بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بارزدایی فرکانسی با استفاده از الگوریتم رقابت استعماری در ریز شبکههای دارای منابع تولید پراکنده
خلاصه
فرکانس و ولتاژ پایدار دو رکن اساسی در عملکرد مناسب یک سیستم قدرت هستند. اتصال کوتاههای متفاوت و افزایش بار و کمبود تولید و نیز سایر خطاها، در سیستمهای موجود که امروزه اکثراً در مرز حالت پایدار کار میکنند، به پایداری فرکانس و ولتاژ آسیب میرسانند و مشکلات جدی سیستمهای قدرت هستند. ناپایداری ولتاژ و فرکانس باعث می شود که زیر سیستم های شبکه قدرت یکی پس از دیگری از دست رفته و ممکن است باعث خروج کل شبکه شده و زیانهای سنگینی به ادوات شبکه وارد کند. بارزدایی در سیستمهای قدرت در شرایط اضطراری یکی از راهکارهای اساسی برای جلوگیری از ناپایداری در سیستم قدرت است. در این مقاله یک روش جدید برای بارزدایی بهینه در سیستمهای قدرت به منظور بهبود پروفیل ولتاژ و کاهش تلفات اقتصادی و توان با استفاده از روش الگوریتم استعماری پیشنهاد میگردد. نرم افزار MATLAB برای مطالعات استاتیکی و نرمافزار Cyme برای مطالعات دینامیکی مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج نشان داده شده در همه حالتها حاکی از سرعت بالا، مقاوم بودن و بهینه بودن روش پیشنهادی نسبت به روشهای قبلی ارائه شده برای بارزدایی است.
کلمات کلیدی: حذف بار فرکانسی، الگوریتم استعماری، پایداری فرکانسی، بهینهسازی.
.1 مقدمه
شبکه قدرت یک شبکه سنکرون پیوسته بوده که در آن تعادل بین تولید و مصرف در کل شبکه در هر لحظه از زمان باهم برابر میباشد. هر ناتعادلی توان در شبکه منجر به ناپایداری فرکانسی خواهد شد. زمانی که یک ژنراتور یا یک خطی از شبکه از مدار خارج میگردد و اگر رزرو چرخان در سیستم به اندازهای نباشد که مقدار توان از دست رفته را جبران کند و یا ظرفیت انتقالی خطوط انتقال کمتر از مقدار توان مورد نظر باشد در این شرایط کمبود توان در سیستم موجب خواهد شد قدرت آن ژنراتور به روی دیگر ژنراتورها تحمیل شده و زاویه بارها و فلوهای ژنراتورهای دیگر افزایش یابد .[1] در شرایطی که تغییرات زیاد باشد ممکن است ژنراتورهای دیگر نتوانند به محدوده پایداری برسند و در نتیجه ژنراتورها یکی پس از دیگری از مدار خارج شده و سیستم دچار یک خاموشی سراسری گردد .[2] برای جلوگیری از این اتفاق بارزدایی بهترین راهحل به نظر میرسد.[3]
روشهای زیادی تاکنون در این زمینه ارائه شدهاند که میتواند به سه گروه عمده SCADA، فرکانسی و ولتاژی تقسیمبندی شوند. در روش حذف بار با استفاده از SCADA اطلاعات کل شبکه در هر لحظه از زمان مورد پایش قرار میگیرد. و با تشخیص اضافه بار، فرمان قطع از مرکز کنترل به نقاط مناسب ارسال می شود. این روش یک روش مطلوب برای حذف بار است اما از آنجایی که نیاز به یک سیستم کنترلر مرکزی و بستر مخابراتی دارد در خیلی از جاها نمیتوان از آن استفاده کرد. همچنین این روش نیاز به هزینه بالایی دارد.
در حذف بار فرکانسی با بررسی تغییرات محلی فرکانس در نقاط مختلف شبکه ، وقوع عدم تعادل توان تشخیص داده شده و فرمان قطع بصورت محلی صادر می شود. در این روش تنها فاکتور اساسی برای تصمیمگیری فاکتور فرکانس است..[4] هرگونه عدم تعادل حقیقی در شبکه ، خود را بصورت افت فرکانس نشان می دهد . بعلاوه فرکانس تمام نقاط شبکه طی دوره اضافه بارتقریباً باهم برابر است و هرگونه تغییر فرکانسی بسرعت در شبکه منتشر می شود . از اینرو بسیار مناسب است که از شاخص فرکانس جهت تشخیص اضافه بار استفاده کنیم. استفاده از رله بر روی هر سه فاز سیستم نیز احتمال عملکرد اشتباه رله بر اثر خطا در شبکه را کاهش می دهد زیرا بندرت در سیستم قدرت شاهد خطای سه فاز هستیم .به هر حال رله های فرکانسی باید بنحوی تنظیم شوند که برای بزرگترین خطایی که باید بااین روش جبران شود هم تشخیص درستی دهند و هم هماهنگی بین رلههای مختلف را حفظ کنند.[5]
در حذف بار ولتاژی، ولتاژ محلی باسهای مختلف بعنوان شاخصی دیگر از وضعیت بار سیستم درنظر گرفته میشود و با تشخیص اضافه بار، فرمان قطع بصورت محلی صادر می شود. اضافه بار سیستم یکی از عواملی است که می تواند منجر به افت ولتاژ در شبکه شود.هر چند عواملی دیگر مانند کمبود توان راکتیو، جریانهای هجومی، خطاها و غیره نیز اثرات مشابهی در پی دارند .[6]
در اکثر مراجع از روشهای ترکیبی ولتاژی و فرکانسی برای حذف بار استفاده میکنند. در مرجع [7] ،بک استراتژی برای زدایش بهینه مقادیری از بارها در شرایط جزیره ای به منظور پایدار سازی فرکانس پیشنهادگردیده است. روش مرکزی بارزدایی بر اساس روش زیر ولتاژی برای اجرا در سیستم توزیع جزیره ایی شده در مرجع [8] مورد مطالعه قرار گرفته است. این روش براساس ترکیب روش تطبیقی و هوشمند عمل می کند . معادلات ریاضی مربوط به این روش از روش UVLS فرمول بندی می شود و توسط الگوریتم HSPPSO حل می شود. روش در مرجع [9]، بارزدایی با روش حساسیت توان اکتیو به فرکانس و ولتاژ انجام میگیرد. میزان تغییرات فرکانس در این روش در تعیین بزرگی و اندازه بارزدایی استفاده شده است و نیز از میزان تغییرات ولتاژ بار برای زدایش بار حساس مورد استفاده قرار گرفته است. مرجع [10] روشی بر اساس حساسیت توانایی بار به منظوره بارزدایی ارائه کرده است . در این روش بارزدایی به صورت یک مسأله بهینه سازی غیرخطی فرمول بندی شده است که برای پیدا کردن مقدار بهینه بار از بهترین مکان باید این مسأله حل گردد. مقدار بار بهینه، بارهایی هستند که بیشترین تاثیر را بر روی ولتاژ شبکه داشته باشند.
روش ترکیبی بارزدایی برای افزایش حد پایداری سیستم در مرجع [11] مورد مطالعه قرار گرفته است. در این روش، ولتاژهای بارها نیز در پروسه تصمیمگیری بارزدایی فرکانسی توسط اندازهگیرهای محلی به عنوان ورودی به رله بارزدایی وارد می شوند. در این روش، مکان و مقدار بارزدایی از اندازه ولتاژ باس های سیستم تأثیر می پذیرد. بدین صورت که، فاکتور افت فرکانس در اثر خطاها تعیین کننده مکان بارزدایی و فاکتور افت فرکانسی تعیین کننده مقدار بارزدایی است. در مرجع [12] یک روش تطبیقی بهینه بارزدایی برای سیستم قدرت مجزا با استفاده از شبکه های عصبی پیشنهاد شده است. با افزایش دیتا بیس های مناسب از شرایط اضطراری برای آموزش شبکه های هوشمند ، روش بیان شده در مقابل شرایط بارهای متفاوت میتواند عمل بارزدایی را انجام دهد . در مرجع [13] نیز روش ارائه شده برای بارزدایی هزینه بارها را نیز لحاظ میکند. در این روش جدولی برای زدایش بارها در نظر گرفته شده است که زدایش بارها از روی جدول مورد نظر انجام میگیرد. در این روش از رله تغییرات فرکانس برای تعیین میزان بارزدایی استفاده شده است.
در این مقاله یک روش بهینه بر اساس الگوریتم استعماری جهت بارزدایی پیشنهاد میگردد. روش پیشنهادی هر دو پارامتر ولتاژ و فرکانس را در بارزدایی لحاظ میکند. مقدار اندازه بهینه زدایش از تغییرات فرکانس تعیین شده و بارزدایی در جهتی انجام میگیرد که ولتاژها به شرایط نامی نزدیک شوند. هزینه اقتصادی از دست رفته نیز در راستای بارزدایی، بهینه میگردد. در ابتدا یک منبع اطلاعات به منظور بارزدایی هوشمند جمع آوری شده و در نتیجه بارزدایی با استفاده از این اطلاعات انجام میگیرد. روند به این شرح است که هر اتفاق ممکن در سیستم داده میشود و بهترین زدایش بار برای اتفاق مورد نظر با استفاده از الگوریتم استعماری محاسبه میگردد به گونهای که پروفیل ولتاژ سیستم پس از بارزدایی بهبود یافته و هزینه اقتصادی از دست رفته نیز مقداری مینیمم داشته باشد.
2. اصول روش پیشنهادی برای بارزدایی فرکانسی
روش پیشنهادی در این مقاله براساس آموزش آفلاین میباشد. در ابتدا شرایط مختلف خطاها در شبکه در نظر گرفته میگردد. و برای این شرایط مختلف سیستم به صورت دینامیکی شبیه سازی شده (در نرم افزار (Cyme و سپس تغییرات فرکانس به ازای هر یک از خطاها اندازهگیری میشود. با توجه به رابطه (1) و (2) برای هر یک از این خطاها مقدار توان زدایشی محاسبه میگردد و این مقادیر در شرایط استاتیکی در نرم افزار MATLAB با استفاده از برنامه بهینهسازی استعماری بهینه شده و مقدار بار بهینه که باید خارج گردد محاسبه میشود و در یک بانک اطلاعاتی ذخیره شده و در مواقع بروز خطا این شرایط زدایشی در سیستم اجرا میگردد.
.1-2 تابع هدف
تابع هدف در نظر گرفته شده در این مقاله یک تابع هدف چندگانه میباشد که از سه هدف متعامد تشکیل یافته است. و در رابطه (3) نشان داده شده است. جمله اول این تابع برای بهبود پروفیل ولتاژ سیستم، جمله دوم برای مینیمم کردن هزینه بارهای زدایش یافته در نظر گرفته شده است.
در رابطه بالا نشان دهنده اندازه اختلاف ولتاژ نسبت به شرایط قبل از حادثه در باس iام، ضریب اهمیت مقدار افت ولتاژ L تعداد خطوط سیستم، N تعداد باس ها ، تلفات اقتصادی در باس iام پس از بارزدایی ( وابسته به مقدار باری که از سیستم خارج میگردد ) که برحسب پریونیت بوده و از رابطه زیر بدست میآید:
قیمت توان در باس iام، مقدار بار زدایش شده در باس iام، مقدار توان کل زدایش شده ازسیستم، و: میانگین قیمت توان در کل باسهای سیستم که از رابطه زیر بدست میآید :
.2-2 قیود مسئله
تابع هدف بیان شده تحت یک سری محدودیتهایی باید بهینه سازی گردد. جمع جبری تمامی توانهای اکتیو و راکتیو تولیدی توسط ژنراتورهای باس iام ، توانهای مصرفی در باس iام، توانهای خطوط متصل به باس iام باید برابر با صفر باشد که در روابط ( (7 و ( (8 نشان داده شده است. رابطه (9) نشان دهنده محدودیت مربوط به توانهای ژنراتورهای شبکه است. رابطه (10) نشان دهنده محدودیت توان راکتیو ژنراتورهاست. در رابطه (11) ولتاژهای باسها محدود شده است.
تابع هدف تعیین شده در این مرحله با توجه به محدودیتها باید بهینهسازی گردد تا مقدار بهینه بارها برای زدایش تعیین گردد.
.3-2 تعیین مقادیر بهینه برای تابع هدف
مقادیر نیز برحسب محاسبات حساسیت نسبت به فاکتور تعیین شده است و برنامه به ازای های مختلف اجرا شده و مقدار بهینه آن در شکل زیر نشان داده شده است. با توجه به نتایج حساسیت بهینهترین شرایط سیستم به ازای اتفاق میافتد (شکل .((1)
3. الگوریتم استعماری
فلوچارت الگوریتم پیشنهادی در شکل((2 نشان داده شده است. همانند دیگر الگوریتمهای تکاملی، این الگوریتم، نیز با تعدادی جمعیت اولیه تصادفی که هر کدام از آنها در اصطلاح یک کشور نامیده میشوند؛ شروع میشود .تعدادی از بهترین عناصر جمعیت به عنوان امپریالیست انتخاب میشوند. باقیمانده جمعیت نیز به عنوان مستعمره، در نظر گرفته می شوند. استعمارگران بسته به قدرتشان، این مستعمرات را با یک روند خاص که در ادامه می آید، به سمت خود میکشند. قدرت کل هر امپراطوری، به هر دو بخش تشکیل دهنده آن یعنی کشور امپریالیست به عنوان هسته مرکزی و مستعمرات آن، بستگی دارد .در حالت ریاضی، این وابستگی با تعریف قدرت امپراطوری به صورت مجوع قدرت کشور امپریالیست، به اضافه در صدی از میانگین قدرت مستعمرات آن، مدل شده است.
با شکل گیری امپراطور یهای اولیه، رقابت امپریالیستی میان آ نها شروع میشود. هر امپراطوریای که نتواند در رقابت استعماری، موفق عمل کرده و بر قدرت خود بیفزاید و یا حداقل از کاهش نفوذش جلوگیری کند از صحنه رقابت استعماری، حذف خواهد شد. بنابراین بقای یک امپراطوری، وابسته به قدرت آن در جذب مستعمرات امپراطوریهای رقیب، و به سیطره در آوردن آنها خواهد بود. در نتیجه، در جریان رقابت های امپریالیستی، به تدریج بر قدرت امپراطوری های بزرگتر افزوده شده و امپراطوریهای ضعیفتر، حذف خواهند شد .امپراطوری ها برای افزایش قدرت خود، مجبور خواهند شد تا مستعمرات خود را نیز پیشرفت دهند. با گذشت زمان، مستعمرات، از لحاظ قدرت به امپراطور یها نزدیک تر خواهند شد و شاهد یک نوع همگرایی
