SUPERVISOR
اکبر ابراهیمی (استاد راهنما) محمود فتوحی فیروز آباد (استاد مشاور)
STUDENT
Ebrahim Karimi
ابراهیم کریمی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1388
TITLE
Probabilistic Transmission Expansion Planning Considering Risk of Cascading Transmission Line Outages Based on Self-Organized Criticality
Large blackouts are not considered in the traditional Transmission Expansion Planning (TEP). Recent studies have shown that power system blackouts which typically happen after cascading failures are much more likely than might be expected, and their probability distribution has a power law tail. Accordingly, large blackouts must be considered in power system studies such as probabilistic risk assessment and TEP. Self- Organized Criticality (SOC) as a new discipline was proposed to present a new framework to deal with complex phenomena. Recent studies have shown that power systems are among complex systems and according to SOC, large blackouts with catastrophic consequences are more probable. The interest of this thesis is to modify current probabilistic risk assessment methods by considering blackouts risk using SOC theory. The proposed method includes the modification of the likelihood and consequences of blackouts. Then, the method is applied to probabilistic TEP. Also, the SOC principles are reviewed and the conditions of SOC in Iran bulk power system are explored. Some models have been proposed for simulating cascading outages in power systems but they have not exploited for further studies like TEP. In this thesis, by using a previously developed model, two methods are proposed for considering risk of cascading outages of transmission lines in the probabilistic TEP. In the first method, the benefit/cost of the expansion plans is maximized. Benefit of each prospective line, its effect on reducing risk of cascading outages, and its role for decreasing the number of blackouts is assessed. The best plan with the highest benefit/cost ratio is achieved which leads to the best social welfare. In the second method by a multiobjective framework, risk of cascading blackouts, investment cost, and transmission operating costs are minimized at the same time. Expected Energy Not Supplied as a well-known reliability criterion is used for exhibiting risk of blackouts. The second proposed method has the ability to find various cheaper plans which helps the power system planners to choose the suitable plans according to available budget. Vast investigations of this thesis have shown that earlier suppressing of cascading outages of transmission lines leads to less blackouts risk. However, regarding coupling the number of small and large blackouts by the complex dynamics, some efforts to reduce the risk of smaller blackouts may sometimes increase the risk of large blackouts. Therefore, a tradeoff must be done between the available budget and the risk of blackouts. Comparison with the security-constrained TEP, which uses famous deterministic criterion known as N-1 shows that the proposed approaches produce more efficient plans for suppressing cascading blackouts with less network investments. So, less blackouts occurre which afford substantial savings to society. Keywords: Blackouts, Cascading Outages, Probabilistic Transmission Expansion Planning, Power-Law, Self-Organized Criticality.
به طور مرسوم، در برنامه ریزی احتمالاتی توسعه سیستم انتقال وقوع خاموشی های بزرگ دیده نمی شود. ارزیابی رخدادهای واقعی در سیستم های قدرت مختلف نشان می دهد که امکان وقوع این خاموشی ها، که معمولاً پس از خروج پی درپی خطوط انتقال رخ می دهند، بسیار بیشتر از آن چیزی است که تاکنون تصور می شد. بر همین اساس در مطالعات سیستم قدرت، از جمله ارزیابی احتمالاتی ریسک و برنامه ریزی توسعه شبکه انتقال، باید به تأثیر چنین رخدادهایی توجه شود. تئوری بحران خودسامان ده به عنوان یک تئوری نوپا و بسیار کلی در پی ارائه چارچوبی برای مدل سازی سیستم های پیچیده و کشف ویژگی های کلی و مشترک این سیستم ها است. بررسی های اخیر نشان می دهد که سیستم قدرت، به عنوان بزرگ ترین ماشین ساختة دست بشر نیز تحت شرایطی از ویژگی بحران خود سامان ده برخوردار می‌گردد. این تئوری نشان می دهد که احتمال وقوع حوادث فاجعه آمیز مانند خاموشی های بزرگ، که دارای پیامدهای مستقیم و غیرمستقیم بسیار و تحمیل هزینه هنگفتی بر جامعه هستند، در شرایط بحرانی بسیار بیشتر می شود. این رساله در پی اصلاح روش های مرسوم و برآورد ریسک خاموشی های بزرگ، شامل محاسبه احتمال و پیامدهای آن ها بر اساس ویژگی بحران خودسامان ده، و منظور نمودن آن در برنامه‌ریزی احتمالاتی توسعه سیستم انتقال است. در این رساله، مبانی سیستم های پیچیده و ویژگی بحران خودسامان ده در مورد این سیستم‌ها بررسی و نشان داده می شود که سیستم قدرت ایران نیز مانند اغلب سیستم های قدرت در زمره سیستم های پیچیده است. تاکنون مدل هایی با شبیه سازی برخی مکانیزم های فراگیر در خاموشی ها به منظور مدل سازی خروج های پی درپی خطوط انتقال پیشنهاد شده ولی در مطالعات بعدی مانند برنامه ریزی توسعه انتقال مورد استفاده قرار نگرفته است. در این رساله با استفاده از مدلی دو روش برای برآورد و منظور نمودن ریسک خروج های پی درپی خطوط انتقال در مسئله برنامه ریزی احتمالاتی توسعه سیستم انتقال پیشنهاد می شود. در روش اول که به بیشینه‌سازی نسبت سود به هزینه طرح های توسعه شبکه می پردازد، سود ناشی از احداث هر یک از خطوط کاندیدا و میزان تأثیر آن در کاهش ریسک خروج های پی درپی محاسبه و در نتیجه نقش آن ها در میزان کاهش خاموشی ها برآورد می‌شود. نتیجه این برآورد، تعیین بهترین طرح توسعه با بیشترین نسبت سود به هزینه است و بالاترین سطح رفاه اجتماعی ممکن را به دست می دهد. در روش پیشنهادی دوم، بر اساس بهینه سازی چندهدفه، ریسک خروج پی درپی خطوط و هزینه سرمایه گذاری و بهره برداری آن ها به طور همزمان کمینه می گردد. این روش که در یکی از توابع هدف به کمینه سازی انرژی توزیع‌نشده، به عنوان معیاری شناخته شده در ارزیابی قابلیت اطمینان می پردازد، ضمن کاهش حجم محاسبات، در قیـاس با روش اول توانایی پیشنهاد سنـاریوهای ارزان تر و متنوعی را دارد. این تنـوع بر قدرت تصمیم‌گیری طراحان توسعه سیستم می افزاید و به آن ها امکان می دهد تا بر اساس بودجه در دسترس مناسب‌ترین طرح را انتخاب کنند. بررسی های این رساله نشان می دهد برنامه ریزی برای سرکوب سریع تر خروج های پی درپی خطوط انتقال سبب می شود ریسک کلی خاموشی ها کاهش یابد. ولی از آنجا که به دلیل ویژگی های ذاتی سیستم های پیچیده، تعداد خاموشی‌های کوچک و بزرگ با یکدیگر تزویج دارند، کاهش تعداد خاموشـی های کوچک سبب افزایش تعداد خاموشی های بزرگ در سیستم خواهد شد. بنابراین در برنامه ریزی توسعه انتقال باید با توجه به سطح بودجه در دسترس، مصالحه ای بین ریسک وقوع خاموشی های کوچک و بزرگ برقرار نمود. مقایسه طرح های توسعه حاصل از روش های پیشنهادی با نتایج روش های مبتنی بر امنیت نشان می دهد که با سرمایه گذاری های کمتـر و به صـورت مؤثـری می توان با گسترش خروج های پی درپی در سیستم قدرت مبارزه کرد. بنابراین خاموشی های کمتری رخ خواهد داد که دربردارنده رفاه بیشتری برای جامعه مدرن امروزی است. کلمات کلیدی: 1- خروج hy;های پی درپی 2-برنامه ریزی احتمالاتی توسعه سیستم انتقال 3-خاموشی 4- ضابطه توانی