Optimal operation of circuit breakers in different types of networks for the minimum load shedding

Reliability in electric power systems is a vital characteristic, as the continuous supply of the required power in the network is the foundation of sustainable development in a world which grows in its electricity penetration and the onboarding of new green technologies. In the case of a fault, it is of paramount importance to apply a countermeasure to clear it. Hence, the importance to apply and develop faster and more efficient solutions to isolate the fault focusing on obtaining the minimum power loss, or the minimum amount of circuit breakers (CBs) to be tripped. This investigation aims at finding a criterion for determining the best opening procedure for CBs in order to clear the fault. Three different criterion of optimality were defined: the minimum load shedding, the minimum distance of CBs to the fault location, and the minimum number of CBs to be operated to isolate the fault. A single algorithm was implemented in the MATLAB® environment to find the optimal operation scheme for circuit breakers to clear a fault based on these three criterion. The algorithm finds all possible paths (transmission lines/CBs) between the fault location and the sources, by using a combination technique to obtain all the possible ways to isolate the fault concerning the CBs operation. A total of four electrical grids, one radial, and three meshed, were studied considering three places for a generic fault location: transmission line (TL), load, and bus. Once this approach is applied to the power system under analysis, all possible solutions to isolate the fault concerning the CBs operation are found. And it is obtained solutions that provide the minimum load shedding by applying the three defined conditions of optimality. In all the studied cases, the optimal scheme of CBs to clear the fault is composed mostly of CBs installed in the TLs which are connected to the bus where the fault happened. The second condition of optimality is always present in the set of solutions that gives the minimum load shedding. However, it is possible to obtain the optimal solution by applying the mathematical operation proposed in this thesis or by tripping the CBs linked to the fault location as well.

L'affidabilità dei sistemi di alimentazione elettrica è una caratteristica fondamentale, poiché la fornitura continua della potenza richiesta nella rete è alla base dello sviluppo sostenibile in un mondo che cresce nella penetrazione dell'elettricità e nell'onboarding di nuove tecnologie verdi. In caso di guasto, è di fondamentale importanza applicare una contromisura per eliminarlo. Da qui l'importanza di applicare e sviluppare soluzioni più rapide ed efficienti per isolare il guasto concentrandosi sull'ottenimento della minima perdita di potenza o della quantità minima di interruttori automatici (CB) da far scattare. Questa indagine mira a trovare un criterio per determinare la migliore procedura di apertura degli OC al fine di eliminare il difetto. Sono stati definiti tre diversi criteri come criterio di ottimalità: il distacco minimo del carico, la distanza minima degli CB dalla posizione del guasto e il numero minimo di CB da azionare per isolare il guasto dai generatori. Nell'ambiente MATLAB® è stato implementato un unico algoritmo per trovare lo schema di funzionamento ottimale per gli interruttori automatici per eliminare un guasto in base a questi tre criteri. L'algoritmo trova tutti i percorsi possibili (linee di trasmissione/CB) tra la localizzazione della faglia e le sorgenti, utilizzando una tecnica di combinazione per ottenere tutte le modalità possibili per isolare la faglia relativa al funzionamento degli CB. Sono state studiate in totale quattro reti elettriche, una radiale e tre meshate, considerando tre punti per una posizione di guasto generico: linea di trasmissione (TL), carico e bus. Una volta applicato l'approccio creato al sistema elettrico in analisi, si trovano tutte le soluzioni possibili per isolare il guasto relativo al funzionamento dei CB. E si ottengono soluzioni che prevedevano il distacco minimo del carico applicando le tre condizioni definite di criteri di ottimalità. In tutti i casi studiati, lo schema ottimale di CB per azzerare il guasto è composto principalmente da CB installati nei TL che sono direttamente collegati al bus dove si è verificato il guasto. La seconda condizione di ottimalità è sempre presente nell'insieme delle soluzioni che danno il minimo distacco del carico, tuttavia non è l'unica. Tuttavia, è possibile ottenere la soluzione ottimale applicando l'operazione matematica proposta in questa tesi o facendo scattare anche i CB collegati alla localizzazione del guasto. Pertanto, oltre a questo approccio, è anche possibile ottenere la migliore selezione di CB da viaggio utilizzando la metodologia matematica sviluppata in questa tesi.