Hybrid ANFIS-Based Fuzzy-PID Controller Design for Multi-Area Load Frequency Control in the Northwest Ethiopian Power Grid

Sintesi Tecnica: Progettazione di un Controllore Ibrido Fuzzy-PID basato su ANFIS per il Controllo della Frequenza del Carico Multi-Area nella Rete Elettrica del Nord-Ovest dell'Etiopia

Problematica
La rete elettrica etiope, in particolare la regione del Nord-Ovest, si affida a un controllore Proporzionale-Integrale-Derivativo (PID) convenzionale per il controllo della frequenza del carico (LFC) primario. Sebbene il PID sia un meccanismo standard, i suoi parametri di guadagno statici sono difficili da tarare in tempo reale, limitandone l'efficacia contro le perturbazioni dinamiche del sistema e le non linearità. Con l'aumento della domanda di elettricità, gli squilibri tra generazione e carico causano deviazioni di frequenza dal valore nominale di 50 Hz, minacciando la stabilità del sistema. L'attuale Centro Nazionale di Dispatching del Carico (NLDC) monitora lo stato del sistema, ma manca di un meccanismo supplementare sofisticato in grado di regolare centralmente la frequenza e il flusso di potenza delle linee di interconnessione durante guasti estremi o variazioni significative del carico. Lo studio affronta la necessità di una strategia LFC supplementare e robusta, capace di una taratura dei parametri in tempo reale, per sostituire o integrare l'attuale meccanismo PID primario.

Metodologia
La ricerca ha sviluppato un modello matematico di un sistema idroelettrico interconnesso a tre aree che rappresenta la rete elettrica del Nord-Ovest dell'Etiopia (Tana Beles, Fincha e Tis Abay-2). Il modello ha incorporato dinamiche di regolatore distinte per ogni area: un regolatore meccanico-idraulico (Area 1), un regolatore elettro-idraulico (Area 2) e un regolatore elettro-idraulico di tipo PID programmabile (Area 3).

Quattro strategie di controllo sono state progettate e simulate in MATLAB/Simulink:

1. PID Convenzionale: tarato utilizzando il metodo delle oscillazioni sostenute di Ziegler-Nichols.
   2.Fuzzy-PID (FPID): un sistema ibrido in cui un sistema di logica fuzzy regola dinamicamente i guadagni PID ($K_p, K_i, K_d$) in base all'Errore di Controllo dell'Area (ACE) e alla sua variazione temporale ($\Delta ACE$).
2. Controllore ANFIS: Un Sistema di Inferenza Neuro-Fuzzy Adattivo con struttura di tipo Sugeno, capace di apprendere dai dati e regolare i segnali di controllo.
3. FPID Ibrido basato su ANFIS: Il nucleo centrale della proposta. Questa architettura integra la capacità di apprendimento di ANFIS con l'adattabilità basata su regole di FPID. L'output addestrato di ANFIS funge da input ACE per il controllore FPID, che genera poi il segnale di riferimento finale del regolatore.

I controllori sono stati valutati utilizzando l'Errore Integrale del Tempo Assoluto (ITAE) come funzione obiettivo primaria, insieme al tempo di assestamento, al picco di sovraelongazione e al picco di sottoelongazione. Le prestazioni sono state testate sotto tre scenari:

• Scenario 1: Una perturbazione del carico di 0,01 p.u. nell'Area 1.
• Scenario 2: Perturbazioni simultanee multi-area (0,46 p.u. nell'Area 1, 0,0268 p.u. nell'Area 2 e 0,016 p.u. nell'Area 3).
• Scenario 3: Analisi di robustezza con variazioni del $\pm 25\%$ nei parametri di sistema (costanti di tempo del regolatore, costanti di tempo dell'acqua, inerzia e droop).

Risultati Chiave
Il controllore ibrido FPID basato su ANFIS ha dimostrato prestazioni superiori in tutti gli scenari rispetto ai controllori PID, FPID e ANFIS stand-alone:

• Perturbazione di Singola Area (Scenario 1): Il controllore proposto ha ridotto il tempo di assestamento della deviazione di frequenza a 12,959 s (rispetto ai 48,8824 s del PID) e ha ottenuto un ITAE di 0,00565 (rispetto allo 0,0838 del PID). Il sottoelongazione della potenza della linea di interconnessione nell'Area 1 è stata ridotta da -0,00805 p.u. (PID) a -0,00339 p.u. (Ibrido).
• Perturbazione Multi-Area (Scenario 2): Sotto ampie variazioni di carico simultanee, il controllore ibrido ha mantenuto l'ITAE più basso di 0,02375, superando significativamente l'ITAE di 0,97080 del controllore PID. Ha mantenuto costantemente i minimi picchi di sovraelongazione e sottoelongazione in tutte e tre le aree.
• Robustezza (Scenario 3): Il sistema è rimasto stabile sotto variazioni dei parametri del $\pm 25\%$, con l'ITAE che è rimasto entro un intervallo ristretto compreso tra 0,00541 e 0,00580, confermando la resilienza del controllore alle incertezze del modello.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento sostiene che il controllore ibrido FPID basato su ANFIS offre una via tecnicamente percorribile per migliorare l'affidabilità della rete in Etiopia. Combinando la capacità di apprendimento adattivo di ANFIS con la gestione non lineare di FPID, il sistema gestisce efficacemente le incertezze e le condizioni dinamiche che i controllori PID statici non possono gestire. Lo studio posiziona questo controllore non come un sostituto del LFC primario, ma come un necessario meccanismo supplementare e centralizzato da implementare presso l'NLDC.

Gli autori sottolineano che questo approccio consente l'adattamento in tempo reale al panorama energetico fluttuante della rete senza necessità di ritaratura manuale, potenzialmente prevenendo blackout e proteggendo le infrastrutture. Tuttavia, il documento riconosce con modestia sfide implementative significative, tra cui l'onere computazionale di ANFIS, la "maledizione della dimensionalità" e la necessità di protocolli di comunicazione aggiornati e risorse umane specializzate presso l'NLDC. Gli autori dichiarano esplicitamente che la validazione attuale è limitata alla simulazione (MATLAB/Simulink) e non include ancora vincoli non lineari come le bande morte del regolatore (GDB) o i vincoli di velocità di generazione (GRC), né incorpora centrali termiche o eoliche.

Conclusione
Lo studio conclude che il controllore ibrido FPID basato su ANFIS supera significativamente i meccanismi esistenti in termini di tempo di assestamento, riduzione della sovraelongazione e robustezza. Raccomanda all'Ethiopian Electric Power (EEP) di considerare l'avvio di un progetto pilota per questo controllore per transitare verso una strategia LFC centralizzata e più resiliente, a condizione che vengano effettuati investimenti strategici nella modernizzazione e nella formazione degli ingegneri. Il lavoro futuro è orientato verso test Hardware-in-the-Loop (HIL), l'espansione del modello per includere fonti di generazione più diversificate e l'integrazione delle considerazioni sulla cybersicurezza.