Συμβολή στην αξιοπιστία και την ποιότητα ισχύος των δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

This PhD thesis contributes to the reliability and power quality of electric power distribution systems. At the first phase, the term of power system’s reliability is presented, the most appropriate reliability-oriented indices are discussed, and the technique of distribution network reconfiguration (DNR) is indicated as an effective reliability improvement strategy. Then, the research focuses on the development of a novel optimization model to improve system’s reliability through DNR. Towards this direction, an innovative mixed-integer second-order cone programming model is proposed for solving the problem of optimal reliability-oriented DNR. The objectives that are optimized are the improvement of power system’s reliability indices and/or the minimization of network active power losses. This model introduces an original methodology for the determination of the upstream path of each network node, which is necessary for calculating system’s reliability indices. Then, the proposed model is enriched with a scenario-based stochastic programming framework, to encounter the variability of load and production from renewable energy sources when solving the reliability-oriented DNR problem. The standard 33-nodes distribution system and a real-world 83-nodes distribution system are employed to prove the efficiency and applicability of the model. Finally, the obtained results are compared with those of recently published works. At the second phase, the typical phenomena as well as the appropriate indices concerning the power quality of power distribution networks are presented. Then, the technique of Wavelet Packet Transform (WPT) is indicated for analyzing and processing the voltage and current signals of three-phase power systems. In that context, a WPT-based model is developed for the calculation of the power quality indices of three-phase systems, which operate under both stationary and non-stationary conditions. In addition, an innovative methodology is introduced to calculate the contribution of each harmonic component of voltage and current waveforms to the unbalance of three-phase systems, especially with the presence of non-stationary disturbances. The proposed model is applied to synthetic voltage and current waveforms, simulation and typical networks, and a laboratory experimental setup. The results are compared with their true values and those obtained using Fourier Transform, demonstrating the accuracy and the superiority of the proposed model in calculating power quality indices of distribution networks, which operate under non-stationary conditions. In conclusion, the proposed models introduce an innovative framework of methodologies to improve the reliability and estimate the power quality of power distribution networks.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή συμβάλει στην αξιοπιστία και την ποιότητα ισχύος των δικτύων διανομής (ΔΔ) ηλεκτρικής ενέργειας. Αρχικά, παρουσιάζονται οι δείκτες που χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση της αξιοπιστίας των ΔΔ και προτείνεται η διαδικασία της επαναδιαμόρφωσης των ΔΔ ως τεχνική βελτίωσης της αξιοπιστίας τους. Σε αυτό το πλαίσιο, προτείνεται ένα καινοτόμο μοντέλο μεικτού ακέραιου προγραμματισμού με κωνικούς περιορισμούς δεύτερης τάξης για την επαναδιαμόρφωση των ΔΔ με στόχο τη βελτίωση της αξιοπιστίας τους ή/και την ελαχιστοποίηση των απωλειών ισχύος τους. Το μοντέλο αυτό εισάγει μια πρωτότυπη μεθοδολογία για τον υπολογισμό των δεικτών αξιοπιστίας των ΔΔ και, επιπρόσθετα, διαμορφώνεται ως ένα μοντέλο στοχαστικού προγραμματισμού βάσει σεναρίων για να συμπεριλάβει στο εξεταζόμενο πρόβλημα τη μεταβλητότητα του φορτίου και της παραγωγής από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Το μοντέλο εφαρμόζεται σε τυπικά ΔΔ της βιβλιογραφίας και σε πραγματικά ΔΔ. Η αποτελεσματικότητα του μοντέλου αποδεικνύεται μέσω της σύγκρισης των αποτελεσμάτων που προκύπτουν με εκείνα από άλλες μεθόδους της βιβλιογραφίας. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα τυπικά φαινόμενα ποιότητας ισχύος των ΔΔ, καθώς και οι δείκτες που χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση της ποιότητας ισχύος. Ο Μετασχηματισμός Πακέτων Κυματιδίων (Wavelet Packet Transform – WPT), προκρίνεται έναντι του ευρέως διαδεδομένου Μετασχηματισμού Fourier, για την ανάλυση και την επεξεργασία των σημάτων τάσης και ρεύματος. Στο πλαίσιο αυτό, αναπτύσσεται ένα καινοτόμο μοντέλο το οποίο χρησιμοποιεί τον WPT για τον υπολογισμό των δεικτών ποιότητας ισχύος τριφασικών ΔΔ. Επιπρόσθετα, εισάγεται μια καινοτόμα μεθοδολογία για τον υπολογισμό της συμβολής κάθε αρμονικής συνιστώσας τάσης και ρεύματος στην ασυμμετρία των ΔΔ. Το μοντέλο εφαρμόζεται σε δίκτυα προσομοίωσης και σε εργαστηριακή πειραματική διάταξη. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν συγκρίνονται με εκείνα του Μετασχηματισμού Fourier και αποδεικνύουν την ανωτερότητα του προτεινόμενου μοντέλου στον υπολογισμό των δεικτών ποιότητας ισχύος των ΔΔ. Εν κατακλείδι, τα προτεινόμενα μοντέλα εισάγουν ένα καινοτόμο πλαίσιο μεθοδολογιών, οι οποίες συμβάλουν στην αξιοπιστία και την ποιότητα ισχύος των ΔΔ.