Ρύθμιση ηλεκτρονόμων υπερέντασης-κατεύθυνσης για προσαρμοστικά συστήματα προστασίας με χρήση της υβριδικής μεθόδου βελτιστοποίησης pso-lp

Abstract

Τα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας (Σ.Η.Ε.) έχουν ως σκοπό την αδιάλειπτη παροχή Ηλεκτρικής Ενέργειας στους καταναλωτές, με όσο το δυνατόν πιο αξιόπιστο, ασφαλές και οικονομικό τρόπο. Για να καλυφθούν οι προαναφερθείσες απαιτήσεις, απαιτούνται σύγχρονα και πολύπλοκα συστήματα προστασίας. Με την πολυπλοκότητα των συστημάτων προστασίας να αυξάνει ολοένα και περισσότερο, σε συνδυασμό με τις εξελιγμένες δυνατότητες των σύγχρονων ψηφιακών ηλεκτρονόμων, δημιουργείται η ανάγκη χρήσης εξομοιωτών στους οποίους θα ελέγχονται τα καινούρια σχήματα προστασίας, πριν εφαρμοστούν στο Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας. Επομένως, η ρύθμιση των στοιχείων προστασίας ενός Σ.Η.Ε. είναι ζωτικής σημασίας για την εύρυθμη και ομαλή λειτουργία του συστήματος.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιείται η Ρύθμιση των Ηλεκτρονόμων Υπερέντασης με στοιχεία Κατεύθυνσης, με χρήση υβριδικής μεθόδου βελτιστοποίησης, η οποία συνδυάζει από τη μέθοδο Βελτιστοποίηση Σμήνους Σωματιδίων και τον Γραμμικό Προγραμματισμό. Πιο συγκεκριμένα, υπολογίζοντα οι τιμές των δύο παραμέτρων που διαθέτει ο κάθε ηλεκτρονόμος υπερέντασης, δηλαδή το ρεύμα ρύθμισης (pick up current) και η χρονική σταθερά (Time Dial Setting), οι οποίες ελαχιστοποιούν το συνολικό χρόνο λειτουργία τους.

Στην αρχή της εργασίας αναφέρεται το γενικό θεωρητικό υπόβαθρο προστασίας και τα προβλήματα που δημιουργούνται στα σύγχρονα δίκτυα διανομής, με έντονη διείσδυση μονάδων Διεσπαρμένης Παραγωγής. Στην συνέχεια, περιγράφεται και διατυπώνεται το πρόβλημα συνεργασίας των ηλεκτρονόμων υπερέντασης. Ακολούθως, γίνεται εκτενής περιγραφή της κλασικής μεθόδου Βελτιστοποίησης Σμήνους Σωματιδίων και της προτεινόμενης «υβριδικής» μεθόδου βελτιστοποίησης.

Οι υπολογισμοί που προηγούνται της εφαρμογής της βελτιστοποίησης, είναι η ανάλυση ροών φορτίου και η ανάλυση βραχυκυκλωμάτων, οι οποίες υπολογίζονται με χρήση του λογισμικού πακέτου NEPLAN. Στη συνέχεια, σχεδιάζεται και υλοποιείται η μέθοδος βελτιστοποίησης σε περιβάλλον Matlab και πραγματοποιείται η εφαρμογή της σε τρία διαφορετικά συστήματα. Πιο συγκεκριμένα, εξετάστηκαν δύο πρότυπα συστήματα της IEEE των 14 και 39 ζυγών και ένα Δίκτυο Διανομής με Διεσπαρμένη Παραγωγή, το οποίο δημιουργήθηκε κατάλληλα ώστε να μελετηθούν διάφορες περιπτώσεις. Τέλος, για κάθε εξεταζόμενο σύστημα αξιολογούνται τα αποτελέσματα και εξάγονται τα απαραίτητα συμπεράσματα.

The purpose of an electrical power system is to generate and supply electrical energy to consumers, in a safe, reliable and economic way. In order to meet the needs of Power Systems, in reliability and safety, protection systems tend to be more and more complex and sophisticated. The constant increase in protection system’s complexity, combined with the advanced features of modern relays, brings the need of using a simulator, as a test system, in order to confirm the proper functionality of protection schemes, before their application on Power Systems. Therefore, the correct configuration of the Power System’s protection devices is vital for its proper functioning.

In this thesis, a configuration of Directional Overcurrent Relay is developed using a hybrid optimization approach, which consists of the Particle Swarm Optimization method combined with Linear Programming. In particular, the two values of each Relay are optimized in order to be proper set. These values are the pick-up current and the Time Dial Setting.

In the beginning of this study, a general theoretical background regarding the Power Systems protection is presented, as well as, the various problems which might occur when distributed energy resources become a part of a distribution network. In addition, the problem of coordination of overcurrent relays it is outlined. Subsequently, an extensive analysis of the basic Particle Swarm Optimization method and the proposed “hybrid” optimization method are presented.

The calculations preceding the application of the optimization method, are the load flow and the short circuit analysis, which are calculated using NEPLAN software suite. Moreover, the optimization method is designed and implemented using MATLAB and is applied in three different systems. More specifically, two standard IEEE systems, regarding the 14 and 39 bus, along with one distribution network with distributed generation, which is designed properly in order to study different cases, are studied. Finally, the results for each system under study are evaluated and the necessary conclusions are extracted