Moossa Khodadadi

Dissertation Title: A framework for Coordinated Planning and Operation of Distributed Resources from the Perspective of TSO and DSO

Abstract: A more efficient planning and operation of distributed energy resources (DERs) can be realized with the concept of coordination between distribution system operators (DSOs) and transmission system operator (TSO). In this dissertation, two coordinated TSO-DSOs frameworks, cooperative and non-cooperative frameworks, are proposed for planning/operation of transmission and distribution systems, in the presence of high penetration of DERs. In the cooperative framework, a performance index of the whole power system is optimized, while in the non-cooperative framework TSO and DSOs are self-interested and individually optimize their objectives. An accelerated augmented Lagrangian (AAL)-based algorithm is proposed for cooperative framework, whereas the non-cooperative one is implemented by a new decentralized algorithm, boundary decision variable assignment (BDV) algorithm, both in interactive manner. Different operation and planning problems are studied using the proposed coordinated TSO-DSOs frameworks such as day-ahead scheduling (DAS), Volt-VAr optimization, joint active and reactive power management (JARPM) and DG planning (DGP) where TSO and DSOs sub-problems are formulated using convex relationships. Various case studies on three integrated test systems, each consists of a transmission system and some distribution systems, confirm the effectivity of the proposed frameworks in view of technical indices of both transmission and distribution systems and performance of decentralized algorithms.

عنوان رساله: طراحی یک چارچوب برای برنامه ریزی و بهره برداری هماهنگ منابع پراکنده از دیدگاه TSO و DSO

چکیده: برنامه‌ریزی و بهره‌برداری از منابع انرژی توزیع‌شده تنها یک مسأله مربوط به سیستم توزیع و بهره‌بردار سیستم توزیع (DSO) نیست، زیرا بهره‌برداری منابع پراکنده نصب‌شده در سیستم توزیع، شبکه انتقال و بهره‌برداری آن را تحت تأثیر قرار می‌دهد. از طرفی، بهره‌بردار سیستم انتقال(TSO) و بهره‌بردار سیستم توزیع (DSO) می‌توانند از مزایای منابع انعطاف‌پذیر موجود در سیستم توزیع بهره بگیرند. با این حال، نه تنها امکان بهره‌گیری حداکثری از مزایای این منابع در سیستمی که TSO و DSOها به‌طور مستقل از یکدیگر و بدون هیچ‌گونه همکاری و هماهنگی شبکه‌های مربوط به خود را مورد بهره‌برداری قرار می‌دهند، وجود ندارد، بلکه این ناهماهنگی‌ها ممکن است در برخی از موارد موجب بروز چالش‌هایی برای هر یک از بهره‌برداران سیستم شود. بنابراین وجود یک چارچوب هماهنگ برای بهره‌برداری و برنامه‌ریزی سیستم‌های انتقال و توزیع در حالت نفوذ زیاد منابع انرژی توزیع‌شده امری ضروری و مفید برای TSO و DSOهاست. با افزایش سطح این هماهنگی، هر یک از بهره‌برداران سیستم، قادر خواهند بود تا به‌صورت مؤثر و اقتصادی یکدیگر را در حل مسائل هر کدام از شبکه‌ها و در نتیجه کل سیستم پشتیبانی کنند. علاوه براین، وجود یک چارچوب هماهنگی مؤثر می‌تواند از بروز مشکلات برای یکی از بهره‌برداران ناشی از تصمیم‌گیری‌ها و اقدامات بهره‌بردار دیگر جلوگیری کند. هماهنگی بین TSO و DSO، تضمین‌کننده آن است که این دو مأموریت‌های خود را به‌صورت اقتصادی و در جهت حفظ امنیت سیستم قدرت انجام دهند. در این رساله، پس از ارائه مفهوم هماهنگی میان TSO و DSO و بیان ضرورت و جنبه‌های مختلف این هماهنگی، دو چارچوب هماهنگ TSO-DSO برای بهره‌گیری حداکثری TSO و DSO از منابع انرژی توزیع‌شده، ارائه شده است. چارچوب هماهنگ اول، مبتنی بر یک دیدگاه همکارانه است که در آن TSO و DSO بهره‌برداری سیستم‌های خود را نه الزاماً بر اساس منافع خود که بر اساس منفعت کلی سیستم قدرت انجام می‌دهند. در نتیجه، ضمن مقابله با چالش‌های ناشی از حضور این منابع، از مزایای آنها برای مدیریت مسائل مربوط به کل سیستم قدرت بهره می‌گیرند. برای پیاده‌سازی چارچوب همکارانه، یک الگوریتم غیرمتمرکز مبتنی بر روش «لاگرانژین تقویت‌شده تسریع‌شده» ارائه شده است که در آن، مسأله همکارانه TSO و DSO به‌صورت غیرمتمرکز حل می‌شود و به‌منظور حفظ یکپارچگی مسأله، TSO و DSO با یکدیگر تبادل داده محدودی دارند. از لحاظ پیاده‌سازی، کاهش بار محاسباتی نسبت به حالتی که انبوهی از داده‌ها در یک مرکز تجمیع شوند، امنیت سایبری و حفظ حریم خصوصی داده‌ها، امکان اجرای محاسبات موازی از مزایای روش بهره‌برداری توزیع‌شده پیشنهادی هستند. همچنین، از دیدگاه سیستم قدرت، با استفاده از چارچوب همکارانه، می‌توان بر بسیاری از چالش‌های TSO و DSO همانند مشکلات ولتاژ، تراکم و تلفات شبکه و همچنین مدیریت هزینه‌ها مقابله کرد. در چارچوب هماهنگ دوم که چارچوب غیرهمکارانه نامیده می‌شود، TSO و DSOها ضمن تعامل با یکدیگر، خودخواهانه به دنبال حداکثرکردن منافع خود هستند. در این چارچوب، هدف دست‌یابی به تعادل نش است که برای این منظور یک الگوریتم غیرمتمرکز موسوم به روش «تخصیص متغیرهای تصمیم مرزی» پیشنهاد شده است که ضمن برخورداری از مزایای الگوریتم اول، سرعت همگرایی بالایی دارد. با استفاده از چارچوب هماهنگ غیرهمکارانه، DSOها که الزاماً ممکن است در چارچوب همکارانه به اهداف فنی یا اقتصادی خود نرسند، می‌توانند به‌صورت خودخواهانه، منافع خود را حداکثر کنند. چارچوب‌های هماهنگ ارائه شده بر روی تعدادی از مسائل مهم بهره‌برداری و برنامه‌ریزی سیستم قدرت شامل برنامه‌ریزی روز پیش‌رو، مدیریت توأم توان اکتیو و راکتیو، بهینه‌سازی توان راکتیو- ولتاژ و برنامه‌ریزی منابع پراکنده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند و نتایج مربوط به روش‌های هماهنگ با یکدیگر و با روش غیرهماهنگ مقایسه شده‌اند. فرمول‌بندی زیرمسأله‌های TSO و DSOها در مسائل مطالعه‌شده، به‌ترتیب بر اساس مدل‌های AC-OPF خطی و محدب هستند که مدل نخست توسط این رساله پیشنهاد شده‌ و دیگری مدل تکمیل‌یافته‌ای از مدل AC-OPF محدب رایج در شبکه‌های توزیع است. چارچوب‌های پیشنهادی بر روی سه سیستم قدرت یکپارچه، هر کدام شامل یک شبکه انتقال و چند شبکه توزیع، شبیه‌سازی شده است. کارایی چارچوب‌های پیشنهادی از لحاظ بهبود شاخص‌های فنی مانند پروفیل ولتاژ، تلفات، تراکم خطوط، مدیریت توان‌های اکتیو و راکتیو و تطابق توان‌های مبادله‌شده در شین‌های مرزی و همچنین شاخص‌های اقتصادی مانند هزینه بهره‌برداری در شبکه انتقال و توزیع، مورد ارزیابی قرار گرفته است.