SUPERVISOR
محسن پارسا مقدم (استاد مشاور) محمداسماعیل همدانی گلشن (استاد راهنما)
STUDENT
Moossa Khodadadi Arpanahi
موسی خدادادی ارپناهی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1394
Distributed energy resources (DERs) planning and operation are not only the problems related to distribution system operator (DSO). Opeartion of DERs of distribution system also affects the operation of transmission systems. Both transmission system operator (TSO) and DSO can use flexibility provided by DERs. DERs can help to TSO to efficiently adresse transmission system problems such as power balance, voltage control, and congestion management, while DSO can use them for management of its local distribution system. TSO and DSO can operate in non-coordinated or coordinated manners. In the non-coordinated operation approach, transmission and distribution systems are operated in an independent manner without any interaction between TSO and DSOs. Thus, any operation scheme in one system is non-negotiable for the system operator on the other side which may lead to an undesirable and unacceptable operation due to power mismatch at the boundary buses. Even if they solve their sub-problems for predetermined boundary values, the obtained solution is not optimal. This means that the flexible resources in different systems cannot be efficiently exploited. Thus, the development of an interactive and coordinated operation framework for TSO and DSOs can considerably overcome the challenges and exploit the opportunities of high penetration DERs. In this dissertation, first, the concept of transmission and distribution systems coordination is introduced and developed to more and better exploit DERs. Then, two coordinated TSO-DSOs frameworks are proposed. The first framework is based on a cooperative perspective in which TSO and DSOs operate to optimize overall performance of the system. To implement this framework in a decentralized manner, an accelerated augmented Lagrangian (AAL)-based decentralized algorithm is proposed in which TSO and DSOs exchange a limited data to realize the cooperative operation. From the implementation perspective, the proposed decentralized algorithm has the advanyages of low computational and commucational burdun, and preserving privacy of independent system operators. Furthetmore, the cooperative framework can improve many power system technical indices such as voltage, congestion, and power losses, while reducing total operation cost of the system. In the second proosed framework which called non-cooperative, while TSO and DSOs are self-interested and individually solve thier sub-problems according to their own objectives and constraints, they are interactive and receive feedback from each other to understand the mutual effects of their decisions and give an appropriate response. This framework is implemented by a new decentralized algorithm based on the decomposition of boundary bus variables between transmission and distribution systems. In addition to the first decentralized algorithm’s advantages, this decemtralized algorithm has the advantage of very fast convergence rate. Using the non-cooperate frameworks, DSOs which may not necessarily attain their technical and economical objectives can selfishly optimez their objectives and attin better solutions rerspect to the cooperative framework. The selfish behavior of DSOs can also help to maximization of overall system indices, although not completely in line with it. The proposed coordinated TSO-DSOs frameworks are studied on various power system operation and planning problems including day ahead scheduling (DAS), joint active and reactive powers operation (JARPO), Volt-VAr optimization (VVO), and distributed generation planning (DGP) and results are compared with the non-coordinated framework. Furthermore, TSO’s and DSOs’ subproblems are formulated based on new linearized and convex AC optimal power flow (AC-OPF) models. The proposed frameworks have been studied on three integrated test power systems each of them consists of one transmission and some distribution systems. Simulation results con?rm the ef?ciency and effectivity of the proposed frameworks in terms of economic bene?ts, technical aspects such as power losses, and congestion management compared with the non-coordinated operation of transmission and distribution systems. If compared with a centralized approach and other decentralized methods, computational advantages are also con?rmed, such as achieving the optimal solution in cooperative framework and obtaining the Nash equiblirium in non-cooperative one with reasonable accuracy and time
نصب و استفاده از منابع انرژی توزیعشده تنها یک مسأله مربوط به سیستم توزیع و بهرهبردار سیستم توزیع (DSO) نیست. بهرهبرداری منابع پراکنده نصبشده در سیستم توزیع، شبکه انتقال و بهرهبرداری آن را تحت تأثیر قرار خواهد داد. بهرهبردار سیستم انتقال(TSO) و DSO هر دو میتوانند از مزایای منابع انعطافپذیر موجود در سیستم توزیع بهره بگیرند. TSO میتواند از این منابع برای حفظ تعادل سیستم، کنترل ولتاژ، مدیریت تراکم و اهدف دیگر استفاده کند؛ در حالی که DSO برای مدیریت مسائل شبکه محلی خود از این منابع استفاده میکند. با این حال، نه تنها امکان بهرهگیری حداکثری از مزایای این منابع در سیستمی که TSO و DSOها بهطور مستقل از یکدیگر و بدون هیچگونه همکاری و هماهنگی شبکههای مربوط به خود را مورد بهرهبرداری قرار میدهند، وجود ندارد، بلکه این ناهماهنگیها ممکن است در برخی از موارد موجب بروز چالشهایی برای هر یک از بهرهبرداران سیستم شود. بنابراین وجود یک چارچوب هماهنگ برای بهرهبرداری و برنامهریزی سیستمهای انتقال و توزیع در حالت نفوذ زیاد منابع انرژی توزیعشده امری ضروری و بسیار مفید برای TSO و DSOهاست. با افزایش سطح این هماهنگی، هر یک از بهرهبرداران سیستم، قادر خواهند بود تا بهصورت مؤثر و اقتصادی یکدیگر را در حل مسائل هر کدام از شبکهها و در نتیجه کل سیستم پشتیبانی کنند. علاوه براین، وجود یک چارچوب هماهنگی مؤثر میتواند از بروز مشکلات برای یکی از بهرهبرداران ناشی از تصمیمگیریها و اقدامات بهرهبردار دیگر جلوگیری کند. در واقع، هماهنگی بین TSO و DSO، تضمینکننده آن است که این دو مأموریتهای خود را بهصورت اقتصادی و در جهت حفظ امنیت سیستم قدرت انجام دهند. در این رساله، پس از ارائه مفهوم هماهنگی میان TSO و DSO و بیان ضرورت و جنبههای مختلف این هماهنگی، دو چارچوب هماهنگ TSO-DSO برای بهرهگیری حداکثری TSO و DSO از منابع انرژی توزیعشده، ارائه شده است. چارچوب هماهنگ اول، مبتنی بر یک دیدگاه همکارانه است که در آن TSO و DSO بهرهبرداری سیستمهای خود را نه الزاماً بر اساس منافع خود که بر اساس منفعت کلی سیستم قدرت انجام میدهند. در نتیجه، ضمن مقابله با چالشهای ناشی از حضور این منابع، از مزایای آنها برای مدیریت مسائل مربوط به کل سیستم قدرت بهره میگیرند. برای پیادهسازی چارچوب همکارانه، یک روش بهینهسازی توزیعشده مبتنی بر الگوریتم «لاگرانژین تقویتشده تسریعشده» (AAL) ارائه شده است که در آن، مسأله همکارانه TSO و DSO بهصورت غیرمتمرکز حل میشود و بهمنظور حفظ یکپارچگی مسأله، TSO و DSO با یکدیگر تبادل داده محدودی دارند. از لحاظ پیادهسازی، کاهش بار محاسباتی نسبت به حالتی که انبوهی از دادهها در یک مرکز تجمیع شوند، امنیت سایبری و حفظ حریم خصوصی دادهها، امکان اجرای محاسبات موازی از مزایای روش بهرهبرداری توزیعشده پیشنهادی هستند. همچنین، از دیدگاه سیستم قدرت، با استفاده از چارچوب همکارانه، میتوان بر بسیاری از چالشهای TSO و DSO همانند مشکلات ولتاژ، تراکم و تلفات شبکه و همچنین مدیریت هزینهها مقابله کرد. در چارچوب هماهنگ دوم که چارچوب غیرهمکارانه نامیده میشود، TSO و DSO ضمن تعامل با یکدیگر سعی میکنند تا اهداف خود را بهصورت خودخواهانه بهینه کنند. در این چارچوب، هدف دستیابی به تعادل نش است که برای این منظور یک الگوریتم غیرمتمرکز دیگر مبتنی بر روش تخصیص متغیرهای تصمیم مرزی (BDVA) پیشنهاد شده است. این الگوریتم غیرمتمرکز ضمن برخورداری از مزایای الگوریتم دیگر، سرعت همگرایی فوقالعاده بالایی دارد. با استفاده از چارچوب هماهنگ غیرهمکارانه، DSOها که الزاماً ممکن است در چارچوب همکارانه به اهداف فنی یا اقتصادی خود نرسند، میتوانند بهصورت خودخواهانه، منافع خود را حداکثر کنند و به جوابهای بهتری نسبت به چارچوب همکارانه دست پیدا کنند. البته این امر به حداکثرکردن منافع کل سیستم نیز کمک میکند؛ اگر چه کاملاً هم سو با آن نیست. چارچوبهای هماهنگ ارائه شده بر روی تعدادی از مسائل مهم بهرهبرداری و برنامهریزی سیستم قدرت، از جمله، برنامهریزی روز پیشرو، بهرهبرداری توأم توان اکتیو و راکتیو، بهینهسازی توان راکتیو- ولتاژ و برنامهریزی منابع پراکنده مورد مطالعه قرار گرفتهاند و نتایج مربوط به روشهای هماهنگ با یکدیگر و با روش غیرهماهنگ مقایسه شدهاند. فرمولبندی زیرمسألههای TSO و DSOها در مسائل مطالعهشده، بهترتیب بر اساس مدلهای AC-OPF خطی و محدب هستند که توسط این رساله پیشنهاد شدهاند. چارچوبهای پیشنهادی بر روی سه سیستم قدرت یکپارچه، هر کدام شامل یک شبکه انتقال و چند شبکه توزیع، شبیهسازی شده است. نتایج شبیهسازی، کارایی چارچوبهای پیشنهادی از لحاظ بهبود شاخصهای فنی مانند پروفیل ولتاژ، تلفات، تراکم خطوط، مدیریت توانهای اکتیو و راکتیو و تطابق توانهای مبادلهشده در شینهای مرزی و همچنین شاخصهای اقتصادی مانند هزینه بهرهبرداری در شبکه انتقال و توزیع را نشان میدهند.