بخشی از مقاله
چكيده-
در اين مطالعه تخصيص بهينه خازنهاي ثابت و قابل سوئيچ بهصورت همزمان در دو حالت بهرهبرداري متصل به شبكه و جزيرهاي براي ريزشبكه با درنظر گرفتن سطوح مختلف بار - كمباري، پرباري و ميانباري - انجام شد. تابع هدف شامل كمينهسازي هزينه تلفات انرژي، هزينه پيك تلفات توان و هزينههاي بكارگيري خازن ميباشد. الگوريتم آموزش - يادگيري اصلاح شده روي شبكههاي توزيع ٩ و ٢٤ باسه شعاعي پياده سازي شد .
در شبكه ٩ باسه كه هيچ منبع توليد پراكنده و ميكروگريدي در آن وجود ندارد تنها خازنگذاري انجام گرفت و شبكه ٢٤ باسه كه قسمتي از آن ميكروگريد ميباشد در حالت داراي قابليت توليد توان راكتيو بررسي شد. بر اساس نتايج حاصل از شبيهسازي در شبكه ٩ باسه، مقدار تلفات پس از خازنگذاري و در پي آن هزينه تلفات كاهش يافت . در شبكه ٢٤ باسه نيز ميزان تلفات و همچنين هزينههاي ناشي از آن پس از خازنگذاري كاهش يافت. همچنين با اندك هزينه خازنگذاري، مقدار صرفهجويي سالانه قابل ملاحظهاي بدست آمد. مقدار حداقل ولتاژ شبكه در بارگذاريهاي مختلف نيز در هر دو مد متصل به شبكه و جزيرهاي بهبود يافت.
١- مقدمه
امروزه افزايش تقاضا و بار به توسعه سيستمهاي توزيع منجر شده است. اين سيستمها معمولا شامل فيدرهايي است كه به صورت شعاعي پيكربندي ميشوند ]١.[ شبكههاي توزيع با افت قابل توجه ولتاژ روبرو ميشوند كه ميتواند باعث تلفات اساسي توان در طول فيدرها شود. بخشي از اين تلفات از جريان راكتيو در شبكه ناشي ميشود
منابع توليد پراكنده باعث كاهش تلفات شبكه، بهبود عملكرد، افزايش قابليت اطمينان، و به تعويق انداختن سرمايهگذاريها ميشوند ]١.[ توليد پراكنده - - DG ١ اصطلاح مورد استفاده براي توصيف توليد برق در سطح كوچك، معمولا در اندازههاي مختلف از چند kW تا MW واقع در يك ميكروگريد نزديك به بارها ميباشد
بانكهاي خازن نوعي منابع توليد پراكنده و توان راكتيو هستند كه معمولا در سيستمهاي قدرت استفاده ميشوند. اين خازنها ميتوانند ثابت يا متغير باشند. خازنهاي متغير هنگامي كه سطح بار شبكه افزاش مييابد به سيستم قدرت سوئيچ ميشوند
جايابي بهينه خازن ميتواند توان راكتيو مورد نياز را بهطور محلي به شبكه تزريق كند و بنابراين باعث كاهش تلفات كل برق، كاهش تلفات انرژي، بهبود مشخصات ولتاژ، و ... گردد. مسئله استقرار بهينه خازن بهعنوان فرايند يافتن تعداد بهينه خازنها، مكانهاي بهينه، و اندازههاي مناسب توصيف ميشود بهطوريكه همه مزايا حاصل شود و همه محدوديتهاي امنيتي برآورده گردد ]٥.[ جايابي نامناسب خازن به كاهش مزاياي سيستم و حتي به مخاطره انداختن كنترل عملكرد كل سيستم منجر خواهد شد
در مطالعات گذشته تكنيكهاي هوشمند مختلفي بهطور گسترده براي حل مسائل بهينهسازي مورد استفاده قرار گرفتهاند. در ]٧[، مكانيابي منابع توليد پراكنده و خازن در شبكه توزيع با استفاده از تركيب الگوريتمهاي رقابتي استعماري - ICA - ٢ و الگوريتم ژنتيك - - GA٣ با هدف كاهش تلفات، بهبود پروفيل ولتاژ، افزايش شاخص پايداري ولتاژ و متعادلسازي بار صورت گرفته است. تخصيص بهينه خازن در شبكههاي توزيع با هدف كمينهسازي هزينههاي سرمايهگذاري و تلفات انرژي با استفاده از الگوريتم جستجوي ممنوعه - - TS٤ در ]٨[ انجام گرفته است.
با توجه به اهميت مسئله خازنگذاري و كاهش هزينههاي سيستم توزيع، هدف از اين مطالعه، تخصيص بهينهي خازنهاي ثابت و قابل سوئيچ، در هر دو حالت بهرهبرداري متصل به شبكه و جزيرهاي - براي ريزشبكه - با در نظر گرفتن سطوح مختلف بار، بهمنظور كاهش تلفات انرژي و كاهش پيك تلفات توان، آزادسازي ظرفيت شاخهها، و حفظ سطح ولتاژ سيستم با در نظر گرفتن صرفهجويي و مديريت هزينهها ميباشد.
٢- فرمولاسيون مسئله
بهره برداري از منابع توليد پراكنده داراي دو حالت است: در حالت اول بهرهبرداري DG در وضعيت فاكتور توان ثابت است و مولد تنها قادر به توليد توان اكتيو ميباشد. در حالت دوم DG قادربه توليد توان راكتيو مورد نياز براي كنترل ولتاژ نهايي است. در اين مطالعه، حالت دوم مورد بررسي قرار گرفت. همچنين تغييرات بار در سه سطح كمباري، ميانباري و پرباري بررسي شدند.
٢-١- تابع هدف
تابع هدف مورد نظر در اين پروژه هزينه است كه داراي سه بخش هزينه تلفات انرژي، هزينه تلفات در شرايط پرباري، و هزينه نصب، تعمير و نگهداري خازن ميباشد. اين تابع هدف را ميتوان بهصورت رابطه - ١ - نشان داد ]٤:[
هزينه تلفات انرژي شامل كل انرژي تلفاتي روزانه در هر سه سطح بار و در دو عملكرد شبكه، يعني متصل به شبكه و جزيرهاي - منفصل از شبكه - ميباشد كه بهصورت زير نمايش داده ميشود
NGC كه در آن C e هزينه انرژي - $/kWh - ، M تعداد سطوح بار، و NIS تعداد باسها در شرايط متصل به شبكه ميكروگريد و جزيرهاي، و تلفات خط iام در سطح بار jام در حالت متصل به شبكه و جزيرهاي - - kW ، ∆T j دوره زماني راهاندازي شبكه در سطح بار j در طول يك سال - ساعت - ، و Pi,j احتمال عمكلرد در شرايط منفصل از شبكه در سطح بار j ميباشد.
بخش دوم تابع هدف هزينه تلفات در شرايط بار پيك ميباشد. در شرايط پيك، ظرفيت خطوط نزديك به مقدار بيشينه آنها بوده و بسياري از تجهيزات در حداكثر ظرفيت مجاز خود كار ميكنند. از اينرو كاهش تلفات پيك ميتواند بسيار مفيد بوده و باعث خالي شدن قسمتي از ظرفيت تجهيزات شده و طول عمر آنها را افزايش دهد. هزينه سالانه انرژي در پيك بار - $/kWh-year - ، بهصورت زير تعريف شده است
در اين پژوهش هم خازنهاي ثابت و هم سوئيچشونده استفاده ميشوند. اين دو نوع خازن شامل دو بخش هزينه هستند كه عبارتند از هزينه نصب و خريد، و هزينه تعمير و نگهداري. هزينه كل خازنها بهصورت زير فرموله ميشود
كه در آن Mf و Ms تعداد خازنهاي ثابت و سوئيچشونده، Cif و Cis هزينه خريد و نصب خازنهاي ثابت و سوئيچ شونده - $ - ، C vf و Cvs هزينه سالانه تعمير و نگهداري خازنهاي ثابت و سوئيچشونده - - $/kVAR-year، و ميزان توان راكتيو خازنهاي ثابت و سوئيچشونده نصب شده روي باس iام - kVAR - ميباشند.
٢-٢- قيود مسئله
در روند قرارگيري خازن در شبكه بايد قيود فني و مالي رعايت شوند. مهمترين قيود موجود در اين مسئله عبارتند از دامنه ولتاژ باسها، توان عبوري از خطوط، ميزان توان راكتيو نصب شده در شبكه و ميزان نصب خازن با توجه به بودجه موجود كه اين چهار قيد در زير عنوان شدهاند
كه در آن Vi، Vi,min، و Vi,max بهترتيب مقدار ولتاژ باس i و حداقل و حداكثر ولتاژ مجاز، Ii و Ii,max جريان عبوري از خط و حداكثر جريان مجاز خط، ، و ميزان توان راكتيو خازنهاي نصب شده و مصرفي در باس i و سطح بار j ، N تعداد باسها، k بيانگر درصد مجاز توان راكتيو نصب شده، Ccapacitor هزينه خازنگذاري و B كل بودجه موجود ميباشد .
٣- روش بهينه سازي
در اين مطالعه حل مسئله بهينهسازي با استفاده از الگوريتم بهينهسازي آموزش-يادگيري اصلاح شده - MTLBO - ٥ انجام شد. الگوريتم آموزش – يادگيري - TLBO - كه اولين بار توسط رآو و همكارانش در سال ٢٠١١ معرفي شد ] ٩[، يك روش بهينهسازي هوشمند است كه بر پايه تاثيرگذاري معلم بر دانشآموزان براي افزايش سطح علمي كلاس بنا شده است. فلوچارت اين الگوريتم در شكل ١ آمده است.
اين روش به دو فاز تقسيمبندي ميشود، فاز معلم و فاز دانشآموز. گروهي از شاگردان بهعنوان جمعيت در نظر گرفته ميشوند و دروس مختلفي به شاگردان پيشنهاد ميشود كه بهعنوان متغيرهاي تصميمگيري در مسئله بهينهسازي در نظر گرفته ميشوند و نمرات دانشآموز در دروس مختلف با مقادير هدف مقايسه ميشود. بهترين جواب در كل جمعيت بهعنوان معلم انتخاب ميشود . متغيرهاي تصميمگيري در واقع پارامترهايي هستند كه توابع هدف بهينهسازي برحسب آنها تعريف شدهاند و بهترين نتيجه همان بهترين مقدار براي تابع هدف است.
شكل ١: فلوچارت الگوريتم ] TLBO٩[
مراحل پيادهسازي الگوريتم پيشنهادي بهصورت زير است:
١ - مقداردهي پارامترهاي بهينهسازي نظير اندازه جمعيت، تعداد نسل، تعداد متغيرها - كل باسهاي شبكه - و محدوديتهاي متغيرها - حد بالا و پايين ولتاژ - ؛
- ٢ ماتريس جمعيت اوليه توليد ميشود. هر سطر بيانگر يك عضو از جمعيت بوده و هر ستون به معني شماره باسي است كه خازن در آن نصب ميگردد .
٣ - محاسبه تابع هدف به ازاي هر عضو از مرحله دوم.
٤ - فاز معلم اجرا ميشود و طي آن جمعيت براي دستيابي به موقعيت بعدي با استفاده از متغير پيوسته اصلاح ميگردد.
- ٥ گرد شدن تمامي اعضا جهت انتقال به فضاي جستجوي گسسته به نزديكترين عدد صحيح و محاسبه مجدد تابع هدف براي تمامي اعضا.
