Hale Cetinay

Elektriciteit is een zeer essentieel onderdeel geworden van ons dagelijks leven. We zijn er aan gewend om elektriciteit te krijgen wanneer we onze elektronische apparaten met het stopcontact verbinden, of wanneer we onze lichten aan doen. De beschikbaarheid van elektriciteit wordt als iets vanzelfsprekends gezien in onze moderne maatschappij, waardoor we voornamelijk geïrriteerd raken bij de afwezigheid ervan. Het belang van elektriciteit wordt des temeer duidelijk tijdens een stroomstoring, wat soms zelfs ernstige gevolgen kan hebben op de maatschappelijke orde.

Vele landen, zoals de V.S. en Canada [1], Turkije [2] en India [3], hebben desastreuze gevolgen ondervonden door stroomstoringen, en soortgelijke gebeurtenissen zetten zich ook tegenwoordig met regelmaat voort. Gegevens van de ‘North American Electrical Reliability Council’ laten zien dat stroomstoringen gemiddeld eens per 15 dagen gebeuren, en dat de economische gevolgen hiervan in de orde van tientallen miljarden dollars per jaar kunnen oplopen [4]. Dit soort voorbeelden laten de noodzaak zien voor nauwkeurige analyses en planningen van elektriciteitsnetwerken, om zo uiteindelijk de betrouwbaarheid van deze infrastructuur te verbeteren.

In het huidige toepassingsgebied spelen ‘flow-based’ simulaties een belangrijke rol voor zowel veiligheidsanalyses als medium- tot lange- termijn planningen van het elektriciteitsnetwerk. Bij een gegeven ‘generation and demand’ (‘vraag en aanbod/opwekking’) profiel kan via een ‘steady-state’ analyse een voorspelling gedaan worden van de werking van het net. Bovendien vereisen vele landen dat het elektriciteitsnet bestand moet zijn tegen geplande en ongeplande uitvallen van de meest kritieke elektriciteitslijnen, of van andere cruciale componenten. Ook het uitvallen van deze onderdelen wordt gesimuleerd, om zodoende te bepalen of het elektriciteitsnetwerk nog steeds juist kan functioneren.

Het elektriciteitsnetwerk heeft een grote ontwikkeling ondergaan door economische, milieuvriendelijke, en menselijke invloeden. Bijkomend aan eventualiteit analyses zijn er tegenwoordig vele uitdagingen betreffende de werking en het plannen van het elektrische netwerk (zoals bijvoorbeeld de groeiende vraag naar energie). Dit brengt vele vragen met zich mee. Op welke knooppunten kan een nieuwe lijn of verbinding worden aangesloten? Wat is de impact van kwaadwillige aanvallen op het netwerk? Hoe kan een initiële storing resulteren in het oplopende falen van andere componenten en een uiteindelijk uitval van het netwerk? Hoe moeten we ons voorbereiden op de integratie van hernieuwbare energie in het huidige netwerk? Het beantwoorden van deze vragen verantwoorden de ontwikkeling van nieuwe concepten en hulpmiddelen voor de analysis en planning voor elektrische netwerken.

Elektrische infrastructuren zijn één van de meest complexe door de mens gemaakte systemen op de aarde. De complexe aard van het elektriciteitsnet, en diens onderliggende structuren, maakt het mogelijk om bij de analyse gebruik te maken van ‘network science’ [5, 6]. Het toepassen van ‘network science’ op het elektriciteitsnet heeft zeer veelbelovende resultaten laten zien bij het begrijpen van de interne afhankelijkheden tussen de componenten en bij het begrijpen van het samenhangende gedrag van complexe elektriciteitsnetwerken [7, 8].

De motivatie voor deze dissertatie komt voort uit de toenemende behoefte naar betrouwbare elektriciteitsnetten en de verdiensten van ‘network science’ bij het onderzoek naar elektrische infrastructuren. Met behulp van ‘network science’ zullen we elektriciteitsnetten en de bijhorende toekomstige uitdagingen analyseren en modeleren met betrekking tot het toevoegen of verwijderen van lijnen, kwaadwillige aanvallen, opeenhopende uitvallen, en de integratie van hernieuwbare energie. Ook brengen we het stromingsgedrag in elektrische netwerken tot uiting via ‘graph-related matrices’ (hoofdstuk 2), zodat (i) we het elektriciteitsnet kunnen modeleren als simpele en gewogen grafieken, (ii) we de centraliteit van elk knooppunt kunnen berekenen (hoofdstuk 3), en (iii) we de werking ervan kunnen onderzoeken in verschillende grafieken (hoofdstuk 4). Tevens presenteren we hulpmiddelen voor het onderzoek van de uitdagingen betreffende het elektriciteitsnet in het heden en in de nabije toekomst, zoals het toevoegen/verwijderen van verbindingen (hoofdstuk 2), ‘critical asset identification’ (kritische eigendom identificatie) en doelgerichte aanvallen (hoofdstuk 3), netwerk uitbreidingen (hoofdstuk 4), opeenhopende uitvallen (hoofdstuk 5), en de integratie van wind energie (hoofdstuk 6).

De ontwikkelde concepten in deze dissertatie zorgen voor een beter inzicht in de operatie van elektriciteitsnetwerken, met het verbeteren van de betrouwbaarheid hiervan als uiteindelijk ultiem doel. We laten de toepasbaarheid van onze methodes zien voor synthetische en echte fysieke elektriciteitsnetten, alsmede voor de IEEE power grid test. De ontwikkelde concepten geven een uitbreiding aan de hedendaagse technische en conceptuele mogelijkheden, welke (i) van interesse kunnen zijn voor onderzoekers in dit vakgebied, (ii) een bijdrage kunnen leveren aan netwerk opperanten/exploitanten bij de analyse van netwerk kwetsbaarheden bij toekomstige uitdagingen, en (iii) beleidsmakers en investeerders kunnen helpen bij het plannen van toekomstige trends betreffende elektriciteitsnetwerken.