Distribution network reconfiguration and reactive power compensation using a combination of simulated annealing and Kruskal algorithm

[B. Stojanović]

115 str.

Tehničke nauke – Elektrotehnika - Elektroenergetski sistemi / Technical science – Electrical engineering - Power Systems

Poboljšanje snabdevanja električnom energijom se može postići različitim mešovitim strategijama, kao što su koordinisano upravljanje izvorima električne energije i smanjenje u gubicima aktivne snage. Zajednička koordinacija ovih strategija može dati optimalne rezultate u cilju minimiziranja gubitaka, popravke naponskog profila i korekcije ulaznog faktora snage distributivne mreže. Povoljni rezultati se mogu ostvariti promenom konfiguracije distributivne mreže – rekonfiguracijom. Cilj doktorske disertacije je da se za relativno dug operativni period od preko 1000 sati rada mreže, nađu optimalne konfiguracije na satnom nivou uz fiksno postavljene distribuirane izvore (vetrogeneratore i solarne panele) i kondenzatorske baterije. U tezi se određuje scenario kojim se postižu minimalni troškovi i cene ugrađenih kondenzatorskih baterija, gubitaka aktivne snage, vrednosti neisporučene i isporučene električne energije i ograničenja broja komutacija. Ovo je urađeno u skladu sa svim tehničkim zahtevima koji se postižu i prisustvom regulatora napona pod opterećenjem, u napojnom čvoru mreže. U analizu je uključena i ugradnja akumulacionih baterija za skladištenje električne energije. U disertaciji je realizovan algoritam koji je građen na osnovu dva optimizaciona algoritma. Jedan je algoritam simuliranog kaljenja, a drugi je Kruskalov algoritam. Kruskalov algoritam se primenjuje za problem rekonfiguracije, a simulirano kaljenje naknadno za problem kompenzacije. Kruskalov algoritam je primenljiv za problem rekonfiguracije mreža sa velikim brojem čvorova i grana. Za određivanje pozicije obnovljivih izvora energije, koriste se dva pristupa iz literature. Za vetroagregate primenjena je Monte Carlo metoda sa grafičkim prikazom, dok se solarni paneli postavljaju na osnovu druge heurističke metode. Inženjeri za distributivne mreže su svedoci mnogih promena u današnje vreme. Kada je potrebno da naponi čvorova mreže budu unutar dozvoljenih tolerancija, a da ulazni faktor snage bude veći od 0,85 sve tri moderne strategije pametne mreže: rekonfiguracija, otočna kompenzacija i prisustvo distribuirane proizvodnje, moraju biti angažovane. Čak i u tom slučaju, prisustvo regulatora napona pod opterećenjem u napojnom čvoru je, neophodno. Pametne mreže zahtevaju integrisana rešenja za jasno formulisane probleme, koji odražavaju činjenicu da svi ovi uređaji moraju zajednički da egzistiraju da bi se postigli efikasniji ciljevi kroz minimizaciju gubitaka aktivne snage i visok kvalitet isporučene energije krajnjim potrošačima. U analizu su uključena Gauss-ova i Weibull-ova raspodela za promenu potrošnje i izlazne snage vetrogeneratora, kao i dnevni dijagrami potrošnje za radni i neradni dan i insolacija solarnih jedinica. Rekonfiguracija distributivnih mreža vezana je za postupak otvaranja i zatvaranja komutacione opreme, da bi se izmenila topologija mreže sa određenim ciljem. Status komutacione opreme je diskretan i binaran. Kompenzacija reaktivne snage zahteva od operatera distributivne mreže da odredi mesto i veličinu kondenzatorskih baterija, koja je diskretna veličina tako da oba optimizaciona problema (rekonfiguracija i otočna kompenzacija) spadaju u klasu mešovito celobrojnog nelinearnog programiranja. Značaj istraživanja su koristi od optimalne lokacije otočnih kondenzatora, optimalne rekonfiguracije i lokacije distribuiranih generatora i sistema za skladištenje električne energije. Poboljšanja se sagledaju u: smanjenju gubitaka u vodovima, popravci naponskog profila, regulisanju vršnog opterećenja, smanjenju preopterećenja distributivnih vodova, smanjenju zagađenja okoline, povećanju ukupne energetske efikasnosti i produženju rada postojećeg sistema. Doktorska disertacija – Branko Stojanović Disertacija je izložena kroz deset poglavlja. Posebna pažnja je posvećena: jednokriterijumskoj i višekriterijumskoj optimizaciji rekonfiguracije distributivne mreže, otočnoj kompenzaciji reaktivne snage, simultanim problemima i obnovljivim izvorima u distributivnim mrežama. Modeli potrošnje i proizvodnje od klasičnih do savremenih prikazani su u posebnom poglavlju. Na primeru dve test mreže (IEEE sa 69 čvorova i 118 čvorova), implementirane su razvijene metode proračuna i dobijeni rezultati su prikazani grafički, numerički i tabelarno. Detaljno je urađena komparativna analiza rezultata proračuna, kada se primenjuje samo simulirano kaljenje i kada se primenjuje kombinacija Kruskalovog algoritma i simuliranog kaljenja, razvijenog u ovoj disertaciji. Tabelarno poređenje po usvojenim kriterijumima komparacije za opsežan deo dosad urađenih članaka i metoda, dat je na kraju disertacije

Supply improving of electrical energy can be achieved through various mixed strategies, such as coordinated management of electricity sources and reduction in active power losses. The joint coordination of these strategies can yield optimal results in minimizing losses, improving voltage profiles, and correcting the power factor of the distribution network. Favorable outcomes can be attained by changing the configuration of the distribution network – through reconfiguration. The aim of the doctoral dissertation is to find optimal configurations on an hourly basis for a relatively long operating period of over 1000 hours of network operation, with fixed distributed sources (wind generators and solar panels) and capacitor banks. The thesis determines a scenario that achieves minimal costs and prices of installed capacitor banks, active power losses, the value of undelivered and delivered electrical energy, and limitations on the number of commutations. This is done in accordance with all technical requirements along with load tap changer in the network's supply node. The analysis includes the installation of battery energy storage systems. An algorithm developed in the dissertation is based on two optimization algorithms: simulated annealing and Kruskal's algorithm. Kruskal's algorithm is applied to the reconfiguration problem, while simulated annealing is subsequently used for the compensation problem. Kruskal's algorithm is applicable to the reconfiguration problem of networks with a large number of nodes and branches. Two approaches from the literature are used to determine the positions of renewable energy sources. For wind turbines, the Monte Carlo method with graphical presentation is applied, while solar panels are placed based on another heuristic method. Distribution network engineers are witnessing many changes in today's world. When it is necessary for node voltages to be within allowed tolerances and for the power factor to be greater than 0,85, all three modern smart grid strategies: reconfiguration, shunt compensation, and the presence of distributed generation, must be engaged. Even in this case, the presence of a load voltage regulator at the supply node is essential. Smart grids require integrated solutions for clearly formulated problems, reflecting the fact that all these devices must coexist to achieve more efficient goals through minimizing active power losses and ensuring high-quality energy delivery to end consumers. Gaussian and Weibull distributions are included in the analysis for changes in consumption and output power of wind turbines, as well as daily consumption diagrams for working and non-working days and insolation of solar units. Reconfiguration of distribution networks is related to the process of opening and closing switching equipment to change the network's topology with a specific objective. The status of switching equipment is discrete and binary. Reactive power compensation requires the distribution network operator to determine the location and size of capacitor banks, which is a discrete variable, so both optimization problems (reconfiguration and shunt compensation) fall into the class of mixed integer nonlinear programming. The significance of the research lies in the benefits of optimal shunt capacitor locations, optimal reconfiguration and location of distributed generators and energy storage systems. Improvements are seen in: reducing losses in conductors, improving voltage profiles, regulating peak loads, reducing overloads of distribution lines, reducing environmental pollution, increasing overall energy efficiency, and extending the life of the existing system. The dissertation is presented in ten chapters. Special attention is paid to: single and multi-criteria optimization of distribution network reconfiguration, reactive power compensation, simultaneous Doktorska disertacija – Branko Stojanović problems, and renewable sources in distribution networks. Models of consumption and production from classical to modern are presented in a separate chapter. Using two test networks (IEEE with 69 nodes and 118 nodes) as examples, the developed calculation methods are implemented, and the results obtained are presented graphically, numerically, and in tables. A detailed comparative analysis of calculation results is performed when only simulated annealing is applied and when a combination of Kruskal's algorithm and simulated annealing, developed in this dissertation, is applied. A tabular comparison based on adopted comparison criteria for a significant part of previously conducted articles and methods is provided at the end of the dissertation.

rekonfiguracija, otočna kompenzacija, kondenzatorske baterije, distribuirana proizvodnja, simulirano kaljenje, minimalno razgranato stablo - Kruskalov algoritam, akumulacione baterije za skladištenje električne energije

reconfiguration, compensation, capacitor batteries, distributed generation, simulated annealing, minimum spanning tree - Kruskal algorithm, battery electricity storage systems

621.311.15/.16(043.3)

Tekst