بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارايه يک روش سه مرحله اي براي حل مساله در مدار قرار گرفتن نيروگاهها
چکيده
در مقاله پيش رو راه حلـي بـراي حـل مسـاله در مـدار قـرار گرفتن نيروگـاه هـا بـا اسـتفاده از يـک روش پيشـنهادي سـه مرحله اي ارائه شده است . اين روش کـه از رونـد سـاده اي در رسيدن به پاسخ مطلـوب در مـدت زمـان منطقـي برخـوردار است ، ابتدا بااستفاده از تعدادي قواعد منطقـي وضـعيت اوليـه واحدها تعيين شده و در گـام دوم بـه مقـدار دهـي اقتصـادي واحدهاي روشن از طريق يک الگوريتم هيبريد سـري هـوش مصنوعي متشکل از الگوريتم پرنـدگان PSO و NM پرداختـه مي شود. با اينکه پاسخ حاصل از دو مرحله مذکور هزينه قابـل قبولي دارد، در مرحله سوم ، از يک فرايند پيشـنهادي موسـوم به بهبود پاسخ استفاده شده و پاسخ حاصل از دو مرحله قبلـي به ميزان مطلوبي اصلاح مي شـود. خروجـي حاصـل از روش پيشنهادي که بر روي سه مساله مبنا اجرا شـده اسـت ، حـاوي پاسخي است که با ساير روشهاي ارائه شده در سـالهاي اخيـر قابل مقايسه مي باشد.
١- مقدمه
حل مسألة در مدار قرار گـرفتن نيروگاههـا، بـا هـدف تعيـين وضعيت واحدهاي توليـد انـرژي الکتريکـي موجـود در يـک شبکه قدرت مي باشد. (٠) و(١) به معناي واحدهاي روشـن و خـاموش هسـتند. در ضـمن حـل ايـن مسـاله ، مقـدار دهـي واحدهاي روشن تحت عنوان پخش اقتصادي بار٢ نيز صورت مي گيرد. پس در کل مساله پـيش رو مسـاله اي غيـر خطـي بـا متغييرهاي گسسته و پيوسته مي باشد و در زمره مسائل خيلـي سخت موسوم به NP-hard دسته بندي مي شود.
روشهاي استفاده شده براي حل مسـأله در مـدار قـرار گـرفتن نيروگاهها را مي توان به سه دسته کلاسيک ، هوشمند و ترکيبي تقسيم بندي نمود. از روش هاي دسته اول مـي تـوان بـه روش يکايک شماري ٣، ليست حق تقدم ٤، برنامـه ريـزي دينـاميکي ، 5 روش لاگرانژ١ اشاره کرد [١]. اين روش ها به لحاظ همگرايـي عــددي و نيــز کيفيــت پاســخ مقبوليــت بــالايي ندارنــد [٢].
رايج ترين روشهاي هوشمند مورد استفاده براي حل مسـأله در مدار قرار گرفتن نيروگاهها عبـارت اسـت از، Tabu Search، Simulated Annealing، الگوريتمهاي ژنتيکي ٢و Ant colony Search [١]. اين روشها از توانمندي بالايي در ارضا قيود غيـر خطي و ايجاد پاسخ هاي با کيفيت برخوردارند. اما در صـورت افزايش ابعاد مساله ، مشـکلات زمـاني و کيفيـت پاسـخ بـروز مي کنند [٢]. در استفاده از روشهاي ترکيبي مانند شبکه عصبي با Simulated Annealing سـعي در تقليـل مشـکلات هـر دو طيف از روش هاي کلاسيک و هوشمند مي شود [١].
دراين مقاله نيز با ارائه روشـي سـه مرحلـه اي کـه متشـکل از تعدادي قواعد منطقي و نيز استفاده از يـک الگـوريتم هيبريـد سـري هوشـمند متشـکل از الگـوريتم پرنـدگان [٣] PSO و NM[4] است ، تعدادي از مسايل مبنا و متـداول در زمينـه در مدار قرار گرفتن نيروگاه هـا حـل شـده و نتـايج آن بـا طيـف وسيعي از ساير روش ها مـورد مقايسـه قـرار گرفتـه اسـت . در بخش دوم به فرمولبندي مساله و معرفي قيود مسـاله پرداختـه شده است . بخش سوم نيز حاوي توضيحات و اشکال مربوطـه به مراحل سـه گانـه روش پيشـنهادي مـي باشـد. نتـايج شـبيه سازي ها و مقايسه مقادير بدست آمده ، از مباحث مطرح شـده در بخش چهارم است . در انتها نيز در ضمن پرداختن به نتيجه گيري کلي توصيه هايي در جهت تکميـل روش پيشـنهادي در آينده ارايه شده است .
٢- فرمولبندي مساله
هدف از حل مساله در مدار قرار گرفتن نيروگاهها بـه حـداقل رساندن هزينه هاي پروسه تامين انرژي الکتريکـي بـراي يـک شبکه انرژي در يک افق زماني مشخص مـي باشـد[٥] . رابطـه (١) تابع هزينه اي را ارايه مي دهد که در آن هزينه هاي مربوط به سوخت مصرفي N واحد به همـراه هزينـه روشـن شـدن واحدهاي خاموشي که وارد مدار مـي شـوند، در يـک سـاعت معين مد نظر مي باشد.
هزينه نهايي در کل افق زماني تعيين شده (H ) مي باشد کـه معمولا برابر يک روز يا همان ٢٤ ساعت است . هزينـه نهـايي در رابطه (٢) آمده است .
در حين حداقل کردن تابع هزينه تعريـف شـده در رابطـه (٢) طبيعتا بايستي تعدادي از قيود سيسـتمي نيـز بـراورده شـوند.
عمده اين قيدها به قرار زير مي باشند:
١) قيد تامين کننده تعادل توان .
٢) قيد ذخيره چرخان .
٣) قيد محدوديت هاي ژنراتور.
٤) قيد حداقل زمان خاموشي واحدها.
٥) قيد حداقل زمان روشني واحدها.
٦) قيد وضعيت اوليه واحدها: اين بدان معناست که در شروع برنامه ريزي براي هر سيستم ، بايستي شرايط آغازين واحدها را مد نظر داشت .
علامات بکار رفته در بالا به قرار زير است :
مجموع هزينه هاي N واحد ژنراتور در H ساعت کاري .
هزينه سوخت واحد i در ساعت h به هنگام توليد توان Pih.
هزينه سوخت را معمولا همانند رابطه (٨) بـا تـابعي سـهمي شکل با متغييـر تـوان مصـرفي بيـان مـي کننـد. γ ,αi βi
ضرايب اين چند جمله اي مي باشند.
هزينه روشن شدن واحد i.
هزينه روشن کردن ژنراتورها را مي توان با يـک تـابع نمـايي همانند آنچه که در رابطه (٩) ديده مي شود مدل کرد. که در آن بترتيــب هزينــه روشــن نمــودن ژنراتــور و بويلر، هزينـه هـاي ثابـت روشـن کـردن ، تعـداد ســاعتهاي خــاموش و ضــريب خاموشــي ســرد بــويلر مي باشد.
البته گاها نيز براي مـدل تـابع هزينـه روشـن کـردن واحـدها (ژنراتور) از يک تابع چند ضابطه اي استفاده مـي شـود. رابطـه (١٠) نمونه اي از اين تابع مي باشد. ميزان ساعاتي است که پس از سپري شدن آن (بعد از گذشت حداقل زمـان خاموشي )، هزينه لازم براي روشن کردن مجدد واحد برابر بـا Csc مي باشد. در غير اينصورت هزينه مـذکور برابـر Hsc است .
تفاوت بين کل ظرفيت توان توليدي بالقوه سيسـتم و مجمـوع توان مصرفي بار را ذخيره چرخـان مـي نامنـد. وجـود ذخيـره چرخان در سيستم براي جلوگيري از نوسانات شديد سيسـتم قدرت در صورت از دست رفتن يک يا چنـد واحـد توليـدي الزامي مـي باشـد. معمـولاً ذخيـره چرخـان را يـا بـه صـورت درصدي از حداکثر بار پيش بيني شده يا قابليت تـأمين کمبـود
توان در صـورت از دسـت رفـتن پربـارترين واحـد در زمـان مشـخص ، در نظـر مـي گيرنـد. بـه غيـر از اسـتفاده از ذخيـره چرخان ، مي توان از ذخيره هاي ديگر غير فعال مانند واحدهاي ديزلي ، توربينهاي گازي و نيروگاههـاي تلمبـه ذخيـره اي نيـز براي رفع افت توان در سيستم بهره گرفت [١].
٣- بررسي روش پيشنهادي
در اين مقاله نحوه تعيين اوليه وضعيت واحدهـا مطـابق چنـد قاعده مشخص انجام مي گيرد. با اينحال مقدار دهي اقتصـادي واحدها از روش هوش مصنوعي که ترکيب سري دو الگوريتم پرنـدگان PSO و NM کـه اولـي جسـتجوي کلـي و دومـي
1
جستجوي محلي انجام مي دهد، تشکيل شده است . با توجه به کسري از ثانيه انجام مي پذيرد. البته کار در اينجا متوقف نشده نتايج بدست آمده ، جدول ابتدايي تعيين وضـعيت واحـدها در و با اعمال فرايندي منطقي ديگري موسوم به بهبود پاسخ روي جدول بدست آمده از اين مرحلـه در صـدد کـاهش هـر چـه بيشتر هزينه نهايي هستيم . فرايند بهبود پاسخ معرفي شـده ، بـه لحاظ عملکرد از جهاتي شبيه به روشهاي جستجوي محلي در روشهاي هوش مصنوعي مي باشد. مزيتي که روش بهبود پاسخ نسبت به روش هاي مذکور دارد داشتن دسـتورالعمل سـاده تـر است و تنها بر روي يک جدول (پاسخ ) اجـرا ميشـود نـه بـر روي جمعيتي از پاسخ ها. شکل ١ تصويري از مراحل مختلف روش پيشنهادي را نمايش مي دهد.
شکل ١- مراحل سه گانه حل مساله به روش پيشنهادي .
مرحله اول: توليد اوليه جدول وضعيت واحدها
استراتژي تعيين وضعيت اوليه واحدها در هـر سـاعت از روز مبني بر اينست که ، واحدهاي موجود بايستي با اتخاذ اولويـت از پيش تعيين شده اي تا رسيدن به حداقل ذخيره چرخان مورد نظر وارد مدار شوند. اين اولويت به گونه اي تعيين ميشود که در آن واحدهاي با ظرفيت بالا زودتر از ساير واحـد هـا وارد مدار شوند. البته با با توجه به قيـود (٦و ٧) مبنـي بـر رعايـت حداقل ساعات روشن .خاموش ماندن هر واحد نيروگاهي پس ابزخهي ر رواوحشندي ها.،خااوملوويشت ي ، به گابهزارمگمترکين ن اوساحت ددبلعيـل د آيـاداددهه نبشــوون عمده دلايل اتخاذ چنين اولويتي براي تامين انرژي مورد نيـاز
در هر ساعت از روز بشرح زير مي باشد:
١- با روشن کردن واحدهاي با ظرفيت بالا بخش قابـل توجهي از انرژي مورد نيـاز در آن سـاعت را تـامين ميکنيم ، سپس براي تامين مابقي انـرژي مـورد نيـاز استفاده از واحدهاي با ظرفيت پـايين (بـدليل ارائـه بازه هاي کوچکتر انرژي )، جهت ايجاد تطابق هرچه بيشتر مابين انرژي توليدي و مصرفي کارامدتر است
.
٢- با توجه به اينکه واحدهاي با ظرفيت بيشـتر عمـدتا
هرينه راه اندازي بسيار بالاتري نسبت به واحـدهاي کوچکتر دارند، لذا به صرفه است تـا حـد امکـان از روشن و خاموش کردن مکرر آنها خود داري شـود و با يکبار روشن کردن آنها در ابتدا، از آنهـا بعنـوان تامين کننده انرژي پايه مورد نياز در ساعات آتي نيز بهره بگيريم .
٣- طبيعتا حداقل ساعاتي که يک واحد بـزرگ بايسـتي در وضعيت روشن .خاموش بماند به مراتب بيشتر از ساعات مربوط بـه واحـدهاي کـوچکتر اسـت . لـذا دسترسي مداوم به آنهـا غيـر ممکـن بـوده وگزينـه مناسبي براي استفاده جهت جبران تغييـرات سـاعتي در بار مورد تقاضا نيستند.
از آنجاييکه در برخي از مسايل واحدهايي بـا ظرفيـت مشـابه وجود دارد، لذا در اين مواقع براي اولويت دهي بـه واحـدهـا نياز به تعريف کامل تـري مـي باشـد. در ايـن مواقـع بـه سـاير ويژگيها و وجوه تمايز واحدها در تعيين اولويت به کار گيري شان نيز بايد توجه داشت . بعنوان مثال مي توان ميزان سـاعات روشني يا خاموشـي واحـدها و يـا هـر دو را بطـور همزمـان دخالت داد. عموما مـوارد مـذکور از رونـد کاهشـي مشـابهي برخوردارند. در رابطه (١١) نمونـه اي از بـردار اولويـت ارائـه شده است کـه در آن واحـدهاي متنـاظر بـا اعـداد بزرگتـر از اولويت بالايي در انتخاب برخوردارند.
که در آن انديس vec بيـانگر بـردار حـاوي مقـادير مربوطـه تمامي واحدهاي توليد انرژي است . نحوه پياده سازي مفـاهيم فوق در قالب شبه برنامه اي ١ در شکل ٢ آمده اسـت . اعـدادي که در اين شبه برنامه مشاهده مي شود، مختص مسـاله بـا ١٠ واحد نيروگاهي مي باشد که در آن ذخيره چرخان ١٠% لحاظ شده است . در اينجا لازم به ذکر اسـت کـه واحـدهايي کـه در ساعات کاهش بار خاموش مـي شـوند بايسـتي تـا پيـک بـار موجود در ساعات آينده در دسترس باشند و الا بـا توجـه بـه قيد (٦) نبايد خاموش شوند. چون ممکن است تـامين انـرژي در پيک بعدي بار ممکن نباشـد. درشـکل ٣-الـف جـدولي از وضعيت واحدها در قالب يک مـاتريس ١٠×٢٤ آمـده اسـت .
شکل ٢- شبه برنامه مربوط به تعيين وضعيت اوليه واحدها.
