بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله تأثیر حضور منابع تولید پراکنده به عنوان گزینهاي دیگر جهت تأمین ظرفیت مورد نیاز سیستم روي مکانیابی بهینه پستهاي فوقتوزیع در قالب ریاضی مدلسازي و بررسی شده است. در مدل ریاضی تابع هدف مسأله انواع هزینههاي ثابت و متغیر طرح فرمولهبندي شده است. همچنین محدودیتهاي مرتبط با شبکه و بهرهبرداري از پستها و منابع تولید پراکنده در مدلسازي منظور شده است. از مدل و روش پیشنهادي میتوان در تعیین تعداد، مکان، ظرفیت و حوزة سرویسدهی بهینه پستها در کنار منابع تولید پراکنده استفاده نمود. تابع هدف پیشنهادي و قیود مرتبط با آن یک مدل ریاضی غیرخطی را تشکیل میدهند که براي بهینهسازي آن از روش برنامهریزي ریاضی غیرخطی استفاده شده است.
در انتها با انجام آزمایشهایی کارایی مدل پیشنهادي نشان داده شده است.
-1 مقدمه
هدف اصلی طراحی شبکههاي توزیع، پاسخ به رشد مصرف برق با حداکثر کارایی اقتصادي به نحوي است که محدودیتهاي حاکم بر سیستم رعایت گردند. وجود المانهاي زیاد در شبکههاي توزیع که متغیرهاي تصمیم
زیادي را به دنبال دارد، مسأله طراحی و توسعه این شبکهها را با مشکل روبرو کرده است. از سوي دیگر حجم بالاي سرمایهگذاري و افزایش قیمت انرژي و تجهیزات، ریسک اقتصادي را به خصوص در محیطهاي تجدیدساختار شده افزایش داده و موجب گردیده است که طراحان شبکههاي توزیع به روشهاي دقیقتر و مناسبتري جهت طراحی این شبکهها روي آورند.
مروري بر تحقیقات و مطالعات انجام شده نشان میدهد که در طراحی شبکههاي توزیع بیشتر توجهات روي مکانیابی بهینه پستهاي توزیع و فوقتوزیع، مسیریابی بهینه فیدرها و تعیین سطح مقطع هاديها متمرکز شده است 1]و.[2 به سبب پیچیدگی مسأله، معمولاً دستیابی به پاسخ مناسب در تمامی تأثیر حضور منابع تولید پراکنده در مکانیابی بهینه پستهاي فوق توزیع مراحل مذکور در قالب یک مجموعه واحد به راحتی امکانپذیر نیست از اینرو مسأله طراحی شبکههاي توزیع به چند بخش تقسیم میشود که تعیین مکان بهینه پستهاي فوقتوزیع یکی از این بخشهاست.
پستهاي فوقتوزیع در واقع نقاط تزریق انرژي از سیستم انتقال به شبکههاي توزیع به شمار میروند و نقش پل ارتباطی میان این دو بخش از سیستم قدرت را بازي میکنند. بنابراین تعیین مکان مناسب یا نامناسب این پستها میتواند طراحی دیگر بخشهاي شبکه توزیع همانند پستهاي توزیع و فیدرهاي فشارمتوسط را تحت تأثیر قرار دهد. به عبارت دیگر در صورتی که در مکانیابی پستهاي فوقتوزیع دقت کافی صورت نگیرد، مواجهه با مشکلات فنی و اقتصادي در طراحی فیدرهاي فشارمتوسط و دیگر قسمتهاي سیستم توزیع دور از انتظار نخواهد بود .[2]
پیدایش منابع تولیدي کوچک موسوم به تولید پراکنده - Distributed Generation-DG - در سیستمهاي توزیع که میتوان آن را نتیجه پیشرفت تکنولوژي و تجدیدساختار در صنعت برق دانست، گزینههاي جدیدي را در طراحی و توسعه این سیستمها فراهم نموده است .[3] از سوي دیگر با توجه به قیود مکانی به خصوص در مناطق شهري با تراکم بالا و نیز محدودیتهاي مالی شرکتها در احداث پستهاي فوقتوزیع، بهرهگیري از منابع DG در فرایند طراحی و توسعه شبکه براي شرکتهاي برق جذابیت خاصی یافته است. از اینرو مسأله طراحی شبکههاي توزیع میبایست به منظور لحاظ نمودن احداث DG به عنوان یک آلترناتیو جدید بازبینی و متناسب با آن فرمولهبندي شود.
تاکنون مطالعات متعددي در زمینه طراحی و توسعه سیستمهاي توزیع انجام شده است. در مراجع 1] و [4 دستهبندي و مروري بر مدلهاي ارائه شده در این زمینه یافت میشود. تحقیقات متنوعی نیز با موضوع مکانیابی پستها انجام شده که در آنها تنها پستهاي فوقتوزیع به عنوان متغیرهاي تصمیم مطرح گردیدهاند. در [5] یک روش توانمند جهت ظرفیتیابی پستها ارائه شده است که در آن افت ولتاژ به عنوان یکی از معیارها در احداث پست جدید مورد توجه قرار گرفته است. الگوریتمی مبتنی بر حل مسأله حمل و نقل جهت تعیین مکان، ظرفیت و حوزة سرویسدهی پستها در مرجع [6] آمده است. در تابع هدف این الگوریتم از تغذیه بارهاي بزرگ توسط پستهاي دور از آن جلوگیري میشود.
در مرجع [7] روشی مبتنی بر شاخه و کران جهت حل مسأله جایابی پستها در قالب کمینهسازي هزینههاي ثابت و متغیر ارائه شده است. در [8] تعیین مکان، ظرفیت، حوزة سرویسدهی و نیز برنامه زمانبندي توسعه پستهاي
فوقتوزیع در قالب یک تابع هدف و قیود مربوطه به صورت مدلی غیرخطی پیوسته فرمولهبندي ریاضی شده است. در این مطالعه هزینههاي شبکه پاییندستی - فشارمتوسط - در مدلسازي لحاظ نشده است. تحقیقات دیگري نیز در زمینه جایابی پستها انجام شده که در اکثر آنها کاهش هزینههاي جاري و سرمایهگذاري به عنوان هدف طراحی مورد نظر بوده است [11-9] اما در بیشتر آنها مسأله مورد نظر به طور کامل و دقیق با جزئیات لازم مدلسازي نشده است و با انجام سادهسازيهایی از واقعیت امر دور شدهاند.
در سالهاي اخیر مطالعات نسبتاً متنوعی نیز در خصوص مکانیابی منابع DG در شبکههاي توزیع به انجام رسیده است که در اکثر قریب به اتفاق آنها با فرض وجود یک شبکه موجود، مکان و ظرفیت بهینه جهت احداث منابع DG روي نقاط این شبکه با هدف کاهش تلفات 12]، 13 و[15 بهبود پروفیل ولتاژ [14] و ارتقاء قابلیت اطمینان [15] جستجو میشود.
با وجود مدلهاي مختلف در زمینه مکانیابی پستهاي فوقتوزیع و نیز جایابی منابع تولید پراکنده در شبکههاي توزیع، تاکنون مدل کاملی در زمینه طراحی همزمان پستها و منابع DG در طراحی سیستمهاي توزیع ارائه نشده است. این در حالی است که با حضور تولید پراکنده در شبکههاي توزیع ارزیابی اقتصادي گزینههاي مرتبط با احداث منابع DG در کنار احداث و یا توسعه پستهاي فوقتوزیع به منظور تأمین ظرفیت مورد نیاز سیستم، امري ضروري و اجتنابناپذیر به نظر میرسد.
در این مقاله تعیین مکان، ظرفیت و حوزة سرویسدهی پستهاي فوقتوزیع در حضور منابع DG به عنوان گزینهاي جدید جهت تأمین ظرفیت مورد نیاز سیستم به صورت استاتیکی براي یک دورة زمانی مدلسازي و حل شده است.
این مسأله از دیدگاه شرکتهاي توزیع مورد توجه قرارگرفته و سعی شده است در تابع هدف پیشنهادي تا حد امکان هزینههاي ثابت و متغیر مرتبط با احداث پستها و منابع تولیدي هر چه نزدیکتر به واقعیت مدل گردد ضمن اینکه محدودیتهایی همچون افت ولتاژ، ظرفیت بارگذاري پستها و منابع DG، تغذیه شعاعی بارها توسط پستها نیز مورد توجه قرار گرفته است. تابع هدف پیشنهادي و محدودیتهاي مرتبط با آن یک مدل ریاضی غیرخطی را تشکیل میدهد که براي بهینهسازي آن از روشهاي تحلیلی بهینهسازي استفاده شده است. در انتها با انجام چند آزمایش و تحلیل نتایج به دست آمده، کارایی مدل پیشنهادي نشان داده شده است.
-2 تشریح مسأله
-1-2 اجزاي هزینه طرح
هدف از مکانیابی توأم پستهاي فوقتوزیع و منابع DG،تأمین ظرفیت مورد نیاز جهت تغذیه بار شبکه توسط این تجهیزات به نحوي است که ضمن رعایت محدودیتهاي حاکم، هزینههاي احداث و بهرهبرداري سیستم کمینه گردد. در
این مقاله مسأله مورد نظر براي طراحی در یک مرحله زمانی به صورت استاتیکی مدلسازي شده است. با توسعه مدل پیشنهادي در قالب روش شبهدینامیک [17] میتوان برنامه توسعه و احداث پستها و واحدهاي تولیدي را طی چند دورة زمانی به دست آورد.
متغیرهاي تصمیم مسأله عبارتند از: مکان، تعداد، ظرفیت و حوزة سرویسدهی به تفکیک براي پستها و واحدهاي تولیدي. هزینههاي طرح را میتوان به دو دسته کلی تقسیم نمود: اولین بخش هزینههاي سرمایهگذاري است که ثابت بوده و تنها یک بار در هنگام احداث پستها و واحدهاي تولیدي صرف میشود و به میزان بارگذاري در دورة بهرهبرداري بستگی ندارد. بخش دوم هزینههاي متغیر را شامل میشود که به نحوة بهرهبرداري و بارگذاري منابع DG و پستها بستگی دارد .[2] هزینههاي ثابت طرح عبارتند از:
هزینه زمین و اتصال پستها به خطوط فوقتوزیع
هزینه ترانسفورماتور و تجهیزات پستها
هزینه احداث منابع تولید پراکنده
هزینههاي متغیر طرح نیز موارد زیر را شامل میشود:
هزینه بهرهبرداري از منابع تولید پراکنده
هزینه تأمین توان مورد نیاز شبکه توسط پستهاي
هزینه تلفات در شبکه فشارمتوسط
در بخش 3 این مقاله مدلسازي ریاضی اجزاي هزینه و نحوة ترکیب آنها در قالب تابع هدف طرح آمده است.
-2-2 نقاط مصرف
براي در نظر گرفتن سیستم پایین دست میبایست بار و نحوة تغذیه آنها مدلسازي شود. براي مدلسازي بار در مسأله مکانیابی پستها و واحدهاي تولیدي، ابتدا محدودة جغرافیایی که منطقه مورد مطالعه را تشکیل میدهد، به نواحی کوچکتري - نواحی برقی - تقسیمبندي میشود. هر ناحیه برقی به همراه بار مصرفی متناظر در مرکز ثقل آن به عنوان یک نقطه بار تعریف میگردد. میزان مصرف آتی در این نقاط بار را میتوان توسط یکی از روشهاي موجود پیشبینی بار به دست آورد .[18] از آنجاکه طبق مدلسازي ارائه شده در این مقاله هریک از نقاط بار در واقع نمایندهاي از مصرف توان در نواحی متناظر است که توسط یک فیدر فشارمتوسط تغذیه خواهد شد، پیشنهاد میگردد در انجام مطالعات پیشبینی بار، نواحی برقی به نحوي اختیار گردند که میزان پیک توان مصرفی آنها در محدودة معمول بارگذاري یک فیدر فشارمتوسط باشد.
اگرچه در مسأله مکانیابی پستها و منابع DG، طراحی و مسیریابی دقیق شبکه فشارمتوسط مدنظر نمیباشد، اما باید
