer economic evaluation problems. The aforementioned problems constitute thorny issues, implicating several complexities. For instance, the transformer design optimization problem represents a sophisticated mixed integer non-linear programming problem, which must be dealt, not only by adapting efficient optimization methods but also by embedding proper models able to compute the required transformer technical parameters, combining computational speed as well as accuracy. Furthermore, the transformer sizing problem, namely the selection of the appropriate transformer rated power as well as the determination of the time (years) when the transformer is installed on a network by an electric utility, comprises a complex combinational optimization problem, subject mainly to the constraints imposed by the characteristics of the load to be served as well as the transformer thermal durability constraints. Moreover, transformer economic evaluation constitutes a complicate problem, mainly due to the uncertainty of plenty and important parameters which concern the specific evaluation study. Transformer winding material selection comprises a subproblem of the main transformer design optimization problem. In the present PhD thesis, a novel hybrid artificial intelligence method/numerical method is proposed for the transformer winding material selection, able to automatically select the transformer winding material (namely, copper or aluminum), which consists a significant parameter in the manufacturing cost optimization process, thus reducing the necessity to perform the design optimization twice with copper or aluminum windings. In addition, hybrid mixed integer non-linear programming in conjuction with finite element technique methodologies are developed for the solution of the transformer design optimization problem. The major predominant points of the proposed method are: i) extension of the solution space through proper definition of the variation of crucial design variables, such as the conductors’ cross-section, ensuring global optimum transformer designs, ii) incorporation of numerical field computation in order to validate the feasibility of the optimum designs. One of the most widely used technique for the economic evaluation of transformers is the Total Owning Cost method (TOC), according to the international standard C57.120 of the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). The purchasing transformer cost as well as the transformer loss cost is taken into consideration by TOC method over the transformer lifetime. In the frames of the PhD thesis, the extension of the IEEE C57.120 international standard is proposed, through the insertion of proper environmental cost in the TOC method. Regarding the optimal transformer sizing (OTS) problem, a stochastic optimization method, based on the elitist ant system (EAS) method is developed. The results of the proposed method demonstrate the benefits of its application to the OTS problem, during network distribution planning, due to its ability to properly evaluate and compare all potential transformer sizing strategies, while remaining at a low computational cost. Last but not least, a Transformer Design Optimization (TDO) software package is implemented based on the optimization methods developed in the present thesis, providing a user-friendly and interactive transformer design and visualization environment.

Η διδακτορική διατριβή ασχολείται με τα προβλήματα της βέλτιστης σχεδίασης των μετασχηματιστών, της διαστασιολόγησης και της οικονομικής τους αξιολόγησης. Η επίλυση των παραπάνω προβλημάτων εμπεριέχει σημαντικές δυσκολίες. Για παράδειγμα, το πρόβλημα της βέλτιστης σχεδίασης μετασχηματιστών είναι ένα σύνθετο πρόβλημα μη γραμμικού μικτού ακέραιου προγραμματισμού, για την επιτυχή επίλυση του οποίου εκτός από την υιοθέτηση αποτελεσματικής μεθόδου βελτιστοποίησης απαιτείται και η ενσωμάτωση μοντέλων για τον υπολογισμό των τεχνικών χαρακτηριστικών του μετασχηματιστή τα οποία θα πρέπει να συνδυάζουν υπολογιστική ταχύτητα και ακρίβεια. Επίσης, η διαστασιολόγηση των μετασχηματιστών, δηλαδή η επιλογή από μία ηλεκτρική εταιρία των ονομαστικών μεγεθών των μετασχηματιστών καθώς και των χρονικών στιγμών (ετών) που θα εγκατασταθούν στο δίκτυο, είναι ένα σύνθετο πρόβλημα συνδυαστικής βελτιστοποίησης με κύριους περιορισμούς την εξυπηρέτηση του φορτίου και τη θερμική αντοχή των μετασχηματιστών. Ακόμη, η οικονομική αξιολόγηση των μετασχημτιστών είναι ένα σύνθετο πρόβλημα κυρίως εξαιτίας της αβεβαιότητας στις τιμές πολλών και σημαντικών παραμέτρων που εμπλέκονται σε αυτή. Η επιλογή του υλικού κατασκευής των τυλιγμάτων των μετασχηματιστών αποτελεί υποπρόβλημα του προβλήματος της βέλτιστης σχεδίασης μετασχηματιστών. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής προτείνεται καινοτομική υβριδική τεχνική τεχνητής νοημοσύνης-αριθμητικής μεθόδου για την επιλογή του υλικού κατασκευής των τυλιγμάτων των μετασχηματιστών. Το σημαντικό πλεονέκτημα της προτεινόμενης μεθόδου είναι ότι ο χρόνος βελτιστοποίησης της σχεδίασης μειώνεται στο μισό καθώς αποφεύγεται η ανάγκη του κατασκευαστή να εξετάσει για κάθε σχεδίαση μετασχηματιστή ποιο υλικό για την κατασκευή των τυλιγμάτων είναι το οικονομικότερο, ο χαλκός ή το αλουμίνιο. Επίσης, προτείνεται μεθοδολογία μικτού ακέραιου προγραμματισμού σε συνδυασμό με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων για τη βέλτιστη σχεδίαση των μετασχηματισμών. Τα βασικά σημεία υπεροχής της μεθόδου συνίσταται: i) στην επέκταση του χώρου των πιθανών λύσεων μέσω κατάλληλου προσδιορισμού του τρόπου μεταβολής καίριων μεταβλητών σχεδίασης, όπως η διατομή των αγωγών, εξασφαλίζοντας ολικά βέλτιστες σχεδιάσεις, ii) στην ενσωμάτωση αριθμητικών τεχνικών για την επιβεβαίωση της βέλτιστης σχεδίασης. Μια από τις δημοφιλέστερες μεθοδολογίες οικονομικής αξιολόγησης των μετασχηματιστών είναι η μέθοδος του συνολικού κόστους κατοχής, σύμφωνα με το διεθνές πρότυπο C57.120 του Ινστιτούτου των ηλεκτρολόγων και ηλεκτρονικών μηχανικών (ΙΕΕΕ). Στο συνολικό κόστος κατοχής συνυπολογίζονται το κόστος αγοράς καθώς και το κόστος των απωλειών του μετασχηματιστή σε όλη τη διάρκεια ζωής του. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής προτείνεται η επέκταση του διεθνούς προτύπου C57.120 του IEEE, εισάγοντας το περιβαλλοντικό κόστος στη μέθοδο του συνολικού κόστους κατοχής. Για τη διαστασιολόγηση των μετασχηματισμών, η διδακτορική διατριβή προτείνει μία μέθοδο που βασίζεται στη βελτιστοποίηση της αποικίας μυρμηγκιών. Τα αποτελέσματα από την εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου καταδεικνύουν την καταλληλότητά της για την επίλυση του προβλήματος της επιλογής των μεγεθών των μετασχηματιστών, κατά τον προγραμματισμό των δικτύων διανομής, λόγω της δυνατότητας της μεθόδου να αξιολογήσει σωστά και με μικρό υπολογιστικό κόστος το πλήθος των πιθανών στρατηγικών διαστασιολόγησης των μετασχηματιστών σε ένα δίκτυο. Τέλος, αναπτύσσεται ένα πλήρες λογισμικό σχεδίασης και απεικόνιση μετασχηματιστών, εφαρμόζοντας τις μεθοδολογίες βελτιστοποίησης που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της διατριβής.