Enhancing smart grid resilience and reliability by using and combining simulation and optimization methods
Authors: Αντωνιάδης Νικόλαος 
Published: April 2022

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.