- / -

- / -

- / -

Προτείνεται στη διατριβή ένα περιβάλλον ανάλυσης και μελέτης ενδεχόμενων διαταραχών με τη χρήση μεθόδων μηχανικής μάθησης για ηλεκτρικά δίκτυα. Δομείται ένα ελεγμένο σύνολο πιθανών λειτουργικών καταστάσεων πάνω στο οποίο ορίζεται και μελετάται ένα σύνολο από ενδεχόμενες διαταραχές. Βάσει προτεινόμενων στη βιβλιογραφία δεικτών κατάστασης, οι οποίοι υπολογίζονται ανά λειτουργική κατάσταση, εκπαιδεύονται ανά ενδεχόμενη διαταραχή μέθοδοι μηχανικής μάθησης οι οποίες για μη γνωστές καταστάσεις του δικτύου είναι δυνατό να παράγουν προγνώσεις σχετικά με τις πιθανές επιπτώσεις μιας ενδεχόμενης διαταραχής. Στα πλαίσια της διατριβής έχει σχεδιαστεί ένα πρωτότυπο υπολογιστικό περιβάλλον ανάλυσης και εκτίμησης της επικινδυνότητας ενός προκαθορισμένου συνόλου διαταραχών απώλειας συνδυασμού γραμμών και ζυγών, ενώ παράλληλα προτείνεται μια μεθοδολογία ανάλυσης ενδεχόμενων διαταραχών η οποία εφαρμόζεται στο ηλεκτρικό δίκτυο της νήσου Κρήτης. Το περιβάλλον μελέτης είναι ανεξάρτητο του ηλεκτρικού δικτύου και εκπαιδεύει αλγόριθμους μηχανικής μάθησης με προγενέστερη γνώση με σκοπό την εκτίμηση του αποτελέσματος εφαρμογής μιας ενδεχόμενης διαταραχής σε μια τυχαία λειτουργική κατάσταση του δικτύου. Η προγενέστερη γνώση αποκτάται με προσομοίωση, δηλαδή με την εφαρμογή μιας διαταραχής σε διαφορετικές μεταξύ τους ελεγμένες λειτουργικές καταστάσεις. Έτσι, είναι δυνατή η εκτίμηση της επικινδυνότητας μιας ενδεχόμενης διαταραχής με παράκαμψη της υπολογιστικά δαπανηρής διαδικασίας ανάλυσης ροής φορτίου. / Within thesis an environment implementing machine learning techniques for the analysis and study of electrical network contingencies is proposed. A set of contingencies is defined and studied on a filtered set of simulated possible operating points. Machine learning methods based on proposed in bibliography indices are calculated per simulated operating point and are trained per contingency. They are capable to generate a prediction for an unknown network state about the possible outcome of a contingency. In the scope of thesis a novel computing environment has been developed for the analysis and risk assessment of a predefined set of contingencies comprising line outage combinations. In parallel, a general methodology for contingency analysis is proposed that is in particular implemented on the electrical network of the island of Crete. The environment of study is electrical network independent and trains machine learning algorithms based on previous knowledge. It aims at the estimation of the application result of a contingency to a certain network operating state. Previous knowledge is acquired through simulation, that is the application of a contingency to different filtered operating states. Thus, the risk estimation of a contingency is achieved, bypassing the computer intensive procedure of power flow analysis.

Στην εργασία αυτή προτείνεται η δημιουργία ενός κατάλληλου περιβάλλοντος ανάλυσης για Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας. Για την αποτελεσματική του λειτουργία είναι απαραίτητη η συλλογή, αποθήκευση, διαχείριση, επεξεργασία, ανάλυση και παρουσίαση όλων των δεδομένων που σχετίζονται με την ανάλυση του δικτύου όταν σε αυτό συνδέονται παραγωγές από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Επιλέχθηκε η χρήση των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS) λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν ως προς την αποθήκευση της πληροφορίας. Τα GIS ταξινομούν τα δεδομένα σε επίπεδα (layers). Κάθε επίπεδο περιλαμβάνει μια συγκεκριμένη πληροφορία (για παράδειγμα το ηλεκτρικό δίκτυο, γεωγραφικά δεδομένα, αιολικό δυναμικό, φωτοβολταϊκό δυναμικό, υδάτινο δυναμικό). Η υπέρθεση όλων των επιπέδων οδηγεί στη δημιουργία ενός ολοκληρωμένου συστήματος εξομοίωσης. Στη συνέχεια η πληροφορία αντλείται αυτόματα και αποστέλλεται σε κατάλληλο πρόγραμμα ανάλυσης δικτύων ισχύος. Στη συγκεκριμένη περίπτωση έχει επιλεγεί για την ανάλυση το πρόγραμμα ATP-EMTP. Η προτεινόμενη τεχνική είναι χρήσιμη για την ανάλυση δικτύων με τοπικές παραγωγές από ΑΠΕ (κατανεμημένη παραγωγή) όπου η μετατροπή του κλασσικού παθητικού δικτύου σε ενεργητικό αναδεικνύει διάφορα λειτουργικά-τεχνικά προβλήματα καθώς και προβλήματα σχεδιασμού. Τα προβλήματα αυτά κυρίως σχετίζονται με θέματα λειτουργίας του συστήματος όπου διαπιστώνεται ότι η διείσδυση της κατανεμημένης παραγωγής επιφέρει τις σημαντικότερες αλλαγές στις πρακτικές που χρησιμοποιούνται. Η διείσδυση της κατανεμημένης παραγωγής αυξάνει την ισχύ βραχυκύκλωσης, άρα και το ρεύμα βραχυκύκλωσης, απαιτώντας ιδιαίτερα μέτρα. Επιπλέον, με τη διείσδυση της κατανεμημένης παραγωγής και την αυξημένη πολυπλοκότητα που αυτή συνεπάγεται, αναδεικνύονται προβλήματα συντονισμού των μέσων προστασίας, αλλά και προβλήματα προστασίας των ίδιων τον μονάδων κατανεμημένης παραγωγής κατά τη σύνδεση και τη λειτουργία τους στο δίκτυο, όπως επίσης και του υπάρχοντος δικτύου με τον εξοπλισμό του. Για την εξομοίωση και ιδιαίτερα για τη μελέτη των μεταβατικών φαινόμενων σε δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας με κατανεμημένη παραγωγή είναι απαραίτητη η ύπαρξη απλών μοντέλων που είναι ικανά να τα εξομοιώσουν με επάρκεια. Η ως τώρα ερευνητική δραστηριότητα σε δυναμικά μοντέλα εστιάζεται κυρίως στις ασύγχρονες και σύγχρονες μηχανές που συμβάλουν καθοριστικά στη λειτουργία του συστήματος (εφαρμόζονται σε ανεμογεννήτριες, υδροηλεκτρικά και σε μονάδες συμπαραγωγής ηλεκτρισμού-θερμότητας). Επίσης έχουν αναπτυχθεί μοντέλα για φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις ενώ υπάρχει έλλειμμα στη κυκλωματική μοντελοποίηση μονάδων παραγωγής με κυψέλες υδρογόνου. Κατόπιν τούτου και στα πλαίσια της εργασίας αναδείχτηκε η ανάγκη για ένα νέο κυκλωματικό μοντέλο κυψελίδων υδρογόνου για χρήση στην ανάλυση ηλεκτρικών δικτύων κυρίως σε επίπεδο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας το οποίο και αναπτύχθηκε. Στόχος ήταν να σχηματιστεί ένα απλουστευμένο αλλά ακριβές ηλεκτρικό ισοδύναμο που θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εξομοιώσεις απότομης μεταβολής του φορτίου. Για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων του μοντέλου πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με τη χρήση εργαστηριακής συσκευής κυψελών υδρογόνου ισχύος 1,2 kW. / An ad-hoc environment for electric system analysis is presented in this dissertation. This environment is capable to calculate the steady and dynamic behavior of the electric grid. In order this system to operate adequately the collection, store, compilation, analysis, and presentation of all the data needed is essential. Consequently the use of Geographic Information System (GIS) is proposed, mainly due to their readiness of data store. GIS are classifying the data in layers. Every layer includes a package of information (exempli gratia the electric grid, geographic data, photovoltaic potential wind potential). The anteposition of a group layer creates the complete simulation system. After this, the information needed is dispatched to an appropriate for electric grid simulation program. This program is ATP-EMTP which is able to give reliable results and it is an open source program. The suggested technique could be used for grid analysis with renewable energy generations (distributed generations) where the old designed passive electric grid brings out several questions. These questions are related with grid stability issues where the penetration of distributed generation causes important changes to design procedures used. The distributed generation increases short circuit power at the grid. This creates an increase to short circuit currents and requires additional protection measures. Also protection selectivity issues are created. To simulate adequately the electric grid and especially its dynamic behavior the use of appropriate circuit models is essential. Until now the scientific community created efficient circuit models mainly for asynchronous and synchronous generators. Also models are developed for photovoltaic plants but not for fuel cells. A simple and novel dynamic circuit model for a proton exchange membrane (PEM) fuel cell suitable for the analysis and design of power systems is also presented in this dissertation. To evaluate the effectiveness of the proposed model its dynamic performance under load step changes is simulated. Experimental results coming from a commercial PEM fuel cell module that uses hydrogen from a pressurized cylinder at the anode and atmospheric oxygen at the cathode, clearly verify the simulation results.