بخشی از مقاله
خلاصه
واحد اندازهگیر فازور ، ازجمله ادواتی است که نقش مهمی در حفظ امنیت و پایداری شبکه دارد، بهطوریکه بهرهبردار شبکه به کمک آن میتواند تصمیمات لازم احتمالی را جهت حفظ عملکرد مناسب سیستم قدرت اتخاذ نماید. در این مقاله مسئله مکانیابی واحدهای اندازهگیر فازوری با اهدافی همچون افزایش تعداد دفعات مشاهده پذیری شینها و کاهش تعداد واحدهای اندازهگیری موردنیاز جهت رؤیت پذیری کامل شبکه بررسی شده است.
برای این منظور، مسئله مکانیابی واحد اندازهگیر فازوری در قالب یک مسئله بهینهسازی با استفاده از الگوریتم کلونی زنبورعسل بررسیشده است. درنهایت نتایج بهینهسازی بر روی شبکههای 24 و 30 باسه IEEE بررسی و با سایر روشها مقایسه شده است.
کلمات کلیدی: : الگوریتم زنبورعسل، رؤیت پذیری سیستمهای قدرت، مکانیابی بهینه، واحد اندازهگیر فازور.
مقدمه
در چند سال اخیر به دلیل رشد روزافزون بار، و طرح مسئله تجدید ساختار در صنعت برق، پیچیدگی و تراکم بار شبکه افزایشیافته و این امر منجر به کاهش حاشیه پایداری در شبکههای قدرت گردیده است. در چنین شرایطی تخمین حالت دقیق آنها و درنتیجه اطمینان از عملکرد پایدار و مناسب شبکه، اهمیت بسیاری دارد. تاکنون برای تخمین حالت سیستمهای قدرت از سیستم حفاظتی SCADA استفادهشده است. ازجمله ضعفهای آن نرخ نمونهبرداری پایین و همزمان نبودن جمعآوری دادهها میباشد، که بهجای آن امروزه از سیستم حفاظتی استفاده میشود که بخش اصلی آن را واحدهای اندازهگیر فازوری، تشکیل میدهد.
پیشرفت سریع سیستمهای مخابراتی در جهان و ابداع روش اندازهگیری فازوری سنکرون به کمک PMU و با استفاده از سیگنال همزمانی GPS تحول عظیمی در پایش و کنترل شبکههای گسترده و به همپیوسته قدرت ایجادکرده است. واحد اندازهگیری فازوری، یک دستگاه اندازهگیری است که فازور ولتاژ شین و جریان خطوط متصل به آن شین را اندازهگیری مینماید. با توجه به معین بودن فازور ولتاژ و جریان در تمام شینها و خطوط، شرط لازم و کافی برای رؤیت پذیری کامل شبکه است، لذا نصب تعداد کافی واحد فازوری، تخمین حالت کامل شبکه را تضمین مینماید. با توجه به هزینه بالای واحدهای فازوری، تعیین مکان و تعداد بهینه این واحدها بهمنظورمشاهدهپذیری کامل شبکه، ازجمله مواردی است که باید مدنظر طراحان سیستم قدرت قرار گیرد.
با توجه به اهمیت مسئله مکانیابی واحدهای اندازهگیری فازور، تاکنون پژوهشهای مختلفی در این زمینه انجام شده است .در این پژوهشها با ارائه روشهای جدید و یا اعمال الگوریتمهای بهینهسازی تکاملی سعی در بهبود پاسخها داشتهاند، ازجمله استفاده از الگوریتم ژنتیک، الگوریتم مهاجرت پرندگان ، الگوریتم برنامهریزی اعداد صحیح ، الگوریتم تبرید فلزات ، نمونههای تحقیقات انجامشده در این زمینه میباشد. همچنین در برخی مطالعات جایابی بهینه با اهداف خاصی دنبال شده است.
بهطوریکه در مرجع رؤیت پذیری سیستمهای قدرت ازنظر احتمالاتی بررسیشده و یک شاخص به نام رؤیت پذیری احتمالی جهت رؤیت پذیری سیستم پیشنهادشده است. همچنین شاخص ذکرشده بهعنوان معیار جایابی بهینه واحد اندازهگیر فازور استفاده شده است. در دو شاخص احتمالاتی - احتمال رؤیت ناپذیری و ریسک رؤیت ناپذیری - برای جایابی بهینه PMU، جهت افزایش قابلیت اطمینان شبکه پیشنهادشده است. در تعامل بین هزینه نصب PMU و هزینه ریسک - قابلیت اطمینان - بررسیشده است. در ارزش ریالی قابلیت اطمینان شبکه در مکانیابی واحدهای فازوری بررسیشده است. همچنین در برخی دیگر از مطالعات، جایابی بهینه واحدهای اندازهگیر فازوری با در نظر گرفتن خروج خطوط یا PMUها بررسیشده است.
در این مقاله جایابی بهینه PMU با استفاده از الگوریتم کلونی زنبورعسل - ABC - با بیشترین رؤیت پذیری صورت گرفته است تا قابلیت اطمینان شبکه بهبود یابد. در این راستا ابتدا مفهوم مشاهدهپذیری به روش توپولوژی مطرح شده است. سپس مفاهیم مکانیابی PMU بیانشده و در ادامه، الگوریتم ABC معرفیشده است. سپس مسئله جایابی بهینه PMU با استفاده از الگوریتم ABC حل شده است. درنهایت این روش بهینهسازی بر روی شبکههای 24 و 30 باسه IEEE آزمایششده و با روشهای پیشین مقایسه شده است.
مفهوم مشاهدهپذیری در سیستم قدرت
مشاهدهپذیری، ساختاری کنترلی به معنای معین بودن مجموعه متغیرهای اساسی به نحوی است که تخمین حالت شبکه، بدون کمترین کاستی انجام گیرد. در چنین شرایطی، بازسازی رفتار سیستم و تخمین متغیرهای حالت شبکه براثر مشاهدات خارجی - همچون وقوع پیشامدهای مهم در سیستم قدرت - ، امکانپذیر است. بهطورکلی مشاهدهپذیری به دو صورت عددی و توپولوژیکی قابلتقسیم است. با توجه به اینکه روش عددی مشاهدهپذیری شبکه به محاسبات طولانی و حافظه و زمان زیاد نیاز دارد، لذا معمولا مشاهدهپذیری سیستمهای قدرت با استفاده از روش توپولوژیک انجام میگیرد.
تحلیل و ارزیابی مشاهدهپذیری سیستم با استفاده از دادههای PMU، به کمک قوانین مشخص، بر روی یک سیستم 4 شینه بهصورت زیر میباشد :قانون اولشینهایی که PMU روی آنها قرارگرفته، دارای فازور ولتاژ معلوم میباشند. همچنین جریان خطوطی که به شین دارای PMU متصل هستند، مشخص میباشد.
قانون دوم درصورتیکه فازور ولتاژ یک شین و جریان خطی که متصل به شین مذکور است مشخص باشد، ولتاژ شین طرف دیگر قابلمحاسبه خواهد بود.قانون سوم:درصورتیکه ولتاژ شینهای دو طرف یک خط مشخص باشد - اندازهگیری مستقیم یا مجازی - ، آنگاه جریان آن خط قابلمحاسبه خواهد شد.قانون چهارم:اگر در یک شین با تزریق صفر، جریان همه شاخهها به غیراز یکی معلوم باشد جریان آن شاخه قابلمحاسبه است - اندازهگیری مجازی جریان - . این قانون برای شینهای تزریق صفر قابل اعمال است.
تعریف مسأله مکانیابی واحدهای اندازهگیری فازوری
هدف از مکانیابی واحدهای اندازهگیری فازور، تعیین متغیرهای تصمیمگیری، شامل تعداد و مکان واحدهای اندازهگیری فازوری بهگونهای است که شبکه مشاهدهپذیر کامل و کمترین هزینه به سیستم تحمیل گردد. با توجه به اینکه ازلحاظ فنی امکان احداث واحد فازوری در تمام شینها وجود ندارد، لذا مکان مناسب واحدهای فازوری از میان مجموعه ای از شینهای نامزد تعیین میگردد.در مکانیابی چندهدفه واحدهای فازوری، مسئله بهگونهای بررسی میگردد که علاوه بر کمینهسازی تعداد واحدهای موردنیاز، اهداف جانبی، ازجمله: بیشترین تعداد دفعات مشاهدهپذیری و نیز عملکرد مناسب در شرایط خروج خط و یا خروج واحد فازوری، برای هر یک از شینهای شبکه حاصل آید.
فرمولبندی مسأله جایابی واحدهای اندازهگیری فازور
واحد اندازهگیر فازوری نصبشده در یک شین قادر است فازور ولتاژ و همچنین فازور جریان کلیه شاخه هایی که به آن متصل هستند را محاسبه کند. مکانیابی واحدهای فازوری، بهگونهای بررسی میگردد که علاوه بر کمینهسازی تعداد واحدهای موردنیاز، تعداد دفعات مشاهدهپذیری و مشاهدهپذیری کامل شبکه نیز حاصل آید و جایابی با توجه به قابلیت اطمینان بهگونهای باشد که در صورت وقوع اغتشاشهای احتمالی، مشاهدهپذیری شبکه با کمترین اغتشاش روبهرو گردد. تابع چندهدفه به منظورکمینه سازی تعداد واحدهای فازوری و بیشینه سازی تعداد دفعات مشاهده پذیری به عنوان یک هدف جانبی میباشد.
