Integrated Power-Telecom Modeling for Resilience Quantification and Optimization in Smart Distribution Grids - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Integrated Power-Telecom Modeling for Resilience Quantification and Optimization in Smart Distribution Grids

Modélisation Intégrée Electrique-Télécom pour la Quantification et l'Optimisation de la Résilience des Réseaux Electriques Intelligents

Youba Nait Belaid
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1356158
  • IdRef : 275899780

Résumé

Recent years have seen the power grid continue evolving through the introduction of information and communication technologies (ICTs) that enable a whole new package of functionalities such as automated control, smart metering, demand optimization, fault detection, and asset availability. Yet, as the grid is transforming from a traditionally one-way power flow (PF) and limited-control system into a two-way PF, intelligent, and mesh networked system; the resultant smart grid can guarantee improved service for all connected loads, although at the expense of increased complexity. As a result, grid reliability and resilience are highly challenged, especially at the distribution level due to increased vulnerabilities and limited recovery and restoration resources.This dissertation proposes two modeling approaches to quantify the resilience of smart grids taking into account power-telecom interdependencies. First, a model based on complex network (CN) theory is proposed to capture the operation of the interdependent power-telecom system, track the impact of events including failure propagation, and most importantly optimize the allocation of recovery resources to achieve the best level of resilience with minimal costs. As the standpoint of a power operator is adopted, considered resources include: fast reconfiguration using remote switches, manual operation of switches by technicians, repair by specialized crews, and mobile distributed-generators placement. Second, this work is extended using agent-based modeling (ABM) and discrete-events (DE) to account for more complex system dynamics (hardly tractable analytically), such as battery discharge, crew displacement in roads, and communication messages. The resulting hybrid CN-ABM-DE model serves as an environment to evaluate the solution from the initial optimization and enhance it. Overall, the coupling between resilience resources is leveraged to coordinate the allocation using the telecommunication network, which exhibits many cyber-physical interdependencies with the power domain. Different applications in realistic settings are introduced to investigate the contribution of information and communication technologies to grid management and restoration operations. Major results highlight the enhancement in the grid resilience brought by communication-aware restoration and co-optimization of resilience resources, as well as demonstrate the applicability of the proposed framework for resilience quantification.
Le réseau électrique continue d'évoluer grâce à l'introduction des technologies de l'information et de la communication (TIC) qui permettent un tout nouvel ensemble de fonctionnalités telles que le contrôle automatisé, le comptage intelligent, l'optimisation de la demande, la détection des pannes, et la supervision de la disponibilité des actifs. Ceci contribue au passage d'un système électrique à flux de puissance (Power Flow - PF) traditionnellement unidirectionnel avec un contrôle limité, en un système bidirectionnel, intelligent, et maillé. Le réseau intelligent qui en résulte peut garantir un service amélioré pour toutes les charges connectées au prix d'une complexité accrue. En conséquence, la fiabilité et la résilience du réseau sont fortement mises à l'épreuve, en particulier au niveau de la distribution en raison des vulnérabilités élevées et des ressources de remise en service assez limitées. Cette thèse propose deux approches de modélisation pour quantifier la résilience des réseaux électriques intelligents en tenant compte des interdépendances électricité-télécom. Tout d'abord, un modèle basé sur la théorie des réseaux complexes (Complex Network - CN) est proposé pour décrire le fonctionnement du système interdépendant électricité-télécom, suivre l'impact des événements, y compris la propagation des pannes, et surtout optimiser l'affectation des ressources de remise en service pour un meilleur niveau de résilience à moindre coût. Le point de vue d'un opérateur électrique est adopté, et les ressources envisagées incluent: la reconfiguration rapide à l'aide d'interrupteurs télécommandés, la manœuvre des interrupteurs manuels par techniciens, la réparation par des équipes spécialisées, et le dépôt de groupes électrogènes. Ce travail est étendu à l'aide de la modélisation à base d'agents (Agent-based Modeling - ABM) et des événements discrets (Discrete-Events - DE) pour tenir compte de dynamiques plus complexes du système (difficilement traitables analytiquement), telles que la décharge de la batterie, le déplacement des équipes sur les routes, et les communications. Le modèle hybride CN-ABM-DE qui en résulte sert d'environnement pour évaluer la solution à partir de l'optimisation initiale et l'améliorer. Globalement, le couplage entre les ressources de résilience est mis à profit pour coordonner l'affectation en prenant en compte la couche télécom, qui présente de nombreuses interdépendances cyber-physiques avec la couche électrique. Différentes applications en contexte réel sont introduites pour étudier la contribution des technologies de l'information et de la communication à la gestion du réseau et aux opérations de reprise. Les principaux résultats mettent en évidence l'amélioration de la résilience du réseau apportée par la remise en service sensible aux télécoms et la co-optimisation des ressources de résilience, et démontrent l'applicabilité du cadre proposé pour la quantification de la résilience.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04473863 , version 1 (22-02-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04473863 , version 1

Citer

Youba Nait Belaid. Integrated Power-Telecom Modeling for Resilience Quantification and Optimization in Smart Distribution Grids. Electric power. Université Paris-Saclay, 2023. English. ⟨NNT : 2023UPAST120⟩. ⟨tel-04473863⟩
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