A resilient expansion of electrical network considering protection coordination based on georeferenced information

Electrical power systems are critical infrastructure within a modern society, the operation strategies are correlated with a satisfactory welfare and economic development. Consequently, overhead and underground distribution networks should be designed, constructed and operated withstand abnormal events. Thus, the implementation of remote-controlled switching equipment, novel and modern protective devices are key aspects to improve the operating grid's conditions during and after disturbances. A resilient expansion of electrical network considering protection coordination based on georeferenced information is proposed in the present thesis. The aim of the research project is to determine the most suitable operating conditions for distribution network after facing abnormal events. This is achieved by an accurate resilient design, which considers the allocation of tie switch equipment that allows modifying the distribution grid by the implementation of a reconfiguration algorithm. Additionally, an automated protection coordination algorithm is executed based on the availability of electrical components. Both reconfiguration and protection coordination are implemented using a peer-to-peer communication between Matlab and PowerFactory. The thesis deals with a resilient expansion of electrical network based on georeferenced data, consequently the optimal location of distribution transformers is determined based on minimal distances between them and customers. Furthermore, a heuristic model based on minimum spanning tree technique is applied to minimize the total distance of the medium voltage network. Improvements on planning algorithm for distribution networks are developed; consequently, a decision-making tool is elaborated to be used by engineers during planning and design tasks because the proposed model allows to obtain a pre-design based on geographical parameters (latitude and longitude) that meets all technical requirements. The proposed resilient planning considers normally open points, which have been allocated by an optimization process. Then, the optimal allocation of switching equipment is accomplished by the optimal path considering the minimum distance to interconnect primary feeders, this will represent a considerable reduction on utilities budget. Set in this context, switching equipment has a prominent function during unusual events due to the fact that they sectionalize faulty branches using an automatic tool to reconfigure a network. Reconfiguration algorithm is implemented between a peer-to-peer communication, where Matlab executes an exhaustive search of possible network configurations, whilst PowerFactory performs a power flow analysis. Several feasible solutions to recovery the electrical grid are determined, nevertheless, the best solution is selected based on technical constraints. The automatic protection coordination is carried out after a topological reconfiguration has been achieved. As a result, the proposed iterative algorithm of protection coordination is executed based on communication peer-to-peer between Matlab and PowerFactory, which develops an adaptive calculation to determine the current setting and the time multiplier setting. The remarked algorithms could be developed and evaluated on different distribution networks, areas and locations.

Gli impianti elettrici sono infrastrutture critiche all'interno di una società moderna, le strategie operative sono correlate ad un soddisfacente benessere e sviluppo economico. Di conseguenza, le reti di distribuzione aeree e sotterranee dovrebbero essere progettate, costruite e gestite per resistere a eventi anomali. Pertanto, l'implementazione di apparecchiature di commutazione telecomandate, dispositivi di protezione nuovi e moderni sono aspetti chiave per migliorare le condizioni della rete operativa durante e dopo i disturbi. Nella presente tesi viene proposta un'espansione resiliente della rete elettrica considerando il coordinamento della protezione basato su informazioni georeferenziate. L'obiettivo del progetto di ricerca è determinare le condizioni operative più idonee per la rete di distribuzione dopo aver affrontato eventi anomali. Ciò è ottenuto da un'accurata progettazione resiliente, che considera l'allocazione di apparecchiature di commutazione di collegamento che consentono di modificare la rete di distribuzione mediante l'implementazione di un algoritmo di riconfigurazione. Inoltre, viene eseguito un algoritmo di coordinamento della protezione automatizzato in base alla disponibilità dei componenti elettrici. Sia la riconfigurazione che il coordinamento della protezione vengono implementati utilizzando una comunicazione peer-to-peer tra Matlab e PowerFactory. La tesi tratta di un'espansione resiliente della rete elettrica basata su dati georeferenziati, di conseguenza la posizione ottimale dei trasformatori di distribuzione è determinata in base alle distanze minime tra loro e i clienti. Inoltre, viene applicato un modello euristico basato sulla tecnica del minimo spanning tree per minimizzare la distanza totale della rete di media tensione. Vengono sviluppati miglioramenti sull'algoritmo di pianificazione per le reti di distribuzione; di conseguenza, viene elaborato uno strumento decisionale che può essere utilizzato dagli ingegneri durante le attività di pianificazione e progettazione poiché il modello proposto consente di ottenere una pre-progettazione basata su parametri geografici (latitudine e longitudine) che soddisfi tutti i requisiti tecnici. La pianificazione resiliente proposta considera i punti normalmente aperti, che sono stati assegnati da un processo di ottimizzazione. Quindi, l'allocazione ottimale delle apparecchiature di commutazione è realizzata dal percorso ottimale considerando la distanza minima per interconnettere gli alimentatori primari, questo rappresenterà una notevole riduzione del budget delle utenze. In questo contesto, le apparecchiature di commutazione hanno una funzione di primo piano durante eventi insoliti, poiché sezionano le filiali difettose utilizzando uno strumento automatico per riconfigurare una rete. L'algoritmo di riconfigurazione è implementato tra una comunicazione peer-to-peer, dove Matlab esegue una ricerca esaustiva di possibili configurazioni di rete, mentre PowerFactory esegue un'analisi del flusso di potenza. Vengono determinate diverse soluzioni praticabili per il ripristino della rete elettrica, tuttavia, la soluzione migliore viene selezionata in base a vincoli tecnici. Il coordinamento automatico delle protezioni viene effettuato dopo aver effettuato una riconfigurazione topologica. Di conseguenza, l'algoritmo iterativo proposto di coordinamento della protezione viene eseguito sulla base della comunicazione peer-to-peer tra Matlab e PowerFactory, che sviluppa un calcolo adattivo per determinare l'impostazione corrente e l'impostazione del moltiplicatore di tempo. Gli algoritmi osservati potrebbero essere sviluppati e valutati su diverse reti di distribuzione, aree e luoghi.