بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهره برداري بهينه از منابع پراکنده و وسايل کنترل ولتاژ و توان راکتيو همزمان با تجديد آرايش شبکه در سيستم هاي توزيع
چکيده :
وجود منابع پراکنده در سيستم هاي توزيع اين امکان را فراهم مي نمايد که با بکارگيري الگوريتم هاي برنامه ريزي و بهره برداري پيشرفته ، عمکرد بسيار بهتري را براي سيستم بدست آورد. در اين مقاله ، با فرض اينکه در مرحله برنامه ريزي ، ظرفيت و مکان نصب منابع پراکنده و منابع توان راکتيو به طور بهينه تعيين شده باشد، يک مسئله بهره برداري جديد شامل تعيين همزمان خروجي منابع توان حقيقي و راکتيو و موقعيت بهينه تپ رگولاتورهاي ولتاژ و همچنين آرايش بهينه سيستم براي يک شرايط بار مشخص يا دوره اي از زمان با تعدادي از شرايط بار مشخص به منظور حداقل کردن تلفات انرژي يا مجموع وزن دار کيلو ولت آمپر جاري روي بخش هاي فيدر در دوره زماني مورد نظر تعريف وحل مي شود. به اين ترتيب بهترين عملکرد سيستم از نظر حداقل تلفات انرژي ، پروفيل ولتاژ بهبود يافته ومتعادل سازي بار با در نظر گرفتن تاثير متقابل تجديد آرايش سيستم وبهره برداري از منابع پراکنده و وسايل کنترل ولتاژ و توان راکتيو بدست مي آيد. با توجه به اينکه مسئله بهينه سازي تعريف شده شامل متغيرهاي گسسته وقيود متعدد است يک الگوريتم حل مبتني بر روش جستجوي ممنوع پيشنهاد و روي شبکه توزيع ٣٣ باس اعمال مي شود.
١- مقدمه
بواسطه برخي عوامل همچون محدوديت هاي محيطي ، جغرافيايي و مالي براي ايجاد نيروگاه هاي بزرگ , افزايش روز افزون مشکلات پايداري و امنيت در سيستم هاي قدرت , رشد دائمي و زياد مصرف و مطرح شدن بازار رقابتي برق , ساختار سيستم هاي قدرت موجود در حال تغيير هستند. از جمله در سال هاي اخير به کارگيري منابع توليد با توان کم که بطور غير متمرکز و پراکنده در سيستم توزيع نصب مي شوند, مطرح شده است . نصب منابع توزيع شده مي تواند مزاياي زيادي همچون کاهش بارگذاري و تلفات فيدر, افزايش قابليت اطمينان , بهبود کيفيت توان و آزاد شدن ظرفيت انتقال و توزيع و در نتيجه به تعويق افتادن جايگزيني فيدرها و ترانسفورمرها را به همراه داشته باشد. با توجه به اينکه سيستم هاي توزيع براي کار بصورت شعاعي طراحي مي شوند, اتصال منابع به سيستم توزيع مي تواند به ميزان زيادي روي جريان توان و اندازه ولتاژ مصرف کننده ها تأثير گذارد. اين اثرات ممکن است باعث بهبود يا بدتر شدن عملکرد شود که به شرايط سيستم و مشخصات توليد توزيع شده بستگي دارد. با توجه به تأثيرات مثبتي که منابع پراکنده مي توانند روي شاخص هاي عملکردي سيستم داشته باشند, با بکارگيري آلگوريتم هاي برنامه ريزي و بهره برداري پيشرفته که وجود منابع پراکنده را در نظر مي - گيرند و توأم کردن توانايي اين منابع با طرح هاي برنامه ريزي و بهره برداري موجود عملکرد بسيار بهتري را مي توان براي سيستم فراهم نمود[١].
يکي از طرح هاي بکار گرفته شده در برنامه ريزي و بهره - برداري از سيستم هاي توزيع , تجديد آرايش شبکه است که به عنوان تغيير ساختار توپولوژيکي فيدرهاي توزيع از طريق تغيير حالت باز و بسته کليدها تعريف مي شود. در بهره برداري و در هنگامي که شرايط بارگذاري سيستم تغيير مي کند, آرايش شبکه به منظور کاهش تلفات توان در سيستم يا اجتناب از اضافه بار شبکه تغيير داده مي شود. تاکنون براي شبکه هاي توزيع بدون منابع پراکنده ، آلگوريتم هاي متعددي براي تعيين آرايش بهينه پيشنهاد شده است [٢، ٣، ٤] .
هنگامي که منابع پراکنده در سيستم توزيع وجود دارند, نتيجه بکارگيري طرح تجديد آرايش براي حداقل کردن تلفات يا متعادل کردن بار يا هر دو متفاوت از حالتي است که اين منابع در سيستم وجود ندارند. در[٥] يک طرح بهره برداري براي تجديد آرايش سيستم پيشنهاد شده است . در اين طرح ، فرض برآن است که منابع پراکنده با توليد ثابت در شبکه وجود دارند و محل نصب و ظرفيت آنها نيز معلوم است . تابع هدف مسئله ، تلفات سيستم در بار پيک است . در[ ٦]
آلگوريتمي پيشنهاد شده است که هنگام تعيين آرايش متناظر با حداقل تلفات ، تحت قيود افت ولتاژ و اندازه جريان خط ، پيشامد هاي 1-N براي منابع پراکنده به عنوان يک قيد بهره برداري در نظر گرفته مي شود. در اين آلگوريتم ، بارها و خروجي منابع پراکنده بصورت جريان ثابت تزريقي فرض مي شوند و آرايش متناظر با حداقل تلفات سيستم توزيع در بار پيک تعيين مي شود. از طرف ديگر، چون تجديد آرايش فيدرها و کنترل ولتاژ و توان راکتيو دو روش مهم در کاهش تلفات سيستم توزيع هستند، ايده کاربرد هماهنگ اين دو روش در [ ٧] معرفي شده است .
نحوه بهره برداري از منابع پراکنده روي آرايش بهينه سيستم و نحوه کنترل ولتاژ و توان راکتيو يعني منابع توان راکتيو مورد نياز و موقعيت مناسب تپ رگولاتورهاي ولتاژ تاثير مي گذارد و بالعکس آرايش سيستم روي خروجي منابع توان حقيقي و راکتيو و يا نحوه کنترل توان راکتيو روي آرايش بهينه سيستم و چگونگي بهره برداري از منابع پراکنده موثرند. بنابراين در اين مقاله ، با فرض اينکه در مرحله برنامه ريزي , ظرفيت و مکان نصب منابع پراکنده و منابع توان راکتيو بطور بهينه تعيين شده باشد، يک مسئله بهره برداري جديد شامل تعيين همزمان خروجي منابع توان حقيقي و راکتيو و موقعيت بهينه تپ رگولاتورهاي ولتاژ و همچنين آرايش بهينه سيستم براي يک شرايط بار مشخص يا دوره اي از زمان با تعدادي از شرايط بار مشخص به منظور حداقل کردن تلفات انرژي يا مجموع وزن دار کيلو ولت آمپر جاري روي بخش هاي فيدر در دوره زماني مورد نظر تعريف و حل مي شود. به اين ترتيب بهترين عملکرد سيستم از منظر حداقل تلفات انرژي و پروفيل ولتاژ بهبود يافته با در نظر گرفتن تاثير متقابل تجديد آرايش سيستم و بهره برداري از منابع پراکنده و وسايل کنترل ولتاژ و توان راکتيو بدست مي آيد.
در سيستم هاي توزيع واقعي ، مسئله بهره برداري تعريف شده شامل متغيرهاي گسسته و قيود متعددي است . اگرچه اغلب آلگوريتم هاي حل مرسوم قادر به يافتن حل بهينه اين مسئله نيستند، روش هاي مبتني بر تکنيک هاي جستجوي ابتکاري براي حل اينگونه مسائل موثرند. از جمله اين روش ها، روش جستجوي ممنوع است که قادر است حل بهينه يا نزديک به بهينه را در زمان معقولي بيابد. به علاوه اين روش به تعداد تکرار بسيار زياد براي يافتن حل نياز ندارد و جواب نهايي به حدس اوليه بستگي ندارد. به دليل اين مزايا از سال ١٩٩٩ به بعد کاربرد روش جستجوي ممنوع به مسائل سيستم قدرت همچون مسائل برنامه ريزي و بهره برداري در حال افزايش بوده است [ ٨، ٩، ١٠]. در اين مقاله نيز براي حل مسئله بهره برداري تعريف شده ، يک آلگوريتم حل مبتني بر جستجوي ممنوع که از ساختار هاي مختلف حافظه استفاده مي کند پيشنهاد و براي يک سيستم توزيع شعاعي ٣٣ باس بکارگرفته مي شود.
٢ - تعريف مسئله بهره برداري
فرض مي کنيم در مرحله برنامه ريزي ، ظرفيت و مکان نصب منابع پراکنده و منابع توان راکتيو تعيين شده باشد. مسئله بهره برداري مورد نظر آن است که براي هر شرايط بار و يا دوره اي از زمان با تعدادي از شرايط بار مشخص , خروجي بهينه اين منابع و همچنين آرايش بهينه سيستم توزيع بگونه اي تعيين شود که تابع هدف يعني تلفات انرژي در دوره زماني مورد نظرحداقل شود.
در صورتي که هدف مسئله بدست آوردن يک آرايش بهينه به همراه خروجي بهينه منابع توان حقيقي و راکتيو براي يک دوره زماني مشخص با چندين سطح بارگذاري مختلف ، به گونه اي است که مجموع تلفات انرژي سيستم در طي دوره حداقل شود، تابع هدف عبارت خواهد بود از:
در دوره زمان مورد مطالعه ، ١+ nt سطوح مختلف بار وجود دارد. بار زمان پيک با نشان داده مي شود و سطوح ديگر بار را نمايش مي دهند. Ti نشان دهنده کسري از دوره زماني مورد برنامه ريزي است که بار در سطح i ام قرار دارد . Pi (Zi) نشان دهنده تلفات در شرايط بارگذاري i ام است .
١+ nt سطح مختلف براي کار منابع توان حقيقي و راکتيو مي توان در نظر گرفت . بنابراين به وسيله حل مسئله بهينه سازي بايد ١+ nt بردار مربوط به متغيرهاي حالت و کنترلي را براي ١+ nt سطح بار مختلف به دست آورد.
بردار متغيرهاي کنترلي (ui) و متغيرهاي حالت (xi) را در سطح بار i ام نشان مي دهد. شامل اندازه و زاويه فاز ولتاژها در باس هاي سيستم است . خروجي منابع پراکنده و همچنين منابع توان راکتيو در سطوح بار مختلف که از قبل مکان نصب و ظرفيت آنها مشخص شده است ، بخشي از متغيرهاي کنترلي را تشکيل مي دهند. موقعيت تپ رگولاتورهاي ولتاژ موجود در سيستم بخش ديگري از متغيرهاي کنترلي هستند. موقعيت تپ اين رگولاتورها را مي توان به طور جداگانه براي سطوح بار مختلف تعيين نمود و يا يک مجموعه از موقعيت هاي تپ را براي کل دوره زماني مورد مطالعه مي توان در نظر گرفت . بخش ديگري از متغيرهاي کنترلي ، موقعيت باز يا بسته کليدهاي موجود در سيستم است . در اين مسئله فقط يک آرايش يکتا به عنوان آرايش بهينه براي کل دوره زماني مورد مطالعه تعيين مي شود.
بنابراين بردار متغيرهاي کنترلي در سطح بار i ام به صورت زير مشخص مي شود
نشان دهنده مجموعه باس هايي هستند که منابع پراکنده روي آنها نصب شده اند. مجموعه باس هايي را مشخص مي کند که روي آنها منابع توان راکتيو نصب شده اند. و نيز مجموعه رگولاتورهاي ولتاژ موجود در سيستم هستند. درخت متناظر با ساختار شعاعي بهينه سيستم توزيع را نشان مي دهد. در تعريف (ui) فرض شده است که براي کل دوره زماني مورد مطالعه فقط يک ساختار براي سيستم توزيع و يک مجموعه از تنظيم ها براي تپ رگولاتورهاي ولتاژ در نظر گرفته مي شود.
تابع هزينه بايد در معرض برخي از قيود مساوي و نامساوي حداقل شود. معادلات پخش توان قيود مساوي را شکل مي دهند. Nمعادله مختلط در سيستم Nباس براي هر سطح بار وجود دارد که عبارتند از:
که زاويه و اندازه ولتاژ در باس kام و در سطح بار i ام هستند. عناصر ماتريس ادميتانس باس به وسيله مشخص مي شوند. توان هاي حقيقي و راکتيو تزريقي به سيستم در باس kام را نشان مي دهند. در باس هايي که منابع توان حقيقي يا راکتيو نصب هستند، روابط زير برقرارند:
در باس هايي هم که اين منابع موجود نيستند، مقادير برابر صفرند. قيود نامساوي عبارتند از:
الف ) خروجي منابع توان حقيقي و راکتيو بايد در روابط زير صدق کنند:
ظرفيت منابع توان حقيقي و راکتيو نصب شده در باس را مشخص مي کنند. اين روابط نشان مي دهند که خروجي منابع پراکنده و همچنين منابع توان راکتيو بايد از ظرفيت نصب شده آنها کمتر يا حداکثر برابر با اين ظرفيت باشد. استفاده از نمايش به منظور لحاظ کردن امکان سلفي بودن يا خازني بودن منبع توان راکتيو نصب شده است .
ب) اندازه ولتاژ همه باس ها بايد در حدود مجاز قرار گيرد:
ج) موقعيت تپ رگولاتورهاي ولتاژ بايد بين حداقل و حداکثر مقدار قرار گيرد.
د) به استثناي حلقه هاي محلي که توسط منابع پراکنده تشکيل مي شود، ساختار سيستم بايد همواره شعاعي باقي بماند.
اگر هدف مسئله ، تعيين يک آرايش بهينه براي ساختار شعاعي سيستم توزيع و يک تنظيم بهينه براي موقعيت تپ رگولاتورهاي ولتاژ متناظر با هر سطح بار باشد، مي توان مسئله بهينه سازي را به طور جداگانه براي هر سطح بار تعريف و حل نمود. به اين ترتيب تابع هدف به صورت زير بيان مي شود.
٣-آلگوريتم جستجوي ممنوع (TS)
در بسياري از موارد که روش هاي کلاسيک در حل مسائل با ابعاد بزرگ عاجز بوده و به زمان حل بسيار زيادي نياز دارند براي رسيدن به جواب هاي خوب در زمان معقول ، روشهاي ابتکاري همچون آلگوريتم هاي ژنتيک (GA)، سرد شدن تدريجي شبيه سازي شده (SA) وجستجوي ممنوع (TS) پيشنهاد شده اند. اگر چه روش SA جواب هاي بهتري را فراهم مي کند، اما به علت اينکه به طور محدود از حافظه استفاده مي کند، به زمان محاسبات زيادي نياز دارد. از آنجا که GA يک روش احتمالاتي است ، جواب آن به شدت به جواب هاي اوليه تخمين زده شده وابسته است وبنابر اين براي سيستم هاي بزرگ داراي قابليت اطمينان کمي است . يک مشخصه متمايز TS نسبت به ساير روش هاي بهينه سازي ، بهره گيري آن از شکل هاي انعطاف پذير حافظه است . TS بر اين اصل بنا است که براي حل مساله به صورت کنترل شده وهوشمند الگوريتم حل بايستي دو حافظه قابل انعطاف و جستجوي واکنشي (آگاهانه )را دارا باشد. خصوصيت حافظه قابل انعطاف در TS امکان پياده سازي عمليات جستجو در فضاي حل به صورت کم هزينه و موثر را فراهم مي کند.
تاکيد ويژه روي جستجوي واکنشي TS از اين فرض منشا مي گيرد که انتخاب يک جواب بد ممکن است منجر به جواب هايي بهتر از يک انتخاب تصادفي خوب گردد[١٠و١١].
در آلگوريتم حل ، TS براي تعيين متغير هاي گسسته مساله بهينه سازي تعريف شده به کار مي رود. حل مسئله ، برداري از متغير هاي کنترلي است که تابع هدف را حداقل کند.
آلگوريتم حل با توليد يک حل اوليه از فضاي حل که قيود مسئله را برقرار مي کند، شروع مي شود. بطور کلي هنگامي که TS براي يک مساله بهينه سازي به کار مي رود، چهار پارامتر حرکت ، ليست ممنوع و حافظه هاي کوتاه مدت وبلند مدت بايد تعريف شود. فرايند جستجو از حل فعلي به حل بالقوه بعدي يک "حرکت " ناميده مي شود. مجموع همه حرکت هاي ممکن از حل فعلي ، ليست کانديدا ناميده مي شود. بردار کنترلي u شامل بردارهاي مي باشد. به عنوان مثال حرکت بردارهاي به صورت زير تعريف مي شود.
که IDA و IRA به ترتيب اندازه هر پله در خروجي منابع پراکنده و منابع توان راکتيو است به ترتيب بردارهايي با همان بعد هستند و عناصر آنها از -1 +1 و صفر تشکيل مي شود. به اين ترتيب در هر حرکت توليد فعلي منابع توليد توان حقيقي و راکتيو حداکثر به اندازه يک پله با توجه به قيود (٦) و(٧) کاهش يا افزايش مي يابد.
بردارهاي با توجه به ليست ممنوع و حافظه هاي ميان مدت و بلند مدت به طور تصادفي انتخاب مي شوند.
حرکت براي بقيه متغيرها نيز به طور مشابه و با توجه به ماهيت اين نوع متغير هاي کنترلي تعريف شده اند. از آنجاييکه ممکن است بعد از چند حرکت متوالي ، جواب بدست آمده يکي از نقاط حل در مراحل قبل باشد، جواب هاي چند مرحله آخر در حافظه کوتاه مدت قرار مي گيرند که ليست ممنوع ناميده مي شود. بهترين جوابي که از هر مرحله حل بدست مي آيد در اين ليست قرار گرفته و قديمي ترين جواب از ليست خارج مي شود. در روند حل يک مساله اگر بهترين جواب در بين همسايگي هاي يک نقطه ، در ليست ممنوع قرار داشت ، اين جواب قابل قبول نبوده و يکي ديگر از همسايگي ها به عنوان بهترين جواب انتخاب مي گردد و با اين کار از بازگشت به مسيرهاي قبلي جلوگيري شده و با طي مسير هاي جديد فضاي بيشتري مورد جستجو قرار مي گيرد.
نحوه پيدا کرد ن همسايگي جديد براي حرکت از يک نقطه به نقطه ديگر بايد با استراتژي خاصي انجام شود زيرا حرکت تصادفي از يک نقطه به نقطه ديگر ممکن است مسير حرکت را از رسيدن به يک جواب خوب که در ادامه مسير قبلي قرار دارد منحرف کند. براي جلوگيري از اين امر بايد به طريقي شانس انتخاب نقاط خوبي که در ادامه مسير قبلي قرار دارند را به عنوان نقطه بعدي ، افزايش داد. براي اين منظور حافظه اي در نظر گرفته مي شود که در آن نشانه هاي مشترک جواب هاي خوب قبلي قرار داشته و در هر مرحله از حل تجديد مي شود. با استفاده از اين حافظه که حافظه ميان مدت ناميده مي شود همسايگي هاي يک نقطه به نحوي انتخاب مي شوند که بيشترين شباهت با جواب هاي خوب مراحل قبل را داشته باشد.
آلگوريتم TS به جايي خواهد رسيد که حرکت هاي بعدي تغيير چنداني در اندازه تابع هدف ايجاد نمي کند و نشان دهنده اين است که حل مسئله به يک نقطه بهينه محلي منجر شده است . براي خارج شدن از اين نقطه و گسترش فضاي جستجو به کل فضاي مجموعه جواب هاي امکان پذير، پس از رسيدن به چنين نقطه اي بايد پرشي در فضاي مجموعه جواب انجام داد و عمليات جستجو را از نقطه جديدي متفاوت با نقطه شروع اوليه در مرحله قبلي آغاز نمود. پرشي که انجام مي شود بايد در هر مرحله به نحوي باشد که به نقطه شروع قبلي باز نگردد و کل فضاي مجموعه جواب را پوشش دهد. براي اين منظور از حافظه بلند مدت استفاده مي شود که در آن نشانه هاي پرش هاي قبلي و يا نقاط شروع در هر مرحله ذخيره مي شود و با استفاده از آن شانس انتخاب اين نقاط کار به عنوان نقطه شروع در مرحله بعد کاهش داده مي شود و با اين کار جستجو در کل فضاي مجموعه جواب هاي امکان پذير ممکن مي گردد.
٤- مطالعات انجام شده روي شبکه ٣٣ باس
شکل ١- دياگرام تک خطي سيستم توزيع ٣٣ باس
در اين بخش برخي از نتايج بکار بردن آلگوريتم حل براي سيستم توزيع شعاعي ٣٣ باس ارائه مي شود. شکل (١)
دياگرام تک خطي سيستم توزيع شعاعي ٣٣ باس را نشان مي دهد. با توجه به تعداد زياد باس ها، شاخه ها و حلقه هاي اين سيستم و شباهت زياد آن به فيدرهاي موجود در سيستم هاي توزيع مثال خوبي براي ارزيابي عملکرد الگوريتم پيشنهادي است .
پارامترهاي خط و بار سيستم در[ ١٢] ارائه شده است . ابتدا کليد هاي ٣٣ تا ٣٧ باز هستند. باس شماره ١ را به عنوان باس ولتاژ ثابت در نظر مي گيريم . ساير باس ها چه شامل منابع توان حقيقي و راکتيو باشد يا نباشند به صورت باس هاي PQ مدل مي شوند. فرض مي کنيم پنج سطح بار مختلف وجود داشته باشد. مجموع بار پيک و ارتباط چهار سطح بار ديگر با بار پيک به صورت زيرند:
مدت زمان متناظر با هر سطح بار در يک پريد يکساله به صورت زيرند:
دو رگولاتور ولتاژ ١ و ٢ را به ترتيب روي خطوط ٨-٧ (نزديک باس ٨) و ٢٦-٢٧ (نزديک باس ٢٧) در نظر مي گيريم .
جدول (١) و شکل (٢) به ترتيب تلفات و پروفيل ولتاژ سيستم را براي سطوح بار مختلف ، در شرايطي که هيچگونه منبع توان حقيقي يا منبع توان راکتيوي در سيستم استفاده نشده است ، نشان مي دهد. مطابق با اين نتايج که از مطالعات پخش توان به دست آمده است ، تلفات توان سيستم (تلفات در بار پيک ) برابر با 67kW . ٢٠٢ و تلفات انرژي سيستم در طي يکسال برابر با MWh ٧١٣ است .
حالت اول : فرض کنيد ظرفيت منابع پراکنده و بانک هاي خازني که در باس هاي منتخب نصب شده اند, توسط حل مسئله برنامه ريزي بهينه اين منابع بدست آمده باشد. با اين فرض که منابع توان ثابت هستند، جدول ٢ اين ظرفيت ها را نشان مي دهد.
جدول ٢: ظرفيت منابع پراکنده و منابع راکتيو غير قابل کنترل نصب شده روي باس هاي منتخب که از حل مساله برنامه ريزي بدست آمده است
با توجه به اينکه خروجي اين منابع در همه سطوح بار ثابت است ، با حل مسئله بهره برداري تعريف شده ، موقعيت تپ بهينه رگولاتورهاي ولتاژ ١و ٢ به ترتيب ١.٠٤ و ٠.٩٣ بدست مي آيد. به علاوه کليدهاي باز در آرايش بهينه سيستم کليدهاي ١١، ٢٦، ٣٢، ٣٣ و ٣٤ خواهند بود. در اين حالت اندازه ولتاژ باس هاي مختلف در سطوح بار متفاوت در دامنه ٠.٩٧ تا ١.٠٤٥ قرار مي
