A procedure to study the resiliency of the power system during extreme events

Abstract

In this thesis, a procedure for the study of resiliency of the power system during an extreme event or natural phenomenon (i.e. a hurricane) was designed. The main goal was to include a quantitative form/way from which the resiliency could be calculated, and to let the process well documented, to function as a guide, for the benefit of the readers, and other interested people, for future investigations about resiliency. After an intense research, it was determined, that to achieve this goal, metrics analogous to those of availability were to be followed. Because the term resiliency is an explicit function of time, the use of probability functions and/or methods were implemented. In general, the motivation to center this thesis in the resiliency study was because of the two reasons. The first one being, natural phenomenon are happening more frequently around the world, and small countries, as is the case of the tropical island of Puerto Rico, suffer higher consequences in comparison to other places, either by the lack of maintenance and updates in the technology present in the existing power grid and other infrastructures, or because of their location (i.e. coasts or close to the ocean). The second one being, the increasing interest of realizing studies centered around resiliency. This thesis consists in the development and implementation of three models: “Markov Chain grid availability model”, “Renewable energy source with embedded energy storage model” and “Diesel generator model”, from which the resiliency study is generated. The probability method known as the Markov Process, because of its property (i.e. principle of memoryless) was used in the implementation. The advantage of this property come in handy when few or none, empirical data of interest is available, as was the case during the realization of this thesis. The first model is related to the power grid, and it’s made in term of its availability, during the occurrence of a hurricane. This assumption was made, because in normal operational conditions, the power grid should be able to supply all load demands. The second model work with solar renewable energy source with embedded energy storage. For the implementation of this model, a solar data profile, provided by professor Agustin Irizzary, was used. Finally, the third model works with the implementation of a diesel generator with a tank storage. The purpose of including both distributed energy resources and a diesel generator is to make it more flexible, and to showcase the importance of including them when studying the resiliency of the power system. At completion, the resiliency of each model is calculated in a quantitative form. After being completed and because of the way the methodology is explained, this thesis could be modified and implemented for the development of new research on resiliency.

En esta tesis, se diseñó un procedimiento para el estudio de la resiliencia del sistema de energía durante un evento extremo o fenómeno natural (es decir, un huracán). El objetivo principal es incluir una forma cuantitativa a partir de la cual se pueda calcular la resiliencia, y permitir que el proceso bien documentado, funcione como guía, en beneficio de los lectores y otras personas interesadas, para futuras investigaciones sobre resiliencia. Después de una intensa investigación, se determinó que, para lograr este objetivo, se debían seguir métricas análogas a las de disponibilidad. Dado que el término resiliencia es una función explícita del tiempo, se implementó el uso de funciones de probabilidad o métodos. En general, la motivación para centrar esta tesis en el estudio de resiliencia se debió a las dos razones. La primera de ellas, los fenómenos naturales están sucediendo con más frecuencia en todo el mundo, y los países pequeños, como es el caso de la isla tropical de Puerto Rico, sufren mayores consecuencias en comparación con otros lugares, ya sea por la falta de mantenimiento y actualizaciones en la tecnología presente en la red eléctrica existente y otras infraestructuras, o debido a su ubicación (es decir, costas o cercanía del océano). El segundo es, el creciente interés de realizar estudios se centró en la resiliencia. Esta tesis consiste en el desarrollo e implementación de tres modelos: "Modelo de disponibilidad de la red en cadena de Markov", "Fuente de energía renovable con modelo de almacenamiento de energía integrado" y "Modelo generador de diésel", a partir de los cuales se genera el estudio de resiliencia. El método de probabilidad conocido como el Proceso Markov, debido a su propiedad (es decir, principio de memoria sin memoria) se utilizó en la implementación. La ventaja de esta propiedad es útil cuando pocos o ninguno, datos empíricos de interés están disponible, como fue el caso durante la realización de esta tesis. El primer modelo está relacionado con la red eléctrica, y está hecho en términos de su disponibilidad, durante la ocurrencia de un huracán. Esta suposición se hizo, porque en condiciones normales de funcionamiento, la red eléctrica debe ser capaz de suministrar todas las demandas de carga. El segundo modelo funciona con una fuente de energía solar renovable con almacenamiento de energía integrado. Para la implementación de este modelo, se utilizó un perfil de datos solares, proporcionado por el profesor Agustín Irizzary. Por último, el tercer modelo funciona con la implementación de un generador diesel con un almacenamiento de tanque. El propósito de incluir tanto recursos de energía distribuidos como un generador diesel es hacerlo más flexible, y mostrar la importancia de incluirlos al estudiar la resiliencia del sistema de energía. Al finalizar, la resiliencia de cada modelo se calcula de forma cuantitativa. Después de ser completada y debido a la forma en que se explica la metodología, esta tesis podría ser modificada e implementada para el desarrollo de nuevas investigaciones sobre resiliencia.