مقاله ترجمه شده کارایی بخشی همراه با متن انگلیسی

بخشی از مقاله

مقاله ترجمه شده کارایی بخشی همراه با متن انگلیسی

4.1 مقدمه
چون فعالیت های انسان از دوره های خاصی پیروی میکند، بیشتر سیستم های ارائه دهنده خدمات به افراد زیاد هم، دوره های مختلفی را تجربه می کنند. این موضوع شامل سیستم های حمل و نقل، سیستم های ارتباطی، و همچنین سیستم های نیروی برق (توان برقی) می باشد. در حالت سیستم نیروی برق، بار کلی بر روی سیستم معمولاً در حین روز و در هنگام اوایل شب بیشتر خواهد بود که بارهای صنعتی بیشتر هستند، چراغ ها روشن هستند، و غیره؛ و در حین اواخر شب و اوایل صبح کمتر خواهد بود چون بیشتر مردم خواب هستند. همچنین، استفاده از نیروی برق دارای یک دوره هفتگی است، و بار در روزهای معمول نسبت به روزهای آخرهفته کمتر خواهد بود. اما چرا این موضوع در عملیات سیستم نیروی برق یک مشکل محسوب می شود؟ چرا از واحدهای کافی برای تحت پوشش قرار دادن حداکثر بار سیستم استفاده نمی گردد و آنها بصورت فعال باقی گذاشته نمی شوند؟ توجه داشته باشید که برای استفاده از یک واحد تولیدی، باید آنرا روشن نگه داشت، یعنی اینکه واحد را به سرعت وا داشت، آنرا با سیستم همزمان کرد، و آنرا به آن متصل ساخت تا بتواند برق را به شبکه برساند. مشکل مربوط به واحدهای اجرایی کافی و روشن نگه داشتن آنها، بخاطر مسائل اقتصادی است. همانطور که در مثال 4A نشان خواهیم داد، راه اندازی واحدهای تولیدی زیاد، خیلی پرهزینه است. با خاموش کردن واحدهای تولیدی می توان صرفه جویی زیادی در مصرف پول کرد وقتی که آنها مورد نیاز نیستند.

4.1.1 گسیل اقتصادی در مقابل کارایی بخش
در این زمان، بهتر است بر تفاوت ضروری بین کارایی بخش و مشکل گسیل اقتصادی تأکید کنیم. در مشکل اقتصادی فرض میشود که واحد های وجود دارد که قبلاً به سیستم متصل شده اند. هدف مشکل اقتصادی اینست که راهکار عملیاتی بهینه ای برای این واحدهای پیدا کند. این مشکلی است که ما در این متن آنرا مورد بررسی قرار داده ایم.
مشکل کارایی بخش هم از طرف دیگر، پیچیده تر از مشکل قبلی است. ما می توانیم فرض کنیم که واحدهای داریم و اینکه پیش بینی میکنیم که آنها تقاضاها را برآورده میکنند. سوالی که در حیطه مشکل کارایی بخش پرسیده می شود تقریباً بصورت زیر می باشد.
با فرض اینکه تعدادی زیرمجموعه از مجموعه کامل واحدهای تولیدی وجود دارد که تقاضاهای مورد نیاز را برآورده می کنند، از کدام یک از این زیرمجموعه ها باید برای تأمین هزینه های علمیاتی استفاده کرد؟
این مشکل کارایی بخش را میتوان در دوره خاصی از زمان توسعه داد، مثلاً 24 ساعت یک روز یا 168 ساعت یک هفته. حل مشکل کارایی بخش خیلی سخت تر است. راهکارهای ممکن نیازمند حل کردن مشکل گسیل اقتصادی هم بعنوان یک مشکل فرعی هستند. بعبارت دیگر، برای هر یک از زیرمجموعه های تعداد کلی واحدهایی که باید تست شوند، برای هر سری موجود از آنها که به بار متصل هستند، زیرمجموعه خاصی باید به شیوه اقتصاد بهینه اجرا گردد. اینکار اجازه پیدا کردن حداقل هزینه های عملیاتی برای آن زیرمجموعه را به ما میدهد، اما مشخص نمی کند که در حقیقت کدام زیرمجموعه ها حداقل هزینه ها را در دوره زمانی مشخصی تعیین می کنند.

در فصل بعدی مشکل کارایی بخش را به تفصیل مورد بررسی قرار می دهیم. حل کردن این مشکل از لحاظ محاسباتی خیلی سخت تر است چون نیازمند متغیرهای اعداد صحیح است. یعنی اینکه، همه واحدهای تولیدی یا باید روشن باشند، و یا همه آنها باید خاموش باشند. (شما چطور می توانید یک کلید را نیمه روشن نگه دارید؟)
مثال 4A: فرض کنید سه واحد بیان شده در اینجا را داریم:

و هزینه های سوخت:

اگر ما قرار باشد که یک بار را تأمین کنیم، باید از کدام واحد یا کدام ترکیب واحدها برای تأمین این بار به بهترین شیوه اقتصادی استفاده کنیم؟ برای حل این مشکل، همه ترکیبات سه واحد را امتحان کنید. بعضی از ترکیبات عملی نخواهد بود اگر مجموع حداکثر مقدار MW برای واحدهای اجرایی کمتر از بار باشد یا اگر مجموع همه حداقل مقدار MW برای واحدهای اجرایی بیشتر از بار باشد. برای هر ترکیب عملی، واحدها با استفاده از تکنیک های فصل 3 آماده می گردند. نتایج در جدول 4.1 معرفی شده است.
توجه داشته باشید که کم هزینه ترین راه برای تأمین تولید، روشن بودن همزمان همه واحد ها، یا حتی هر ترکیبی که نیازمند روشن بودن دو واحد بطور همزمان باشد نیست. بلکه، کارایی بهینه فقط با روشن بودن واحد 1 خواهد بود که اقتصادی ترین واحد است. فقط با روشن نگه داشتن اقتصادی ترین واحد، بار را میتوان تأمین کرد و آنرا باید به آن واحد اجرایی نزدیک تر کنیم تا بهترین تأثیر و کارایی را داشته باشد. اگر یک واحد دیگر هم روشن گردد، هم واحد 1 و هم واحد دیگر، دارای بار بیشتر نسبت به بهترین کارایی خود خواهند بود بطوریکه هزینه خالص بیشتر از روشن بودن واحد 1 به تنهایی خواهد بود.
فرض کنید که بار از الگوی ساده "قله-دره" پیروی میکند، همانطور که در شکل 4.1 نشان داده شده است. اگر عملیات سیستم قرار باشد که بهینه سازی گردد، واحدها باید خاموش شوند وقتی که بار کم می شود، و وقتی که بار برمی گردد دوباره روشن شوند. ما میخواهیم بدانیم که کدام واحد ها باید خاموش شوند و چه موقع باید خاموش شوند. همانطور که بعداً هم خواهیم دید، این مشکل خیلی سخت خواهد بود وقتی که با واحدهای تولیدی واقعی سر و کار داشته باشیم. یک راه چاره برای حل این مشکل در مثال 4B نشان داده شده است، که یک طرح لیست اولویت ها ایجاد شده است.
مثال 4B: فرض کنید که ما میخواهیم بدانیم که کدام واحدهای بعنوان تابعی از بار سیستم باید خاموش شوند. فرض میکنیم که واحدها و هزینه های سوخت مانند مثال 4A است، و بار هم از قله 1200 MW تا دره 500 MW متغیر است. برای بدست آوردن یک قانون برای خاموش کردن، از تکنیک غیرفعال بودن-نیرو استفاده کنید که در آن، همه ترکیبات واحدها برای هر مقدار بار در مراحل 50 MW از 1200 تا 500 امتحان خواهند شد (مانند مثال 4A). نتایج اعمال این تکنیک غیرفعال بودن-نیرو در جدول 4.2 نشان داده شده است. قانون خاموش کردن ما کاملاً ساده است.

وقتی که بار بیشتر از 1000 MW است، هر سه واحد را روشن کنید؛ بین 1000 و 600 MW، واحدهای 1 و 2 را روشن کنید؛ کمتر از 600 MW، فقط واحد 1 را روشن کنید.
شکل 4.2 طرح کارایی واحد برگرفته شده از این قانون خاموش کردن را نشان میدهد همانطور که در منحنی بار شکل 4.1 اعمال شد.
تاکنون، ما فقط از یک محدودیت ساده استفاده کرده ایم: واحدهای کافی روشن خواهند شد تا بار تأمین گردد. اگر این مانند تمام مسائلی بود که در مشکل کارایی واحد وجود داشت – یعنی، فقط برآورده کردن بار – ما می توانستیم در همین جا توقف کنیم و بگوییم که مشکل حل شده است. متأسفانه، محدودیت ها و پدیده های دیگری را باید مورد توجه قرار دهیم تا به یک راه حل بهینه برسیم. این محدودیت ها در بخش بعدی مورد بحث قرار خواهند گرفت، و پس از آن توضیحی از بعضی از روشهای راهکاری مورد استفاده در حال حاضر ارائه می گردد.

4.1.2 محدودیت ها در کارایی بخش
محدودیت های زیادی را می توان برای مشکل کارایی بخش قرار داد. لیست معرفی شده در اینجا اصلاً جامع و فراگیر نیست. هر سیستم نیروی واحد، انبار برق، هیئت قابلیت اطمینان، و غیره ممکن است قوانین مختلفی را برای برنامه ریزی واحدها تعیین کنند، که بستگی به جبران تولید، خصوصیات منحنی بار، و مسائلی از قبیل دارد.
4.1.3 گردش ذخیره
گردش ذخیره اصطلاح مورد استفاده برای توصیف مقدار کلی تولید موجود از همه واحدهای همزمان (یا، گردش) در سیستم، منهای بار حاضر و از کار افتادگی های ایجاد شده می باشد. گردش ذخیره باید انجام شود بطوریکه از کار افتادگی یک یا چند واحد سبب افت زیاد در تکرار سیستم نگردد (نگاه کنید به فصل 10). اگر یک واحد از کار بیفتد، باید ذخیره زیادی در واحدهای دیگر وجود داشته باشد تا از کار افتادگی را در دوره زمانی خاصی جبران کنند.
گردش ذخیره اختصاص داده شده باید از قوانین معینی پیروی کند، که معمولاً توسط هیئت های قابلیت اطمینان (در ایالات متحده) تعیین میگردد که (مشخص شود که چطور) ذخیره را به واحدهای مختلف باید اختصاص داد. قوانین معمول مشخص میکنند که ذخیره باید درصد مشخصی از اوج تقاضای پیش بینی شده باشد، یا اینکه ذخیره باید قابلیت جبران از کار افتادگی پر بارترین واحد را در دوره مشخصی از زمان داشته باشد. بعضی ها هم شرایط مورد نیاز ذخیره را بصورت احتمال نداشتن تولید کافی برای تأمین بار محاسبه میکنند.
ذخیره نه تنها باید برای جبران ازافتادگی واحد تولیدی کافی باشد، بلکه ذخیره ها باید در بین واحدهای دارای سرعت واکنش بالا و واحدهای دارای سرعت واکنش پایین توزیع گردند. اینکار به سیستم کنترل تولید اتوماتیک (نگاه کنید به فصل 10) اجازه می دهد تا تکرار و تبادل را بسرعت در صورت رخ دادن قطع شدن یک واحد تولیدی بازیابی کند.

علاوه بر گردش ذخیره، مشکل کارایی بخش باید همچنین طبقات مختلف ذخایر برنامه ریزی شده یا ذخایر خاموش را در نظر بگیرد. این مسائل شامل واحدهای دیزلی با سرعت شروع بالا یا واحدهای گاز-توربین و همچنین بیشتر واحدهای هیدرو و واحدهای هیدروی پمپاژ-ذخیره هستند که می توانند آنها را روشن نگه داشت، با هم همزمان کرد، و سریعاً آنها را به ظرفیت کامل خود رساند. همینطور، این واحدها را می توا در ارزیابی ذخیره کلی حساب کرد، تا زمانیکه زمان آنها برای رسیدن به ظرفیت کامل مد نظر قرار داده شود.
و سرانجام اینکه، ذخایر را باید در اطراف سیستم برق منتشر کرد تا از محدودیت های انتقال جلوگیری شود (اغلب با نام نخ شدگی ذخایر) و به قسمت های مختلف سیستم اجازه داد تا بعنوان بخش های جداگانه عمل کنند و از لحاظ الکتریکی به هم متصل باشند.

مثال 4C: یک سیستم تشکیل شده از دو ناحیه مجزا را فرض کنید: یک ناحیه غربی و یک ناحیه شرقی. 5 واحد، همانطور که در شکل 4.3 نشان داده شده است، روشن شده اند تا 3090 MW را تأمین کنند. این دو ناحیه توسط خطوط بسته انتقال از هم جدا شده اند که با هم می توانند حداکثر 550 MW را در هر یک از مسیرها انتقال دهند. این هم در شکل 4.3 نشان داده شده است. ما درباره اختصاص گردش ذخیره در این سیستم چه چیزی می توانیم بگوییم؟
داده های سیستم در شکل 4.3 در جدول 4.3 ارائه شده است. به استثنای واحد 4، از کار افتادگی هر واحد دیگری در این سیستم را می توان توسط گردش ذخیره در واحدهای باقیمانده جبران کرد. البته واحد 4 هم مشکلی را برای ما ایجاد میکند. اگر واحد 4 از کار بیفتد و واحد 5 هم با حداکثر توان خود به اندازه کار کند، ناحیه شرقی هنوز هم به برای جبران بار در آن ناحیه نیاز خواهد داشت. این باید در خطوط بسته از ناحیه غربی انتقال داده شود، که به آسانی می تواند را از ذخایر خود تأمین کند. البته، ظرفیت بسته فقط به اندازه انتقال را محدود می سازد. بنابراین، از کار افتادگی واحد 4 را نمی توان جبران کرد حتی اگر کل سیستم دارای ذخایر وسیع باشد. تنها راه حل برای این مشکل اینست که واحدهای بیشتری را اختصاص دهیم تا در ناحیه شرقی روشن باشند.

4.1.4 محدودیت های واحد گرمایی
واحدهای گرمایی معمولاً نیازمند خدمه ای هستند که بر روی آنها کار کند، خصوصاً وقتی که خاموش و روشن می شوند. یک واحد گرمایی می تواند فقط تغییرات دمایی تدریجی را تحمل کند، و این هم به معنای یک دوره زمانی چند ساعته برای روشن شدن واحد می باشد. در نتیجه این محدودیت ها در عملکرد یک دستگاه گرمایی، محدودیت های مختلفی بوجود می آیند، مانند:
- حداقل کار زمان: وقتی که واحد روشن است، نباید فوراً خاموش شود.
- حداقل مدت از کار افتادگی: وقتی که واحد خاموش است، حداقل مقدار زمانی برای آن وجود دارد قبل از اینکه دوباره روشن شود.
- محدودیت خدمه: اگر یک دستگاه متشکل از دو یا چند واحد باشد، هر دو واحد را نمی توان بصورت همزمان روشن کرد چون اعضای خدمه کافی وجود ن

دارد که در هنگام آغاز به کار دستگاه در کنار هر دو واحد باشند.
همچنین، چون دما و فشار واحد گرمایی باید به آرامی تغییر داده شود، مقدار معینی از انرژی را باید افزایش داد تا واحد همیشه روشن باشد. این انرژی منجر به هیچگونه تولید MW از واحد نمی شود و با نام هزینه های آغاز به کار، در مشکل کارایی واحد عنوان می گردد.
هزینه های آغاز به کار ممکن است از مقدار آغاز-سرد تا مقدار خیلی کوچک تری متغیر باشد اگر واحد خیلی وقت نباشد که خاموش شده است و هنوز هم به دمای اجرایی نزدیک است. اینها دو راهکار برای رفتار واحد گرمایی در حین دوره خاموش بودن آن هستند. راهکار اول باعث میشود که دیگ بخار واحد سرد شود و سپس در زما

ن برنامه ریزی شده برای روشن کردن واحد، دوباره به دمای بالای مورد نظر رسانده شود. راهکار دوم نیازمند اینست که انرژی کافی به دیگ بخار وارد شود تا همیشه آنرا در دمای آغاز به کار نگه دارد. هزینه های این دو راهکار را میتوان با هم مقایسه کرد، بطوریکه در صورت امکان بهترین انتخاب انتخاب گردد.
هزینه آ؛از به کار در هنگام سرد کردن دستگاه
که
= هزینه آغاز به کار
= هزینه سوخت
= هزینه های ثابت (از جمله مخارج جدید، هزینه های تعمیر و نگهداری) (در واحد دلار)
= ثابت زمان گرمایی برای واحد
= زمانی (ساعت) که واحد سرد می شود
هزینه آغاز به کار در راهکار ثابت نگه داشتن دما
که
= هزینه نگه داشتن واحد در دمای آغاز به کار
تا تعداد ساعات معینی، هزینه ثابت نگه داشتن دمای دستگاه کمتر از هزینه سرد کردن آن می باشد، همانطور که در شکل 4.4 هم نشان داده شده است.
و سرانجام، محدودیت های ظرفیتی واحدهای گرمایی ممکن است بعلت نگهداری یا خاموش شدن برنامه ریزی نشده (غیرمترقبه) تجهیزات مختلف در دستگاه پیوسته تغییر کنند؛ این مسئله را در کارایی واحد هم می توان مد نظر قرار داد.

4.1.5 محدودیت های دیگر
4.1.5.1 التزام اجرایی. بعضی از واحدها در حین زمان های معینی از سال بدلیل پشتیبانی ولتاژ در شبکه انتقال یا به منظور اهداف تأمین جریان برای استفاده های خارج از خود دستگاه جریان، در حالت التزام اجرایی قرار داده می شوند.
4.1.5.2 محدودیت های سوخت. ما در فصل 5 بطور خلاصه به مشکل برنامه ریزی سوخت می پردازیم. سیستمی که در آن، بعضی از واحدها دارای سوخت محدود، و یا دارای محدودیت های دیگری هستند که نیازمند اینست که مقدار مشخصی از سوخت را در زمان معینی مصرف کنند، که مهمترین مشکل کارایی بخش را برای ما بوجود می آورد.
4.1.5.3 محدودیت های هیدرو (آب). کارایی بخش را نمی توان بطور کامل از برنامه ریزی واحدهای هیدرو جدا کرد. در این فصل، ما فرض میکنیم که مشکل برنامه ریزی گرمابی (هیدروترمال) را میتوان از مشکل کارایی بخش جدا کرد. البته ما نمی توانیم بگوییم که راه چاره ما به این شیوه همیشه منجر به یک راه حل بهینه خواهد شد.
4.2 روشهای راه حل کارایی بخش
مشکل کارایی ممکن است خیلی سخت باشد. بعنوان یک راهکار تئوری، موقعیت زیر را فرض میکنیم.

- ما باید الگوی بار را برای دوره های M طراحی کنیم.
- ما واحدهای برای اجرا و ارسال داریم.
- سطوح بار M و محدودیت های عملیاتی در واحدهای به گونه ای هستند که هر یک از واحدها می توانند بارهای منفرد را تأمین کنند و هر ترکیبی از واحدها هم می توانند بارها را تأمین کنند.
سپس فرض کنید که ما میخواهیم اجرا را توسط برشمارش (نیروی بدون آگاهی) انجام دهیم. تعداد کلی ترکیب هایی را که ما باید در هر ساعت امتحان کنیم بشرح زیر می باشد

که ترکیب آیتم های با فرض j در زمان هستند. یعنی اینکه،

برای دوره کلی فواصل M، حداکثر تعداد ترکیب های ممکن خواهد بود، که میتواند به عددی خیلی زیادی برسد که به فکرتان هم نمی رسد.
برای مثال، یک دوره 24 ساعته را در نظر بگیرید (مثلاً، 24 فاصله یک ساعته) و سیستم را با 5، 10، 20، و 40 واحد فرض کنید. مقدار بصورت زیر خواهد بود.

این اعداد خیلی بزرگ محدوده های بالایی برای عدد برشمارش مورد نیاز هستند. خوشبختانه، محدودیت ها در واحد ها و روابط بار-ظرفیت سیستم های کاربردی معمول طوری هستند که ما به این اعداد بزرگ نزدیک نمی شویم. با این وجود، مانع عملی واقعی در مشکل کارای بخش بهینه، بعدیت بالای فضای راه حل ممکن است.
معمول ترین راهکارها برای حل کردن مشکل کارایی بخش بشرح زیر می باشد:
- طرح های لیست اولویت
- برنامه ریزی دینامیک (DP)
- تمدد لاگرانژ (LR)
- برنامه ریزی خطی عدد صحیح ترکیبی (MILP)
4.2.1 روشهای لیست اولویت
ساده ترین روش راه حل کارایی بخش از تهیه کردن یک لیست اولویت واحدها تشکیل شده است. همانطور که در مثال 4B مشاهده کردیم، یک قانون خاموش کردن ساده یا طرح لیست اولویت را میتوان پس از برشمارش جامع همه ترکیبات واحدها در هر سطح بار بدست آورد. لیست اولویت مثال 4B را میتوان به شیوه خیلی ساده تری با توجه به هزینه تولید میانگین بار کامل هر واحد بدست آورد، که هزینه تولید میانگین بار کامل، همان میزان گرمای خالص در بار کامل ضرب در هزینه سوخت می باشد.
مثال 4D: یک لیستو اولویت برای واحدهای مثال 4A تهیه کنید (از همان هزینه های سوخت مثال 4A استفاده کنید). ابت

دا، هزینه تولید میانگین بار کامل محاسبه خواهد شد:

ترتیب اولویت بندی دقیقی برای این واحدها، بر اساس هزینه تولید میانگین، آنها را بشکل زیر ترتیب بندی خواهد کرد:

و طرح اجرایی (بدون در نظر گفرتن زمان روشن کردن/خاموش کردن، هزینه های آغاز به کار، و غیره) هم فقط از ترکیبات زیر استفاده خواهد کرد.

توجه داشته باشید که چنین طرحی بطور کامل با توالی خاموش کردن که در مثال 4B توصیف شده است موازی نخواهد بود، که واحد 2 در 600 MW خاموش شد و واحد 1 را رها کرد. با طرح لیست اولویت، هر دو واحد روشن نگه داشته می شوند تا اینکه بار به 400 MW میرسد، سپس واحد 1 خاموش می گردد.
بیشتر طرح های لیست اولویت بر اساس الگوریتم ساده ای خاموش می شوند که می تواند بشکل زیر عمل کند:
- در هر ساعت وقتی که بار افت پیدا میکند، تعیین کن که آیا افت واحد بعدی در لیست اولویت، تولید کافی برای تأمین بار به اضافه شرایط مورد نیاز گردش ذخیره خواهد داشت. اگرنه، عملیات را به این صورت ادامه بدهید؛ اگر بله، به مرحله بعدی برو.
- تعداد ساعت ها را تعیین کن، H، قبل از اینکه واحد دوباره مورد نیاز باشد، یعنی اینکه، با فرض اینکه بار افت پیدا میکند و سپس چند ساعت بعد باز میگردد.
- اگر H کمتر از حداقل زمان خاموش کردن برای واحد باشد، اجرای واحد را به همان شکل ادامه بده و به مرحله آخر برو؛ اگر نه، به مرحله بعدی برو.
- دو هزینه را حساب کن. هزینه اول مجموع هزینه های تولید ساعتی برای ساعات H بعدی در هنگام روشن بودن واحد است. سپس همان مجموع را برای واحدخاموش حساب کن و آنرا به هزینه آغاز به کار برای سرد کردن یا ثابت نگه داشتن دمای واحد (آماده بودن برای روشن شدن ب

عدی) اضافه کن، هر کدام که کم هزینه تر باشد. اگر صرفه جویی کافی از خاموش کردن واحد بوجود می آید، واحد باید خاموش گردد؛ در غیر اینصورت، آنرا روشن نگه دار.
- کل این روند را برای واحد بعدی در لیست اولویت تکرار کن. اگر آن واحد هم دارای افت است، به واحد بعدی برو، و به همین منوال.
بهبودهای زیادی را می توان بوسیله گروه بندی کردن واحدها برای طرح لیست اولویت انجام داد، تا اطمینان حاصل شود که شرایط لازم برای محدودیت های مختلف وجود دارد. ما بعداً بیان میکنیم که روشهای DP معمولاً همان نوه لیست اولویت را برای استفاده در تحقیقات DP تهیه میکند.
4.2.2 راه حل تمدد لاگرانژ
روش DP راه حل مشکل کارایی بخش معایب زیادی برای سیستم های دارای قدرت بالا و واحدهای تولیدی زیاد دارد. این بخاطر ضرورت ...