System partitioning for improved event diagnosis and accommodation

Abstract

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι τεχνολογικές εξελίξεις στους αισθητήρες, την υπολογιστική ισχύ και τα συστήματα ελέγχου, έχουν παρακινήσει την ανάπτυξη μεθοδολογιών διάγνωσης και ελέγχου για μεγάλα πολύπλοκα συστήματα. Οι συμβατικές λύσεις που χρησιμοποιούν μία κεντρική μονάδα επεξεργασίας, δεν είναι σε θέση να προστατεύσουν αποτελεσματικά τα συστήματα αυτά από απρόσμενα φαινόμενα που επηρεάζουν την κανονική λειτουργία του συστήματος και μπορεί να προκαλέσουν σημαντική μείωση της απόδοσης του, να οδηγήσουν στην πλήρη κατάρρευσή του ή ακόμα και να θέσουν σε κίνδυνο την υγεία των ανθρώπων. Επομένως, ο διαχωρισμός των συστημάτων σε μικρότερα, απλούστερα υποσυστήματα και η ανάπτυξη κατανεμημένων μεθόδων διάγνωσης και ελέγχου είναι ζωτικής σημασίας για τη διασφάλιση της ανθεκτικότητας σε προβλήματα και της υψηλής αξιοπιστίας. Παρόλα αυτά, η επιτυχής εφαρμογή των κατανεμημένων μεθόδων, βασίζεται στον κατάλληλο διαχωρισμό των συστημάτων στα επιμέρους υποσυστήματα, επομένως, είναι απαραίτητη η ανάπτυξη συστηματικών μεθόδων διαχωρισμού συστημάτων. Αυτή η διδακτορική διατριβή, αφορά τον αυτόματο διαχωρισμό των Έξυπνων Κτιρίων και των συστημάτων Ηλεκτρικής Ισχύος για: α) το σχεδιασμό και την αναδιαμόρφωση μίας μεθοδολογίας παρακολούθησης για την απελευθέρωση μολυσματικών ουσιών για τα Έξυπνα Κτήρια και β) την αποκατάσταση σε πραγματικό χρόνο, σοβαρών διαταραχών, στα συστήματα Ηλεκτρικής Ισχύος. Ως εκ τούτου, προτείνεται ένας βέλτιστος αλγόριθμος για τον διαχωρισμό των Έξυπνων Κτιρίων σε υποσυστήματα, και η αποτελεσματικότητά του αποδεικνύεται μέσω του σχεδιασμού ενός κατανεμημένου συστήματος διάγνωσης, που βασίζεται σε τεχνικές διάγνωσης σφαλμάτων για την ανίχνευση της ύπαρξης πηγών μολύνσεως του αέρα στο εσωτερικό του κτιρίου και τον εντοπισμό της ακριβής τοποθεσίας τους. Επιπλέον, προτείνεται ένας ευρετικός αλγόριθμος διαχωρισμού κτιρίων και μια διαδικασία αναδιαμόρφωσης σε πραγματικό χρόνο, των υποσυστημάτων και του συστήματος ανίχνευσης και εντοπισμού πηγών μολυσματικών ουσιών, για να εξασφαλιστεί υψηλή απόδοση της διαδικασίας για όλες τις μεταβολές των ροών αέρα στο εσωτερικό του κτιρίου. Αναλύεται επίσης, ο αντίκτυπος των λύσεων διαχωρισμού, στην απόδοση της προσέγγισης ανίχνευσης και εντοπισμού σε σχέση με την ανιχνευσιμότητα και την απομόνωση των πηγών μολυσματικών ουσιών. Η μικρότερη πολυπλοκότητα των υποσυστημάτων που παράγονται μέσω της χρήσης των προτεινόμενων αλγορίθμων διαχωρισμού, αξιοποιείται περαιτέρω μέσω του σχεδιασμού μιας προσέγγισης υψηλής λεπτομέρειας, η οποία αυξάνει την ανάλυση της μεθοδολογίας διάγνωσης των μολυσματικών παραγόντων και επιτρέπει την πιο ρεαλιστική αξιολόγησή της. Στο πλαίσιο αυτό, αναπτύσσεται ένα λογισμικό ανοικτού κώδικα, που χρησιμεύει ως ένα συστηματικό πλαίσιο αξιολόγησης των μεθοδολογιών που σχετίζονται με την παρακολούθηση και διάγνωση των παραγόντων μόλυνσης, στο εσωτερικό των κτιρίων, μέσω της εύκολης δημιουργίας σεναρίων απελευθέρωσης και διάχυσης μολυσματικών ουσιών. Επιπλέον, με βάση τον βέλτιστο αλγόριθμο διαχωρισμού, αναπτύσσεται ένας αλγόριθμος για αποκατάσταση σε πραγματικό χρόνο σοβαρών διαταραχών, στα συστήματα Ηλεκτρικής Ισχύος, που διαχωρίζει το σύστημα σε μικρότερα υποσυστήματα που ονομάζονται νησιά, προκειμένου να αποφευχθεί η μερική ή η πλήρης κατάρρευση του συστήματος. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος, συνδυάζει τις διαθέσιμες πληροφορίες για την τοπολογία του συστήματος και μια διαδικασία προκαταρκτικής επεξεργασίας των πληροφοριών για τη δημιουργία σταθερών και βιώσιμων νησιών σε πραγματικό χρόνο και σε μεγάλης κλίμακας συστήματα Ηλεκτρικής Ισχύος. Η εφαρμογή των προτεινόμενων αλγορίθμων διαχωρισμού, σε συνδυασμό με τις μεθόδους διάγνωσης μολυσματικών παραγόντων στα Έξυπνα Κτήρια και τις μεθοδολογίες αποκατάστασης σοβαρών διαταραχών σε συστήματα Ηλεκτρικής Ισχύος, απεικονίζει την υψηλή προσαρμοστικότητα τους και την δυνατότητα ευρείας εφαρμογής τους.

In the past few decades, technological advancements in sensing, computation and actuation components have motivated the development of event diagnosis and control methodologies for large-scale complex systems. Conventional centralized diagnosis and control methodologies are unable to effectively protect such systems from abnormal events that affect a system's normal operation and may cause considerable performance degradation, lead to complete system collapse or even endanger humans' health. Therefore, partitioning of the systems into smaller, simpler subsystems and the application of distributed diagnosis and control methodologies are crucial in order to ensure robustness and high reliability. Nevertheless, the successful application of distributed methodologies relies on the proper partitioning of the systems into the individual subsystems, hence, the development of systematic partitioning methods is essential. This Ph.D. dissertation is concerned with automatic partitioning of Intelligent Buildings (IBs) and Power Systems (PSs) for i) the design and reconfiguration of a distributed contaminant event diagnosis methodology for IBs and ii) the real-time accommodation of severe disturbances in PSs. Therefore, an exact partitioning formulation is proposed to partition the IBs into subsystems and its effectiveness is demonstrated through the design of a distributed Contaminant Detection and Isolation (CDI) scheme based on fault diagnosis tools for detecting the existence of a contaminant source in the building interior and isolating its location. In addition, a building partitioning heuristic is proposed and an on-line reconfiguration procedure for the subsystems and the CDI scheme, to ensure high CDI performance under the changing nature of the airflows in the building interior. The impact of the partitioning solutions on the performance of the CDI approach with respect to the detectability and isolability of the contaminant sources is also investigated. The lower complexity of the subsystems generated through the utilization of the proposed partitioning solutions is exploited further through the design of a high-granularity state-space approach, that increases the analysis of the contaminant diagnosis scheme and allows its more realistic evaluation. In this context, an open-source software is developed to serve as a systematic evaluation framework of approaches related to contaminant monitoring in buildings through the seamless generation of benchmark instances. Furthermore, based on the proposed exact partitioning formulation, an Intentional Controlled Islanding (ICI) algorithm is developed for real-time accommodation of severe disturbances in PS, that splits the system into smaller subsystems called islands in order to avoid a partial system collapse or a complete blackout. The proposed ICI algorithm combines the available knowledge for the system topology and a pre-processing procedure to generate stable and sustainable islands for large-scale PSs in a timely manner. The application of the proposed partitioning algorithms in combination with contaminant event diagnosis schemes in IB (i.e. CDI) and accommodation methodologies for severe disturbances in PSs (i.e., ICI) illustrates their high adaptability and wide applicability.