SUPERVISOR
Gholamreza Yousefi,Mohamadamin Latifi
غلامرضا یوسفی (استاد مشاور) محمدامین لطیفی (استاد راهنما)
STUDENT
Hadi Nemati
هادی نعمتی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Optimal Coordinated Expansion Planning of Transmission Network and Electrical Energy Storage Systems under Intentional Attacks
To provide a reliable supply of electricity to consumers, power systems should be reinforced against various events. The traditional structure of power system vulnerability analysis involves a series of events that are often random and unintentional in nature. A power system are not only exposed to unintentional and random events; but also events occur deliberately and with the intention of jeopardizing the power system. Among the power system equipment, transmission lines due to the availability, are at risk of deliberate attacks more than any other power system equipment. Therefore, it is necessary to consider deliberate attacks in the power systems studies. Grid-scale electrical energy storage systems (E) are essential parts of the future power systems. The main characteristic of these systems is their ability for arbitrage of energy between different time intervals of the system operation. Distributed installation of E at a transmission system, in case of critical situations or outage of transmission lines, could be employed to make use of the E consumption/generation management as an alternative for transmission system and energy not served to maintain the power system stability. In this thesis, a preventive expansion planning is proposed to reduce vulnerability of transmission systems and intentional attacks damages. In this model coordinated expansion of transmission systems and E considering intentional attacks are studied. Two different models are used for modeling. In the first model, the problem implemented as a tri-level optimization problem. This is a defender-attacker-defender model. In this model, assuming given resources for an attacker, vulnerability of the proposed system is minimized. In the first level of this model, the power system planner is looking for an optimized planning scheme for the transmission network as well as the location and the capacity for the E. In the second level, the attacker by having complete knowledge of the network and system operator reactions and using limited resources, attacks to the transmission lines which attacking them will result in the maximum damages to the power system. In the third level, the system operator should make the best decision to minimize the load shedding at the time of operation. The third level optimization problem is a linear problem. Therefore, the second and the third levels of the optimization problem are modeled as an single level optimization problem. As a result, the initial tri-level optimization problem becomes a two-level nonlinear problem, that integration of this problem because of the nonlinearity of some constraints is not possible. Thus, a new approach to integrate and finding the optimal solution for the resulted two-level optimization problem is proposed. To demonstrate and clarify, the tri-level transmission network expansion planning considering a one load level is considered and analyzed. In the second model, due to the nonrandom and uncertain nature of deliberate attacks, by modeling these attacks as scenarios, a stochastic optimization model is used to solve the planning problem. In this model, although the vulnerability of the proposed system is not minimized, but using the proposed model, the network is robust against a set of attacks. The obtained models are implemented in Garver and modified IEEE 30-bus test systems. The numerical results are compared and validated. Numerical results show that the proposed models are able to reduce the vulnerability of transmission systems. Keywords: Coordinated expansion of transmission system and electrical energy storages, vulnerability of power system, two-level and tri-level optimization problems.
تقویت سیستم قدرت در مقابل حوادث مختلف به منظور تحویل انرژی الکتریکی با قابلیت اطمینان بالا به مصرفکنندگان، یک مسأله ضروری میباشد. در ساختار سنتی سیستم قدرت موضوع تحلیل آسیبپذیری شامل بررسی دستهای از حوادث که اکثراً دارای طبیعت تصادفی و غیرعمدی بودند؛ میشد. اما، سیستم قدرت تنها در معرض حوادث غیرعمدی و تصادفی قرار نمیگیرد؛ بلکه حوادثی وجود دارند که عمداً و با هدف به مخاطره انداختن سیستم قدرت به وقوع میپیوندند. از بین تجهیزات سیستم قدرت، خطوط انتقال انرژی الکتریکی به دلیل پراکندگی و در دسترس بودن، بیشتر از سایر تجهیزات قدرت در معرض حملات عمدی میباشند. بنابراین لازم است مطالعات سیستم قدرت برای در نظر گرفتن حملات عامدانه ارتقا بیابد. از سوی دیگر، سیستمهای ذخیرهساز انرژی الکتریکی در مقیاس شبکه یکی از فناوریهایی هستند که جزء لاینفک سیستمهای قدرت آینده هستند. ویژگی اصلی این سیستمها توانایی جابهجایی انرژی الکتریکی بین زمانهای مختلف است. احداث ذخیرهسازها به صورت توزیعشده در سطح سیستم انتقال باعث میشود که در شرایط بحرانی و خروج احتمالی خطوط انتقال از سیستم قدرت، به سبب وجود امکان مدیریت توان تولیدی و مصرفی ذخیرهسازها بتوانند به عنوان جایگزینی برای سیستم انتقال و انرژی قطعشده جهت حفظ سیستم مورد استفاده قرار گیرند. در این پایاننامه روشی برای برنامهریزی پیشگیرانه توسعه برای کاستن اثرات مخرب حملات عامدانه ارائه میشود. در این مدل برنامهریزی توأم توسعه شبکه انتقال و ذخیرهسازهای انرژی الکتریکی برای در نظر گرفتن حملات عامدانه مورد مطالعه قرار میگیرد. برای مدلسازی از دو مدل مختلف استفاده میشود. در مدل اول، مسأله به صورت یک مسأله بهینهسازی سهسطحی پیادهسازی میشود. این مدل به صورت مسأله مدافع-مهاجم-مدافع پیادهسازی میشود. در این مدل با فرض معلوم بودن منابع در دسترس مهاجم، آسیبپذیری شبکه توسعهیافته حداقل میشود. در سطح اول این مدل، برنامهریز شبکه به دنبال برنامهریزی بهینه توسعه انتقال و همچنین مکانیابی و تعیین ظرفیت برای ذخیرهسازها میباشد. در سطح دوم مدل، مهاجم با داشتن اطلاعاتی کامل از شبکه و با توجه به دانشی که از عکسالعمل بهرهبردار شبکه دارد و با استفاده از منابع محدود به دنبال یافتن بهترین راه برای حمله به خطوط انتقال شبکه میباشد. در سطح سوم مسأله، بهرهبردار شبکه باید بهترین تصمیم به منظور حداقلکردن آسیب به شبکه در زمان بهرهبرداری را انتخاب نماید. به سبب خطی بودن مسأله بهینهسازی سطح سوم، مسئله بهینهسازی سطح دوم و سوم به صورت یک مسأله بهینهسازی یکپارچه مدلسازی میشود. درنتیجه مسأله سهسطحی اولیه به یک مسأله دوسطحی با قیدهای غیرخطی تبدیل میشود که یکپارچهکردن این مسأله به دلیل غیرخطی بودن بعضی از این قیدها امکانپذیر نمیباشد. بنابرابن یک روش جدید برای یکپارچهکردن مسأله دوسطحی حاصل و یافتن جواب بهینه سراسری ارائه میشود. با توجه به اینکه درک مدل پیشنهادی ضروری میباشد؛ مسأله بهینهسازی سهسطحی توسعه شبکه انتقال با در نظر گرفتن یک سطح بار به منظور تشریح روش حل پیشنهادی؛ نیز ارائه و تحلیل میشود. در مدل دوم، با توجه به طبیعت غیرقطعی و غیرتصادفی حملات عامدانه، با مدلسازی این حملات به شکل سناریو، از یک مدل بهینهسازی تصادفی برای حل مسأله برنامهریزی استفاده میشود. در این مدل با وجود اینکه آسیبپذیری شبکه توسعهیافته لزوماً حداقل نمیشود، ولی با استفاده از طرح توسعه پیشنهادی، شبکه در مقابل طیف وسیعی از حملات مقاوم میشود. دو مدل پیشنهادی بر روی شبکههای تست گارور و شبکه تغییریافته IEEE 30-bus پیادهسازی میشود. نتایج عددی اعتبارسنجی شده و با یکدیگر مقایسه میشوند. نتایج عددی حاصل نشاندهنده توانمندی مدلهای ارائهشده در کاهش آسیبپذیری سیستمهای انتقال است. کلمات کلیدی: توسعه توأم شبکه انتقال و ذخیرهسازهای انرژی الکتریکی، آسیبپذیری سیستم قدرت، مسائل بهینهسازی دوسطحی و سهسطحی.