Πιθανοτική ανάλυση της αξιοπιστίας και ασφάλειας λειτουργίας των απομονωμένων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας
Authors: Θαλασσινάκης Εμμανουήλ 
Published: August 2021

Η παρούσα Διατριβή έχει ως αντικείμενο την πιθανοτική ανάλυση της αξιοπιστίας και ασφάλειας λειτουργίας των απομονωμένων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας τα οποία είναι περισσότερο ευάλωτα λόγω του μικρού αριθμού των μονάδων παραγωγής και της έλλειψης στήριξης από γειτονικά συστήματα. Οι βασικοί μοχλοί μέσω των οποίων επιτυγχάνεται η αύξηση της ασφάλειας κατά την λειτουργία των συστημάτων είναι η αυτόματη αποκοπή φορτίου μέσω των ηλεκτρονόμων υποσυχνότητας και η τήρηση ικανής στρεφόμενης εφεδρείας, ταχείας απόκρισης. Καταρχάς, παρουσιάζεται το γνωστό μοντέλο δυναμικής απόκρισης της συχνότητας σε διαταραχές ισχύος που προέρχονται από ξαφνική απώλεια είτε παραγωγής είτε φορτίου. Το μοντέλο αυτό επιλύεται με αριθμητική μέθοδο η οποία επεκτείνεται προσομοιώνοντας, επίσης, την λειτουργία της προστασίας αποκοπής φορτίου. Επί της καμπύλης απόκρισης συχνότητας ορίζονται ορισμένα βασικά μεγέθη όπως είναι, οι χαρακτηριστικές τιμές της συχνότητας (κατώτατη, ανώτατη και εναπομένουσα) καθώς επίσης, οι κρίσιμοι χρόνοι για την μονάδα και για το σύστημα. Με στόχο τη ποσοτικοποίηση του επιπέδου ασφάλειας του συστήματος, ορίζονται πιθανοτικοί δείκτες επί των βασικών μεγεθών απόκρισης συχνότητας (ασφάλειας), όπως η αναμενόμενη κατώτατη συχνότητα μετά από απώλεια παραγωγής, ο αναμενόμενος κρίσιμος χρόνος για τους στροβίλους κλπ. Επειδή η αύξηση του επιπέδου ασφάλειας μέσω της προστασίας αποκοπής φορτίου έχει ως συνέπεια την μείωση της αξιοπιστίας τροφοδότησης των πελατών, ορίζονται παράλληλα πιθανοτικοί δείκτες αποκοπής φορτίου (αξιοπιστίας), όπως η αναμενόμενη διάρκεια διακοπών πελατών, η αναμενόμενη ετήσια μη διαθέσιμη ενέργεια λόγω λειτουργίας της εν λόγω προστασίας κλπ. Αναπτύσσεται αριθμητική μέθοδος προσομοίωσης της λειτουργίας απομονωμένου συστήματος με χρησιμοποίηση της ακολουθιακής μεθόδου Monte-Carlo. Παράγονται τυχαίοι χρόνοι βλαβών και επισκευών των μονάδων και προσομοιώνεται η ανά ώρα κατανομή φορτίου, η πρωτεύουσα ρύθμιση των μονάδων σε γεγονότα βλαβών, η λειτουργία της προστασίας αποκοπής φορτίου, η δευτερεύουσα ρύθμιση και η αξιοποίηση της στρεφόμενης εφεδρείας. Με βάση την προσομοίωση αυτή και λαμβάνοντας ικανό αριθμό ετών λειτουργίας του συστήματος, γίνεται εφικτός ο υπολογισμός των προηγούμενων πιθανοτικών δεικτών. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατόν να ελεγχθεί και να επιλεγεί τυχαία στρατηγική αποκοπής φορτίου εφόσον εξασφαλίζει αποδεκτούς πιθανοτικούς δείκτες. Στη συνέχεια, διατυπώνονται και αναλύονται δύο αντίστροφα προβλήματα τα οποία βρίσκονται εγγύτερα στη πράξη. Δηλαδή, με δεδομένους, επιθυμητούς δείκτες που αφορούν είτε στην ασφάλεια λειτουργίας είτε στην αξιοπιστία τροφοδότησης των πελατών, ζητείται να προσδιοριστεί η κατάλληλη στρατηγική αποκοπής φορτίου η οποία ικανοποιεί τους δείκτες αυτούς. Αναπτύσσεται γεννήτρια προτύπων μέσω της οποίας δημιουργούνται διανύσματα τυχαίων στρατηγικών και για κάθε μια από αυτές επιστρατεύεται η αναπτυχθείσα μέθοδος Monte-Carlo και παράγονται τα αντίστοιχα διανύσματα δεικτών. Έκαστη στρατηγική μαζί με τα αντίστοιχα διανύσματα δεικτών συγκροτεί ένα πρότυπο. Τα πρότυπα αυτά χρησιμεύουν για την εκπαίδευση δύο πολυ-επίπεδων, τεχνητών νευρωνικών δικτύων με ψηφιακές εξόδους. Κάθε νευρωνικό δίκτυο έχει ως είσοδο είτε τους δείκτες ασφάλειας λειτουργίας είτε τους δείκτες αξιοπιστίας τροφοδότησης πελατών και ως έξοδο ψηφιακές κλάσεις που αντιστοιχούν σε καθορισμένες, γνωστές στρατηγικές. Τέλος, εξετάζεται η συμβολή της υπερφόρτισης, βραχείας διάρκειας, των μονάδων παραγωγής επί της ασφάλειας του συστήματος. Προτείνεται βελτιωμένο μοντέλο ρυθμιστή στροφών το οποίο επιτρέπει την βραχύχρονη υπερφόρτωση της μονάδας, σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα. Αναπτύσσεται αριθμητική μέθοδος για την βέλτιστη κατανομή της στρεφόμενης εφεδρείας. Αποδεικνύεται ότι, μέρος μόνο της στρεφόμενης εφεδρείας ταχείας απόκρισης, όπως αυτή υπολογίζεται από το μοντέλο της ισοδύναμης μονάδας, στην πραγματικότητα υφίσταται. Εν κατακλείδι, γίνεται στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων και αποκαλύπτεται ότι, η συσχέτιση της στρεφόμενης εφεδρείας με τα κριτήρια ασφάλειας είναι της τάξης του 70% και άρα, κάθε αύξηση της στρεφόμενης εφεδρείας δεν συνεπάγεται αναγκαστικά και αύξηση της ασφάλειας λειτουργίας.