SUPERVISOR
Mohamadamin Latifi,Gholamreza Yousefi
محمدامین لطیفی (استاد راهنما) غلامرضا یوسفی (استاد مشاور)
STUDENT
Ali Khaleghizadeh
علی خالقی زاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Boosting distribution network resilience to natural disasters using robust planning
As the last link in the electrical energy supply chain, distribution systems are in direct contact with consumers. Therefore, distribution system planners and operators have always paid attention to maintaining functionality while facing different events and various conditions. In regular studies, distribution system planners and operators only study credible events with known and limited consequences; and low-probability events, even with serious consequences, are not considered in these studies. In recent years, a growing rate of low-probability high-impact events, specifically extreme weather events such as tornados, hurricanes, and floods, has raised concerns over the functionality of distribution systems in confrontation with these events. Resiliency studies that tend to deal with low-probability high-impact events are used to ensure the proper functioning of distribution systems while facing these events. Therefore, a new set of distribution system planning and operation models are demanded. This research focuses on the planning of the power distribution system, intending to boost its resilience against extreme weather events. Tornado is chosen as the extreme weather event in this research, and it is assumed that distribution system poles would be damaged and go out of service while a tornado occurs. The proposed model is a static planning model for the target year, and it is assumed that the tornado will only occur once a year on average in the target year. The planning problem is modeled based on the robust approach and through a tri-level optimization problem. The first-level problem deals with construction decisions, including the hardening of distribution poles and placement of emergency distributed generation systems and electrical energy storages. The objective of the first level problem is to minimize the load shedding cost in the distribution system. The second-level problem determines the worst-case outage of distribution system sections, and its objective function is to maximize the load shedding cost. The third-level problem is dedicated to model the distribution system operation. Operation actions divide into preventive actions (prior to the tornado) and corrective actions (during the tornado). Corrective actions consist of re-dispatching the energy sources in the distribution system and charging of energy storages, while corrective actions consist of load shedding in addition to those mentioned before. Similar to the first-level problem, the objective is to minimize the load shedding cost in the third level of the problem. The resulting tri-level optimization model is solved in an iterative manner using the column-and-constraint generation algorithm implemented in GAMS software. The proposed model is then implemented on the standard 33-bus distribution test system for different case studies, each representing different scenarios that distribution system planners and operators may face in the procedure of improving distribution system resilience. Numerical results analysis proves the capability of the proposed model in boosting the resilience of the distribution system against low probability high impact events. Resilience, Distribution system planning, Robust optimization
سیستم توزیع انرژی الکتریکی بهعنوان آخرین حلقه در زنجیره تأمین انرژی الکتریکی، در ارتباط مستقیم با مصرفکنندگان قرار دارد. بنابراین حفظ عملکرد آن در مواجهه با شرایط مختلف و رخدادهای گوناگون، همواره موردتوجه برنامهریزان و بهرهبرداران سیستم توزیع قرار داشتهاست. در روشهای معمول، برنامهریزان و بهرهبرداران سیستم توزیع به مطالعه رخدادهایی با احتمال وقوع قابلتوجه و عواقب محدود و مشخص میپردازند؛ و معمولاً در این مطالعات، رخدادها با احتمال وقوع اندک، هرچند همراه با عواقب شدید و جدی را مورد مطالعه قرار نمیدهند. در سالهای اخیر، افزایش نرخ وقوع این رخدادها بهویژه حوادث شدید آبوهوایی مانند گردباد، طوفان و سیل، نگرانیها در مورد عملکرد سیستم توزیع در مواجهه با چنین رخدادهایی را افزایش دادهاست. بهویژه که چنین رخدادهایی سیستم توزیع را بهصورت گسترده تحت تأثیر قرار میدهند. حفظ عملکرد سیستم توزیع در سطح مطلوب در مواجهه با این رخدادها، ذیل مطالعات تابآوری که بهطور ویژه به بررسی اثرات ناشی از رخدادهایی با احتمال وقوع اندک و عواقب شدید میپردازد، محقق میشود. این مطالعات، توسعه طیفی جدید از مدلهای برنامهریزی و بهرهبرداری سیستم توزیع را ایجاب میکند. این پژوهش به برنامهریزی سیستم توزیع انرژی الکتریکی باهدف ارتقای تابآوری سیستم در برابر حوادث شدید آبوهوایی میپردازد. حادثه شدید آبوهوایی موردمطالعه در این پژوهش گردباد است، که وقوع آن در سیستم توزیع باعث آسیبدیدن تیرکهای سکشنهای سیستم توزیع و خروج این سکشنها از مدار میشود. مدل پیشنهادی، مدل برنامهریزی ایستا برای سال هدف است که فرض شدهاست گردباد در طول دوره برنامهریزی بهصورت متوسط در یک روز از سال حادث میشود. مسأله برنامهریزی مدنظر بر اساس برنامهریزی مقاوم و بهصورت مسأله بهینهسازی سهسطحی مدل میشود. مسأله سطح اول به مجموعه اقدامات احداث، شامل تقویت سکشنهای سیستم توزیع و مکانیابی منابع تولید پراکنده اضطراری و ذخیرهسازها میپردازد. تابع هدف مسأله سطح اول، حداقلسازی هزینه قطع بار در سیستم توزیع است. مسأله سطح دوم به تعیین بدترین خروجهای سکشنهای سیستم توزیع اختصاص دارد و تابع هدف مسأله سطح دوم، حداکثرسازی هزینه قطع بار در سیستم توزیع است. مسأله سطح سوم نیز به مجموعه اقدامات بهرهبرداری اختصاص دارد. اقدامات بهرهبرداری خود به دو دسته اقدامات بهرهبرداری پیشگیرانه (قبل از وقوع گردباد) و اقدامات بهرهبرداری اصلاحی (حین وقوع گردباد) تقسیم میشود. اقدامات بهرهبرداری پیشگیرانه شامل بازتوزیع توان منابع تولید مختلف موجود در سیستم توزیع و شارژ ذخیرهسازها است. اقدامات بهرهبرداری اصلاحی، علاوه بر موارد گفتهشده در مجموعه اقدامات بهرهبرداری پیشگیرانه، قطع بار را نیز شامل میشود. تابع هدف مسأله سطح سوم نیز مشابه با مسأله سطح اول، حداقلسازی هزینه قطع بار در سیستم توزیع است. مسأله سهسطحی ارتقای تابآوری سیستم توزیع در این پژوهش توسط الگوریتم تولید قید و ستون و در فرآیندی تکراری و در نرمافزار گمز پیادهسازی میشود. مدل برنامهریزی پیشنهادی بر روی سیستم توزیع آزمون استاندارد 33 باس پیادهسازی میشود. موارد مطالعاتی متعدد، که هریک بیانگر شرایطی مختلف هستند که برنامهریز و بهرهبردار سیستم توزیع در جهت ارتقای تابآوری سیستم توزیع ممکن است با آنها مواجه شوند، بررسی میشوند. تحلیل نتایج عددی حاصل از شبیهسازی این موارد مطالعاتی، حاکی از توانمندی مدل پیشنهادی در ارتقای تابآوری سیستم توزیع در شرایط مختلف است. تابآوری، برنامهریزی سیستم توزیع، بهینهسازی مقاوم