Αξιοποίηση δεδομένων έξυπνων μετρητών στη διαχείριση δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

Tα σύγχρονα ηλεκτρικά δίκτυα, και ιδιαίτερα τα δίκτυα διανομής, αντιμετωπίζουν σήμερα ένα σύνολο ετερόκλητων προκλήσεων, που έχουν προκύψει ως αποτέλεσμα τεχνολογικών εξελίξεων καθώς και μεταβολών των ανθρώπινων αναγκών. Ένα χαρακτηριστικό των τεχνολογικών εξελίξεων είναι ο ολοένα αυξανόμενος ρυθμός εγκατάστασης έξυπνων μετρητών στο δίκτυο διανομής. Οι συσκευές αυτές αποτελούν τη σημαντικότερη ίσως φυσική διεπαφή μεταξύ του δικτύου και του ανθρώπου, του τελικού δηλαδή αποδέκτη της ενέργειας. Στα δεδομένα που καταγράφουν οι μετρητές ενέργειας καθρεφτίζεται ένα μεγάλο φάσμα της ανθρώπινης συμπεριφοράς. Αποτέλεσμα της ανθρώπινης συμπεριφοράς στο πλαίσιο των εκάστοτε κοινωνικών και πολιτικών συνθηκών είναι και το φαινόμενο της ρευματοκλοπής. Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην ανάπτυξη νέων αλγορίθμων για τον αποτελεσματικό εντοπισμό των ρευματοκλοπών, που στόχο έχει τη μείωση των μη-τεχνικών απωλειών στα δίκτυα διανομής, αξιοποιώντας, μεταξύ άλλων, και δεδομένα έξυπνων μετρητών. Αρχικά γίνεται αναλυτική μελέτη και καταγραφή της τρέχουσας τεχνολογικής στάθμης όσον αφορά τα Συστήματα Εντοπισμού Ρευματοκλοπών (ΣΕΡ). Προτείνεται ταξινόμηση των συστημάτων που εμφανίζονται στη βιβλιογραφία, με κεντρικό κριτήριο το είδος του αλγορίθμου που αξιοποιούν. Επιπλέον, καταγράφονται παράμετροι όπως τα απαιτούμενα δεδομένα, τα εξαγόμενα χαρακτηριστικά, οι μετρικές απόδοσης, ο χρόνος απόκρισης κ.ά., προκειμένου να σκιαγραφηθούν οι σημαντικότερες πτυχές των ΣΕΡ. Τα περισσότερα ΣΕΡ κάνουν χρήση τεχνικών ανάλυσης δεδομένων και μηχανικής μάθησης. Για τον λόγο αυτό, ένα μεγάλο κομμάτι της διατριβής αφιερώνεται στην ανάλυση τέτοιων συστημάτων και στην αντιμετώπιση των προβλημάτων που εμφανίζονται κατά τη σχεδίασή τους. Η διατριβή επικεντρώνεται στην εξαγωγή χαρακτηριστικών με έντονη διαχωριστική ικανότητα, η χρήση των οποίων θα ενισχύσει τις επιδόσεις γνωστών αλγορίθμων μηχανικής μάθησης. Ένας τέτοιος αλγόριθμος είναι οι Μηχανές Διανυσμάτων Υποστήριξης (SVM). Αν και επιβεβαιώνονται οι καλές επιδόσεις των ΜΔΥ, η έλλειψη επισημασμένων δειγμάτων οδηγεί στην αναζήτηση εναλλακτικών, πέραν της επιβλεπόμενης μάθησης. Εξετάζονται λοιπόν και αλγόριθμοι μη-επιβλεπόμενης μάθησης, λόγω της ευκολότερης εφαρμογής τους. Το σημαντικότερο μειονέκτημα των μεθόδων ανάλυσης δεδομένων είναι ότι δεν αξιοποιούν με κάποιον τρόπο τους φυσικούς νόμους που περιγράφουν τα ηλεκτρικά δίκτυα. Στη συνέχεια λοιπόν της διατριβής προτείνονται δύο νέοι αλγόριθμοι που κάνουν χρήση μετρήσεων τάσης και ισχύος στο σημείο σύνδεσης των καταναλωτών, καθώς και θεωρίας ανάλυσης ΣΗΕ, προκειμένου να εντοπιστούν οι ρευματοκλοπές. Ο πρώτος αλγόριθμος βασίζεται στον υπολογισμό των ευαισθησιών, στη σχέση δηλαδή μεταξύ των καταναλώσεων και των τάσεων ενός δικτύου διανομής, μια σχέση που διαταράσσεται παρουσία ρευματοκλοπών. Ο δεύτερος αλγόριθμος κάνει χρήση βελτιστοποίησης και βασίζεται στην επίλυση του παραδοσιακού προβλήματος της βέλτιστης ροής φορτίου. Στη συνέχεια, οι αλγόριθμοι αυτοί συνδυάζονται με αλγόριθμο ΜΔΥ, σχεδιάζοντας έτσι ένα υβριδικό ΣΕΡ και αναλύοντάς το με τεχνοοικονομικούς όρους. Οι μέθοδοι εντοπισμού ρευματοκλοπής που αναφέρθηκαν παραπάνω παρουσιάζουν πολύ καλές επιδόσεις, αλλά αναφέρονται σε δίκτυα με εκτεταμένη εγκατάσταση έξυπνων μετρητών. Η σημερινή πραγματικότητα για την Ελλάδα και πολλές άλλες χώρες είναι όμως αρκετά διαφορετική. Στην Ελλάδα η μέτρηση της κατανάλωσης γίνεται με ηλεκτρομηχανικούς μετρητές, που μετρούν μόνο την ενεργό ενέργεια. Η καταγραφή της μάλιστα γίνεται ανά τέσσερις περίπου μήνες, γεγονός που καθιστά δύσκολη την εφαρμογή μεθόδων που έχουν σχεδιαστεί για έξυπνους μετρητές. Η διατριβή αντιμετωπίζει και το σημερινό πρόβλημα ρευματοκλοπών της Ελλάδας, με τον σχεδιασμό αλγορίθμου, αλλά και του αντίστοιχου υπολογιστικού εργαλείου, που κάνει χρήση συστήματος κανόνων και λειτουργεί ως σύστημα υποστήριξης απόφασης για τον διαχειριστή του δικτύου. Τελευταίο μέρος της διατριβής αποτελεί η ανίχνευση της τοπολογίας του δικτύου. Πιο συγκεκριμένα, σχεδιάζεται αλγόριθμος που εντοπίζει πλήρως (ισοδύναμο δέντρο και στοιχεία γραμμών) την τοπολογία ακτινικών δικτύων διανομής. Ο αλγόριθμος αυτός βασίζεται αρχικά στον υπολογισμό των ευαισθησιών τάσης από δεδομένα τάσης και ισχύος που προέρχονται από έξυπνους μετρητές. Οι μετρητές θεωρούνται εγκατεστημένοι μόνο στους ζυγούς-φύλλα του δικτύου, οπότε δεν απαιτείται μέτρηση σε όλους τους κόμβους. Οι υπολογιζόμενοι πίνακες ευαισθησίας αποτελούν την είσοδο αλγορίθμου συσταδοποίησης εμπνευσμένου από τη φυλογενετική, ο οποίος κατασκευάζει τελικά την τοπολογία του δικτύου. Οι επιδόσεις της παραπάνω μεθοδολογίας επικυρώνονται με ένα μεγάλο σύνολο προσομοιώσεων σε διαφορετικά δίκτυα. Επιπλέον όμως, παρουσιάζεται και η επίδραση που έχει η μεθοδολογία αυτή σε εφαρμογή βέλτιστης τοποθέτησης και διαστασιολόγησης συστημάτων αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας στα δίκτυα διανομής, όταν δεν είναι εξαρχής γνωστή η τοπολογία τους.