A Complex-Network Approach to Support Transmission Expansion Planning

Abstract

Un aumento en la complejidad de las redes eléctricas conduce a la necesidad de modelos más sofisticados para el análisis, operación y control de estas. Este aumento en la sofisticación de los modelos implica un incremento del coste computacional de los mismos. A pesar de los avances informáticos, las metodologías que tradicionalmente se han aplicado a los sistemas de energía eléctrica, como los análisis de flujo de carga, pueden tener tiempos de ejecución muy elevados. Esto podría llegar a comprometer la utilidad de estos. Esta tesis propone la introducción de técnicas de redes complejas en los problemas relacionados con los sistemas de energía eléctrica. La introducción de conceptos propios de la teoría de redes complejas permitiría desarrollar modelos que dieran soluciones aproximadas con un coste computacional reducido. Esta tesis se centra en la aplicación de técnicas redes complejas para la generación de redes eléctricas sintéticas y para analizar la vulnerabilidad de la red eléctrica. Las redes eléctricas sintéticas son redes eléctricas no reales que tienen propiedades eléctricas y topológicas similares a las redes reales. Es decir, son redes ficticias pero cuya operación y control es similar al de las redes reales. Esta tesis propone un nuevo modelo para la generación de redes eléctricas sintéticas. Este nuevo modelo utiliza consideraciones económicas y eléctricas para generar redes sintéticas con una topología similar al de las redes reales. El modelo es validado con la red de transporte eléctrico de España, Portugal y Francia. Además, la tesis introduce una nueva medida para el análisis de la vulnerabilidad de la red eléctrica. Esto es de especial interés en casos como los ataques deliberados. Una medida propia de redes complejas, la centralidad de intermediación es completada con información eléctrica. Esto da como resultado una métrica híbrida, la Centralidad de la Línea Eléctrica, que mide el impacto del fallo de una línea en la red. Esta nueva medida permite mejorar los resultados obtenidos con las medidas propuestas anteriormente en la literatura, al tiempo que reduce el coste computacional. Esto es crucial de cara a la inclusión de la protección de la red eléctrica contra ataques deliberados en el problema de diseño de la red. Finalmente, el análisis de la topología de la red eléctrica es un paso previo a la generación de redes eléctricas sintéticas y a la evaluación de la vulnerabilidad de la red eléctrica. En esta tesis se hace una descripción pormenorizada sobre la estructura de la red eléctrica con las medidas tradicionalmente utilizadas en redes complejas. Además, se introduce un nuevo modelo que permite caracterizar la estructura de la red de forma sistemática y detallada, mejorando la descripción y comparación de redes complejas. Este nuevo modelo se utilizará para la validación topológica de redes eléctricas sintéticas.

An increase in power-grid complexity leads to more sophisticated and computationally intensive models for grid analysis, operation, and control. Despite computer advances, traditional power-system methodologies such as power-flow analyses may result in computationally hard problems. This thesis proposes the introduction of complex-network techniques for the research into power systems, leading to new models that provide good approximations with lower computational requirements. The thesis focuses on the generation of synthetic power grids and power-network vulnerability analyses. Synthetic power grids are non-real power grids that are statistically similar to real power networks from a topological and electrical point of view. This work introduces a new algorithm to generate synthetic transmission power grids. The algorithm considers economic and technical factors in order to mimic the topology of real power networks. Results are tested on selected European transmission power networks. The thesis also introduces a new metric for the analysis of power-network vulnerability. This is of particular interest in cases such as deliberate attacks. Betweenness centrality, a network-topological metric, is endowed with electrical parameters. It results in a hybrid metric, the Electrical Line Centrality, that measures the impact of line failure on the network. This metric improves prior results while reducing computational times. This is crucial in order to include the protection against deliberate attacks in the network design problem. Finally, the analysis of power network topology is a necessary prior step in the generation of synthetic power grids and the assessment of power-network vulnerability. In this work, the power-network structure is characterized by global metrics traditionally used in complex-networks. Furthermore, a new framework is introduced to characterize network structure, enhancing network description, and classification. This framework will also allow for the topological validation of synthetic power grids.