Elektrik güç sistemlerinin dayanıklılığın artırılması için yeni bir optimizasyon tabanlı yaklaşımın geliştirilmesi
Development of a new resiliency-driven optimization-based algorithm for electrical power systems
Yazar: AYŞE KÜBRA ERENOĞLU
Danışman: PROF. DR. OZAN ERDİNÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Tesisleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Güç sistem operatörleri, son kullanıcılara elektrik enerjisini ulaştırırken belli hedeflere göre bunu gerçekleştirmektedir. Bu hedefler, makul seviyede güç kalitesinin sağlanmasının yanı sıra enerjinin ekonomik, sürdürülebilir ve verimli bir şekilde iletilmesine dayanmaktadır. Ancak son zamanlarda küresel ısınmayla birlikte düşük olasılıklı fakat yıkıcı etkileri olan doğal afetlerin yaşanma sıklığının artması, büyük çaplı elektriksel arızaların ve güç kesintilerinin oluşmasını arttıran temel faktördür. Hiç şüphesiz, kötü niyetli olan veya olmayan tehditler sistemdeki güvenlik açıklarını avantaja dönüştürerek önemli miktarda kayıplara neden olabilmektedir. Bundan dolayı, dayanıklılık konsepti birçok güç sistem aktörünün ilgisini çekmiş ve bu konu üzerine çalışmalar yoğunlaşmıştır.
Bu tez çalışması, ilgili konseptin tanımlamaları, güvenilirlik konseptiyle olan temel farkları, indisleri ve uygulama alanları üzerinde derin ve geniş çaplı bir literatür araştırmasını içermektedir. Ayrıca güç sistemindeki tehditlerin doğal afet ve siber saldırı başlıkları altında sınıflandırılarak karakter analizlerinin yapılması ile sistem işletimine olan etkilerinin incelenmesi hedeflenmiştir.
Bahsi geçen saldırıların etkilerini ve sonuçlarını minimize etmek amacıyla akıllı şebeke konsepti dâhilinde sunulan belli uygulamaların entegrasyonu sağlanmıştır. Bunlardan öncelikle, filo operatörü yönetimi altındaki elektrikli araçların araçtan şebekeye güç aktarım modunda çalışarak şebeke destekleyici hizmet sunmasının sistem performansı üzerine etkisi irdelenmiştir. Sismik bir olayın şiddetini ve etkilerini inceleyebilmek amacıyla Monte Carlo Simülasyon tekniği ile binler mertebesinde senaryolar üretilmiş ve kırılganlık eğrileri konsepti ışığında havai hatların hasarlanma olasılıkları tespit edilmiştir. Akabinde, potansiyel hasar noktalarının senaryo tabanlı stokastik model ile ele alınması sağlanmıştır. Elektrikli araçların mobilitesinden kaynaklı belirsizlikler öğrenme tabanlı tahmin algoritması ile bertaraf edilmiştir. Akabinde, dağıtım sistem operatörü, filo operatörü ve elektrikli araç kullanıcıları için arayüzler geliştirilerek teorik altyapının pratize edilmesinin yolu sunulmuştur. 
Bunun yanı sıra, çoklu mobil kaynaklardan mobil enerji depolama sistemi ve mobil acil durum generatörünün şebeke esneklik ve dayanıklılık kaynağı olarak modellenmesi sağlanmıştır. Çoklu mobil kaynakların yanı sıra, statik ancak etkili uygulamalardan dağıtık üretim birimi ile talep cevabı programının da acil durum servisi olarak değerlendirilmesini içeren yeni bir gerçek zamanlı optimizasyon tabanlı yaklaşım sunulmuştur. Restorasyon stratejisi geliştirilirken mobil kaynakların optimal yönlendirilmesini doğrudan etkileyebilecek ulaşım sistemindeki aksaklıkların da dikkate alınması amaçlanmıştır. Bu bağlamda, trafik koşullarının dinamik olarak gerçek zamanlı optimal konumlandırma stratejisinde göz önünde bulundurulması ve böylece sistem operatörünün daha etkin kararlar alması hedeflenmiştir. Geliştirilen modellerin doğruluğunu ortaya koyabilmek amacıyla literatürde yaygın olarak kullanılan test sistemlerinden faydalanılmış ve kapsamlı sonuçlar tartışılmıştır.

Abstract:
The electrical bulk grid is the backbone of the society which is one of the most critical, yet vulnerable, networks that have interconnected with other infrastructures including but not limited to a transmission system, communication, health, water distribution systems, and security. Power system operators should achieve several targets, i.e. meeting the electricity demand of end-users with reasonable power quality, efficiency, economically as well as sustainability. However, the frequency and severity of high impact low probability events have increased in today's world due mainly to global warming that can lead to trigger cascading failures and wide-area electrical disturbances in the system. Therefore, the concept of power system resiliency has attracted great interest from a broad spectrum of actors to create a resilient smart grid environment. In the scope of this thesis, the definitions of power system resiliency, distinct differences from reliability, and quantitive metrics from both operational and infrastructure aspects are presented with various studies to better understand this emerging concept. Also, the threats are categorized into two groups, i.e. natural disasters and cyber-threats, which are further divided into sub-groups to investigate their impact on power system equipment, particularly.
To mitigate and minimize the adverse impacts of such occasions, the integration of several applications is considered in the smart grid context. Initially, considering on-call electric vehicle service under the fleet operator framework is performed so that electric vehicles are capable of operating in vehicle-to-grid mode as grid-support services. The random character of the seismic event is captured by generating numerous hazard scenarios using a probabilistic approach with the Monte Carlo Simulation technique. After, the unavailability of overhead distribution branches is determined within the fragility curve concept. The obtained data are processed as input parameters in the scenario-based stochastic model. Besides, the uncertainties caused by electric vehicle mobility are mitigated by performing learning-based analyses for forecasting the location and amount of electric vehicles in the related zone. Besides, the conceptually developed interfaces for all stakeholders in the proposed scheme are described in detail for bridging the gap between the theoretical background of the concept and practical real-world implementation.
Moreover, mobile power sources including mobile energy storage system and mobile emergency generator are considered as grid-support services in resiliency enhancement strategy mainly due to their spatiotemporal flexibility. Distributed energy resources consisting of stationary distributed generation and demand response program are integrated into the emergency tools and their roles from the resiliency-boosting points of view are investigated in the developed real-time-based strategy. Real-time traffic congestion information is dynamically adopted to the scheme as an input for performing more realistic concept considering the interdependent operation of coupled distribution-transportation systems. Numerical simulations are performed on commonly-used test feeders in the literature for comprehensively illustrating the capabilities of the models.