بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تأثير سناريوهاي پاسخگويي بار بر مديريت مصرف در بخش خانگي
چکيده - در سالهاي اخير با توجه به رشد سريع بار خانگي (متوسط رشد ٤,٣ درصد) در ايران و سهم بالاي آن در پيک بار(حدود ٥١ درصد) و کل بار(٣١,٥ درصد)، و همچنين پتانسيل بالاي صرفه جويي در اين بخش در صورت اعمال مديريت مصرف و انتخاب وسيله مناسب ، ضرورت مديريت مصرف در اين بخش را نمايان مي کند. در اين مقاله بار مصرفکننده به دو بخش انعطافپذير و غير قابل انعطاف يا ثابت تقسيم شده، که بار انعطافپذير يک بار گرمايشي در نظر گرفته شده است . در اين پژوهش به بررسي تأثير دو سناريوي پاسخگويي بار به عنوان زمان واقعي و ترکيب زمان استفاده و کنترل مستقيم بار بر بخش انعطافپذير بار و مقايسه آنها سناريوهاي زمان استفاده و قيمت دهي ثابت در شبکه برق ايران مي پردازيم . با توجه به توابع هدف موجود و واکنش مصرفکننده نسبت به قيمت هاي پيشنهادي توسط شبکه ، سناريوهاي پاسخگويي بار با ايجاد انگيزه در مصرفکننده جهت انتقال بار از ساعات پيک به غيرپيک، هم منجر به ايجاد هزينه کمتر براي مصرفکننده درمقايسه با سياست قيمت دهي ثابت و هم افزايش درآمد شبکه در بلند مدت مي شوند. مساله بوسيله الگوريتم ژنتيک و با هدف حداقل کردن هزينه صورت حساب مشترک، بهينه سازي مي گردد.
کليد واژه -الگوريتم ژنتيک، بار انعطافپذير، سناريوهاي پاسخگويي بار، مديريت بار خانگي ، مديريت مصرف.
١- مقدمه
مديريت سمت تقاضا و ساختارهاي تعرفه برق در سيستم قـدرت مورد مطالعه گسترده و بخش اصلي تمرکز براي شرکت هاي بـرق بوده است و بـه عنـوان يـک پـارامتر تعيـين کننـده در مـديريت مصرف به شمار مي رود. هزينه هاي عمدهفروشي برق بطـور قابـل ملاحظـه اي در طـول زمـان متفـاوت اسـت ، در حـالي کـه اکثـر مشترکان نرخ ثـابتي از هزينـه را پرداخـت مـي کننـد. ايـن مهـم شرکت هاي برق را مجبور مي کند تا تمام ريسکهـاي مـرتبط بـا نوسانات قيمتي مربوط به حفظ قيمت هاي ثابت مشترک را جذب کند. بنابراين مشترکان انگيزه مـالي کمـي بـراي کـاهش ميـزان مصرفشان دارند، مخصوصـاً زمـاني کـه هزينـه
هـاي بـرق عمـده فروشي بالا باشد. بر اين اساس اگر بارشان را همزمـان بـا اوج بـار سيستم کاهش ندهند، منجر به صورت حسـابهـاي خيلـي بـالا مي شود [١]. ساختار قيمت گذاري پويا که بخـوبي طراحـي شـده، منعکس کننده تفاوت در هزينه هاي برق در طول دورههاي زمـاني است ، که نرخهاي قيمتي مناسب تـري از نـرخهـاي اسـتاتيک بـه مشترکان مـي دهـد. چنانچـه مشـترکان در قيمـت گـذاري پويـا بتوانند، مصرفشان را به اندازه کافي از ساعات پيک پر هزينه تر به ساعات غير پيک با قيمت پايين تر شيفت دهند، سود مالي خـوبي نصيبشان مي گردد. ساختارهاي تعرفه زماني پيشنهاد شـدهانـد و به مرحله اجرا در آمده اند و منجر به بهبودهاي وسيعي در طيفـي از اهداف اجتماعي از جمله هزينه برق، قابليـت اطمينـان عرضـه ، سود شرکت توزيع و منافع مصرفکننده شده است [١-٣].
برنامه هاي پاسخگويي بار مبتني بـر قيمـت ، شـامل سـه سـاختار است ؛ ١) نرخهاي زمان استفاده(TOU)، که بـه طـور وسـيعي در اکثر کشورها استفاده شده است و بـه عنـوان يکـي از روشهـاي مهم مديريت سمت تقاضا در نظر گرفته مي شود. اين تعرفه ها سه قيمت مختلف بر اساس زمـان در يـک روز، کـه دوره پيـک، دوره ميانه بار و دوره غير پيک است ، ارائه مي کنند. ٢) نـرخهـاي زمـان واقعي (RTP)، که طرح قيمت گذاري ايـدهآلـي اسـت ، امـا اجـراي کامل آن بدليل محدوديت هاي فني سمت تقاضا مشکل است . ٣) نرخهاي زمان پيک بحراني (CPP)، کـه داراي يـک قيمـت خيلـي زياد در پيک و يک قيمت پايين در غيـر پيـک اسـت ، معمـولاً در روزهاي خاصي از سال که پيک بار شديد است ، اجـرا مـي گـردد.
سناريوهاي تشويقي شامل شش ساختار است که در اين مقالـه از ساختار کنترل مستقيم بار(DLC) استفاده مي شود [١-٥].
مؤلفان در مرجع [١]، يک الگوريتم جديد براي پيدا کردن قيمت گذاري زمان استفاده بهينه برق در بازارهاي برق انحصاري؛ تعاريف و روابط بين عرضه و تقاضا و همچنين هزينه هاي مختلف اجزا ارائه کردهاند. بعلاوه آنکه استراتژي قيمت گذاري بهينه توسعه داده شده است تا اينکه سود جامعه در هنگام اجراي يک استراتژي پاسخگويي تقاضا به حداکثر برسد. در نهايت ، اثر پاسخگويي بار در قيمت هاي برق با استفاده از يک مطالعه موردي شبيه سازي شده است . در مرجع [٢]، برنامه TOU بر اساس مدلهاي اقتصادي پاسخگويي بار و با استفاده از کشش قيمت تقاضا و تابع سود مشتري فرمولبندي شده است . مؤلفان [٣]، پاسخگويي بار را با توجه به هر دو روش زمان استفاده و برنامه - هاي پاسخگويي بار اضطراري(EDRP)، به طور همزمان، با استفاده از مدلهاي بار تک و چند پريودي، بر اساس مفهوم کشش بار مدل کردهاند. مدل پيشنهادي در بار پيک شبکه برق ايران و قيمت هاي بهينه براي برنامه TOU و تشويقي هاي مناسب براي ترکيب برنامه TOU و EDRP مشخص اجرا شده است . در
[٤] يک روش بهينه سازي بار براي قيمت برق زمان استفاده براي مديريت سمت تقاضا (در سه نوع بار تجاري، صنعتي و خانگي ) به منظور صرفه جويي در هزينه هاي انرژي به صورت مطلوب ارائه شده است . محققان در مرجع [٦] تغييرات رفتار بار مصرفي را تحت سناريوهاي قيمت مختلف تجزيه و تحليل کرده و نتايج مطلوبي بر اين اساس بدست آوردهاند. در مقاله [٧] يک مدل کنترل پيش گويانه (MPC) براي کنترل ساختمانهاي مسکوني با بارهاي گرمايشي .سرمايشي ، آب گرمکن هاي الکتريکي (EWH)، فتوولتائيک(PV) به همراه ذخيرهسازي باتري در يک محيط قيمت برق متغير با زمان پيشنهاد مي کند، عملکرد ساختمان
تحت سه سناريو قيمت هاي مختلف مورد بررسي قرار مي گيرد: (١)تعرفه روز.شب ساده، (٢)تعرفه پويا روز پيش رو، منعکس - کننده هزينه هاي حاشيه اي بازار عمدهفروشي و (٣)تعرفه هاي پويا زمان واقعي (RTP). مؤلفان در [٨] بر روي يک استراتژي کنترل در حال توسعه براي بارهاي HVAC بمنظور پاسخگويي به قيمت هاي زمان واقعي براي کاهش پيک بار تحقيقات قابل توجهي انجام داده اند. مرجع [٩] يک نمونه آماري بزرگ از مشترکين برق خانگي در کلمبيا تحت سياست هاي قيمت گذاري زمان مختلف و دستگاههاي کنترل بار از راه دور براي ٤ ماه فصل زمستان از نوامبر ٢٠٠٧ تا فوريه ٢٠٠٨، براي تخمين اثر کشش جانشيني تقاضاي برق در ساعات پيک با تقاضاي ساعات کم باري، استفاده کرده است . در ميان برنامه هاي پاسخ به تقاضا، روش هاي قيمت گذاري در ساعات مختلف در [١٠] آمده است ، که از راهکارهاي مناسب جهت پيکسايي و انتقال بار به حساب مي آيد.
با توجه به اينکه مصرفکنندگان خانگي نمي توانند بر روي کل بار خود مانور دهند و زمان مصرف آن را به زماني غير پيک تغيير دهند، از اين رو بار خانگي را به دو بخش انعطافپذير و ثابت تقسيم مي کنيم و پاسخگويي مصرفکننده را در تغيير زمان مصرف بار انعطاف پذير با سناريوهاي ثابت ، تعرفه زماني (زمان استفاده ، زمان واقعي ) و ترکيبي (زمان استفاده و کنترل مستقيم بار) بررسي مي کنيم . در اين مطالعه بار انعطافپذير را يک بار گرمايشي در نظر مي گيريم و با مدلسازي آن، هزينه هاي صورت حساب مشترکين را با اعمال برنامه هاي پاسخگويي بار، با تابع هدف مربوطه و با استفاده از الگوريتم ژتيک بهينه سازي مي کنيم .
در اين مقاله علاوه بر اعمال دانش بدست آمده از تحقيقات انجام گرفته و اجراي چند سناريوي پاسخگويي بار و مقايسه اثرگذاريشان بر مديريت مصرف بخش انعطاف پذير بار خانگي ، اثر انرژي خورشيدي را بر بار انعطافپذير که در اينجا بار گرمايشي است ، نيز در نظر گرفته مي شود تا طرح پيشنهادي به حالت واقعي خود نزديک تر گردد. اثر اين پارامتر اضافه شده بر موضوع مورد مطالعه مورد بررسي واقع مي گردد. در نهايت نتايج بدست آمده را با قيمت گذاري ثابت مقايسه مي کنيم .
٢- مدلسازي مسئله
٢-١- مدل سازي مصرف کننده و شبکه برق
هدف از اجراي سناريوهاي تعرفه زمـاني کـاهش هزينـه صـورت حساب مشترکين و کاهش پيک بار کل مصرفي مي باشد. در اين مقاله مصرفکننده به صورت يک مصرفکننده بخش خـانگي در نظر گرفته شده است . ميزان بار مصرفي مصرفکننده فوق در هـر ساعت به دو قسمت بار انعطافپذير و غير قابل انعطـاف يـا ثابـت تقسيم شده است . بار ثابت که حدود ٨٠ درصد مقدار کـل بـار را تشکيل مي دهد، معرف ميزان باري است که مصرفکننده در هـر ساعت به ناچار مجبور به مصرف آن اسـت . بخـش ديگـر بـار کـه حدود ٢٠ درصد از کل بار را تشکيل مي دهد معـرف بـاري اسـت که مصرفکننده مي تواند بدون از دست دادن مطلوبيـت خـود آن را از ساعتي به ساعت ديگر منتقل کند. در اين مقاله بـار انعطـاف پذير به صورت يک بار گرمايشي در نظر گرفتـه شـده اسـت
که هدف از به کار گیری ان حفظ دمای اتاق در طول شبانه روز در یک بازه زمانی مطلوب ( 21 تا 24 درجه سانتیگراد ) است . مدل فوق مطابق مدل معرفي شده در [١١] است . تابع هـدف مصـرف کننده که به شکل هزينه نوشته شـده و بايـد حـداقل گـردد بـه صورت زير مي باشد:
که در آن، افق بهينه سازي است که بمـدت يک روز، يعني ٢٤ ساعت در نظرگرفته شـده اسـت . قيمـت هـاي برق بصورت ضرايب هزينه . به مسئله بهينه سازي وارد مـي کنيم . توان مصرفي بار گرمايشي را با u نشان مي دهيم و فرض مي کنيم مصرفکننده بتواند آن را بين دو مقدار صـفر تـا ١٠٠ وات تغييـر دهد، همچنين ميزان تغييرات مجاز آن را صـفر تـا ١٠٠ در نظـر مــي گيــريم . اگــر بــازه دمــايي مطلــوب را بــين ٢١ و ٢٤ درجــه سانتيگراد در نظر بگيريم ، ν ميزان انحراف از اين بازه مطلوب را نشان مي دهد، که اگـر دمـاي اتـاق در ايـن بـازه نباشـد، ميـزان انحراف در ضريب جريمه ρ ضرب خواهد شد و بـه تـابع هـدف اضافه میشود . در اینجا فرض شده است در حقیقت ابتدا بار گرمایشی را با استفاده از فضاي حالت مدل کرده و معادلات بدست آمده براي متغيرهاي حالت را به عنوان قيود بـار حرارتي در نظر مـي گيـرد، يعنـي اسـت ، که Tr دماي اتاق، Tf دمـاي کـف اتـاق و Tw دمـاي آب درون لوله هاي سيستم حرارتي است . متغير کنترلشده y همـان دمـاي اتاق Tr است . اغتشاشـات مسـئله دمـاي محـيط بيـرون و تـوان تابشي خورشيد اسـت ، کـه بصـورت نمـايش داده مي شود. ماتريس ضرايب با استفاده از دادههاي [١١, ١٢] بصورت زير بدست مي آيند:
مديريت شبکه برق نيز با ارسال سـيگنالهـاي قيمتـي و ايجـاد انگيزه در مصرفکنندگان جهت انتقال بـار، بـه دنبـال مـديريت سمت تقاضا، کاهش هزينه هاي توليد برق، کاهش انتشار گازهاي گلخانه اي، پايداري شبکه و حداکثرسازي سود خود است . شـبکه برق با در نظر گرفتن هزينه دريافتي از مصرفکننده بـه عنـوان درآمد و ميزان پرداخت شده بـه توليـدکننـده انـرژي بـه عنـوان هزينه ، به محاسبه سود خود با استفاده از رابطه زير مي پردازد:
در رابطه بالا pts قيمت برق در هر ساعت است که توسط شبکه به مصرفکننده اعمال مي شود، نيـز بـه ترتيـب نشـان دهنده بخش هاي انعطافپذير و غير قابل انعطاف بار مصرفکننده هستند. نيز به ترتيب معرف قيمت پرداخت شـده از سوي شبکه به توليدکننده انرژي و ميزان انرژي خريداري شده از وي در هر ساعت اسـت . رابطـه (١) از دو قسـمت تشـکيل شـده است : عبارت اول نشاندهنده هزينه اي است که شبکه بابـت بـرق مصرف شده از مصرفکننده دريافت کرده و در قالب درآمد شبکه با علامت مثبت در رابطه فوق وارد شده است . عبارت دوم نيز کـه با علامت منفي در رابطه مشخص شده اسـت هزينـه اي را نشـان مي دهد که شبکه بابت انرژي خريداريشده بايد بـه توليدکننـده انرژي بپردازد.
٢-٢- سناريو زمان استفاده
سناريو زمان استفاده داراي نرخهاي متفاوت براي بازههاي زمـاني مختلف شبانه روز است . در اين مدل ساعات شبانه روز بـر اسـاس سابقه سيستم به چند مقطع زماني بر حسب ميزان بار شـبکه در آن مقطع شکسته شده و نرخهاي مقاطع مختلـف بـين مـديريت شبکه برق و مصرفکننده توافق مي شود. در ايـن سـناريو، شـبکه مطابق آنچه که در جدول ١ مشاهده مي شود براي مصرفکننـده سه تعرفه در ساعات پرباري، ميانباري و کم باري مشـخص مـي - کند. در مقايسه با سناريو قيمت دهي ثابت ، در اين حالت بخشـي از ريسک مديريت شبکه برق به مصرفکننـده منتقـل مـي شـود، چرا که در اين حالت مصرف کنندگان علاقه بيشتري بـه اسـتفاده از انرژي در بازههاي زماني با نـرخ پـايين تـر(سـاعات غيـر پيـک) دارند. مصرفکنندگاني که بطور طبيعي داراي مصرفي بيشـتر در ساعات با نرخ پايين هستند و مصـرفکننـدگاني کـه مـي تواننـد الگوي مصرف خـود را تغييـر داده و مـديريت کننـد، مـي تواننـد بيشترين استفاده را از اين مدل ببرند. در اين سناريو با توجـه بـه سيگنالهاي قيمتي شـبکه ، مصـرفکننـده انگيـزه کـافي جهـت کاهش هزينه هاي خود را پيـدا مـي کنـد. مشـترک مـي توانـد بـا کاستن از مصرف خود يا بدون کـاهش ميـزان مصـرف خـود، بـا انتقال بار مصرفي اش از ساعات پيک به ساعات غير پيـک هزينـه خود را در طول ماه کاهش دهد.
٣- سناريوهاي پيشنهادي
٣-١- سناريو زمان واقعي
اين سناريو، تعرفه برق ساعتي متغير با زمان است که به درسـتي منعکس کننده هزينه هاي حاشيه اي تأمين برق، بر اساس قيمـت - هاي لحظه اي بازار، و بارگذاري شـبکه توزيـع و انتقـال بـرق، بـر اساس اندازهگيريهاي واقعي شبکه مي باشد [١٣]. در اين سناريو به تبع در ساعات پيک مصرف، شبکه ، برق را با قيمت گـرانتـري از توليدکننده مي خرد و با قيمت بالاتري نيـز بـه مشـترک مـي - فروشد، در نتيجه مصرفکننده بايد با انتقال مصرف به زمانهـاي غيرپيک هزينه خود را کاهش دهد. در ايـن سـناريو قيمـت هـاي ساعتي آينده نامطمئن مي باشـد، ايـن موضـوع پـيش بينـي سـود شرکت کننده را با مشکل روبرو مي کند. ايـن تعرفـه قيمـت هـاي ساعتي برق را براي مصرفکنندگان در روز قبل يا نزديـک زمـان استفاده مشخص مي کند. در اين مقاله فرض مي کنيم قيمت هـاي پيشنهادي شبکه بـرق در ايـن سـناريو حـدود ١.٥ برابـر قيمـت پيشنهادي توليدکننده در شکل ١ خواهد بود.
٣-٢- ترکيب سناريوي زمان استفاده و سناريوي تشويقي کنترل مستقيم بار
کنترل مستقيم بار يک برنامه پاسخگويي بار مبتني بر تشـويق است . در اين برنامه شرکت توزيـع يـا اپراتـور سيسـتم از راه دور اقدام به خاموش کردن تجهيـزات مشـترک در دورههـاي خاصـي مي کند. استفاده از اين برنامه به طور معمول در زمـان اوج تقاضـا سيستم اتفاق مي افتد. به هر حال اگر کنترل مستقيم بار به طـور اقتصادي اجرا شود، مي توانـد باعـث کـاهش پيـک بـار و کـاهش هزينه ها شود [٥]. در اين سناريوي ترکيبي ، از قيمت دهـي زمـان استفاده براي قيمت برق ساعات شبانه روز اسـتفاده مـي کنـيم ، و فرض مي کنيم اپراتور شبکه به مصرفکننده پيشنهاد مي کنـد بـا خاموش کردن بار او در ساعات پيک، به ازاي هر ساعت ١٠ ريـال تشويقي از صورت حساب کم شود.
در اين مقاله اين دو سـناريوي پيشـنهادي را بـراي بهينـه سـازي مصرف بار خانگي اعمال مي کنيم و اثربخشـي آنهـا را بـر کـاهش پيک بار شبکه و همچنـين کـاهش هزينـه هـاي صـورت حسـاب مشترک بررسي خواهيم کرد. سپس نتايج را با سناريوهاي زمـان استفاده و قيمت دهي ثابت مقايسه مي کنيم .
٤- شبيه سازي و نتايج
در اين تحقيق ، مسئله بهينه سازي، حـداقل کـردن هزينـه بخـش انعطاف پذير بار مصرفکننده مي باشد که براي انجام آن و بدسـت آوردن نقطه ي بهينه از الگوريتم بهينه سازي ژنتيـک بهـره گرفتـه شده است . با توجه به معادلات معرفي شده براي شبکه و مصـرف کننده، مشاهده مي شود که براي حل مسئله بايد قيمـت سـاعتي برق خريداري شده از توليدکننده انرژي، ميزان بار ثابـت مصـرف کننده در هر ساعت و دماي محيط را به عنوان مفروضات مسـئله در اختيار داشت . در شکل ١ قيمت هاي ساعتي خريد برق توسـط شبکه از بازار برق نشان داده شده است . جهت بررسـي مـدل بـار گرمايشي مصرفکننده، يک روز از فصل زمستان به عنوان مثـال هشتمين روز بهمن ماه سال ١٣٨٩(١٣٨٩.١١.٨) در نظر گرفتـه شده است . همانطور که از شکل ٢ مشـخص اسـت در طـول روز يک مصرفکننـده داراي دو پيـک مـي باشـد، اولـين پيـک آن از ساعت ١١ تا ١٣ اتفاق افتاده است که به پيک روز معروف اسـت و پيک دوم از ساعت ١٩ تا ٢٢ است که اکثرًا بـه دليـل اسـتفاده خانوار از وسايل روشنايي رخ داده و پيک شب ناميـده مـي شـود.
تغييرات دماي محيط در طي ٢٤ ساعت بصورت شـکل ٣ فـرض مي شود. توان تابشي خورشيد بـا فـرض طلـوع آن در سـاعت ٧ و افزايش خطي توان تابشي تـا سـاعت ١٢ و کـاهش خطـي آن تـا ساعت ١٦، در طول ٢٤ ساعت بصورت شکل ٤ فرض شده اسـت .
