Distribution network reconfiguration for smart grid operation

Abstract

Güç şebekesinde artan talep, yüklerin çeşitliliği, çevresel kaygılar, yenilenebilir enerji kaynakların artırılması, talep katılımı ve yeni teknolojiler mevcut şebekelerin karmaşıklığını artırmaktadır. Akıllı şebeke, gelişmiş bilgi ve iletişim sistemlerinin yardımıyla modern güç ağlarını kontrol etmek ve izlemek amacıyla genel bir konsept olarak planlama ve işletmede verimli ve güvenilir çözümler sağlamak için ortaya çıkmıştır. Akıllı şebeke ortamında dağıtım sistemleri, tüketicilere tedarik sağlayan son kısım olduğu için önemli bir rol oynamaktadır. Radyal yapılar, dengesiz dağıtılmış yükler, çok sayıda dal ve düğüm nedeniyle planlama, durum tahmini, anahtarlama ve yük akışı analizlerinde zorluklarla karşılaşılabilir. Rekonfigürasyon, şebekenin planlama ve işletmesinde kullanılan bir araçtır. Rekonfigürasyon temel bir kontrol eylemi, bir anahtarlama işlemi de olsa anahtarların ayrık doğası, birçok anahtarlama kombinasyonu ve radyallik kısıtlaması, işlemi karmaşık tam sayılı bir probleme dönüştürür. Bu tezde, önce dağıtılmış yük profilleri için rekonfigürasyon problemine analitik bir yaklaşım tanıtılmıştır. Spot yüklere sahip sistemlerde hızlı çözüm elde etmek için duyarlılık indeksi tabanlı bir yöntem araştırılmıştır. Daha sonra anahtarlama işlemi için yeni bir yöntem geliştirilmiş ve sistemin topoloji değişiklikleri, yük akışı analizi için tanıtılan bara akımından hat akımı (BIBC) matrisinin modifiye edilmesiyle temsil edilmiştir. Önerilen yöntem, rekonfigürasyon problemine kesin çözüm sağlayan bir ızgara arama algoritması kullanılarak test edilmiştir. Yük modellemenin dağıtım şebekesinin yeniden yapılandırılmasına etkileri, gerilime bağlı ve zamanla değişen yükler kullanılarak araştırılmıştır. Son olarak, büyük şebekelerde yeniden yapılandırma problemini çözmek için metasezgisel yöntem olan Yapay Arı Kolonisi (YAK) algoritması geliştirilerek kullanılmıştır. Analitikten metasezgisel yaklaşımlara kadar uygulanabilecek çözüm yöntemleri geliştirilmiş ve rekonfigürasyon problemine güvenilir çözüm elde etmek için çeşitli dağıtım şebekelerine uygulanarak sonuçlar değerlendirilmiştir.

In power network, increasing demand, load variations, environmental concerns, renewable penetration, demand participation, and new technologies increase complexity of existing networks. Smart grid is emerged as an overall concept to control and monitor modern power networks with the help of advanced information and communication systems. In smart grid environment, distribution networks play an important role and its radial structure, unbalanced distributed loads, a great number of branches and nodes may cause challenges in network planning, state estimation, switching and load flow analysis. Reconfiguration is used as a tool for planning and operation. Although a basic control action involves in reconfiguration; discrete nature of switches, many switching combinations and radiality constraint transform the problem into a mixed integer form. In this thesis, first an analytical approach to reconfiguration problem is introduced for distributed load profiles. A sensitivity index based method is investigated for systems with spot loads. Then, a new method is developed for changed topology representation of a distribution network by bus-injection to branch-current (BIBC) matrix which has been introduced for load flow analysis of the distribution networks. The proposed method is tested using grid search algorithm which provides the exact solution. Effects of load modelling into distribution network reconfiguration is investigated with using voltage dependent and time varying loads. Finally, a metaheuristic method, Artificial Bee Colony (ABC) algorithm, is modified to solve problem for large systems. The solution methods from analytical to metaheuristic approaches are investigated and applied to distribution networks to obtain a reliable solution to reconfiguration problem.