Optimal dispatch & network reconfiguration algorithms for controlling the security of electrical power systems

This doctoral thesis reports the results carried out by the author during the three-year research activities of the XXXVIII cycle of the Ph.D. course in Electrical and Information Engineering at Politecnico di Bari. The main goal of this work is the development and implementation of advanced algorithms for optimal dispatch and network reconfiguration to ensure operational security and reliability of electrical power systems within the context of the energy transition. The research frames security and flexibility as a multi-layer coordination problem that bridges generation dispatch, service markets, and topology control across both transmission and distribution levels. At the transmission level, the thesis first introduces a two-stage energy and service market framework that integrates unit commitment and network-based redispatch, enabling Transmission System Operators (TSOs) to handle load and renewable energy sources (RES) forecast errors, and procure reserve services while ensuring system adequacy and security. Moving beyond cost-intensive generation-based solutions, the research investigates topology control as a source of hidden flexibility in power system operation. Switching operations are integrated into Optimal Reactive Power Flow (ORPF) and N-1 Security-Constrained optimization tools to mitigate voltage violations and relieve congestion without incurring additional costs. These methodologies are tested on both standard benchmark systems and realistic transmission grid models, highlighting the practical challenges of their application in real-world control rooms. The concept of topological flexibility is finally extended to the distribution level, focusing on improving the quality of supply for operational planning purposes. Optimal Network Reconfiguration (ONR) algorithms are specifically designed incorporating the actual Fault Detection, Isolation, and Recovery (FDIR) practices adopted by Italian Distribution System Operators (DSOs). The soundness and generality of the proposed models enable the assessment of adverse weather events impacts, while also supporting automated restoration and black-start procedures.

Questa tesi di dottorato riporta i risultati conseguiti dall'autore durante il triennio di attività di ricerca del XXXVIII ciclo del Corso di Dottorato in Ingegneria Elettrica e dell'Informazione presso il Politecnico di Bari. L'obiettivo principale di questo lavoro è lo sviluppo e l'implementazione di algoritmi avanzati per il dispacciamento ottimo e la riconfigurazione di rete, al fine di garantire la sicurezza operativa e l'affidabilità dei sistemi elettrici di potenza nel contesto della transizione energetica. La ricerca inquadra la sicurezza e la flessibilità come un problema di coordinamento multi-livello che mette in relazione il dispacciamento della generazione, il mercato dei servizi e il controllo della topologia, sia a livello di trasmissione che di distribuzione. A livello di trasmissione, la tesi introduce inizialmente un framework a due fasi per un mercato dell'energia elettrica e dei servizi di rete, integrando unit commitment, meccanismi di ridispacciamento e vincoli di rete. Ciò consente ai Transmission System Operators (TSOs) di gestire gli errori di previsione del carico e delle fonti di energia rinnovabile (FER) e di approvvigionare servizi di riserva, garantendo al contempo l'adeguatezza e la sicurezza del sistema. Andando oltre le soluzioni basate sul dispacciamento ottimo della generazione, spesso onerose in termini di costi, la ricerca indaga il controllo della topologia come una fonte di flessibilità "nascosta" durante l'esercizio dei sistemi elettrici. Le operazioni di manovra (manovre di switching) possono essere integrate in strumenti di ottimizzazione di Optimal Reactive Power Flow (ORPF) ed N-1 Security-Constrained per mitigare le violazioni di tensione e alleviare le congestioni di rete senza incorrere in costi aggiuntivi. Metodologie sono state testate sia su sistemi di benchmark standard che su modelli realistici di reti di trasmissione, evidenziando le sfide pratiche della loro applicazione nelle sale di controllo reali. Il concetto di flessibilità topologica viene infine esteso al livello di distribuzione, con l'obiettivo di migliorare la qualità del servizio elettrico per scopi di pianificazione dell'esercizio. Sono stati implementati Algoritmi di Optimal Network Reconfiguration (ONR) integrando le attuali pratiche di Fault Detection, Isolation, and Recovery (FDIR) adottate dai Distribution System Operators (DSOs) italiani.