Optimal location of phasor measurement units (PMUs) in power system networks based on meta-heuristic approach

Abstract

الغرض من المذكرة هو العثور على موضع استراتيجي لوحدات قياس الطور (PMUs) التي يمكن أن تحافظ على إمكانية ملاحظة نظام الطاقة باستخدام خوارزمية بحث جاذبية. على مدى السنوات القليلة الماضية ، كانت طريقة التحسين الأكثر استخدامًا لحل هذه المشكلة هي البرمجة الخطية الصحيحة (ILP). على الرغم من ذلك ، أظهرت الدراسات الحديثة أن الأساليب الحتمية مثل ILP لا تزال تفشل في العثور على الوضع الأمثل لوحدات PMU. نظرًا لطبيعتها القائمة على البحث ، لا يزال من الممكن إجراء المزيد من البحث باستخدام خوارزمية الكشف عن مجريات الأمور. من المهم تحديد الموقع الأكثر استراتيجية لوحدات إدارة المشروع لضمان استخدامها بالكامل بسبب ارتفاع سعرها. تتمثل صعوبة استخدام الخوارزمية الإرشادية في ضعفها عند التعامل مع المشكلات الكبيرة ، حيث تميل إلى الوقوع في البصمة المحلية ، كما هو موضح في الدراسات السابقة حيث طبق معظمهم نهجهم المقترح على أنظمة الحافلات الصغيرة. تم تصميم الطريقة المقترحة لتحسين البحث المحلي للخوارزمية حول أفضل حل حالي للمساعدة في منع التصاق الجسيمات في البصمة المحلية وبالتالي إيجاد حل أفضل. تظهر النتائج العددية التي تم الحصول عليها أن هذه الطريقة حاسمة لأنها تتفوق على جميع الطرق الأخرى لجميع أنظمة الحافلات التي تم اختبارها ، بما في ذلك نظام الحافلات الجزائري 114 ، من حيث تكرار القياس وعدد وحدات الجسيمات. تتناول هذه الدراسة أيضًا قيود المشاكل الأخرى مثل ناقل الحقن الصفري ، وفقدان PMU المفرد ، وانقطاع الخط الواحد ، وكذلك PMU المفرد أو فشل الخط.

The purpose of this thesis is to find a strategic placement of phasor measurement units (PMUs) that can maintain the observability of the power system using a gravitational search algorithm. Over the last few years, the most widely used optimization method to solve this problem has been integer linear programming (ILP). Despite this, recent studies have shown that deterministic methods such as ILP still fail to find the most optimal placement of PMUs. Due to its search-based nature, it is therefore still possible to further investigate using a heuristic algorithm. It is important to determine the strategic location of PMUs to ensure that they are fully utilized due to their high price. The difficulty in using the heuristic algorithm is its weakness when dealing with large problems, as it tends to get stuck in local optima, as shown in previous studies where most of them applied their proposed approach to small bus systems. The proposed method is designed to enhance the local search of the algorithm around the current best solution in order to help prevent particles from being stuck in the local optima and thus find a better solution. The numerical results obtained show that this method is crucial as it outperforms all other methods for all bus systems tested, including the Algerian 114 bus system, in terms of measurement redundancy and number of particle units. This study also considers other problem constraints such as zero-injection bus, single PMU loss, single line outage, and also single PMU or line failure.

L'objectif de cette thèse est de trouver un placement stratégique des unités de mesure de phase (PMUs) qui peuvent assurer l'observabilité du système électrique en utilisant un algorithme de recherche gravitationnelle. Durant ces dernières années, la méthode d'optimisation la plus utilisée pour résoudre ce problème a été la programmation linéaire en nombres entiers (ILP). Malgré cela, des études récentes ont montré que les méthodes déterministes telles que l'ILP ne réussissent toujours pas à trouver le placement le plus optimal des PMUs. En raison de sa nature basée sur la recherche, il est donc encore possible d'approfondir les recherches en utilisant un algorithme heuristique. Il est important de déterminer l'emplacement le plus stratégique des PMU afin de s'assurer qu'elles sont pleinement utilisées en raison de leur coût élevé. La difficulté d'utilisation de l'algorithme heuristique est sa faiblesse lorsqu'il s'agit de traiter des problèmes de grande taille, car il a tendance à se bloquer dans les optima locaux, comme l'ont montré des études antérieures où la plupart d'entre elles ont appliqué l'approche qu'elles proposaient aux systèmes de petits bus. La méthode proposée est conçue pour améliorer la recherche locale de l'algorithme autour de la meilleure solution actuelle afin d'éviter que les particules ne soient bloquées dans l'optima local et de trouver ainsi une meilleure solution. Selon les résultats obtenus, cette méthode est cruciale car elle surpasse toutes les autres méthodes pour tous les systèmes de bus testés, y compris le système de bus 114 algérien, en termes de redondance des mesures et de nombre d'unités de particules. Cette étude prend également en compte d'autres contraintes liées au problème, telles que le bus à injection zéro, la perte d'une seule unité de particules, l'interruption d'une seule ligne, et également la défaillance d'une seule unité de particules ou d'une seule ligne.