Συμβολή στην εκτίμηση και ενίσχυση της ανθεκτικότητας συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

Natural disasters can cause significant damage to power systems. These disasters are geological and meteorological phenomena, such as extreme weather events, earthquakes, floods and wildfires. In particular, such weather events in the past few years have resulted in major power disruptions around the world, leading to unplanned electricity interruptions lasting from a few hours to a few weeks. Despite the low probability of such events, their high impact on power systems and their financial cost make the development of models necessary in order to predict them, to assess their impact and finally to deal with them.The present Ph.D dissertation focuses on power systems resilience enhancement against extreme weather events and wildfires. Resilience is the grid’s ability to withstand extraordinary and high-impact low-probability events that may have never been experienced before, rapidly recover from such disruptive events, and adapt its operation and structure to prevent or mitigate the impact of similar events in the future.Specifically, resilience indicators and metrics are proposed in order to assess the impact of extreme events on power system, quantify its resilience and evaluate various smart operational and hardening measures. Following, an online risk analysis, capable of providing an indication of the evolving risk of power systems regions subject to extreme weather events, is proposed. Furthermore, a unified resilience evaluation and operational enhancement approach, that includes the proposed online risk analysis for assessing the impact of severe weather on power systems and a novel risk-based defensive islanding algorithm, is presented.Continuing, a tri-level problem is formulated to study the contribution of the unit commitment against an upcoming extreme weather event.Finally, an optimal distribution system operation for enhancing resilience against an approaching wildfire is presented.

Οι φυσικές καταστροφές είναι ικανές να προκαλέσουν σημαντικές ζημιές στις υποδομές των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Ως φυσικές καταστροφές χαρακτηρίζονται τα γεωλογικά και μετεωρολογικά φαινόμενα, όπως τα ακραία καιρικά γεγονότα, οι σεισμοί, οι πλημμύρες και οι πυρκαγιές. Πιο συγκεκριμένα, τα ακραία καιρικά φαινόμενα των τελευταίων ετών, ανά τον κόσμο, είχαν ως αποτέλεσμα μεγάλες καταστροφές των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας, οδηγώντας σε απρόβλεπτες διακοπές παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, διάρκειας από λίγες ώρες έως μερικές εβδομάδες. Παρά τη μικρή πιθανότητα εμφάνισης τέτοιων φαινομένων, η μεγάλη τους επίδραση στο σύστημα και το οικονομικό τους κόστος, καθιστούν αναγκαία την ανάπτυξη μοντέλων και αλγορίθμων για την πρόβλεψη τους, την εκτίμηση της επίδρασης τους στο σύστημα και την αντιμετώπιση τους. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζεται στην ενίσχυση της ανθεκτικότητας των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας έναντι των ακραίων καιρικών φαινομένων και των πυρκαγιών. Ως ανθεκτικότητα ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας ορίζεται η ικανότητα του συστήματος να αντιμετωπίζει γεγονότα μικρής πιθανότητας αλλά με μεγάλο αντίκτυπο, να ανακάμπτει ταχέως μετά την εμφάνιση τους, καθώς και να προσαρμόζει την λειτουργία του και τη δομή του, ώστε να αντιμετωπίσει και να μετριάσει τις επιπτώσεις παρόμοιων γεγονότων στο μέλλον.Ειδικότερα, προτείνονται δείκτες και μεγέθη για την ποσοτικοποίηση της ανθεκτικότητας και την εκτίμηση της επίδρασης των ακραίων καιρικών φαινομένων στο σύστημα. Βάσει των δεικτών που ορίζονται, εξετάζονται και αξιολογούνται διάφορα μέτρα ενίσχυσης και λειτουργικά «ευφυή» μέτρα για την ενίσχυση της ανθεκτικότητας, έναντι των ακραίων καιρικών φαινομένων. Στη συνέχεια, προτείνεται μια ανάλυση κινδύνου πραγματικού χρόνου, ικανή να παρέχει σημαντική πληροφορία για την επίπτωση ενός ακραίου καιρικού φαινομένου στο σύστημα, κατά τη διάρκεια εξέλιξης του φαινομένου. Επίσης, εξετάζεται η ελεγχόμενη νησιδοποίηση ως μέτρο ενίσχυσης της ανθεκτικότητας, η εφαρμογή της οποίας αποφασίζεται βάσει της προτεινόμενης ανάλυσης κινδύνου πραγματικού χρόνου.Ακολούθως, με εφαρμογή μοντέλου τριών επιπέδων μελετάται η συνεισφορά του κατάλληλου ημερήσιου προγραμματισμού μονάδων παραγωγής προς την ενίσχυση της ανθεκτικότητας του συστήματος έναντι επικείμενου ακραίου καιρικού φαινομένου. Τέλος, παρουσιάζεται ένα μοντέλο βέλτιστης λειτουργίας δικτύου διανομής το οποίο εκτίθεται σε πυρκαγιά, με στόχο την ενίσχυση της ανθεκτικότητας του συστήματος.