A complex-network approach to support transmission expansion planning

espanolUn aumento en la complejidad de las redes electricas conduce a la necesidad de modelos mas sofisticados para el analisis, operacion y control de estas. Este aumento en la sofisticacion de los modelos implica un incremento del coste computacional de los mismos. A pesar de los avances informaticos, las metodologias que tradicionalmente se han aplicado a los sistemas de energia electrica, como los analisis de flujo de carga, pueden tener tiempos de ejecucion muy elevados. Esto podria llegar a comprometer la utilidad de estos. Esta tesis propone la introduccion de tecnicas de redes complejas en los problemas relacionados con los sistemas de energia electrica. La introduccion de conceptos propios de la teoria de redes complejas permitiria desarrollar modelos que dieran soluciones aproximadas con un coste computacional reducido. Esta tesis se centra en la aplicacion de tecnicas redes complejas para la generacion de redes electricas sinteticas y para analizar la vulnerabilidad de la red electrica. Las redes electricas sinteticas son redes electricas no reales que tienen propiedades electricas y topologicas similares a las redes reales. Es decir, son redes ficticias pero cuya operacion y control es similar al de las redes reales. Esta tesis propone un nuevo modelo para la generacion de redes electricas sinteticas. Este nuevo modelo utiliza consideraciones economicas y electricas para generar redes sinteticas con una topologia similar al de las redes reales. El modelo es validado con la red de transporte electrico de Espana, Portugal y Francia. Ademas, la tesis introduce una nueva medida para el analisis de la vulnerabilidad de la red electrica. Esto es de especial interes en casos como los ataques deliberados. Una medida propia de redes complejas, la centralidad de intermediacion es completada con informacion electrica. Esto da como resultado una metrica hibrida, la Centralidad de la Linea Electrica, que mide el impacto del fallo de una linea en la red. Esta nueva medida permite mejorar los resultados obtenidos con las medidas propuestas anteriormente en la literatura, al tiempo que reduce el coste computacional. Esto es crucial de cara a la inclusion de la proteccion de la red electrica contra ataques deliberados en el problema de diseno de la red. Finalmente, el analisis de la topologia de la red electrica es un paso previo a la generacion de redes electricas sinteticas y a la evaluacion de la vulnerabilidad de la red electrica. En esta tesis se hace una descripcion pormenorizada sobre la estructura de la red electrica con las medidas tradicionalmente utilizadas en redes complejas. Ademas, se introduce un nuevo modelo que permite caracterizar la estructura de la red de forma sistematica y detallada, mejorando la descripcion y comparacion de redes complejas. Este nuevo modelo se utilizara para la validacion topologica de redes electricas sinteticas. EnglishAn increase in power-grid complexity leads to more sophisticated and computationally intensive models for grid analysis, operation, and control. Despite computer advances, traditional power-system methodologies such as power-flow analyses may result in computationally hard problems. This thesis proposes the introduction of complex-network techniques for the research into power systems, leading to new models that provide good approximations with lower computational requirements. The thesis focuses on the generation of synthetic power grids and power-network vulnerability analyses. Synthetic power grids are non-real power grids that are statistically similar to real power networks from a topological and electrical point of view. This work introduces a new algorithm to generate synthetic transmission power grids. The algorithm considers economic and technical factors in order to mimic the topology of real power networks. Results are tested on selected European transmission power networks. The thesis also introduces a new metric for the analysis of power-network vulnerability. This is of particular interest in cases such as deliberate attacks. Betweenness centrality, a network-topological metric, is endowed with electrical parameters. It results in a hybrid metric, the Electrical Line Centrality, that measures the impact of line failure on the network. This metric improves prior results while reducing computational times. This is crucial in order to include the protection against deliberate attacks in the network design problem. Finally, the analysis of power network topology is a necessary prior step in the generation of synthetic power grids and the assessment of power-network vulnerability. In this work, the power-network structure is characterized by global metrics traditionally used in complex-networks. Furthermore, a new framework is introduced to characterize network structure, enhancing network description, and classification. This framework will also allow for the topological validation of synthetic power grids.