Elektrik şebekelerinde dağıtık üretim tabanlı genişleme tasarımı için yeni modeller
New models for design of distributed generation based expansion in electric networks
Yazar: AYŞENUR YURTSEVER
Danışman: PROF. DR. BERNA DENGİZ
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Endüstri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering
Dizin: Dağıtık üretim = Distributed production ; Dağıtım şebekeleri = Distribution networks ; Elektrik dağıtım sistemleri = Electric distribution systems ; Güvenilirlik = Reliability

Özet:
Teknolojik gelişmeler, dünya nüfusunun artması ve elektrifikasyon çalışmalarına bağlı olarak elektrik enerjisine olan talep artmaktadır. Artan talebin kesintisiz bir şekilde karşılanması elektrik dağıtımından sorumlu kurumların karşılaştığı temel zorluklardan biridir. Bu zorlukla başa çıkabilmek için mevcut şebekenin uygun yatırım planıyla düzenli olarak genişletilmesi ve kapasitesinin artırılması gerekir. Burada en uygun yatırım planının bulunması stratejik bir tasarım problemi olarak karşımıza çıkmaktadır. Tasarlanan dağıtım şebekelerinin artan talebi karşılamasının yanı sıra güvenilir, maliyet etkin ve temiz enerji kullanan şebekeler olması da beklenmektedir. Bu amaçlara ulaşabilmek için şebekenin dağıtık üretim (DÜ) yapısında planlanması son yıllarda ön plana çıkmaktadır. DÜ, güneş, rüzgâr türbinleri, hidroelektrik santraller, jeotermal enerji ve kombine ısı ve güç sistemleri gibi, kullanılacağı yerde veya yakınında elektrik üreten bir sistemi tanımlar.  
Bu tez çalışması kapsamında, dağıtık üretim içeren elektrik dağıtım şebekesi genişleme problemi (DŞGP_DÜ) ele alınmıştır. DŞGP_DÜ, temelde mevcut şebekenin güçlendirilmesini ya da hat, trafo merkezi, dağıtık üretim kaynağı gibi yeni şebeke bileşenlerinin eklenmesini içerir. Elektrik dağıtım şebekelerinde genellikle radyal yapılar kullanılmaktadır. Çok kullanılan bir şebeke türüdür ve şekli bir ağacın dallarına benzediği için bu tür şebekeye dallı şebeke de denilmektedir.  
Bu çalışmada, DŞGP_DÜ probleminin çok dönemli genişleme planını yapmak üzere aşağıda tanımlı ilgili alanlar için üç adet model önerilmiştir: i) Yatırım, bakım, üretim ve emisyon maliyetlerinden oluşan toplam maliyetin en küçüklendiği en iyi şebeke tasarımı için karma-tamsayılı yeni bir matematiksel model önerilmiştir.  Modelde radyal yapıyı oluşturacak gerekli kısıt yayılan ağaç alt tur eleme kısıtlarına dayalı olarak geliştirilmiştir.  Deneysel hesaplama analizi sonucunda alan yazındaki mevcut kısıt yapısı yerine bu tezde önerilen radyallik kısıtlarını içeren yeni modelin ilgili problemin çözüm zamanını azalttığı gösterilmiştir. ii) Bu modelin bir uzantısı olarak tüketicilerin kullandığı elektriğin yenilenebilir kaynaklardan üretildiğini garanti eden, yenilenebilir enerji kaynak garanti (YEK-G) sistemini dikkate alan DŞGP_DÜ için yeni bir matematiksel model geliştirilmiştir. Bu model ile yenilenebilir enerji kullanmak isteyen müşterilerin taleplerini karşılamayı garanti eden en uygun genişleme planının yapılması amaçlanmaktadır. iii) Son olarak, radyal şebekelerin güvenilirliği düşük olduğundan tasarlanan şebekenin güvenilirliğine odaklanılmıştır.  Elektrik dağıtım şebekelerinde güvenilirlik, müşteriye kesintisiz hizmet verebilme yeteneği olarak tanımlanmakta olup sürdürülebilir hizmetin sağlanması için önemlidir. Kesinti maliyetleri ve kesintinin etkisi düşünüldüğünde, tüketici özelinde, farklı güvenilirlik düzeylerinin dikkate alınması gerekmektedir. Örneğin hastanelerin bulunduğu bir bölgeye hizmet veren trafonun güvenilirliğinin sadece yerleşim bölgesine hizmet veren bir trafoya göre daha yüksek olması beklenmektedir. Bu nedenle bu tezde önerilen üçüncü model, her bir tüketicinin gereksinimiyle bağlantılı bir güvenilirlik düzeyinde hizmet almasını garanti etmektedir. Dolayısıyla dağıtık üretimi ve güvenilirliği dikkate alan, şebeke genişleme problemi için doğrusal olmayan karma tamsayılı matematiksel bir model geliştirilmiştir. Önerilen matematiksel modeller 14 düğümlü örnek bir test şebekesi için uygulanmış ve elde edilen şebeke genişleme tasarımı üç dönem için verilmiştir. Ayrıca, modellerin hesaplamalı analiz sonuçları 9, 14, 24, 30 ve 40 düğümlü test problemleri üzerinde gösterilmiştir. Geliştirilen modeller ile makul sürelerde en iyi sonuca ulaşıldığı görülmüştür.  Bu tez kapsamında geliştirilen matematiksel modeller ile yenilenebilir enerji kaynaklarının entegrasyonunu dikkate alan en iyi dağıtım şebekesi genişleme tasarımının oluşturulması amaçlanmıştır.

Abstract:
The demand for electrical energy is increasing due to technological developments, the increase in the world population, and electrification studies. Meeting the increasing demand without interruption is one of the main challenges faced by institutions responsible for electricity distribution. In order to cope with this challenge, it is necessary to regularly expand the current network with an appropriate investment plan and increase its capacity. Finding the most appropriate investment plan is a strategic design problem. The designed distribution networks are expected to be reliable, cost-effective, and clean energy-using networks in addition to meeting the increasing demand. In order to achieve these goals, planning the network in a distributed generation (DG) structure has become common in recent years. DG refers to a system that generates electricity at or near the place it will be used such as solar panels, wind turbines, hydroelectric power plants, geothermal energy, and combined heat and power systems. 
Within the scope of this thesis study, the expansion problem of electric distribution network containing distributed generation (DNEP_DG) is addressed. DNEP_DG basically involves strengthening the current network or adding new network components such as line, substation, and distributed generation source. Radial structures are often used in electric distribution networks. It is a widely used type of network, and it is also called a branched network since its shape resembles the branches of a tree. 
In this study, three models were proposed for the related fields defined below to make a multi-period expansion plan of the DNEP_DG problem: i) A new mixed-integer mathematical model was proposed for the best network design in which the total cost consisting of investment, maintenance, production, and emission costs is minimized. The necessary constraint that would form the radial structure in the model was developed based on the spanning tree subtour elimination constraints. As a result of the experimental calculation analysis, it was shown that the new model containing the radiality constraints proposed in this thesis instead of the existing constraint structure in the literature shortened the solution time of the related problem. ii) A new mathematical model was developed for DNEP_DG as an extension of this model, which considers the renewable energy source guarantee system (RES-G) and guarantees that the electricity used by consumers is generated from renewable sources. It was aimed to make the most appropriate expansion plan with this model that guarantees to meet the demands of customers who want to use renewable energy. iii) Lastly, the reliability of the designed network was focused on since the reliability of radial networks was low. Reliability in electric distribution networks is defined as the ability to provide uninterrupted service to the customer and is important for ensuring sustainable service. Considering the costs and impact of interruption, it is necessary to consider different levels of reliability for the consumer. For example, the reliability of a substation serving an area where hospitals are located is expected to be higher than that of a substation serving only a residential area. Therefore, the third model proposed in this thesis guarantees that each consumer receives services at a level of reliability in accordance with their needs. Therefore, a nonlinear mixed integer mathematical model that considers distributed generation and reliability was developed for the network expansion problem. The proposed mathematical models were applied for a sample 14-node test network, and the resulting network expansion design was given for three periods. In addition, the results of the computational analysis of the models were shown on 9, 14, 24, 30 and 40 node test problems. It was seen that the best result was achieved in reasonable times with the developed models. With the mathematical models developed within the scope of this thesis, it was aimed to create the best distribution network expansion design that considers the integration of renewable energy sources.