[en] TWO-STAGE ROBUST OPTIMIZATION MODELS FOR POWER SYSTEM OPERATION AND PLANNING UNDER JOINT GENERATION AND TRANSMISSION SECURITY CRITERIA
[pt] Recentes apagões em todo o mundo fazem da confiabilidade de sistemas de potência, no tocante a contingências múltiplas, um tema de pesquisa mundial. Dentro desse contexo, se faz importante investigar métodos eficientes de proteger o sistema contra falhas de alguns de seus componentes, sejam ela...
| Main Author: | |
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| Other Authors: | |
| Language: | en |
| Published: |
MAXWELL
2015
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| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=24754@1 https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=24754@2 http://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.24754 |
| Summary: | [pt] Recentes apagões em todo o mundo fazem da confiabilidade de sistemas
de potência, no tocante a contingências múltiplas, um tema de pesquisa
mundial. Dentro desse contexo, se faz importante investigar métodos eficientes
de proteger o sistema contra falhas de alguns de seus componentes, sejam elas
dependentes e/ou independentes de outras falhas. Nesse sentido, se tornou
crucial a incorporação de critérios de segurança mais rigorosos na operação e
planejamento de sistemas de potência.
Contingências múltiplas são mais comuns e desastrosas do que falhas
naturais e independentes. A principal razão para isso reside na complexidade
da estabilidade dinâmica de sistemas de potência. Além disso, o sistema de
proteção que opera em paralelo ao sistema de distribuição não é livre de
falhas. Portanto, interrupções naturais podem causar contingências em cascata
em decorrência do mau funcionamento de mecanismos de proteção ou da
instabilidade do sistema elétrico como um todo. Nesse contexto, se dá a
motivação pela busca de critérios de segurança mais severos como, por exemplo,
o n - K, onde K pode ser maior do que 2.
Nesse trabalho, o principal objetivo é incorporar o crtitério de segurança
geral n-K para geração e transmissão em modelos de operação e planejamento
de sistemas de potência. Além de interrupções em geradores, restrições de
rede, bem como falhas em linhas de transmiss˜ao também são modeladas.
Esse avanço leva a novos desafios computacionais, para os quais formulamos
metodologias de solução eficientes baseadas em decomposição de Benders.
Considerando operação, duas abordagens são apresentadas. A primeira propõe
um modelo de otimização trinível para decidir o despacho ótimo de energia
e reservas sob um critério de segurançaa n - K. Nessa abordagem, a alta
dimensionalidade do problema, por contemplar restrições de rede, bem como
falhas de geradores e de linhas de transmissão, é contornada por meio da
implícita consideração do conjunto de possíveis contingências. No mesmo
contexto, a segunda abordagem leva em conta a incerteza da carga a ser
suprida e a correlação entre demandas de diferentes barras. Considerando
planejamento de expansão da transmissão, outro modelo de otimização trinível
é apresentado no intuito de decidir quais linhas de transmissão, dentro de um
conjunto de candidatas, devem ser construídas para atender a um critério de
segurança n - K e, consequentemente, aumentar a confiabilidade do sistema
como um todo. Portanto, as principais contribuições do presente trabalho
são as seguintes: 1) modelos de otimização trinível para considerar o critério
de segurança n - K em operação e planejamento de sistemas de potência,
2) consideração implícita de todo o conjunto de contingências por meio de
uma abordagem de otimização robusta ajustável, 3) otimização conjunta
de energia e reserva para operação de sistemas de potência, considerando
restrições de rede e garantindo a entregabilidade das reservas em todos os
estados pós-contingência considerados, 4) metodologias de solução eficientes
baseadas em decomposição de Benders que convergem em passos finitos para
o ótimo global e 5) desenvolvimento de restrições válidas que alavancam a
eficiência computacional. Estudos de caso ressaltam a eficácia das metodologias
propostas em capturar os efeitos econômicos de demanda nodal correlacionada
sob um critério de segurançaa n - 1, em reduzir o esfor¸co computacional para
considerar os critérios de seguran¸ca convencionais n-1 e n-2 e em considerar
critérios de segurança mais rigorosos do que o n - 2, um problema intratável
até então. === [en] Recent major blackouts all over the world have been a driving force to
make power system reliability, regarding multiple contingencies, a subject of
worldwide research. Within this context, it is important to investigate efficient
methods of protecting the system against dependent and/or independent
failures. In this sense, the incorporation of tighter security criteria in power
systems operation and planning became crucial.
Multiple contingencies are more common and dangerous than natural
independent faults. The main reason for this lies in the complexity of the
dynamic stability of power systems. In addition, the protection system, that
operates in parallel to the supply system, is not free of failures. Thus, natural
faults can cause subsequent contingencies (dependent on earlier contingencies)
due to the malfunction of the protection mechanisms or the instability of the
overall system. These facts drive the search for more stringent safety criteria,
for example, n - K, where K can be greater than 2.
In the present work, the main objective is to incorporate the joint generation
and transmission general security criteria in power systems operation and
planning models. Here, in addition to generators outages, network constraints
and transmission lines failures are also accounted for. Such improvement leads
to new computational challenges, for which we design efficient solution
methodologies based on Benders decomposition. Regarding operation, two approaches
are presented. The first one proposes a trilevel optimization model
to decide the optimal scheduling of energy and reserve under an n - K security
criterion. In such approach, the high dimensionality curse of considering
network constraints as well as outages of generators and transmission assets
is withstood by implicitly taking into account the set of possible contingencies.
The second approach includes correlated nodal demand uncertainty in the
same framework. Regarding transmission expansion planning, another trilevel
optimization model is proposed to decide which transmission assets should be
built within a set of candidates in order to meet an n - K security criterion,
and, consequently, boost the power system reliability. Therefore, the main contributions
of this work are the following: 1) trilevel models to consider general
n - K security criteria in power systems operation and planning, 2) implicit
consideration of the whole contingency set by means of an adjustable robust
optimization approach, 3) co-optimization of energy and reserves for power
systems operation, regarding network constraints and ensuring the deliverability
of reserves in all considered post-contingency states, 4) efficient solution
methodologies based on Benders decomposition that finitely converges to the
global optimal solution, and 5) development of valid constraints to boost computational
efficiency. Case studies highlight the effectiveness of the proposed
methodologies in capturing the economic effect of nodal demand correlation
on power system operation under an n - 1 security criterion, in reducing the
computational effort to consider conventional n-1 and n-2 security criteria,
and in considering security criteria tighter than n - 2, an intractable problem
heretofore. |
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