Nuevas técnicas para modelizar y analizar la vulnerabilidad de infraestructuras críticas de energía interdependientes

La interdependencia entre las redes de gas y electricidad es motivo de preocupación debido a la creciente utilización del gas para la generación de electricidad en centrales de ciclo combinado y al uso de energía eléctrica de los compresores en la red de gas. Estas redes están sujetas a riesgos de interrupción del suministro derivados de posibles problemas técnicos o amenazas intencionadas. Por lo tanto, resulta conveniente modelizar y analizar la vulnerabilidad de estas infraestructuras críticas de energía interdependientes.En esta tesis doctoral se presenta, en primer lugar, una metodología para analizar conjuntamente los flujos de electricidad y gas. El conjunto de ecuaciones no lineales que representan la operación del sistema de potencia se resuelve utilizando el método de Newton-Raphson, mientras que las ecuaciones en la red de gas se resuelven utilizando el enfoque de transformada análoga-lineal. Se presentan dos casos de estudio para demostrar la simplicidad de la metodología propuesta. Los resultados obtenidos se verifican contra el método Newton-Raphson tradicional con el fin de comprobar la solución alcanzada, encontrando un buen desempeño de la metodología conjunta aplicada. La aplicación del enfoque propuesto permite el análisis de la vulnerabilidad de las infraestructuras energéticas interdependientes. También, se desarrolla una metodología para evaluar la vulnerabilidad estructural de las redes de energía eléctrica y gas acopladas, considerando interdependencias en el proceso de fallos en cascada. La vulnerabilidad se evalúa empleando el índice de desconexión de carga y las medidas de centralidad de vulnerabilidad geodésica e impacto en la conectividad. El estudio muestra una elevada correlación entre el índice de desconexión de carga y el índice de vulnerabilidad geodésica. De esta manera, la teoría de grafos puede usarse como sustituto de los enfoques de flujos de carga que demandan un conocimiento detallado de los parámetros eléctricos e hidráulicos de los sistemas bajo estudio y son computacionalmente más intensivos que los métodos estadísticos de grafos. Como resultado, se propone un nuevo método para estimar la vulnerabilidad de las redes de energía eléctrica y gas conjuntas utilizando el índice de vulnerabilidad geodésica. Asimismo, se estudia el comportamiento de las redes de electricidad y gas natural de España, tanto de manera separada como conjunta. Los resultados muestran que la red de gas natural es menos robusta que la red eléctrica y que la red acoplada es más vulnerable que la red eléctrica ante fallos aleatorios y deliberados. Además, eliminar los nodos más fuertemente conectados de los dos sistemas independientes resultaría una estrategia de ataque eficaz para el rápido colapso de las infraestructuras acopladas interdependientes. Por último, se evalúa la robustez estructural de los planes de expansión de las infraestructuras de electricidad y gas natural en España. Los casos de estudio corresponden a las principales inversiones propuestas por los operadores de los sistemas en 2015-2020. Los resultados demuestran que la construcción de algunas instalaciones para la expansión de ambas redes no mejora la robustez estructural de la red acoplada; sin embargo, cuando se tiene en cuenta todo el programa de inversión se produce una mejora relativa de hasta un 6% con respecto al caso base. La metodología propuesta en esta tesis corrobora que la aplicación de la teoría de grafos es adecuada para analizar la planificación de activos de una infraestructura energética crítica, requiriendo únicamente la topología y el programa de inversiones para evaluar el desempeño de la red acoplada en caso de fallos en cascada. En suma, esta tesis doctoral pone de relieve la importancia de que los sistemas energéticos se aborden como redes acopladas debido a sus fuertes interacciones. Una perturbación en un sistema puede no ser crítica si las infraestructuras están separadas, pero dado que ambas redes son interdependientes, el impacto resultante podría causar fallos en el otro sistema. En otras palabras, las interdependencias aumentan el impacto de las perturbaciones.<br /

Risk-Aware Stochastic Scheduling of Hybrid Integrated Energy Systems with 100% Renewables

Recently, ambitious endeavors have been carried out to facilitate the transition from traditional grids to hybrid interconnected energy networks in the form of grid modernization. Align to such efforts, this article aims at developing a novel framework for satisfying techno-economic-environmental goals in the grid modernization process. To this end, a detailed examination is conducted for the optimal exploitation of energy hubs (EHs) equipped with 100% renewables to pursue the environmental goal alongside intending technical and economic constraints. The energy conversion technology is adopted to enable the power-to-gas system for establishing multi-energy interactions among electricity and gas networks. Fully benefiting from renewable units has exposed the system to uncertain fluctuations that necessitate the modeling of uncertainties to achieve near-reality results. Hence, risk-averse and seeker strategies are developed based on robustness and opportunistic modes of the information gap decision theory (IGDT) method to deal with stochastic fluctuations of uncertain parameters. The integrated electricity and gas test system is considered to analyze the applicability of the proposed framework in modeling efficient multi-energy interactions. Given the obtained results, 43.68% more energy cost is reached for EHs when they adopted a robust strategy against uncertainties under the risk-averse strategy. Moreover, the proposed framework procured a rational decision-making model for balancing multi-energy in the hybrid energy grid with 100% renewables

IEEE Access Special Section Editorial: Energy Management in Buildings

Energy usage in buildings has become a critical concern globally, and with that, the concept of energy management in buildings has emerged to help tackle these challenges. The energy management system provides a new opportunity for the building's energy requirements, and is an essential method for energy service, i.e., energy saving, consumption,

Situation Awareness for Smart Distribution Systems

In recent years, the global climate has become variable due to intensification of the greenhouse effect, and natural disasters are frequently occurring, which poses challenges to the situation awareness of intelligent distribution networks. Aside from the continuous grid connection of distributed generation, energy storage and new energy generation not only reduces the power supply pressure of distribution network to a certain extent but also brings new consumption pressure and load impact. Situation awareness is a technology based on the overall dynamic insight of environment and covering perception, understanding, and prediction. Such means have been widely used in security, intelligence, justice, intelligent transportation, and other fields and gradually become the research direction of digitization and informatization in the future. We hope this Special Issue represents a useful contribution. We present 10 interesting papers that cover a wide range of topics all focused on problems and solutions related to situation awareness for smart distribution systems. We sincerely hope the papers included in this Special Issue will inspire more researchers to further develop situation awareness for smart distribution systems. We strongly believe that there is a need for more work to be carried out, and we hope this issue provides a useful open-access platform for the dissemination of new ideas

Modeling Resilience in Electrical Distribution Networks

Electrical distribution networks deliver a fundamental service to citizens. However, they are still highly vulnerable to natural hazards as well as to cyberattacks; therefore, additional commitment and investments are needed to foster their resilience. Toward that, this paper presents and proposes the use of a complex simulation model, called reconfiguration simulator (RecSIM), enabling to evaluate the effectiveness of resilience enhancement strategies for electric distribution networks and the required resources to implement them. The focus is, in particular, on one specific attribute of resilience, namely, the readiness, i.e., the promptness and efficiency to recover the service functionality after a crisis event by managing and deploying the available resources rapidly and effectively. RecSIM allows estimating how and to what extent technological, topological, and management issues might improve electrical distribution networks’ functionality after the occurrence of accidental faults, accounting for interdependency issues and reconfiguration possibilities. The viability of implementing RecSIM on a real and large urban network is showcased in the paper with reference to the study case of the electrical distribution network (EDN) of Rome city