Elektrik enerji sistemlerinde güvenli işletim koşullarının elde edilmesine yönelik akıllı yöntem geliştirilmesi
An intelligent method development for secure operation of electrical energy systems
Yazar: ERSEN AKDENİZ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektrik enerji sistemleri = Electrical energy systems

Özet:
Geniş alanda etkili olan elektrik enerjisi kesintilerinin en temel sebeplerinden birisi kritik kısıtlılıklardan kaynaklanan zincirleme açmalardır. Ancak, kritik kısıtlılıkların analizi olağan sistemsel arızaları ile hatalı manevra, olumsuz hava koşulları ve kasıtlı saldırı nedeniyle oluşan öngörülemeyen arızalar gibi çeşitli unsurları içerdiği için oldukça karmaşık bir süreçtir. Literatürde yer alan çeşitli analiz yaklaşımlarında söz konusu problem genellikle tek bir boyutuyla ele alınmıştır. Bu tez çalışması kapsamında, işletmesel ve işletmesel-olmayan unsurlardan kaynaklanan indisler elektrik sisteminin zafiyet (güvenlik açığı) analizi için tanımlanarak oluşması muhtemel zincirleme açma sonrası oluşacak kısıtların öngörülmesine yönelik yeni bir yaklaşım getirilmiştir. Temel olarak, elektrik sistemine ait elektriksel parametrelerden oluşan işletmesel performans indisi, kasıtlı saldırı ve kötü hava koşulu indisleri örnek test sistemleri üzerinde ayrı ayrı tanımlanmış olup, sonrasında bulanık çıkarım sistemi kullanılarak bütünleşik bir toplam zafiyet indisi tanımlaması yapılmıştır.  Geliştirilen yöntem MATPOWER veri tabanında yer alan IEEE test ağları üzerinde uygulanabilecek şekilde geliştirilmiş olup, örnek test ağları için analiz ve değerlendirme çalışmaları yapılmıştır. Problemin numerik analizine ilişkin olarak her bir kısıtın neden olacağı etkiyi belirlemek için test ağları veri seti üzerinde çevresel etmenlerin (olumsuz hava ve kasıtlı saldırı) değerlendirilmesine yönelik etki katsayısı tanımlamaları yapılmıştır. Buna göre sistemi oluşturan hat ve bara gibi elemanların işletmesel, olumsuz hava koşullarında ve kasıtlı saldırılardan etkilenme sıralamaları yapılmıştır. Ayrıca, yapılan analiz çalışmaların daha sistematik bir şekilde gerçeklenebilmesi ve analiz sonuçlarının görselliğinin artırılması için MATLAB tabanlı Zafiyet Analiz Programı (MATVAP) geliştirilmiş olup, programın kullanıcı arayüzü detayları tezin ekler bölümünde sunulmuştur.
İletim sistemi işletmecileri artan tehdit unsurlarına karşı acil durum manevra planlarını güncelleyerek uygulamak noktasına gelebilmektedirler. Olumsuz etkileri asgari seviyeye indirgeyecek etkin bir karşı savunma planın oluşturulabilmesi için sistemin potansiyel zafiyet oluşturulabilecek noktalarının önceden tespit edilerek, bu bilgiler ışığında savunma planlarının hazırlanması gerekmektedir. Tez çalışmasının devamında, iletim sistemi işletmecilerinin acil durum manevra planlarına katkı sağlamak amacıyla sistemde yer alan kritik noktaların tespiti ve kısıt sonrası olumsuz etkilerin azaltılmasına yönelik karşı tedbir (manevra) işlemlerini belirleyerek oluşması muhtemel teknik ve ekonomik sorunları asgari seviyeye indirgeyecek bir bilgi tabanlı karar destek algoritması geliştirilmiştir. Söz konusu problemin çözümüne yönelik olarak genetik algoritma temelli zafiyet tabanlı kısıtlılık koşullu yük akışı algoritması ile sistemin kısıt sonrası durmunu değerlendiren karar ağacı bazlı karar destek metodolojisi geliştirilmiştir. Bu sayede sistemde oluşan ilk kısıt sonrası, kısıt tipine göre müdahale planları gözden geçirilmekte ve sistemin savunma planı en az olumsuz etkiye neden olacak şekilde muhtemel ikincil kısıtlar uyarınca revize edilmektedir. Kısıt sonrası sistemde oluşacak yan etkiler; üretim artışı/azaltması ve/veya yük atma gibi kısa dönem kontrol müdahaleleri ile mevcut sistem kısıtları içerisinde kalacak şekilde çözümlenmeye çalışılmaktadır. Ancak, üretim tüketim dengesi sistem geneli için hiçbir şekilde sağlanamadığı durumlar için kısmi ada çalışma durumuna geçilebilmektedir. Yapılan çalışmanın en önemli katkılarından birisi de durağan durum için geliştirilen bir yük akışı analiz yönteminin karar ağaçları ile birlikte kullanılarak sistemin kararlılığı gibi dinamik bir olayı kestirmek için kullanılmasıdır. Geliştirilen yöntemin doğrulaması örnek bir ardışıl açma senaryosu ile EMTP programı üzerinde IEEE-39 test ağı benzetim modeli kurularak yapılmıştır. İlave olarak, sistemin güvenli moda geçmesi öncesinde maliyet analiz yapılarak söz konusu işletmesel değişikliğin yapılıp yapılmayacağı konusu ekonomik kıstaslar uyarınca değerlendirilmiştir. Geliştirilen yöntemin pratik uygulama olanağı bulması sonrasında özellikle iletim sistemi operatörlerinin acil durum manevra planlarını test etmeleri için faydalı bir araç olabileceği değerlendirilmektedir.

Abstract:
One of the main reasons for wide area blackouts is cascading failures due to critical contingencies. However, the analysis of critical constraints is a complex process as it includes a variety of elements, such as the usual system failures and unforeseen failures due to misoperations, adverse weather conditions, and deliberate attacks. In many analysis approaches existing in the literature, the aforementioned problem has generally been dealt with in a single dimension. Within the scope of this thesis, a new approach has been introduced to predict the constraints that may occur after the cascading failures, by defining the indices arising from the operational and non-operational factors for the vulnerability analysis of the electrical system. Basically, the operational performance, intentional attack and adverse weather indices, which consist of the electrical parameters of the electrical system, were defined separately on the sample test systems, and then an integrated total vulnerability indices definition was defined using the fuzzy inference system. The proposed method has been developed to be applied on the IEEE test networks available in the MATPOWER database, and analysis and evaluation studies have been carried out for the sample test networks. In order to determine the effect of each constraint regarding the numerical analysis of the problem, impact coefficient definitions were made for the evaluation of environmental factors (ie, adverse weather and deliberate attack) on the test network. Accordingly, the operational, adverse weather conditions and intentional attacks vulnerability rankings are made. In addition, the MATLAB-based Vulnerability Analysis Program (MATVAP) user interface has been developed in order to perform the analysis studies more systematically and to increase the visualization of the analysis results where the details of the developed interface are presented in the appendix section of the thesis. 
Transmission system operators are in need of updating and implementing emergency maneuver plans against increasing threats. In order to create an effective counter-defense plan that will minimize the negative effects, the potential weaknesses in the system should be determined in advance and defense plans should be prepared in the light of this information. In the continuation of the thesis, a knowledge-based decision support algorithm has been developed in order to contribute to the emergency maneuver plans of the transmission system operators. By determining the countermeasures (maneuver) actions for the relevant contingencies, the possible technical and economic impacts are aimed to be minimized. In order to solve this problem, a decision tree-based decision support methodology that evaluates the post-contingency state of the system with the vulnerability-based optimal load flow algorithm has been developed. In this way, after the first contingency occurs in the system, the response plans are reviewed according to the contingency type, and the defense plan of the system is revised in accordance with the possible secondary contingencies in a way that will cause the least negative impact. The side effects due to the critical contingency are tried to be resolved with short-term control interventions such as generator production increase/decrease and load shedding, while remaining within the existing system operational constraints. However, in cases where the production-consumption balance cannot be achieved in any way for the system, partial islanded operation can be implemented. One of the most important contributions of the study is a load flow analysis method developed for the steady state, using decision trees to predict a dynamic event such as the stability of the system. The validation of the developed method was made by setting up an IEEE-39 test network simulation model on the EMTP program with a sample sequential failure scenario. In addition, before the system is transferred to a more secure state, a cost analysis has been made and the issue of whether the said operational change will be made has been evaluated in accordance with economic criteria. It is considered that the developed method can be a useful tool especially for transmission system operators to test their emergency maneuver plans after it finds practical application.