Flexible load management in active distribution system

Abstract

Power networks have been developing since they appeared, and this development has accelerated because of developed technology. Along with the changing living conditions, the amount of electricity consumed in the networks has increased regularly every year. On the other hand, industrialization has caused the more big-amount loads to be added to the network, especially industrialization has been a major factor in the increase of electricity demand of developing countries such as southeast Asia and in this direction, their increase in electricity generation capacities or towards them to the import of electricity. As a result of these changes and developments in the networks, the power systems have grown over time and interconnected or wide area synchronous networks have emerged. Sometimes these networks have emerged as sub-networks of a national network, and sometimes by connecting the national networks of different countries. Interconnected networks were created in order to meet the consumption in the network more comfortably, especially in networks where power plants and load weights are distant, in order to carry the generated power to other regions more easily. Moreover, another reason for the emergence of these networks was to increase network stability, security, and reliability. In fact, some international interconnected grids were also helped to improve the operating standards and monitoring mechanisms of some of the countries they include, since the main principle of these networks is that they are fully synchronous in some factors such as frequency. As a result of the synchronous drift that would occur for any reason in the existing sub-networks of the interconnected network, the sub-network is disconnected and immediately separated from the interconnected network. Failure of disconnection or late separation of the network that has synchronous slippage may drag the entire network to a collapse. In addition to the increase in electricity consumption, the nature of the network and type of elements such as load and generators have changed in recent years. Moreover, the inclusion of renewable and distribution generators, which are producing on a small scale, the fact that some loads enter and exit to the network rapidly, and the emergence of a fact like electricity market, in spite of the benefits they add to the network, can be caused some problems if not properly managed. For instance, there are some issues that should be managed well in the electricity market such as taking the offers for the next day and make the necessary preparations by making the day ahead load forecast very carefully. Furthermore, some power plants refrain from bidding for economic reasons, or they may prefer to stay out of the market by placing higher bids, so that the control authority must impose necessary preventive practices in this regard in order to avoid generation deficiencies. It is very important to schedule a planned maintenance in power plants, also small generation sources should be evaluated and planned very well. Even if the market conditions of the day before have been well evaluated, it is inevitable that some problems in the network will still be experienced. These problems may be encountered when the generation and consumption capacity balance is on the border, or when the reserves do not meet the total consumption. The balance of generation and consumption should always be equal in the network, that is, generation or consumption should not be less or more than one another, so the network operator tries to keep the frequency and voltage values in the network within the acceptable range by observing the balance between generation and consumption at any time. In case of severe disturbances in the network, there is a loss of generation generally, which starts to change the frequency and voltage value in the network. In this case, the network operator needs to drop the excess load to ensure balance, this operation is called Load Shedding (LS). Load shedding is generally divided into Under-Frequency Load Shedding (UFLS) and Under-Voltage Load Shedding (UVLS). The difference between these methods is the load shedding is performed by observing the frequency value in one and the load shedding done by observing the voltage value in the other. Conventional methods are available for both load shedding, these conventional methods often attempt to balance the network by removing the load in predetermined steps. These methods are generally decentralized, that is, they do not provide a specific solution for every situation, but they go towards reducing the load in certain buses and at certain levels. Of course, this situation can sometimes lead to under-shedding or an over-shedding of the desired amount, which in turn causes the network to collapse. In addition to the amount of load to be thrown, the time to apply the load shedding is also very important. If the operation is not carried out in time, the network goes to the collapse again and the load to be thrown is not important anymore. The buses where the load shedding is to be applied is another important aspect so that when conventional load shedding methods cannot produce a solution to the situation, they apply the load shedding process at the previously determined buses. In developing power networks, developing new methods for load shedding is at the forefront of experts for a long time. Almost all of the newly developed methods are centralized and they have the ability to generate solutions by observing all the buses in their own responsibility areas and collecting data, evaluating the status of the network in case of problems by using the communication infrastructures. When the grid condition is evaluated and processed with the help of computers, the amount of load, time and place to be thrown can be selected and applied more accurately. These methods proposed in recent years due to increase in the amount of data, limited response time, and most importantly, to achieve the best answer are generally developed with supporting of optimization algorithms. The performance and usability of optimization algorithms in power systems can be clearly seen in other studies topics such as protection systems. In this thesis, flexible load management optimization by using load shedding and optimal reconfiguration in active distribution power networks were studied. Hence, in the first chapter of this thesis, the development, structure, basic concepts, network values which were taken from different countries, and consumption data with real data were shown and compared. Furthermore, information and evaluations about previous studies and the purpose of the thesis were included in this chapter. In the second chapter, voltage stability, voltage collapse, load shedding definition, and classifications were discussed. In the third chapter, the amount, location and timing of load shedding, load shedding, and power flow formulations were discussed. Also, the definition of various optimization algorithms like Genetic Algorithm (GA), Particle Swarm Optimization (PSO), and Binary Particle Swarm Optimization (BPSO) were discussed. Finally, an explanation about Optimal Distribution Network Reconfiguration (ODNR), also explanation and formulation of voltage stability index which was used in the second study case are also available. In the fourth chapter, for the first study case, simulation and results of the applied method were given. At this stage, after evaluating a 69-bus and 33-bus IEEE distribution test system under normal conditions, the system was self-healing with optimal switching with the help of the BPSO optimization algorithm, and the results were shared. Then, the BPSO optimal switching and load shedding through the power flow process were performed together, and the results were given for each evaluated in three cases. A novel method was proposed in the second study case. In this study case, in the 33-bus IEEE distribution test system, a smart grid was considered. load management was carried out with controllable loads in smart homes by load shedding with the help of the PSO optimization algorithm. The results of this newly proposed method were given for two different analysis cases. In the last chapter, conclusions and recommendations regarding both study cases of the thesis were presented in the fifth chapter.

Güç şebekeleri ortaya çıktıkları zamandan beri gelişmekteler, bu gelişim özellikle son yarım asırda aşırı derecede hızlanmıştır. Değişen yaşam şartları ile beraber, şebekelerde tüketilen elektrik miktarı genel olarak her yıl düzenli şekilde artmıştır. Öte taraftan sanayileşme daha fazla ağır yüklerin şebekeye eklenmesine sebep olmuştur, özellikle sanayileşme güneydoğu Asya gibi gelişmekte olan ülkelerin elektrik ihtiyacının artması ve bu doğrultuda bu ülkelerin elektrik üretim kapasitelerinde artışa gitmeleri veya elektrik ithalatına doğru yönelmelerinde büyük bir etken olmuştur. Şebekelerdeki bu değişim ve gelişim neticesinde şebekeler zaman içerisinde daha da büyüyerek enterkonnekte veya geniş alanlı senkron şebekeler ortaya çıkmıştır. Bu şebekeler bazen alt şebkelerden oluşan milli bir şebeke olarak, ve bazen de değişik ülkelerin milli şebekelerini bir birine bağlanarak ortaya çıkmıştır. Enterkonnekte şebekeleri, şebekede tüketimi daha rahat karşılamak için, özellikle üretim santrallerinin ve yük ağırlığının uzak olduğu şebekelerde, üretilen gücü başka bölgelere daha rahat taşımak adına oluşturulmuşlardır. Ayrıca, bu şebekelerin ortaya çıkmalarının bir başka nedeni ise, şebeke stabilitesi, güvenliğini, ve güvenilirliğini artırmaktır. Hatta, bazı uluslarası enterkonnekte şebekeleri, içine aldıkları bazı ülkelerin işletim standartlarını ve denetleme mekanizmalarının gelişmesine de yardımcı olmuştur, bunun nedeni ise bu şebekelerin ana prensibinin frekans gibi değerlerin tamamen senkron olmasıdır, enterkonnekte şebekesinde mevcut olan alt şebekelerde her nedenle yaşanacak senkron kayması neticesinde o şebekenin enterkonnekte şebekesiyle irtibatı kesilerek hemen ayrılır. Senkron kayması yaşayan şebekenin ayrılmaması veya geç ayrılması tüm şebekeyi çöküşe sürükleyebilir. Elektrik tüketiminin artmasının yanı sıra, son yıllarda şebekelerin doğası ve turu de değişmiştir. Bir taraftan, küçük çapta üretim yapan yenilenebilir ve dağıtım generatörlerin şebekeye katılması, diğer taraftan yüklerin şebekeye girip çıkmasının daha hızlı yaşanması, öte taraftan elektrik piyasası diye bir gerçeğin ortaya çıkması, güç şebekelerine her ne kadar olumlu etkiler katsalar da iyi şekilde yönetilmediklerinde bazı sorunları da beraberlerinde getirmektedirler. Örnek olarak, elektrik piyasası başlı başına iyi yönetilmesi gereken bir konudur, öncelikle gün öncesi yük tahmini çok dikkatli yapılarak sonraki gün için tekliflerin alınması ve gerekli hazırlıkların yapılması çok önemlidir. Üretim santrallerindeki yapılacak planlı bakımlar, ekonomik açıdan bazı santrallerin teklif vermemesi ya da yüksek teklif vermesi sonucunda kasten dışarda kalmak istemeleri, küçük üretim kaynaklarının şebekeye eklenme ve çıkış zamanları gibi konular çok iyi değerlendirilip, planlanmalı, ve denetilmelidir. Kısa, orta, ve uzun vadeli elektrik ihtiyacı değerlendirilmesi ve gerekli planlamalar ve yatırımların yapılması halinde, ve ayrıca gün önceki piyasa şartlarının da her ne kadar iyi değerlendirilmiş olsa bile, yine de şebekede bazı sorunların yaşanması kaçınılmazdır. Üretim ve tüketim kapasitesinin sınırda olduğu zamanlar, ya da rezervlerin tüketim ihtiyacını karşılamadığı zaman bu sorunla karşılaşabiliriz. Bu konuda dikkat edilmesi gereken nokta, kurulu olan güç üretim kapasitesi ile belirli gün ya da zaman içerisinde üretime hazır olan kapasite arasında fark vardır, bu fark neticesinde kurulu gücümüzün fazla olduğu durumlarda bile üretim için hazır olan kapasite ile yük miktarı sınırda olabilir. Üretim için hazır olmayan üretim santrallerinin sebebi için planlı ve plansız bakımlar, enerji kaynağı yetersizliğini ya da bazı santrallerin devreye girmesinin uzun zaman almasını sayabiliriz. Bu sebepler dışında şebekede yaşanacak bazı olumsuzluklar nedeni ile de üretim ve tüketim arasındaki denge bozulması ile karşılaşabiliriz, bunlada ana iletim hatlarının çıkışı, büyük kapasiteli üretim santrallerinin şebekeden çıkışı, ithalat yapılan şebekelerde güç akışının kesilmesi gibi örnekleri sayabiliriz. Genellikle günlük operasiyonlar şebekede böyle olumsuzluklar ile çok sık karşılaşılır, bu tür durumlar yaşandığında şebeke operatörü yapacağı operasyonlar ile rezerv kaynaklar, ya da rezerv hatları devreye sokarak yaşanacak sorunların önüne geçer. Ancak, üzerinde durulması gereken konu, şebekede yaşanacak şiddetli olumsuzluklarda yani saydığımız bazı durumların beraber meydana geldiklerinde, ya da çapları çok büyük olduğunda, ve şebekedeki rezervlerin ya da beklenen durumlarda yapılacak operasiyonların yetersiz kaldığı durumlarda ne yapmamız gerektiğidir. Şebekede her an üretim ve tüketim dengesinin sabit olması gerekmektedir, yani üretim veya tüketimin bir diğerinden az ya da fazla olmaması gerekir, bunun için şebeke operatörü üretim ve tüketim arasındaki dengeyi her an gözetleyerek, şebekedeki frekans ve gerilim değerlerinin Kabul edilir aralıkta tutmaya çalışır. Şebekede yaşanan şiddetli olumsuzluklar ya da ciddi hatalarda genellikle üretim kaybı yaşarız, bu durumda şebekemizde frekans ve voltage değeri değişmeye başlar. Bunun sonucunda şebeke operatörü dengeyi sağlamak için fazla yükü atması gerekir, bu yük atma operasiyonuna Load Shedding (LS) denilir. Load shedding de yapılan işlem, yükten belirli bir miktar atılarak, yani o kullanıcıları elektriksiz bırakarak, tüketimi düşürerek, üretim ile dengelemeye çalışılır. Load shedding bazen de elektrik arzının yetersiz olduğunun önceden tahmin edilmesi durumunda planlı olarak da yapılması mümkündür. Elektrik piyasası şartlarında bazı elektrik dağıtıcı firmaları, yaptıkları anlaşmada, meydana gelecek böyle durumlarda kullanıcıların kendi istekleriyle şebekeden ayrılmaları durumunda onlara elektrik fiyatları konusunda avantajlar sağlamaktadır. Ama günümüz şebeke yönetiminde önemli konu olan, plansız şekilde ve aniden gelişen durumlar neticesinde hızlıca uygulanması gereken yük atmadır. Yük atma genellikle Under-Frequency Load Shedding (UFLS) ve Under-Voltage Load Shedding (UVLS) olarak ayrılır. Bu metodlar arasındaki fark, birinde frekans değeri gözetlenerek yapılan yük atma ve diğerinde gerilim değeri gözetlenerek yapılan yük atmadır. Her iki yük atma için de konvansiyonel metodlar mevcuttur, bu konvansiyonel metodlar genellikle daha önceden belirlenen kademeler şekilde yükü atarak dengeyi sağlamaya çalışır. Bu metodlar genellike merkezi olamayan yöntemlerdir, yani yaşanacak her duruma özel çözüm vermemekle beraber daha önceden belirli baralarda ve belirli kademelerde yük azaltmaya doğru giderler. Tabi bu durum bazen atılacak yük miktarının altında kalınması (Under-Shedding) ya da istenilen miktardan fazla yük atılmasına (Over-Shedding) sebep olabilmektedir, ki bu durmda şebeke çökmeye doğru gider. Atılacak yükün miktarının yanı sıra, yük atmanın uygulanması gereken zaman da çok önemlidir, yuk atma operasiyonu zamanında yapılmadığı durumda, şebeke yine çöküşe gider ve atılacak yükün önemi kalmaz. Yük atmanın uygulanacağı baralar da bir başka önemli ayaktır, öyle ki konvansiyonel yük atma metodları yaşanacak duruma karşı çözüm üretemedikleri için, daha önceden belirlenen baralarda yük atma işlemini uygularlar. Gelişen güç şebekelerinde, yük atma için yeni metodlar geliştirilmesi uzun zamandir uzmanların çalıştığı konuların başındadır. Yeni geliştirilen metodların tamamına yakını, merkezi olan, yani mevcut olan iletişim altyapılarını kullanarak kendi sormluluk alanlarındaki tüm baraları gözlemleyerek, ve verileri toplayarak, yaşanacak sorunlarda şebekenin durumunu değerlendirerek çözüm üretme kabiliyetleri vardır. Şebeke durumu değerlendirildiği ve bilgisayarlar yardımı ile veriler işlendiği zaman, atılacak yük miktarı, zamanı, ve yeri daha doğru şekilde seçilip, ve uygulanabilir. Veri miktarının fazla olması, verileri işleme ve uygulama zamanın kısıtlı olması, ve en önemlisi en iyi cevaba ulaşmak için, son yıllarda önerilen metodlar genellikle optimizasiyon algoritmaları yardımı ile geliştirilen metorlardır. Optimizasiyon algoritmaların performansı ve kullanılabilirliği güç şebekelerinin koruma sistemleri gibi diğer alanlarda yapılan çalışmalarda da açıkça görülmektedir. Bu doğrultuda, bu tez çalışmasında yük atma optimizasiyonu ve sistemin yeniden düzenlenmesi ile kendi kendini geri getirme yani self-healing optimizasiyon işlemleri üzerinde çalışılmıştır. Buna göre, bu tez çalışmasının ilk bölümünde, güç şebekelrinin gelişimi, yapısı, temel kavramlar, değişik ülkelerde kullanılan şebeke değerleri, ve gerçek veriler ile tüketim değişimleri gösterilip ve karşılaştırılmıştır. Ayrıca tez konusu içinde kullanılan optimizasiyon algoritmaları ve optimal yeniden şebeke düzenlemesi hakkında daha önce yapılan çalışmaların bazıları tanıtılıp, yapılan işlemler, alınan sonuçlar, avantaj, ve dezavantajları üzerine konuşulmuştur. İkinci bölümde, gerilim stabilite kavramları üzerinde konuşulduktan sonra, voltaj çökmesi, load shedding ve load shedding tanıtılmıştır. Daha sonra, yük atmayla ilgili kategoriler, tanımlar, ve terimler paylaşılmıştır. Üçüncü bölümde ise, under-voltage load shedding ile ilgili açıklamalar yer aldıktann sonra, yük atma işleminin en önemli ayakları olan, miktar, yer, ve zaman kavramları anlatıldıktan sonra, yük atma matematik formülleri verilmiştir. Bu bölümün en son kısımları ise bazı optimizasiyon algoritmaları ile ilgili açıklamalar, matematiksel formüllerine değinilmiştir. Dördüncü bölümde, birinci çalışma örneğide uygulanan metodun simülasyon ve cevapları verilmiştir. Bu aşamada ilk önce 69-baralı ve 33- baralı değiştirilmiş IEEE standart dağıtım sistemlerinde normal şartlar altında değerlendirildikten sonra, ilk önce BPSO optimizasiyon algorıtması yardımıyla optimum anahtarlama ile sistemi geri döndürme yani self-healing işlemi üzerinden optimal yeniden şebeke düzenlemesi yapılıp ve sonuçları paylaşılmıştır, daha sonra BPSO optimum anahtarlama ile güç akışı ile beraber yük atma işlemi birlikte yapılarak sistemi geri döndürme üzerinden optimal yeniden şebeke düzenlemesi sonuçları verilip ve sonuçlar her üç durumda değerlendirilip, ve karşılaştırılmıştır. Birinci çalışmanın son kısmında, uygulanan algorıtma performansı her iki sistem için yan yana verilen veriler ile karşılaştırılmıştır. Bu bölümde, ikinci çalışma örneğinde, yük yönetimi için yeni bir metod önerilmiştir. 33-baralı IEEE standart dağıtım sisteminde ele alınan akıllı şebekede, akıllı evlerde kontrol edilebilir yüklerin yönetimi ile, ve ayrıca PSO optimizasiyon algorıtmasından yararlanarak, optimum yük atma işlemi yapılıp ve sonuçları paylaşılmıştır. Buna göre, bu çalışma iki farklı analiz üzerinde yapılmıştır, birinci analiz tam yüklenme (100% yüklenme) ve ikinci analiz 10% aşırı yüklenme (110% yüklenme) üzerinden ele alınmıştır ve sonuçlar, ve düzenlenmiş gerilim değerleri bazı saat ve baralar üzerinden paylaşılıp ve karşılaştırılmıştır. Tezin beşinci kısmında yapılan çalışmalar ile ilgili sonuç ve önerilen sunulmuştur. Burada optimum load shedding gereksinimi ve performansına vurgu yapılarak, bu konuda bazı öneriler sunulmuştur.