بخشی از مقاله
چکیده -
امروزه طراحی و بهرهبرداری سیستمهای توزیع از دیدگاه قابلیت اطمینان و عرضه توان سیستم از یک سو و کاهش هزینهها از طرفی دیگر خوشهبندی سیستمهای بزرگ را از اهمیت ویژهای برخوردار کرده است. با توجه به اهمیت موضوع، یک سیستم توزیع بزرگ را میتوان به گروهی از ریزشبکه ها تبدیل کرد. برای بدست آوردن ساختار بهینه ریزشبکه ها، از شاخصهای قابلیت اطمینان و عرضه توان سیستم به منظور داشتن سیستمی بهینه با بالاترین شاخصها استفاده میکنیم. طراحی بهینه مذکور با تشکیل تابع هدف که متشکل از شاخصهای قابلیت اطمینان، امنیت عرضه توان سیستم و کاهش هزینههای مربوط به انرژی از دست رفته و احداث کلیدهای اتوماتیک، سعی در تقسیم سیستم توزیع به چندین ریزشبکه بهینه را دارد. در این مقاله برای حل بهینه تابع هدف پیشنهادی از الگوریتم DA-PSO استفاده شده است. مدل پیشنهادی بر روی یک سیستم توزیع استاندارد 69 باس اعمال شده به طوری که نتایج حاصل کارایی مدل و الگوریتم پیشنهادی را نشان میدهد.
کلید واژه- الگوریتم ازدحام ذرات دینامیکی شده، امنیت عرضه، ریزشبکه، قابلیت اطمینان.
-1 مقدمه
بر طبق استاندارد IEEE 1547، سیستمهای توزیع کلان میتوانند به یک سری ریزشبکه خوشهبندی شوند تا در سیستمهای توزیع بعدی، سازههای کنترل و کارکرد سادهتر باشند. با این حال، در تحقیقات اخیر، خوشهبندی سیستمهای بزرگ به یک سری ریزشبکه با قابلیت اطمینان و امنیت بالا همراه با کاهش هزینهها چندان بررسی نشده است. در مرجع [1] روشی سیستماتیک و بهینه برای طراحی ریزشبکه ها را با در نظر گرفتن قابلیت اطمینان سیستم و مباحث مربوط به امنیت عرضه با الگوریتم جستجوی ممنوعه بیان شده است. در مرجع [2] یک روش جامع برای طراحی شبکه توزیع و کنترل ریزشبکه مد نظر قرار گرفته است. در این مقاله محققین با استفاده از الگوریتم بهینهسازی، یک طراحی شبکه توزیع با پیشبینی 20 ساله انجام دادهاند که این طراحی شامل سطوح مختلف منحنی دورهای بار و غیره بوده و جایابی DG به منظور بهینه کردن قابلیت اطمینان سیستم مورد مطالعه انجام گرفته است.
در مرجع [3] استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر با ظرفیتهای کوچک قابلنصب در محل نصب مصرف، به عنوان راهی جهت کاهش آلودگی زیستمحیطی، منابع انرژی فسیلی و صرفهجویی در هزینههای انتقال ارائه شده است. در مرجع [4] محقق به مطالعه و طراحی عرضه توان راکتیو برای ریز شبکهها میپردازد که برای یک ریزشبکه تعیین تخصیص مطلوب منابع توان راکتیو صورت میگیرد، بهطوریکه ریزشبکه مورد مطالعه دارای ولتاژ کافی در حالت جزیرهای و همچنین دارای عملیات جزیرهای در بیش از یک توپولوژی باشد. برای توسعه این موضوع از تخصیص بهینه الگوریتم ژنتیک استفاده شده است. در مرجع [5] با افزایش نفوذ تولید پراکنده، شبکه توزیع را از یک شبکه انفعالی که فقط شامل بارها بوده به یک شبکه فعال که شامل بارها و تولیدکنندگان است تغییر ماهیت داده است،
که این تغییرات باعث ایجاد مباحث جدید مانند بهبود سیستم، کم کردن تلفات و افزایش قابلیت اطمینان سیستم میشود. تقسیم شبکه توزیع به چند ریزشبکه در مرجع [6] مورد بررسی قرار گرفته به طوری که این ریزشبکه ها سیستمهای توزیع کوچک متصل به یک گروه مصرفکننده با تعدادی ژنراتور توزیع و منابع ذخیره انرژی هستند که با کانورترهای الکترونیک قدرت به شبکه وصل میشوند. در مرجع [7] داشتن تولید کافی و نداشتن تلفات مابین ریزشبکه ها مبنای طراحی ساختار بهینه ریزشبکه ها قرار گرفته که بهینهسازی به روش جستجوی ممنوعه صورت گرفته است. از جنبههای نوآوری این تحقیق میتوان به موارد زیر اشاره نمود.
· توسعه یک استراتژی سیستماتیک برای ایجاد ریزشبکه های مطمئن با در نظر گرفتن خطاهای تحمیلی
· توسعه یک استراتژی سیستماتیک برای ایجاد ریزشبکه های ایمن از لحاظ عرضه با در نظر گرفتن خودکفایی توان اکتیو و راکتیو
· مد نظر قرار دادن همزمان شاخصهای قابلیت اطمینان امنیت عرضه توان اکتیو و راکتیو برای ساخت ریزشبکه های بهینه
· در نظر گرفتن بارها با انواع کاربری با هزینههای مختلف انرژی تلف شده برای مدلسازی واقعیتر سیستم
· استفاده از الگوریتم ازدحام ذرات دینامیکی شده - - DA-PSO
برای بهینه سازی مسئله ادامه مقاله به شرح زیر قابل سازماندهی است: در قسمت دوم فرمولبندی مسئله، محدودیتهای بهینهسازی ارائه شده است. در قسمت سوم الگوریتم DA-PSO و فلوچارت روش پیشنهادی آمده است. قسمت چهارم به مطالعات عددی، شبیه سازی و نتایج پرداخته است و در نهایت، در قسمت پایانی یک نتیجهگیری از تحقیق ارائه شده است.
-2 فرمولبندی مسئله
در این بخش، تابع هدف که سعی در ماکزیمم سازی قابلیت اطمینان و امنیت عرضه ریزشبکههای ایجاد شده و کمینه کردن هزینههای ادوات را دارد، فرمولبندی میشود
-1-2 محاسبات شاخص قابلیت اطمینان
شاخصهای قابلیت اطمینان در استاندارد IEEE 1366-2001 معرفیشده است .[8] در این مقاله، سه شاخص قابلیت اطمینان SAIFI، SAIDI و MAIFIe بهصورت زیر بکار گرفته شده است. این شاخصها میتوانند مطابق معادلات فوق برای سیستم توزیع فاقد هر تولید پراکندهای به کار گرفته شوند. با این حال، برای یک سیستم توزیع شامل چندین ریزشبکه با منابع انرژی پراکنده، دو شاخص SAIFI و SAIDIبایستی مجدداً محاسبه شوند. برای ارزیابی شاخصهای قابلیت اطمینان، هر ریزشبکه به صورت یک بخش در نظر گرفته میشود که شامل گروهی از اجزاست و کلیت سیستم توزیع نیز به صورت بخش یا ریزشبکه مدلسازی میشود. اگر خطایی در یک ریزشبکه وجود داشته باشد، این خطا منجر به اختلال در سرویس برای ریزشبکههای پایین دست خواهد شد، مگر آنکه در مدت زمان اختلال سرویس، به میزان کافی تولید پراکنده برای ساپورت بارها وجود داشته باشد.
در چنین حالتی، اگر توان خروجی ژنراتورهای ریزشبکه برای تأمین بارهای محلی کافی باشند، تعداد و مدت زمان اختلالات آن ریزشبکه کاهش خواهد یافت. از این رو هم SAIFI و هم SAIDI برای آن ریزشبکه در مقایسه با مورد پایه ایِ فاقد هر نوع تولید پراکنده کمتر خواهد بود. بنابراین، برای خوشهبندی بر پایه قابلیت اطمینان، SAIFI و SAIDI برای هر ریزشبکه موجود در یک شبکه توزیع هوشمند به صورتی که در معادلات - 4 - و - 5 - نشان داده شده است، میتواند محاسبه شود. روشن است که برای استفاده از معادلات - 4 - و - 5 - برای محاسبه شاخصهای قابلیت اطمینان یک ریزشبکه، محاسبات باید از ریزشبکههای بالادستی شروع شده و با استفاده از آنهایی که به فیدر اصلی متصلاند، مقداردهی اولیه شوند. پس از محاسبه شاخص های قابلیت اطمینان برای هر ریزشبکه، شاخص های قابلیت اطمینان کل سیستم میتواند با استفاده از جمع شاخصها بر اساس تعداد مشتریان هر ریزشبکه محاسبه شود که در معادله - 6 - نشان داده شده است.
که در آن، R index میتواند با SAIFI، SAIDI یا MAIFIe جایگزین شود. سه شاخص یا توابع هدف میتوانند بهصورت مستقل یا به شکل یک تابع هدف وزنی کمینه شوند تا شاخصهای دائمی و لحظهای مد نظر قرار گیرند. از آنجایی که این شاخصها میتوانند مقادیر متفاوتی به خود گیرند، حاصل جمع وزنی آنها باید با استفاده از مقدار هدف یا مقدار بهینه برای هر شاخص نرمالسازی شود. این عمل در معادله - 7 - نشان داده شده است. مقدار بهینه برای هر شاخص، برابر نتیجه بهینه در حالتی است که تابع هدف شامل فقط آن شاخص باشد. در این مقاله، فرض شده که در سیستم موقعیت DG ها ثابت بوده و سوئیچها برای بهینهسازی شاخصهای قابلیت اطمینان و امنیت عرضه اختصاص داده شدهاند. اگر موقعیت DG ها به هر دلیلی تغییر کند، آنگاه مسئله باید فرمولبندی شده و با در نظر گرفتن پیکربندی جدید DG حل شود.
-2-2 محاسبات شاخص امنیت عرضه
امنیت عرضه برای ریزشبکههای ساخته شده، با تعریف یک شاخص شایستگی احتمالی آزموده میشود. وقتی که ریزشبکه در یک سیستم توزیع با بیشترین امنیت عرضه ساخته میشوند، در صورت فعالیت مستقل بارهای بیشتری تأمین میشوند. به منظور تست کفایت توان اکتیو و راکتیو در سیستم، تابع هدف در معادله - 8 - تعریف شده است. عموما روال بر این است که در تقسیم بندی سیستم فقط توان اکتیو در نظر گرفته میشود - K2p =1 و . - K2q = 0 با این حال، با در نظر گرفتن توان راکتیو به عنوان یک عنصر مهم در تامین پروفایل ولتاژ و با آگاهی از اینکه عدم توازن بیشتر ما بین توان راکتیو و تقاضا میتواند در ریزشبکه شرایط ولتاژ بالا یا ولتاژ پایین ایجاد نماید، بالانس توان اکتیو و راکتیو بایستی در تقسیم بندی سیستم مد نظر قرار گیرد .[7] به بیان دیگر، برای ریزشبکههای فاقد هر نوع جبرانساز توان راکتیو در سیستم، ضرایب هر کدام باید برابر 0/5 قرار داده شود.
از آنجایی که چندین تولید و بار احتمالاتی در سیستم وجود دارد، مدل تولید-بار چند حالته برای محاسبه شاخصهای ریزشبکه بکار گرفته شده است. برای هر کدام از حالات تولید-بار، شاخص با کسر سطح بار و افتها از تولید در آن حالت محاسبه شده است. افت توانهای اکتیو و راکتیو در ریزشبکه برابر 5 درصد بار اکتیو و راکتیو در هر حالت فرض شدهاند .[9] شاخص امنیت عرضه برای ریزشبکه i به صورت یک شاخص تجمیعی با در نظر گرفتن احتمال هر حالت تولید-بار تعریف میشود. در نهایت شاخص امنیت عرضه برای کلیت سیستم با جمع شاخصهای امنیت عرضه توان اکتیو و راکتیو برای ریزشبکهها تعریف میشود که معادله - 8 - این موضوع را نشان میدهد.
-3-2 تابع هزینه
این بخش از تابع هدف مربوط به هزینههای کلیدها و ادوات مورد استفاده در مسئله و هزینه انرژی از دست رفته سیستم را شامل میشود. بطوریکه ادوات کلیدزنی برای جداسازی سیستم مورد استفاده و تقسیم سیستم به ریزشبکه های مجزا استفاده میگردد.
1-3-2 هزینه احداث سکسیونرها
با توجه به مکانهای نصب کلیدهای اتوماتیک، هزینههای خرید و نصب و راه اندازی آنها، هزینه راهاندازی کلیدها بر اساس رابطه زیر محاسبه میشود که هزینه احداث هر کلید، شش میلیون در نظر گرفته شده است.
2-3-2 تابع هزینه عدم تأمین توان یا انرژی از دست رفته
برای به دست آوردن هزینه انرژی از دست رفته از رابطه - 11 - استفاده میشود که از دو بخش تشکیل یافته است. بخش اول آن شامل انرژی از دست رفته بارها در مدت زمان تشخیص خطا وکلیدزنی، - که در این مدت زمان، تمامی بارها خاموش هستند. - بخش دوم آن شامل انرژی از دست رفته برای بارهایی است که بعد از کلید زنی تا انتهای مدت زمان تعمیر خاموش میمانند و بازیابی نمیشوند. تعرفه هزینه مربوط به انرژی از دست رفته برای بارها در مرجع [12] آمده است. در این مطالعه برای مدلسازی بار و تولید در شبکه یک دوره 8760 ساعت برای یک سال در نظر گرفته شده است یعنی 8760 حالت ممکن برای سیستم بررسی شده است. به طوری که بارها و تولید در هر یک از این زمانها و سناریوها مورد محاسبه قرار می گیرند.
-4-2 تابع هدف ترکیبی
در ساخت ریزشبکهها، هر سه شاخص قابلیت اطمینان، امنیت عرضه و هزینه میتواند مورد توجه قرار گیرد. بدین منظور، سه تابع هدف با ضرایب وزنی ترکیب شدهاند تا یک مسئله بهینهسازی تک هدفی به صورتی که در معادله - 12 - نشان داده شده است، ایجاد شود. ارزش هر کدام از توابع مورد نظر را نشان میدهد. همچنین این مقادیر را میتوان چنان انتخاب کرد که تابع هدف، هزینه کل را نشان دهد. برای این منظور، K1 هزینه اختلال - قابلیت اطمینان کم - در سیستم ، K2 هزینه مربوط به فقدان امنیت تأمین برای بارهای
