بخشی از مقاله
چکیده
افت ولتاژ، خاموشیهای متعدد، تلفات بالا و عدم هماهنگی بین رله های الکترونیکی از جمله مشکلات اساسی در شبکه توزیع می باشد. تجدید پیکربندی یک مسئله بهینه سازی پیچیده ای می باشد که هم می توان از این روش بدون استفاده کردن تجهیزات جدید در شبکه، اهداف فوق را به طور نسبی تامین کرد. با یک جستجوی جامع، بطور قطع میتوان جواب بهینه را پیدا کرد. در این مقاله روش الگوریتم ژنتیک برای حل مسئله تجدید پیکربندی به منظور کاهش تلفات هارمونیکی مورد استفاده قرار گرفته است، که اصلیترین ویژگی آن توانایی حرکت به سمت پاسخ بهینه مطلق می باشد. از دیگر ویژگی های الگوریتم پیشنهادی می توان به نحوهی کدگذاری رشته ها جهت بهینه کردن پیکربندی شاخهها اشاره نمود. در این مقاله، شبکه 69 شینه IEEE مورد بررسی قرار میگیرد.
.1 مقدمه
در گذشته شایعترین بارهای خانگی و تجاری متصل به سیستم توزیع برق ویژگی های خطی داشتند، امروزه با توجه به پیشرفت تکنولوژی در دنیا بارهای هارمونیک غیرخطی در حال افزایش سریع می باشد که با توجه به نصب و راه اندازی گسترده از دستگاههای برق الکترونیک، کورههای قوس، دستگاه های مغناطیسی، ماشین الکتریکی، بارهای ویژه با منابع تغذیه سوئیچینگ و لامپهای روشنایی با تخلیه الکتریکی که عامل مهمی برای تولید بارهای غیرخطی می باشد که از بین این محصولات منابع تغذیه تک فاز بیشترین سهم در تولید هارمونیک را دارا می باشد . هارمونیک ایجاد شده توسط این محصولات با مولفهی اصلی ولتاژ یا جریان شبکه ترکیب شده و موجب اعوجاج در شکل موج اصلی شبکه برق میگردند. که از مهمترین اثرات اغتشاشات هارمونیکی در شبکهی قدرت به موارد زیر میتوان اشاره کرد.
❖ شکست عایقی بانکهای خازنی و افزایش جریان و توان راکتیو در آنها
❖ شکست عایقی کابلها و تداخل در سیستم مخابراتی
❖ عدم عملکرد صحیح مدارات الکترونیکی و پاسخ اشتباه به رلهها
❖ اثر حرارتی در ترانسفورمرها
❖ تغییر توان راکتیو
روش های زیادی برای مقابله با بار هارمونیک وارده به شبکه برق است که عمدهترین روش برای مقابله با آن استفاده از فیلتر میباشد که روش سنتی در حذف هارمونیکهای سیستم به کار میرود که این فیلترها به موارد زیر میباشد.
❖ فیلترهای پسیو
❖ فیلترهای اکتیو
❖ فیلترهای هیبرید
از آنجا که نصب تجهیزات به شبکه هم هزینه زیاد و هم وقت بیشتری را دارا میباشد در اینجا هست که بحث تجدید پیکربندی شبکه توزیع انرژی الکتریکی به میان میآید . سیستم توزیع ارتباط بین سیستم انتقال و مصرف کننده نهایی را برقرار می سازد و نزدیک ترین بخش سیستم قدرت به مصرف کننده میباشد. شبکه توزیع انرژی الکتریکی برای افزایش سطح قابلیت اطمینان، کاهش مدت زمان خاموشی مشترکین، بهبود شرایط بارگذاری شبکه و ..... به صورت حلقوی طراحی می شوند ولی به دلیل هماهنگی ساده تر و کم هزینه تر سیستم های حفاظتی و پایین آوردن سطوح اتصال کوتاه و به تبع آن کاهش ارزش سرمایه گذاری، به صورت شعاعی بهرهبرداری میشوند لذا در این شبکه های توزیع معمولا دو کلید استفاده میشود؛ سکشنالایزر - که معمولا بسته اند - و کلیدهای مانوری - که معمولا باز هستند - هر دو نوع کلید هم برای حفاظت و هم برای مدیریت آرایش شبکه طراحی میشوند.
تغییر ساختار شبکههای توزیع انرژی الکتریکی توسط باز و بسته کردن کلیدها، تجدیدپیکربندی شبکه توزیع نامیده میشود که برخی از مولفین آن را بازآرایی نیز می نامند . با بستن بعضی از کلیدها در حالت عادی باز و باز کردن همان تعداد کلید در حالت عادی بسته میتوان مسیر پخش توان شبکه توزیع را تغییر داد که این مسئله می تواند اهداف فنی و اقتصادی متعددی نظیر کاهش تلفات شبکه، بهبود پروفیل ولتاژ، متعادل سازی بار فیدرها، کاهش تلفات هارمونیکی و ... را محقق نماید. با استفاده از این امکانات می توان شبکه را به گونه ای تجدید پیکربندی کرد که علاوه برحل مشکل بیبرقی مصرف کنندگان بهترین آرایش بهینه از نظر حداقل بودن تلفات حاصل شود. در بحث تجدید پیکربندی باید دو اصل زیر را در نظر گرفت.
❖ حفظ ساختار شعاعی شبکه
❖ رسیدن برق به تمامی بارها و مصرف کنندگان
تاکنون روشهای عام و خاص متعددی جهت تجدید پیکربندی شبکه توزیع انرژی الکتریکی ارائه شده است که در خصوص این روشها عمدتا دو مشکل بزرگ قابل رویت است.
❖ زمان بر بودن یافتن آرایش مناسب شبکه
❖ ارائه آرایش نامناسب از شبکه به دلیل نقص فنی قیود بهرهبرداری
در سال 1988 یک تحول مهم در این روش رخ داد، و Civanlar و همکارانش یک روش جدید ابتکاری به نام روش تعویض کلید1 - SEM - را به همراه یک فرمول تقریبی برای کاهش تلفات ارایه دادند، الگوریتم این روش کار خود را از یک آرایش شعاعی شبکه شروع می کند، یکی از کلیدهای در حالت عادی باز - NO - 2 را انتخاب نموده و می بندند، با بستن این کلید یک حلقه در شبکه ایجاد می شود، در ادامه با استفاده از روابطی کلی، از کلیدهای در حالت بسته - NC - 3 حلقه ایجاد شده، مناسب ترین کلید را انتخاب نموده و باز می نماید؛ با این ترتیب شبکه مجددا ساختار شعاعی خود را باز مییابد. که به اینروش اصطلاحاً روش تعویض شاخه4 هم میگویند.
در سال 1989 تحول دیگری در تجدید پیکربندی رخ داد در آن سال شیرمحمدی و همکارانش روش بسیار مهمی در تجدید پیکربندی شبکههای توزیع ارایه کردند و آن را روش کلید گشایی ترتیبی - SSOM - 5 نام نهادند براساس آن ابتدا کلیدهای در حالت عادی باز - NO - شبکه بسته می شوند با انجام این کار شبکه شعاعی به یک شبکه غربالی تبدیل میشود، بعد کلیدهای شبکه یک به یک باز میشوند تا مجددا شبکه به حالت شعاعی بازگردد در این فرآیند باز کردن کلیدها، کلیدهایی انتخاب میشوند که تلفات اهمی خطوط شبکه را کاهش دهند. روش SSOM و روش SEM اساس و مبنای بسیاری از روشهای ابتکاری بعدی شدند. در این مقاله سعی بر این میباشد که با استفاده از تجدید پیکربندی با بهرهگیری از الگوریتم ژنتیک و بدون اضافه کردن تجهیزات جدید به شبکه برای کاهش THD ختم شود.
.2 پخشبار
در بررسی سیستم های قدرت، به مطالعه و تجزیه و تحلیل سیستم که با هدف تعیین پارامترهای مهم سیستم در شرایط نرمال یا اضطراری انجام میشود پخش بار میگویند. پارامترهای مورد مطالعه پخش بار شامل مواردی مانند ولتاژها، جریانها، توانهای اکتیو و راکتیو، تلفات توان، تبادل توان بین سامانه های قدرت مختلف، موازنه تولید و مصرف در سامانه، توان های انتقالی، محاسبه توان های راکتیو مورد نیاز سیستم و دیگر مشخصههایی که میتوان با استفاده از محاسبه جریان و ولتاژ در بخشهای مختلف سامانه بررسی کرد. در محاسبات پخش بار معمولاً از روش ولتاژ گره که در بسیاری از تجزیه و تحلیل های سیستم قدرت مناسبترین روش است استفاده میشود؛ استفاده از این روش به مجموعه ای از معادلات جبری مختلط برحسب جریان گره ها می انجامد که در صورت دانستن جریان ها می توان این معادلات را برای بدست آوردن ولتاژ گره ها حل کرد.
با توجه به اینکه در سیستم قدرتترجیحاً به جای جریان، توانها معلوم فرض می شوند، به معادلات حاصل که برحسب توان هستند، معادلات پخش توان می گویند. از آنجایی که این معادلات غیرخطیاند باید آنها را با روشهای عددی و مبتنی بر تکرار حل کرد. دو روش متداول برای حل این معادلات روشهای گوس سایدل و نیوتون رافسون هستند. مطالعات بخش بار استخوان بندی اصلی تجزیه و تحلیل و طراحی سیستم های قدرت هستند و انجام آنها برای بهرهبرداری و برنامهریزی زمان بندی اقتصادی بین شرکت های برق ضروری است. همچنین تجزیه و تحلیل پخش بار پیش زمینه مطالعات پایداری گذرا و و احتمال وقوع حوادث در شبکه است.
1-2 نیوتن رافسون
مشهورترین روش شناخته شده برای حل معادلات غیرخطی روش نیوتن رافسون میباشد. دراین روش با یک حدس اولیه شروع میکنیم، سپس سری تیلور را برای معادلات نوشته و از ترمهای درجه بالا صرف نظر میکنیم. نتیجه این کار تبدیل شدن سیستم غیرخطی به یک سیستم خطی بصورت زیر میباشد:
2-2 روشهای مستقیم
ساختار ساده و شعاعی شبکههای توزیع امکان استفاده از روشهای بسیار ساده را برای حل آنها خواهد داد. از جمله این روشها، روشه مستقیم می باشند . این روشها همانند یک مدار ساده الکتریکی به فیدرهای توزیع نگاه کرده و آنها را حل میکنند. اکثر آنها با کمک یک ماتریس امپدانس ساده مقدار افت ولتاژ شینهای شبکه نسبت به شین مرجع را محاسبه میکنند. در واقع ساختار اصلی معادلات در این روشها بصورت رابطه ساده قانون اهم - V=ZI - در خواهد آمد. در ولتاژ بارها برحسب جریانها و امپدانس مشترک جریانها بیان شده است.
با کمک دو ماتریس ولتاژ شین ها را بعنوان تابعی از جریان شاخهها، امپدانس خطوط و ولتاژ شین مرجع بیان شده است. از مزیتهای مهم این روش ها سادگی و کارایی بهتر آنها می باشد اگر چه تا بحال، جنبههای مختلف شبکههای توزیع با کمک این روشها مدلسازی نشده است. در یک بیان ساده برای این روشها می توان گفت که در آنها ابتدا مسیر جریان تزریقی شینها مشخص می شود و سپس یک ماتریس امپدانس مشترک بر اساس مسیر مشترک جریان های تزریقی تعریف می شود. آنگاه با کمک این ماتریس و تبدیل ولتاژ شین ها به امپدانس معادل میتوان ولتاژهای باسها را بروز کرد. بعضی روشها نیز با کمک این ماتریس امپدانس مشترک افت ولتاژ شینهای مختلف را محاسبه کردهاند.
