Methods of optimal transmission grid development with the application of georeferencing

[В. Ристић]

VIII, 155 стр.

Техничке науке – Електротехника - Електроенергетски системи / Technical science – Electrical engineering - Power systems

Предмет истраживања докторске дисертације је испитивање метода за оптимално планирање развоја преносне мреже и на дугорочном, и на средњорочном временском хоризонту, као и модификација одабраних метода тако да се што боље одговори на захтеве који се постављају пред инжењере који се баве планирањем развоја преносних мрежа. Идеја за тему дисертације је потекла од практичних проблема са којима се аутор сусретао током рада на таквим задацима, као и од све веће потребе да се у планерске процедуре уведе одређени степен аутоматизације. За почетак се мора појаснити зашто је било потребно наглашавати да ће дисертација садржати предлоге методологија за оптимално планирање преносних мрежа на два временска хоризонта – средњорочном и дугорочном, то јест, зашто није препоручљиво користити идентичну методу за планирање развоја преносне мреже на оба хоризонта. Планирање развоја мреже које би се могло назвати дугорочним обрађује временске хоризонте након иницијалног десетогодишњег периода, те се одликује мањом доступношћу поузданих података, то јест, далеко већим бројем неизвесности које се морају узети у обзир. По томе би и резултате оваквог планирања система требало схватати индикативно. Са друге стране, развој на средњорочном хоризонту (од пет до десет година унапред) карактерише квалитетнији скуп улазних података, те би се, на овом хоризонту, резултати планирања могли сагледавати и као прецизни идентификатори пројеката у које би требало уложити средства. Одатле је јасно да би се коришћење метода за дугорочно планирање на средњорочном хоризонту могло сматрати непоузданим, док би се примењивање метода за средњорочно планирање на дугорочном хоризонту могла схватити као беспотребно трошење ресурса. Зато се у дисертацији предлажу две методе – једна за дугорочно планирање развоја мреже (базирана на мешовитом целобројном линеарном програмирању) и друга метода за средњорочно планирање развоја мреже (заснована на изменама диференцијалне еволуције). Једна од основних разлика између предложених поступака оптимизације лежи и у начину на који је код сваког од њих дефинисана критеријумска функција. Наиме, код дугорочног развоја мреже је функција била унапред дефинисана од стране аутора дисертације. Насупрот овоме, приликом избора критеријумске функције за средњорочно планирање развоја преносне мреже уважено је мишљење стручњака задужених за планирање развоја у Акционарском друштву „Електромрежа Србијеˮ, оператору преносног система Републике Србије. Ово је урађено тако што је креирана анкета у којој је од инжењера задужених за тај процес тражено да се изјасне о критеријумима које би било потребно уважити при оптимизацији процеса развоја преносне мреже. Резултати анкете су уврштени у прорачуне представљене у овој дисертацији или преко критеријумских функција на основу којих је неко решење проглашавано оптималним, или као ограничења која је решење морало да задовољи да би уопште остало у конкуренцији да буде проглашено оптималним. Такође је напоменуто и да би, уз неке модификације, предложени поступак било могуће применити и на друге случајеве у којима би проиритети инжењера који би вршили ову процедуру били постављени на другачији начин. Притом би основни принцип рада креираног алгоритма остао исти. Ово је истакло универзалност развијене технике и њену прилагодљивост разним практичним ситуацијама, што је од посебне важности у условима у којима се, под диктатом интеграције обновљивих извора енергије, планирање тренутно врши. vi Поменута флексибилност и свеобухватност се може доказати и са друге полазне тачке. Наиме, један од често истицаних недостатака софтверских алата који се уобичајено користе приликом планирања развоја мрежа је то што су начини уноса потребних података о параметрима мреже и представљања добијених резултата неинтуитивни. Овај проблем се везује за то што овакви софтвери обично користе релативно компликоване табеларне форме. Притом се уважавање специфичности терена на коме се систем налази оставља искуству инжењера. Како би се тако нешто избегло, методе предложене у овој дисертацији комбинују техничке одлике мреже која се развија и особине рељефа области у којој је мрежа лоцирана. Код дугорочног планирања, геореференцирање помаже у одређивању локација погодних за подизање ветроелектрана. Код средњорочног хоризонта, та метода служи за дискретизацију домена претраге оптимизационе методе, чиме омогућава и њену примену за решавање проблема оптималног развоја мреже. У наставку претходног разматрања, потребно је истаћи још један недостатак значајног дела комерцијално доступних програмских алата за планирање развоја преносних мрежа, а то је посматрање простора као дводимензионалне равни. Сходно томе се и дужина нових водова у систему одређује независно од надморских висина делова терена преко којих би траса новог вода требало да се пружа. У неким ситуацијама се то компензује емпиријски, што, са друге стране, може да компромитује тачност добијених резултата. Како би се то унапредило, метода предложена за средњорочно планирање у дисертацији садржи и посебан део базиран на модификацији ширинске претраге. Помоћу ове технике се, уз узимање у обзир надморских висина при дефинисању трасе вода, дозвољава и уважавање ставки попут постојања градских средина у којима се водови не могу градити или керауничких нивоа делова терена преко којих би траса вода потенцијално могла прећи. На овај начин се у предложеном алгоритму простор приказује у форми која је далеко ближа реалности, што доводи и до прецизнијег израчунавања параметара елемената мреже. Тако се постиже и већа прецизност приликом рачунања ефеката који би неки нови пројекат могао имати на рад мреже након што до његове реализације дође. На самом крају, јасно је да би развој метода предложених у овој дисертацији био само узалудно трошење ресурса ако не би био праћен и разматрањем могућности њихове имплементације у стандардну инжењерску праксу у надлежним институцијама. Сходно томе је пред крај текста представљено сагледавање могућих проблема до којих би могло доћи при увођењу развијених метода у свакодневни процес развоја преносне мреже. Притом је анализиран незанемарљив број аспеката, почевши од инерције великих компанија попут оператора преносних система када треба увести ма какве значајне промене, преко потребе за изменом постојећих процеса, што би даље могло довести до отпора међу стручњацима навикнутим на одређени начин рада, до потенцијалних потешкоћа при прибављању података потребних за примену предложених метода. Уз списак ових проблема, наведени су и предлози за њихово отклањање или, барем, ублажавање сходно претходним искуствима аутора и стручној литератури из ове области.

The topic of this doctoral dissertation is the evaluation of methods for the optimal transmission grid development both for the long-term and for the mid-term horizons. Along with that, the dissertation contains modification of the chosen methods in order to respond to challenges faced by the engineers in charge of the transmission grid development. The idea for the dissertation came from the practical experience of the author regarding the issues faced while coming up with the strategic decisions, as well as the ever-growing need for automatization of the certain parts of the planning procedures. In the very beginning, the reasons behind the underlining of the fact that dissertation will contain the suggestions of the methodologies for transmission grid planning on two separate time horizons need to be justified. In other words, it should be explained why it is not recommendable to apply the same method for the transmission grid planning on the long-term and on the mid-term horizon. First of all, the long-term planning of the transmission grid takes into account time frame well beyond the initial ten years from the moment of planning. This means that the availability of input data is quite low and that the reliability of the data, even if available, may be questionable. Hence, the results of this process should not be taken verbatim, but seen as an indication of the areas in which the need for the system reinforcements may arise in the upcoming period. On the other hand, the mid-term development (five to ten years in advance) boasts the set of input data of higher quality, so the results of this process can be seen as identifiers of projects for which the resources should be spared. Now it is understandable that the application of methods for long-term planning on mid-term would harm the reliability of the procedure, whereas the usage of methods for the mid-term planning on long-term could be perceived as the sub-optimal distribution of the resources. This is why this dissertation proposes individual methods for both of these, with the method for long-term planning based on the mixed-integer linear programming and the technique for mid-term planning based on the modified differential evolution. One of the major differences between the proposed algorithms is in the manner in which the objective functions for optimization process are specified. For the long-term planning, the author of dissertation was the one deciding upon them. Countering that, the criteria that were taken into consideration in the part of this dissertation dealing with the mid-term planning were selected in the tight collaboration with experts in charge of the grid development in Joint stock company ˮElektromreža Srbijeˮ (JSC EMS), the transmission system operator of Republic of Serbia. That goal was achieved by creating questionnaire that asked engineers employed in System Development Department of this company to select those criteria which they deem essential in their planning procedures. The results of this questionnaire were then included in the optimization processes that were carried out either directly, as the objective functions, or indirectly, as the conditions that each of the solutions needed to satisfy in order to stay in the competition to be named optimal. It should also be underlined that, with the appropriate modifications, the developed procedure could be used for the other situations in which the priorities of the grid planning engineers would be set differently, with the basic principles of the algorithm’s operation staying the same and only some settings and code lines changing to accommodate new conditions. This should be seen as confirmation of the developed method’s ability to adapt to the various possible users and situations. That kind of flexibility is particularly important if one remembers the rather volatile conditions under which the planning process happens nowadays. viii The mentioned flexibility of the developed methods can also be shown from the other starting point. One of the main downsides of the software tools commonly used for planning the transmission grid is low comprehensiveness of both the ways in which the input data related to the grid characteristics are fed into the tool and the ways in which the results are presented once the calculations are complete. Both of these are regularly based on the rather unintuitive spreadsheets. Also, there is no specialized option to include the attributes of the terrain upon which the grid is placed, leaving the involvement of those attributes to the engineers’ experience. To prevent this, methods suggested in this dissertation are founded on the combination of the technical data on the system that is being development and the geographic data on the area that is corresponding to the grid. The georeferencing is used for the long-term planning as an aid in determining the locations in which the construction of the new wind plants can be expected, whereas, for the mid-term planning, it is used as the tool that is playing a vital role in the conversion between continuous and discrete domain, enabling the application of the differential evolution for the problems of grid development that it would usually not be able to tackle properly. Another issue of the majority of the software tools for grid planning is the consideration of the space as the two-dimensional plane. By introducing this simplification, these tools encourage the definition of the length of the new lines in the grid independently of height coordinates of the parts of the terrain across which the route of the new line is set to pass. In some situations, this is compensated by using empirical methods. This kind of approach can harm the precision of the obtained results. In order to improve the reliability of the described segment of the system planning process, method proposed in this dissertation contains addition based on the modification of the breadth-first search, allowing for the third dimension to be taken into account when calculating the lengths of new lines. Along with this, the application of the mentioned technique also provides an option to consider even more aspects, such as the existence of the city zones, the protected areas or the keraunic levels of the possible routes. That way, the space is shown in the algorithm in a way much sloser to the real-life situations, which, in turn, allows for more detailed modelling of the grid and every element in it. By using this model, the engineers can calculate the impact that new projects, considered for strengthening the grid, might have way more accurately that by applying the already mentioned simplifications of space modelling. Finally, in order to avoid keeping the matters on the purely theoretical level, the appropriate part of dissertation focuses on the consideration of the possibility of implementing the developed methods into the everyday engineering practice. For that goal, potential obstacles that could be faced in this effort are presented, starting from the well-known inertia of the corporations such as the transmission system operators, over the needs for modifying the existing processes and procedures (which could cause resistance among the grid planning engineers), down to the unlikely event of unavailability of the data necessary for proper integration of the suggested techniques. Following the listing of these challenges, the measures for their overcoming or, at least, mitigation, are proposed and described in step-by-step fashion, based on the experiences of the author and the literature covering this topic.

обновљиви извори, ветроелектране, електроенергетска инфраструктура, прикључење на систем, развој преносне мреже, технике оптимизације, геореференцирање

621.311.1.09:620.92(043.3)

Tekst