Izbor tipa, lokacije i parametara fleksibilnih regulacionih uređaja u elektroenergetskim sistemima primenom višekriterijumske optimizacije

Abstract

Tradicionalni načini upravaljanja elektroenergetskim sistemima kao što su redispečing aktivnih i reaktivnih snaga proizvodnje kao i promena topologije mreţe u današnje vreme nisu dovoljni za kvalitetno i pouzdano upravljanje sistemom. Konstantan rast potrošnje, razvoj trţišta električne energije, priključenje distribuiranih izvora električne energije, ekološki zahtevi i sl., nametnuli su potrebu za novim načinima upravljanja. Jedan od savremenih načina za upravljanje sistemom je upotreba novih kontrolnih ureĎaja baziranih na primeni elemenata energetske elektronike velikih snaga. Ovi ureĎaji poznati su pod jedinstvenim nazivom FACTS (Flexible Alternate Current Transmission Systems) ureĎaji. Osnovna namena FACTS ureĎaja je povećanje kontrolabilnosti i prenosne sposobnosti sistema, odnosno direktna regulacija tokova snage ţeljenim prenosnim koridorima, kao i regulacija napona odabranih čvorova u mreţi. Ovi ureĎaji omogućavaju bolje iskorišćenje postojećih prenosnih vodova i odlaganje potrebe za izgradnjom novih. Pored toga što FACTS ureĎaji mogu da upravljaju tokovima aktivnih i reaktivnih snaga i naponskim prilikama u elektroenergetskoj mreţi, oni imaju i pozitivan uticaj i na druge pokazatelje koje karakterišu rad prenosnog sistema. Imajući sve ovo u vidu i sa ţeljom da se FACTS ureĎaji iskoriste na najefikasniji način, od posebne je vaţnosti izbor tipa, lokacije i parametara FACTS ureĎaja. Cilj ove disertacije je uvoĎenje nove procedure za nalaţenje optimalnog tipa, lokacije i parametara FACTS ureĎaja primenom višekriterijumske optimizacije. Osnovna prednost razvijene procedure je što omogućuje uključivanje proizvoljnog broja kriterijumskih funkcija. Na taj način mogu se obuhvatiti svi relevantni kriterijumi koji mogu uticati na izbor FACTS ureĎaja. Kao rezultat višekriterijumske optimizacije dobija se set optimalnih rešenja, za razliku od jednokriterijumske optimizacije gde se kao rezultat dobija jedno jedinstveno rešenje. Set optimalnih rešenja, generalno gledano, daje kompletniji opis optimizacionog problema, a konkretno kod izbora FACTS ureĎaja daje uvid u kontrolne mogućnosti ovih ureĎaja. Pored toga zbog postojanja više kompromisnih optimalnih rešenja krajnjem korisniku je data veća sloboda kod izbora finalnog rešenja pri čemu on iz seta ponuĎenih rešenja moţe da izabere ono koje njemu najviše odgovara. MeĎutim, zbog sloţenosti optimizacionog problema izbor konačnog rešenja iz velikog broja ponuĎenih optimalnih rešenja moţe da bude veoma teţak i nepraktičan. Ovo je posebno izraţeno kada se razmatra veći broj kriterijumskih funkcija. Već kod tri kriterijumske funkcije, grafički prikaz dobijenih rešenja u 3D prostoru nije praktičan za odabir finalnog rešenja, a za slučaj više od tri kriterijumske funkcije ne postoji način da se dobijena rešenja adekvatno grafički prikaţu. U okviru nove procedure razvijena je metoda za izbor finalnog kompromisnog rešenja koja ne favorizuje ni jednu od analiziranih kriterijumskih funkcija već na ravnopravan način uvaţava uticaj svih kriterijumskih funkcija. Kao matematički alat, za rešavanje višekriterijumskog optimizacionog problema, odabrana je optimizaciona tehnika evolutivnog tipa u literturi poznata kao genetički algoritam sa sortiranjem prema dominaciji (algoritam NSGA-II). Algoritam NSGA-II je izabran jer predstavlja jednu od standarnih procedura za rešavanje problema višekriterijumske optimizacije. U ovoj disertaciji NSGA-II algoritam je dodatno unapreĎen tako što je uvedeno lokalno pretraţivanje za članove populacije koji se nalaze na krajevima tekućeg Pareto fronta. Na taj način je povećana brzina i efikasnost pri nalaţenju optimalnih rešenja. Nova procedura za izbor FACTS ureĎaja ilustrovana je na dva realna inţenjerska problema. Prvi problem se odnosi na odreĎivanje optimalne lokacije i parametara FACTS ureĎaja u prenosnoj mreţi. Proračun je izvršen na realnom sistemu elektroprivrede Republike Srbije sa ciljem da se dobije optimalan plan razvoja prenosne mreţe uvoĎenjem samo regulacionih ureĎaja bez izgradnje novih vodova i transformatorskih stanica. Proračun je uraĎen za različite godine razvoja ovog sistema imajući u vidu povećanje nivoa opterećenja i planiranu izgradnju novih proizvodnih kapaciteta. Kao kriterijumi za izbor razmatrani su kako globalni pokazatelji rada elektroenergetske mreţe, kao što su gubici aktivne snage u sistemu, tako i lokalni pokazatelji koji se odnose na nivoe opterećenja prenosnih vodova i napone čvorova, pokazatelji sigurnosti, pokazatelji vezani za rad sistema u trţišnom okruţenju i ekonomski pokazatelji. Nova procedura kroz pretraţivanje velikog broja potencijanih varijanti i kroz uporednu analizu uticaja pojedinih tipova FACTS ureĎaja na analiziranu mreţu daje konkretne predloge za FACTS ureĎaje čijom bi se ugradnjom na predloţene lokacije ostvario plan razvoja prenosne mreţe bez potrebe za izgradnjom novih prenosnih kapaciteta. Pored toga ugradnjom FACTS ureĎaja unapredile bi se performanse prenosne mreţe imajući u vidu analizirane kriterijumske funkcije. Drugi problem koji je obraĎen u ovoj disertaciji odnosi se na nalaţenje optimalne lokacije i parametara FACTS ureĎaja u distributivnoj mreţi uz prisustvo distribuiranih izvora električne energije. Kod ovog proračuna osnovni kriterijum za izbor bilo je obezbeĎivanje napajanje krajnjih potrošača kvalitetnom električnom energijom za širok dijapazon mogućih radnih reţima uz uvaţavanje svih pogonskih ograničenja. Proračun je uraĎen na realnoj srednjenaponskoj distributivnoj mreţi koja napaja nekoliko sela u regionu Banata u Srbiji. Proračunom su dobijene konkretne loakcije za ugradnju FACTS ureĎaja u analiziranoj mreţi. Razvijena procedura za izbor FACTS ureĎaja u primeni na realne prenosne i distributivne mreţe daje veoma dobre rezultate. Procedura pretraţuje veliki broj potencijalnih rešenja i u procesu optimizacije daje rešenja koja su za analiziranu mreţu najefikasnija, imajući u vidu kriterijumske funkcije kojima je modelovan optimizacioni problem.

In present days, traditional ways of controlling power systems such as redispatching of active and reactive power and changing the network topology, are not sufficient for quality and reliable system management. The constant growth of consumption, development of electricity market, connection of distributed generation, environmental requirements etc, imposed the need for new ways of system management. One of the modern ways to control power systems is to use new control devices based on application of power electronics. These devices are known as Flexible Alternate Current Transmission Systems (FACTS) devices. The main purpose of FACTS devices is to increase controllability and capacity of the transmission system by controlling active and reactive line flow in desired transmission corridors and voltage control of the selected buses in the network. The use of FACTS devices in transmission systems enabled a better utilization of existing transmission lines, instead of constructing the new ones. Those devices have a positive influence on many parameters characterizing the operation of transmission networks. Bearing all this in mind and with the desire to take advantage of FACTS devices in the most efficient manner, proper choice of type, location and parameters of FACTS devices are particularly important. The aim of this dissertation is to introduce a new procedure for finding the optimal type, location and parameters of FACTS devices by using multi-criteria optimization. The main advantage of this procedure is that it allows inclusion of any number of criteria functions. This way, we can cover all the relevant criteria that may influence the choice of FACTS devices. Result of multi-criteria optimization is a set of optimal solutions, as opposed to a single criterion optimization where we obtain only one solution. Set of optimal solutions, in general, provides a more complete description of the optimization problem. In particular, in the choice of FACTS devices, provides insight into the control features of the FACTS devices. In addition, set of optimal solutions enables the decision maker to choose a solution that seems fit. However, large number of solutions and large number of possible choices can be confusing, so selecting the final choice may be quite difficult. This is particularly evident when large number of criterion functions is considered. For three criterion functions, it is not practical to select the final solution by graphical representation of the obtained solutions in a 3D space. In case of four and more criterion functions, adequate graphical representation of obtained solutions is not possible. With the new procedure, a method for the choice of a unique optimal solution from the set of solutions was developed, that does not favor any of the analyzed criteria functions, but equally respects the influence of all criteria functions. Evolutionary optimization algorithm known as Nondominated Sorted Genetic Algorithm (NSGA-II) is selected as a mathematical tool for solving multi-criteria optimization problem. NSGA-II algorithm was chosen because it represents one of the standard procedures for solving multi-criteria optimization problems. In this dissertation, NSGA-II algorithm is further improved by introducing a local search for members of the population at the edges of the current Pareto front. This way, speed and efficiency in finding the optimal solutions are increased. New procedure for selection of FACTS devices is illustrated on two realistic engineering problems. The first issue relates to the determination of the optimal location and parameters of FACTS devices in a transmission network. The calculation is done on the Republic of Serbia power system in order to obtain an optimal plan for transmission network by introducing only FACTS devices without building new transmission lines and substations. The calculation is done for different years of development of this system taking into account increase in the consumer load and planned construction of new production capacities. The following selection criteria were considered: system active power losses, transmission line load levels, bus voltages, security indicators, indicators related to the operation of the system in the market environment and economic indicators. New procedure through a searching of a large number of potential variants and comparative analysis of the impact of certain types of FACTS devices on the observed network provides specific proposals for installation of FACTS devices. Installation of FACTS devices at proposed locations would fulfill the development plan of the transmission network, without the need to build new transmission capacities. In addition, installation of FACTS devices would improve the performance of the transmission system by taking into account the analyzed criterion functions. Second problem addressed in this dissertation refers to finding the optimal location and parameters of FACTS devices in a distribution network in presence of distributed power sources. In this calculation, the main selection criterion was to provide the quality electrical energy to the end users for a wide range of possible operating modes with respect to all operating limits. The calculation is performed on a real medium voltage distribution network which supplies several villages in the Banat region in Serbia. The calculation proposed the specific locations to install the FACTS devices in the analyzed network. Implementation of developed procedures for selection of FACTS devices to the real transmission and distribution network gives very good results. The procedure searches a large number of potential solutions and provides the most efficient solutions for the analyzed network in optimization process, keeping in mind the criteria functions used to model the optimization problem.