توصيفگر ها :
جزيرهسازي كنترلشده , شبكههاي پيچيده , پايداري سيستم قدرت , خوشهبندي طيفي , معيار پيمانگي
چكيده فارسي :
خاموشيهاي گسترده يكي از چالشهاي جدي بهرهبرداري از سيستمهاي قدرت است كه در نتيجه ناپايداري پس از وقوع اختلالهاي شديد، بهويژه خروج خطوط انتقال پربار، رخ ميدهد. اين خاموشيها خسارتهاي اقتصادي و اجتماعي قابلتوجهي به همراه داشته و امنيت انرژي را تهديد ميكند. يكي از راهكارهاي مؤثر براي مقابله با اين بحران، جزيرهسازي كنترلشده پيش از وقوع جزيرهاي شدن كنترلنشده و بروز خاموشي گسترده در شبكه است. مسئله اساسي در جزيرهسازي كنترلشده، انتخاب روش مناسب براي تعيين محل كليدزني خطوط (زيرمسئله «كجا») و تعيين زمان جزيرهسازي (زيرمسئله «كي») است؛ بهگونهاي كه جزيرههاي حاصل از نظر ديناميكي پايدار بوده و تأمين بار شبكه تا حد امكان حفظ شود. با وجود پژوهشهاي پيشين، همچنان چالشهايي در لحاظ قيود پايداري ديناميكي، حفظ بار محاسباتي كم و تخصيص بهينه بارها به ژنراتورها براي تصميمگيري در زمان واقعي در شرايط بحراني وجود دارد. در اين تحقيق، با هدف رفع اين چالشها، يك چهارچوب جديد مبتني بر تئوري شبكههاي پيچيده ارائه ميشود كه برخلاف مطالعات قبلي، دو زيرمسئله «كي» و «كجا» را بهصورت يكپارچه و در زمان واقعي بررسي ميكند. بدين ترتيب شكاف موجود در تحقيقات گذشته، كه عمدتاً اين زيرمسئلهها را بهصورت جداگانه و براي رويكردهاي برونخط يا برخط بررسي كردهاند، پوشش داده ميشود.
در روش پيشنهادي، شبكه قدرت با استفاده از رديابي شارش توان بهصورت يك گراف دوبخشي جهتدار مدلسازي شده و ارتباط بين ژنراتورها و بارها بهطور صريح نمايش داده ميشود. همچنين گراف ديگري شامل تنها ژنراتورها، يعني گراف نيروگاهي، تشكيل ميشود تا گروههايي از ژنراتورها كه همگامي خود را با ساير بخشهاي سيستم از دست ميدهد، شناسايي شود. اين شناسايي در طول يك پنجره زماني متحرك و بهصورت زمان واقعي، تحت اختلالهاي مختلف و متوالي سيستم انجام ميگيرد و براين اساس تعداد جزيرهها نيز مشخص ميشود. با توجه به تفاوت مفهوم خروج از همگامي با مفهوم همنوايي، در اين تحقيق، برخلاف تحقيقات گذشته، تعداد جزيرهها لزوماً با تعداد گروههاي همنوا برابر نيست. سپس با ادغام ژنراتورهاي هر گروه، گراف دو بخشي معادل ساخته ميشود. براي حل زيرمسئله «كجا» در اين گراف دو بخشي، دو ساختار مبتني بر تئوري شبكههاي پيچيده پيشنهاد شده است: ساختار مبتني بر خوشهبندي طيفي با الگو و ساختار مبتني بر بهينهسازي تابع پيمانگي. اين ساختارها قيود پايداري زاويه روتور و پايداري فركانس را در نظر ميگيرد. قيد پايداري فركانس با لحاظ دو نقطه كار، شامل بلافاصله پس از كليدزني و حالت مانا، برآورده ميشود. آزمايشها بر روي شبكههاي ديناميكي استاندارد 39 و 118 باس IEEE نشان ميدهد كه روش پيشنهادي، در مقايسه با روشهاي پيشين، ضمن كاهش بار محاسباتي، زمان بازيابي فركانس را بهبود ميبخشد، تعداد جزيرهها و ميزان بارزدايي را كاهش ميدهد و از قابليت بهكارگيري در زمان واقعي برخوردار است.
براي حل زيرمسئله «كي»، دو سيگنال بهصورت زمان واقعي دريافت ميشود. سيگنال اول زماني فعال ميشود كه در گراف نيروگاهي دستكم يك گروه ژنراتور در خطر خروج از همگامي شناسايي شود؛ در اين حالت، محاسبات زيرمسئله «كجا» بلافاصله انجام ميشود. با اين حال، صدور فرمان جزيرهسازي منوط به فعال بودن هر دو سيگنال هشدار است. سيگنال دوم بر اساس پايش مسير امپدانس ديدهشده از ابتدا يا انتهاي خطوط تعيين ميشود و تنها به اطلاعات ولتاژ باسها و جريان خطوط نياز دارد. با تعريف نواحي خروج از همگامي، كه تنها به اطلاعات امپدانس خط و امپدانس بار نياز دارد، زمان ناپايداري سيستم بهصورت زمان واقعي و با دقت نرخ نمونهبرداري دادهها از واحدهاي اندازهگيري فازور شناسايي ميشود. نتايج شبيهسازي نشان ميدهد كه روش پيشنهادي زودتر از روشهاي موجود، زمان جزيرهسازي را پيش از وقوع خاموشي گسترده تعيين ميكند.
چكيده انگليسي :
Widespread blackouts are one of the major challenges in power system operation, typically arising from instability following severe disturbances, particularly the outage of heavily loaded transmission lines. Such blackouts impose significant economic and social costs and threaten energy security. A practical countermeasure against this crisis is controlled islanding prior to uncontrolled islanding and the occurrence of cascading blackouts. The key issues in controlled islanding are selecting appropriate switching locations (the "where" subproblem) and determining the islanding time (the "when" subproblem), in such a way that the resulting islands remain dynamically stable while maximizing load supply. Despite prior research, challenges still exist in incorporating dynamic stability constraints, keeping computational complexity low, and optimally allocating loads to generators for real time decision making under critical conditions.
This research proposes a new framework based on complex network theory to address these challenges. Unlike previous studies, the framework integrates both the "when" and "where" subproblems and considers them in real time. In this way, it closes the gap left by earlier works, which mostly treated these subproblems separately and within offline or online only approaches.
In the proposed method, the power network is modeled as a directed bipartite graph using power flow tracing, which explicitly represents the relationship between generators and loads. Additionally, a generator only graph, known as the generator bus graph (GBG), is constructed to identify groups of generators that lose synchronism with the rest of the system. This identification is performed in real time within a moving time window under various and successive disturbances, thereby determining the number of islands. Considering the distinction between loss of synchronism and coherency, this study, unlike previous works, does not assume that the number of islands necessarily equals the number of coherent groups. By merging the generators in each group, an equivalent bipartite graph is constructed. To solve the "where" subproblem in this bipartite graph, two complex network based structures are proposed: a motif-based spectral clustering structure and a modularity optimization based structure. These structures account for rotor angle and frequency stability constraints. Frequency stability is enforced by considering two operating points: immediately after switching and the steady state.
Experiments on standard IEEE 39 bus and 118 bus dynamic networks show that, compared with previous methods, the proposed approach reduces computational burden, improves frequency recovery time, decreases the number of islands and load shedding, and is suitable for real time application.
For solving the "when" subproblem, two real time signals are used. The first signal is triggered when at least one generator group at risk of losing synchronism is identified in the GBG; in this case, the "where" subproblem is immediately computed. However, the islanding command is issued only if both warning signals are active. The second signal is derived from monitoring the impedance trajectory observed from the sending or receiving end of transmission lines, requiring only bus voltage and line current measurements. By defining out of step regions based solely on line and load impedance data, the system instability time is detected in real time with a resolution equal to the data sampling rate from phasor measurement units. Simulation results show that the proposed method determines the islanding time earlier than existing methods, thus preventing widespread blackouts.