بخشی از مقاله
چکیده
امروزه شبکه توزیع هوشمند انرژی1 بهعنوان یک شبکه سایبر فیزیکی2 برقی مقیاس عظیم در جهان مطرح شده است و یک کار چالشبرانگیز است که به بهبود و یکپارچهسازی منابع توزیع کمک می کند. در این میان میکروگرید3 ها که بخشی از شبکه ی توزیع هوشمند هستند به منظور تامین انرژی با فروش و یا خرید برق بصورت پویا و با هدف رسیدن به مطلوبیت/سود4 بیشتر با یکدیگر تعامل و همکاری می کنند. این همکاری آنها را در جهت رسیدن به سود بیشتر سوق خواهد داد و تا زمانی ادامه خواهد داشت که هیچ یک از میکروگرید ها ازاین همکاری سود بیشترری نتوانند کسب کنند. بابهره گیری از نظریه بازی5 و ابزارهای دقیق آن، این رفتارها منجر به رسیدن به مطلوبیت بیشتر و در نتیجه تعادل شبکه می شوند و شبکه را پایدار می سازند. در این مقاله در ابتدا به مفاهیم و تعاریف وسپس با استفاده از پارامترهای موجود در شبکه مانند اتلاف انرژی در تبادل میکروگریدها، مقدار انرژی دردسترس و اعتبار میکروگریدها به ارائه رویکرد برای چنین بازی همکارانه ای پرداخته شده است.
کلید واژه - شبکه توزیع هوشمند، میکروگرید، نظریه بازی و نظریه بازی همکارانه
-1 مقدمه
شبکه ی توزیع هوشمند انرژی چشم اندازی روشن ودقیق از سیستم برقی آینده ارائه می دهد که ترکیبی از تکنولوژی های پیشرفته به همراه روش های کنترلی پیشرفته و تکنولوژی های مخابراتی در سطوح انتقال و توزیع می باشد که به منظور تامین انرژی برق بطور دقیق و هوشمندانه برای مصرف کنندگان ایجاد شده است . طبق گزارش دپارتمان انرژی، از مشخصه ها اصلییک شبکه توزیع هوشمند می توان به قابلیت هایی نظیر تسهیل در مصرف و استفاده توسط مصرف کنندگان، خودتعمیر کنندگی ،مقاومت در برابر خسارت و آسیب های شدید و ناگهانی ، استفاده با انواع روش های مختلف تولید و ذخیره ،عملکرد به صرفه براساس بازار برق ، کیفیت توان بالا و هزینه بهینه و انعطاف پذیری اشاره کرد. عوامل دیگری نیز مانند اقتصادی ، سیاسی، محیطی ، فنی و اجتماعی بر این شبکه تاثیر می گذارند.
.2 مروری بر ادبیات موضوع
در این بخش به تعریف دقیق مفاهیم پرداخته شده است.
.2-1 شبکه توزیع هوشمند: یک شبکه برقی هوشمند درمقیاس عظیم با استفاده از فناوری دیجیتال است که مؤلفه های تولیدی برق - موجودیت ها و عامل ها - را به منظور بهبود قابلیت اطمینان ، امنیت و بهره وری با استفاده ازعملیات هایی مانند سنجش ، پردازش ، اندازه گیری و کنترل یکپارچه و متحد می سازد . هدف اصلی ایجاد چنین شبکه های هوشمندی جلوگیری ازقطع احتمالی برق بوده است.
.2-2 میکروگرید: به هرریز شبکه که بصورت سیستم های برقی مقیاس کوچک و محلی که بصورت مستقل از شبکه اصلی هستند و به منظور یکپارچه سازی منابع تولید انرژی و همینطور بهبود قابلیت اطمینان و انعطاف پذیری نسبت به اختلالات شبکه بکار برده می شود. با افزایش قابل توجه منابع انرژی تجدید پذیر از سویی و افزایش نیاز در دنیا ، استفاده از میکروگرید ها در جهان بطور قابل توجهی گسترش یافته است و این امر موجب گرایش اکثر تحقیقات و پژوهش ها در این زمینه به میکروگریدها شده است و اهمیت این موضوع را دو چندان کرده است.
.2-3 نظریهبازی: نظریه بازی مطالعه مدلهای ریاضی درگیر در روش تصمیم گیری و انتخاب هوشمندانه و منطقی تصمیم گیرندگان در یک بازی است. نظریه بازی در تلاش است تا بوسیله ریاضیات ، رفتارها را در شرایط راهبردی یا در یک بازی که در آنها موفقیت فرد در انتخاب کردن، وابسته به انتخاب دیگران میباشد را برآورد کند. نظریه بازی تلاش میکند تا رفتار ریاضی حاکم بر یک موقعیت استراتژیک - تضاد منافع - را مدلسازی کند .این موقعیت، زمانی پدید میآید که موفقیت یک فرد وابسته به راهبردهایی است که دیگران انتخاب میکنند. هدف نهایی این دانش، یافتن راهبرد بهینه برای تمامی بازیکنان است. یک بازی شامل مجموعهای از بازیکنان، مجموعهای از حرکتها یا راهبردها و نتیجه مشخصی برای هر ترکیب از راهبردها میباشد. پیروزی در هر بازی تنها تابع یاری شانس نیست بلکه اصول و قوانین ویژه خود را دارد و هر بازیکن در طی بازی سعی میکند با به کارگیری آن اصول ، خود را به برد نزدیک کند. رقابت دو کشور برای دستیابی به انرژی هستهای ، سازوکار حاکم بر روابط بین دو کشور در حل یک مناقشه بینالمللی، رقابت دو شرکت تجاری در بازار بورس کالا نمونههایی از بازیها هستند.
. 2-4 نظریه بازی همکارانه : بازی های غیر همکارانه بازی هایی هستند که در آن تمام بازیکنان به صورت مستقل در آن ظاهر می شوند و هر بازیکن تلاش می کند تا سود خود را حداکثر کند. در بازی های همکارانه، ممکن است که بازیکن به منظور از برخورداری از سود با هم رقابت نکنند، بلکه به منظور دستیابی به منافع بیشتر بر سر انتخاب برخی از استراتژی ها با هم توافق کنند. این توافق ممکن است بین کل بازیکنان یا چند بازیکن باشد که به آن ا ئتلاف6 گوییم.
-3ضرورت موضوع
در این مقاله به تشکیل ائتلاف با استفاده از قوانین نظریه بازی و ترغیب میکرو گرید ها به شرکت در ائتلاف برای کسبمطلوبیت/ سود بیشتر پرداخته شده است. مبادله انرژی میان میکرو گرید ها و شبکه اصلی قدرت دارای معضلاتی است:
-1 از آنجایی که انتقال و تبادل انرژی میان میکرو گریدها و شبکه اصلی نیازمند استفاده از ترنسفورماتورها می باشد - تبدیل سطح ولتاژ - بنابراین مبادله انرژی میان میکروگرید ها و شبکه اصلی دارای افت ولتاژ و سطح انرژی است.
-2 وابستگی میکرو گریدها به شبکه اصلی زیاد می شود واستقلال و ماهیت توزیع شده شبکه زیر سوال برده می شود.
-3 تبادل انرژی میان میکروگریدها و شبکه برق اصلی علاوه بر ترانسفورماتور ها اتلاف انرژی به اندازه 2 دارد که ااگر اعضای ائتلاف - 7میکروگریدها - در فاصله مسافتی کم باشند اتلاف انرژی کاهش پیدا می کند.
نکته ی قابل توجه در اینجا این است که بازیکنان زمانی تن به همکاری می دهند که پیامد حاصل از توافق و همکاری حداقل برابر پیامد رقابتی عمل کردن باشد تا انگیزه برای پیوستن به ائتلاف بوجود آید. با توجه به معضلات و مشکلات ذکر شده ،تبادل انرژی میان میکرو گرید ها - در ائتلاف - روشی معقول به نظر می رسد؟ اولین موضوع در تشکیل ائتلاف ، مشخص نمودن اعضایی است که در یک ائتلاف شرکت می کنند.بدیهی است که میکروگرید ها در صورتی در یک ائتلاف شرکت می کنند که مطلوبیت خود را افزایش دهند ومطلوبیت هر ائتلاف زمانی ماکزیمم می شود که مطلوبیت هر میکروگرید ماکزیمم شود . از این رو تعیین مطلوبیت/سود هر ائتلاف برای انتخاب بهترین ائتلاف توسط میکرو گریدها ، بسیار مهم است.
-4رویکرد تشکیل ائتلاف
در ابتدا فرض می کنیم که N مجموعه ای از میکروگریدها به همراه شرکت برق در یک منطقه یا ناحیه باشد بطوریکه :
تقاضای نهایی میکروگرید i را با و موجودی نهایی انرژی با نمایش داده شده است. درنهایت اختلاف انرژی با نمایش داده شده که بصورت زیر است:
که اگر >0 آنگاه میکروگرید i می تواند انرژی خود را وارد شبکه کند و بفروشد و اگر <0 آنگاه میکروگرید i می تواند از شبکه انرژی دریافت نماید و بخرد.در اینصورت ابتدا فاکتور سود برای هر میکروگرید مشخص شده است که به پارامترهای pm بستگی دارد که نشاند دهنده سود عایدی از فروش انرژی هنگامی که میکروگرید i با دیگرمیکروگریدها تبادل انرژی می کند و همینطور که نشان دهنده یک حاشیه سود مطلوب می باشد . درنهایت مطلوبیت هر میکروگرید بصورت زیر است:
مجموعه ای از میکروگرید های درون ائتلافC است که به منظور تبادل انرژی و رسیدن به مطلوبیتی بیشتر در یک ائتلاف با هم در تعامل هستند.حال انرژی تجمیع شده در C بصورت زیر است که با نمایش داده شده است.حال برای نمایش تمامی حالت های انتقال انرژی بین میکروگریدها از استفاده شده است که بصورت زیر تعریف می شود.که در اینجا o همان شرکت برق یا UG8است.
