Πιθανοτική ανάλυση της αξιοπιστίας και ασφάλειας λειτουργίας των απομονωμένων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

In this Thesis, there is a probabilistic analysis of operation reliability and security of isolated power systems which are more vulnerable due to the small number of generating units in operation and the absence of support from neighboring power systems. The main ways of increasing the system security at the stage of their operation are to use the underfrequency load shedding protection and to keep adequate emergency spinning reserve. Initially, the well known model of frequency dynamic response is presented, which is used when an imbalance between the load demand and the generation occurs. A numerical method is developed to solve the model which also incorporates the operation of the load shedding protection. Some characteristic values on the frequency dynamic response are defined. These values are the undershoot, the overshoot and the residual frequencies, as well as the low frequency time intervals which are critical either for the system or for the turbines. In order to quantify the level of security, certain probabilistic indices concerning the characteristic values of frequency response (security) are presented, that are: the expected undershoot frequency due to a loss of generation event, the expected critical time for the turbines etc. The increase of security level by using the load shedding protection results inevitably in decreasing of the customer load reliability and quality. Therefore, some other probabilistic indices have to be defined. These incidents concern the load shedding (reliability) as they are, the expected duration of customer load interruptions, the expected annual not delivered energy due to the operation of the load shedding protection etc. Α new Monte-Carlo simulation method for setting the underfrequency load shedding protection of isolated power systems is presented. The method generates random times for the unit's failures and repairs and the operation of the system is simulated on the following three levels: first, the unit commitment and economic load-dispatching performed by System's Operator, second, the unit's primary regulation following each loss of generation event and third, the secondary regulation and the use of available spinning reserve. Using this method for a large number of year's operation, all the above probabilistic indices are evaluated. Therefore, by trial and error, it is possible to choose the load shedding strategy which provides acceptable probabilistic incidents. Then, two inverse problems which are more interesting for the praxis are formulated and analyzed. That are, given a vector of indices (either reliability or security), to determine the vector of appropriate load shedding strategy that satisfies the desirable indices. For this reason, a pattern generator is developed which produces vectors of random load-shedding strategies. Then, for each random strategy, the previous Monte-Carlo simulation method is used to calculate the respective vector of indices. The set that consists of a strategy vector and the respective vectors of indices is a pattern. These patterns are used to teach two multilevel artificial neural networks. Each network has as an input either the vector of reliability indices or the vector of security indices while the outputs are digital ones that correspond to predefined strategy classes. Finally, the contribution of short-time overloading of the generating units to the system security is studied. An improved speed-governor model is developed that permits the units short-time overloading according to the standards. A numerical method for optimal spinning reserve allocation in isolated power systems is developed. It is, also, demonstrated that only part of the emergency spinning reserve that is calculated by the equivalent unit model, actually exists. Moreover, a statistical analysis is committed showing that the correlation between spinning reserve and the frequency security criteria is about 70% and therefore, increasing the spinning reserve does not always implies improvement of the system security.

Η παρούσα Διατριβή έχει ως αντικείμενο την πιθανοτική ανάλυση της αξιοπιστίας και ασφάλειας λειτουργίας των απομονωμένων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας τα οποία είναι περισσότερο ευάλωτα λόγω του μικρού αριθμού των μονάδων παραγωγής και της έλλειψης στήριξης από γειτονικά συστήματα. Οι βασικοί μοχλοί μέσω των οποίων επιτυγχάνεται η αύξηση της ασφάλειας κατά την λειτουργία των συστημάτων είναι η αυτόματη αποκοπή φορτίου μέσω των ηλεκτρονόμων υποσυχνότητας και η τήρηση ικανής στρεφόμενης εφεδρείας, ταχείας απόκρισης. Καταρχάς, παρουσιάζεται το γνωστό μοντέλο δυναμικής απόκρισης της συχνότητας σε διαταραχές ισχύος που προέρχονται από ξαφνική απώλεια είτε παραγωγής είτε φορτίου. Το μοντέλο αυτό επιλύεται με αριθμητική μέθοδο η οποία επεκτείνεται προσομοιώνοντας, επίσης, την λειτουργία της προστασίας αποκοπής φορτίου. Επί της καμπύλης απόκρισης συχνότητας ορίζονται ορισμένα βασικά μεγέθη όπως είναι, οι χαρακτηριστικές τιμές της συχνότητας (κατώτατη, ανώτατη και εναπομένουσα) καθώς επίσης, οι κρίσιμοι χρόνοι για την μονάδα και για το σύστημα. Με στόχο τη ποσοτικοποίηση του επιπέδου ασφάλειας του συστήματος, ορίζονται πιθανοτικοί δείκτες επί των βασικών μεγεθών απόκρισης συχνότητας (ασφάλειας), όπως η αναμενόμενη κατώτατη συχνότητα μετά από απώλεια παραγωγής, ο αναμενόμενος κρίσιμος χρόνος για τους στροβίλους κλπ. Επειδή η αύξηση του επιπέδου ασφάλειας μέσω της προστασίας αποκοπής φορτίου έχει ως συνέπεια την μείωση της αξιοπιστίας τροφοδότησης των πελατών, ορίζονται παράλληλα πιθανοτικοί δείκτες αποκοπής φορτίου (αξιοπιστίας), όπως η αναμενόμενη διάρκεια διακοπών πελατών, η αναμενόμενη ετήσια μη διαθέσιμη ενέργεια λόγω λειτουργίας της εν λόγω προστασίας κλπ. Αναπτύσσεται αριθμητική μέθοδος προσομοίωσης της λειτουργίας απομονωμένου συστήματος με χρησιμοποίηση της ακολουθιακής μεθόδου Monte-Carlo. Παράγονται τυχαίοι χρόνοι βλαβών και επισκευών των μονάδων και προσομοιώνεται η ανά ώρα κατανομή φορτίου, η πρωτεύουσα ρύθμιση των μονάδων σε γεγονότα βλαβών, η λειτουργία της προστασίας αποκοπής φορτίου, η δευτερεύουσα ρύθμιση και η αξιοποίηση της στρεφόμενης εφεδρείας. Με βάση την προσομοίωση αυτή και λαμβάνοντας ικανό αριθμό ετών λειτουργίας του συστήματος, γίνεται εφικτός ο υπολογισμός των προηγούμενων πιθανοτικών δεικτών. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατόν να ελεγχθεί και να επιλεγεί τυχαία στρατηγική αποκοπής φορτίου εφόσον εξασφαλίζει αποδεκτούς πιθανοτικούς δείκτες. Στη συνέχεια, διατυπώνονται και αναλύονται δύο αντίστροφα προβλήματα τα οποία βρίσκονται εγγύτερα στη πράξη. Δηλαδή, με δεδομένους, επιθυμητούς δείκτες που αφορούν είτε στην ασφάλεια λειτουργίας είτε στην αξιοπιστία τροφοδότησης των πελατών, ζητείται να προσδιοριστεί η κατάλληλη στρατηγική αποκοπής φορτίου η οποία ικανοποιεί τους δείκτες αυτούς. Αναπτύσσεται γεννήτρια προτύπων μέσω της οποίας δημιουργούνται διανύσματα τυχαίων στρατηγικών και για κάθε μια από αυτές επιστρατεύεται η αναπτυχθείσα μέθοδος Monte-Carlo και παράγονται τα αντίστοιχα διανύσματα δεικτών. Έκαστη στρατηγική μαζί με τα αντίστοιχα διανύσματα δεικτών συγκροτεί ένα πρότυπο. Τα πρότυπα αυτά χρησιμεύουν για την εκπαίδευση δύο πολυ-επίπεδων, τεχνητών νευρωνικών δικτύων με ψηφιακές εξόδους. Κάθε νευρωνικό δίκτυο έχει ως είσοδο είτε τους δείκτες ασφάλειας λειτουργίας είτε τους δείκτες αξιοπιστίας τροφοδότησης πελατών και ως έξοδο ψηφιακές κλάσεις που αντιστοιχούν σε καθορισμένες, γνωστές στρατηγικές. Τέλος, εξετάζεται η συμβολή της υπερφόρτισης, βραχείας διάρκειας, των μονάδων παραγωγής επί της ασφάλειας του συστήματος. Προτείνεται βελτιωμένο μοντέλο ρυθμιστή στροφών το οποίο επιτρέπει την βραχύχρονη υπερφόρτωση της μονάδας, σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα. Αναπτύσσεται αριθμητική μέθοδος για την βέλτιστη κατανομή της στρεφόμενης εφεδρείας. Αποδεικνύεται ότι, μέρος μόνο της στρεφόμενης εφεδρείας ταχείας απόκρισης, όπως αυτή υπολογίζεται από το μοντέλο της ισοδύναμης μονάδας, στην πραγματικότητα υφίσταται. Εν κατακλείδι, γίνεται στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων και αποκαλύπτεται ότι, η συσχέτιση της στρεφόμενης εφεδρείας με τα κριτήρια ασφάλειας είναι της τάξης του 70% και άρα, κάθε αύξηση της στρεφόμενης εφεδρείας δεν συνεπάγεται αναγκαστικά και αύξηση της ασφάλειας λειτουργίας.