مقاله جایابی بهینه TCSC در شبکه های قدرت با هدف حداقل رساندن تلفات

بخشی از مقاله

چکیده
ادوات FACTS به عنوان جبرانساز در خطوط انتقال برق با قابلیت تغییرات پیوسته شناخته شده اند. در سراسر دنیا کمبود ظرفیت انتقال از یک طرف و تلفات سیستم از طرف دیگر باعث افزایش استفاده از ادوات FACTS در سیستم های انتقال برق شده است. ادوات FACTS تکنولوژی هایی هستند که تلفات توان اکتیو و راکتیو را در شبکه کاهش می دهند با این کار تعداد خطوط انتقال نیز کاهش می یابد. بیشتر آنالیزها در رابطه با مکان یابی و اندازه بهینه ادوات FACTS می باشد که در این مقاله با استفاده از الگوریتم ژنتیک مکان مناسب جهت بهینه کردن تلفات در سیستم انتقال برای ادوات FACTS تعیین می شود. از جمله مزایای استفاده TCSC در شبکه های انتقال برق، بهبود کیفیت توان، کاهش تلفات توان، افزایش قابلیت اطمینان شبکه، بهبود پروفیل ولتاژ و ... می باشد که مزایای نام برده وابسته به تعیین مکان مناسب و اندازه بهینه جبرانسازی TCSC است و اگر به درستی مقادیر تعیین نشود نتایج عکس می دهد. در این مقاله نتایج شبیه سازی بر روی شبکه های 6، 14 و 30 باس سیستم انتقال برق، نشان می دهد که چگونه TCSC تلفات راکتیو سیستم را کاهش می دهد و تلفات کل سیستم بهینه می شود.

واژه های کلیدی:ادوات FACTS، تلفات توان اکتیو، تلفات توان راکتیو، الگوریتم ژنتیک، جایابی بهینه.

مقدمه
سال ها پیش یعنی در سال های آغازین بهره گیری از انرژی الکتریکی، انتقال توان با همان ولتاژ مصرف کننده ها انجام میگرفت و این به دلیل استفاده از توان الکتریکی به صورت 1DC بود، چرا که در آن زمان هیچ راهی برای افزایش ولتاژ DC وجود نداشت و از آنجا که انواع مختلف مصرف کننده ها مثل لامپ ها یا موتورها نیازمند ولتاژهای مختلفی بودند برای هر یک باید از ژنراتوری جداگانه استفاده می شد که این خود امکان استفاده از یک شبکه بزرگ برای تغذیه کلیه مصرف کننده ها را از بین میبرد . [3] در جلسه گروه 2AIEE در 16 می 1888 نیکولا تسلا مقاله ای را با نام »سیستم جدید موتورها و ترانسفورماتورهای متناوب« ارایه کرد و به بیان مزایای استفاده از این سیستم پرداخت. مدتی بعد شرکت »وستینگ هوس« پیشنهاد ساخت اولین سیستم جریان متناوب را داد .[5]

با استفاده از ترانسفورماتور امکان اتصال مولدها به خطوط انتقال ولتاژ بالا و همچنین امکان اتصال خطوط ولتاژ بالا به شبکه های محلی توزیع فراهم شد. با انتخاب فرکانسی مناسب امکان تغذیه انواع بارها از جمله روشنایی ها و موتورها ایجاد می شد. مبدل های گردان و بعد ها لامپ های قوس جیوه و دیگر یکسوکننده های جریان امکان اتصال مصرف کننده های DC را با استفاده از یک نوع یکسوساز به شبکه مهیا می ساختند. حتی مصرف کننده های با فرکانس های متفاوت هم می توانستند با استفاده از مبدل های گردان به شبکه متصل شوند. با استفاده از نیروگاه های متمرکز برای تولید برق همچنین امکان صرفه جویی به وسیله تولید انبوه فراهم شد و ضریب بار در هر نیروگاه امکان تولید با راندمان بالاتر را نیز ایجاد کرد بطوریکه امکان استفاده از برق با قیمت کمتری برای مصرف کننده ها فراهم شد. بدین ترتیب امکان بوجود آمدن یک شبکه بزرگ برای تغذیه انواع مختلفی از مصرف کننده ها پدید آمد .[5]

با استفاده از نیروگاه های چند برابر بزرگ تر که به منطقه بزرگی اتصال داده شده بودند، قیمت تمام شده تولید برق کاهش یافت و امکان استفاده از نیروگاه های با راندمان بالاتر فراهم شد که می توانستند بارهای مختلف را تغذیه کنند. همچنین بدین ترتیب ثبات تولید برق افزایش پیدا کرد و هزینه سرمایه گذاری در این بخش کاهش یافت و در نهایت امکان استفاده از منابع انرژی دور افتاده مثل نیروگاه های هیدروالکتریک و یا زغال سنگ معادن دور دست، بدون نیاز به پرداخت هزینه حمل و نقل سوخت ها فراهم شد.امروزه با رشد روز افزون مصرف در سیستم های قدرت، سیستم های انتقال انرژی با بحران مدیریت انتقال توان مواجه هستند. این محدودیت عملاً به خاطر حفظ پایداری گذرا در خطوط بلند و نیز تأمین سطح مجاز ولتاژ در خطوط با طول متوسط به وجود می آید.

بنابراین ظرفیت بهره برداری عملی خطوط انتقال بسیار کمتر از ظرفیت واقعی خطوط که همان حد حرارتی آنهاست، می باشد. این امر موجب عدم بهره برداری بهینه از سیستم های انتقال انرژی می شود. در این راستا یکی از راه های افزایش ظرفیت انتقال توان، احداث خطوط جدید است که این امر با مشکلات اقتصادی و قانونی همراه می باشد. منظور از مشکلات اقتصادی ضرورت سرمایه گذاری های کلان جهت تملک مسیر خط و احداث آن است. اما مشکلات قانونی در رابطه با قوانین تملک زمین و رعایت قوانین محیط زیست پیش می آیند.در سال های اخیر با پیشرفت صنعت نیمه هادی ها و استفاده از آنها در سیستم قدرت، مفهوم سیستم های انتقال AC انعطاف پذیر - 3FACT - مطرح گردید. هدف اولیه این سیستم ها این است که بدون احداث خطوط جدید بتوان از ظرفیت واقعی و موجود سیستم های انتقال استفاده کرد.

تعریف مسئله
در این مقاله برای کاهش کل تلفات اکتیو و راکتیو شبکه از TCSC بر مبنای جایابی به وسیله الگوریتم ژنتیک و بصورت دستی و مقایسه این دو روش با حالت بدون جبرانسازی و جبرانسازی به وسیله TCSC استفاده شده است. بعد از مکان یابی به وسیله الگوریتم ژنتیک و تعیین اندازه بهینه جبرانسازی تلفات اکتیو و راکتیو سیستم به طور چشمگیری کاهش پیدا می کند. اگر مکان یابی به درستی انجام نشود ممکن است سیستم افزایش تلفات، افزایش تراکم در خطوط، کاهش قابلیت اطمینان و ... را داشته باشد .[3]فرمول محاسبه تلفات در هر خط:که در فرمول فوق Sline تلفات خط بین باس i, j می باشد و m تعداد کل خطوط در یک سیستم و Sloss کل تلفات است. تلفات بین خطوط طبق فرمول - - 2 بدست می آید.در فرمول Si,j, Sj ,i - 2 - به ترتیب توان عبوری از باس j به i و از i بهj می باشد که از فرمول - 3 - بدست می آید.که  I  مزدوج جریان عبوری از هر خط و Vi ولتاژ هر باس می  باشد. تلفات حقیقی، بخش حقیقی رابطه فوق را تشکیل می دهد.

حل مسئله

الگوریتم ژنتیک، الهامی از علم ژنتیک و نظریه تکامل داروین است و بر اساس بقای برترین ها یا انتخاب طبیعی استوار است. یک کاربرد متداول الگوریتم ژنتیک، استفاده از آن بعنوان تابع بهینه کننده است. الگوریتم ژنتیک را میتوان یک روش بهینه سازی تصادفیجهت دار دانست که به تدریج به سمت نقطه بهینه حرکت میکند. در مورد ویژگی های الگوریتم ژنتیک در مقایسه با دیگر روش های بهینه سازی میتوان گفت که الگوریتمی است که بدون داشتن هیچگونه اطلاعی از مسئله و هیچگونه محدودیتی بر نوع متغیرهای آن برای هر گونه مسئله ای قابل اعمال است و دارای کارآیی اثبات شدهای در یافتن بهینه کلی میباشد. توانایی این روش در حل مسائل پیچیده بهینه سازی است که روش های کلاسیک یا قابل اعمال نیستند و یا دریافتن بهینه کلی قابل اطمینان نیستند. در این مقاله جهت جایابی بهینه TCSC در شبکهها ی قدرت با هدف حداقل رساندن تلفات از الگوریتم ژنتیک استفاده شده است.

شبیه سازی

در این مقاله به کمک جایابی بهینه TCSC و جبرانسازی خط به منظور کاهش تلفات اکتیو و تلفات راکتیو به عنوان یکی از راه حل های کاهش تلفات استفاده شده است. لذا با تعیین بهترین مکان و اندازه بهینه TCSC به کمک الگوریتم ژنتیک و پخش بار به روش نیوتن- رافسون در شبکه های 6، 14 و 30 باس به تصدیق روش خواهیم پرداخت.در کلیه موارد پارامتر های الگوریتم ژنتیک به کار گرفته شده مطابق جدول - 1 - می باشد.برای بررسی نتایج، شبیه سازی را در دو حالت انجام می دهیم. جهت جبرانسازی در خطوط از TCSC استفاده شده است. جهت انجام پخش بار اطلاعات شبکه با فرمت H.saadat می باشد. ابتدا در هر شبکه پخش بار به روش نیوتن- رافسون انجام می دهیم. سپس با استفاده از الگوریتم بالا پخش بار را انجام می دهیم و با مقایسه تلفات در جدول تلفات می توانیم میزان جبرانسازی در خط را مشاهده کنیم. در این حالت با رسم تلفات نیز می توان میزان تلفات را جبرانسازی در هر خط مشاهده نمود.

نتایج شبیه سازی شبکه 6 باس IEEE

این شبکه از سه ژنراتور و هفت خط انتقال تشکیل شده است که دارای 4 باس بار می باشد. میزان کل تولید در این سیستم 150,4+47,7j مگا ولت آمپر وکل بار شبکه 145+40j مگا ولت آمپر است. شکل - 1 - مدل تک خطی شبکه 6 باس IEEE را نشان می دهد.همانطور که در نتایج بدست آمده مشاهده می شود TCSC بیشترین جبرانسازی تلفات راکتیو را در خط شماره 3 دارد. ولی با توجه به تغییرات تلفات اکتیو قبل و بعد از جبرانسازی افزایش کم تلفات اکتیو را بعد از جبرانسازی در خط شماره 3 خواهیم داشت که با توجه به تابع هدف ما که کاهش تلفات راکتیو در شبکه می باشد این امر قابل چشم پوشی می باشد و چون اندازه کاهش تلفات راکتیو بسیار زیاد و در حد %50 کاهش است این افزایش تلفات اکتیو در شبکه قابل توجه نمی باشد.

در جدول زیر تمامی مقادیر اکتیو و راکتیو در جبرانسازی در هر یک از خطوط را مشاهده می کنیم. با توجه به اعداد محاسبه شده می بینیم که در بعضی از خطوط مانند خط شماره 4 و خط شماره 5 جبرانسازی، کاهش تلفات اکتیو و راکتیو را داشته است ولی مقدار کاهش تلفات راکتیو در این خطوط نسبت به خط شماره 3 خیلی کمتر می باشد.برای پیدا کردن مکان مناسب TCSC در شبکه از الگوریتم ژنتیک استفاده می کنیم. تنظیمات الگوریتم ژنتیک در اول فصل مشخص شده است. تعداد متغیرهایی که الگوریتم ژنتیک باید بهینه کند 2 می باشد. با توجه به اینکه مکان TCSC باید یک عدد کامل بدست آید اگر عدد بدست آمده مکانTCSC اعشاری باشد باید آنرا گرد کنیم تا به عدد صحیح برسیم. متغیر دوم هم میزان جبرانسازی TCSC می باشد که معمولا حد بالای جبرانسازی را در نظر می گیرد.

چون میزان جبرانسازی همیشه بین - 1 تا + 1 است تابع در الگوریتم ژنتیک همیشه همگرا می شود و به جواب خواهیم رسید.
 شکل زیر همگرا شدن جواب معادله را نشان می دهد. طبق نتایج بدست آمده از جبرانسازی در همه خطوط مشاهده می شود که برای حاصل شدن تابع هدف که کاهش تلفات راکتیو در شبکه می باشد بهترین محل قرار گیری TCSC خط شماره 3 می باشد.با توجه به تابع هدف، انتخاب بهترین مکان برای قرار دادن TCSC در شبکه 6 باس IEEE، الگوریتم ژنتیک خط شماره 3 را با جبرانسازی 75 درصد محاسبه کرد. که با توجه به اعداد بدست آمده صحت این موضوع مشخص می شود.