Βελτιστοποίηση λειτουργίας και προγραμματισμού ανάπτυξης ενεργών δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

This PhD thesis focuses on the development of innovative methods for the optimal operation of active distribution networks (ADNs) under normal and emergency conditions, and for the optimal long-term planning of ADNs. A novel distribution network reconfiguration method is developed for the optimal operation of ADNs in normal conditions, i.e., when all network components are available. The method deals with the main technical problems arising in distribution networks (DNs) due to high penetration of renewable energy sources (RES), such as voltage rise and line congestion, without curtailing the active power output of distributed generation (DG) units. The proposed method is based on a mixed integer second order cone programming (MISOCP) optimization model and it is employed for the day-ahead scheduling of the ADN by defining the optimal network configuration, based on load and renewable generation forecast. For the operation of the network in emergency conditions, i.e, when a permanent fault occurs, a novel method for the optimal service restoration of ADNs with high penetration of RES is developed. The method is based on a MISOCP optimization model and aims at minimizing the out-of-service areas and the number of switch operations. The proposed service restoration method considers the capabilities of the active network management (ANM) by enabling the control of the reactive power output of the DG and highlights the importance of incorporating ANM into the solution of the service restoration problem. Moreover, for the efficient solution of the problem, the network’s operating constraints are relaxed and the operation of the network’s voltage regulation devices is considered.Furthermore, a novel multi-stage method for the long-term planning of ADNs is developed. The proposed method considers multiple planning alternatives, such as substation reinforcement, line reinforcement, installation of new lines, capacitor and voltage regulator placement, while it exploits the control capabilities of ADNs in order to minimize the investment costs of distribution network planning (DNP). The DNP problem is divided in two subproblems in order to reduce its complexity. The solution of the first subproblem computes the type, the location and the capacity of the planning alternatives, which ensure the safe operation of the network during the whole planning period. The solution of the second subproblem calculates the installation time of the calculated planning alternatives.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθόδων για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας ενεργών δικτύων διανομής (ΔΔ) τόσο σε κανονική κατάσταση όσο και σε έκτακτη κατάσταση, καθώς και για τον μακροπρόθεσμο προγραμματισμό ανάπτυξης ενεργών ΔΔ.Στη διδακτορική διατριβή αναπτύσσεται μία πρωτότυπη μέθοδος για τη λειτουργία ενεργών ΔΔ σε κανονική κατάσταση, δηλαδή όταν ο εξοπλισμός και όλα τα στοιχεία του ΔΔ είναι διαθέσιμα. Η μέθοδος βασίζεται στην επαναδιαμόρφωση του ΔΔ με στόχο την αντιμετώπιση των κύριων τεχνικών προβλημάτων που εμφανίζονται στα ΔΔ λόγω υψηλής διείσδυσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ), όπως η ανύψωση τάσης και η συμφόρηση των γραμμών διανομής, χωρίς να απαιτείται η περικοπή ενεργού ισχύος των μονάδων διανεμημένης παραγωγής (ΜΔΠ). Η προτεινόμενη μέθοδος βασίζεται σε μοντέλο βελτιστοποίησης μεικτού ακέραιου προγραμματισμού με κωνικούς περιορισμούς δεύτερης τάξης και εφαρμόζεται για τον ημερήσιο προγραμματισμό λειτουργίας του ΔΔ καθορίζοντας τη βέλτιστη διάταξη του ΔΔ, βάσει του προβλεπόμενου φορτίου και της προβλεπόμενης παραγωγής από ΜΔΠ.Επιπλέον, στη διδακτορική διατριβή αναπτύσσεται μία πρωτότυπη μέθοδος για τη λειτουργία ενεργών ΔΔ σε έκτακτη κατάσταση, δηλαδή σε περίπτωση που εμφανιστεί ένα μόνιμο σφάλμα στο ΔΔ. Η μέθοδος έχει ως στόχο τη βέλτιστη μερική αποκατάσταση λειτουργίας του ΔΔ, αξιοποιώντας τις δυνατότητες ελέγχου της αέργου ισχύος εξόδου των ΜΔΠ. Η μέθοδος βασίζεται σε μοντέλο βελτιστοποίησης μεικτού ακέραιου προγραμματισμού με κωνικούς περιορισμούς δεύτερης τάξης και έχει ως στόχο την ελαχιστοποίηση των μη τροφοδοτούμενων φορτίων και των χειρισμών των διακοπτών. Επιπλέον, για την αποτελεσματικότερη επίλυση του προβλήματος, οι περιορισμοί λειτουργίας μοντελοποιούνται με πιο ελαστική μορφή και λαμβάνεται υπόψη η λειτουργία των μέσων ρύθμισης της τάσης με τα οποία είναι εξοπλισμένα τα ΔΔ.Επιπλέον, αναπτύσσεται μία πρωτότυπη μέθοδος πολλαπλών σταδίων για τον μακροπρόθεσμο προγραμματισμό ανάπτυξης των ενεργών ΔΔ. Πρόκειται για μία μέθοδο που λαμβάνει υπόψη τις πολλαπλές επιλογές για την ενίσχυση και επέκταση του ΔΔ, όπως ενίσχυση υποσταθμών υψηλής τάσης / μέσης τάσης, ενίσχυση γραμμών, και εγκατάσταση νέων γραμμών, πυκνωτών και ρυθμιστών τάσης, ενώ ταυτόχρονα αξιοποιεί τις λειτουργικές δυνατότητες των ενεργών ΔΔ με στόχο τη μείωση του επενδυτικού κόστους του πλάνου προγραμματισμού ανάπτυξης του ΔΔ. Για την αποτελεσματική επίλυσή του, το πρόβλημα του μακροπρόθεσμου προγραμματισμού ανάπτυξης χωρίζεται σε δύο υποπροβλήματα. Από την επίλυση του πρώτου υποπροβλήματος καθορίζεται ο τύπος, η θέση και η ονομαστική ισχύς των στοιχείων και του εξοπλισμού του ΔΔ, τα οποία εξασφαλίζουν την ασφαλή λειτουργία του δικτύου κατά τη διάρκεια της περιόδου της μελέτης ανάπτυξης, ενώ από την επίλυση του δεύτερου υποπροβλήματος υπολογίζεται ο χρόνος εγκατάστασης αυτών των στοιχείων και του εξοπλισμού.