بخشی از مقاله
خلاصه
عموماً پیشرفتهای مرتبط با مدلهای طراحی مکانیسم تبادل2 در بازار آب را میتوان در قالب شبکههای هوشمند ملاحظه نمود. پایهریزی زیرساختها جهت ارائه مکانیزمی در نظام تولید و مصرف آب در کنترل و نهادینه نمودن مصرف کنندگان حوضههای آبریز مفید خواهد بود. لذا طراحی شبکههای هوشمند با هدف مدیریت مصرف در مجموعههای بهرهبرداری و معرفی تمهیدات جدید، راهکارهای مناسبی برای حل چالشها در شبکهها، شامل چالشهای قابلیت اطمینان و چالشهای بازدهی مصرف، ارائه مینماید .
با در نظر گرفتن ریزپردازندهها در تجهیزات هوشمند کنترل و پایش که توانایی برنامهنویسی را در خود داشته و هماکنون در شبکههای برق استفاده میگردند میتوان ساز و کاری از تبادل آب را در مفهومی به نام بازار آب جستجو نمود. در این مقاله سعی گردیده است تا با معرفی شبکه هوشمند آب در میان گروههای بهرهبرداری و وضعیت برداشتها، طریقه نگاشت مسئله بیان گردد.
متدولوژی طراحی اینگونه شبکهها را میتوان بر پنج مرحله استوار نمود و عبارتند از: - 1 شبکه بهرهبرداران، -2 شناسایی ویژگیهای مسئله بر اساس ماهیت مسئله نظیر چند متغیره بودن، سیستم توزیع شده ... و طرحریزی استفاده از روشهای حل نظیر B-MOMS و Max-Sum، DCOP، ADOPT و انواع حراج، -3 نگاشت شبکه هوشند آب از طریق مدلسازی ریاضی، -4 به کارگیری و استفاده از روشهای حل مسئله مطابق با ماهیت سیستم و توزیعی بودن مسئله، -5 حل مسئله و ارائه طرح شبکه هوشمند. بر اساس مدلسازی و طراحی شبکه هوشمند آب انتظار میرود ضمن نهادینه شدن جایگاه مصرف آب در بخشهای مختلف بهرهبرداری و نیز ارتقاء کارایی بازار آب، چالشهای کمبود منابع آبی موجود به ویژه در شرایط کمآبی تا حد زیادی کاهش یابد.
.1 مقدمه
طراحی شبکه هوشمند آب با استفاده از مکانیزم تبادل تأکیدی بر ایجاد بازار آب برای سیستمهای توزیع شده میباشد. طبق تعریف، هر گونه عملیات خودکار با کمترین دخالت انسانی هوشمند تلقی میگردد. در حوزه سنجش، پایش، تصمیم، تبادل و تغییر، بسته به هدف میتوان بخشهایی از سیستم را مجهز به ابزارهای هوشمند نمود. اقدامات و مطالعات مختلفی که تا کنون در حیطه مدیریت و بهرهوری هوشمند در دنیای واقعی صورت گرفته را میتوان به سه دسته زیر تقسیمبندی نمود:
- هوشمند سازی جهت ثبت و پایش
- هوشمند سازی به منظور تبادلات
- هوشمند سازی در راستای ثبت، پایش و تبادلات
بر اساس تعریف سازمان انرژی ایالات متحده آمریکا1، شبکه هوشمند یک شبکه گسترده خودکار است که در آن انتقال منابع و تبادل اطلاعات به صورت دو طرفه صورت میگیرد. این شبکه قابلیت پایش2 و پاسخگویی به هر نوع تغییرات در شبکه، از منابع تولید تا مصرفکنندگان و حتی تکتک تجهیزات را دارد. از آنجایی که مشارکت دادن مشترکان از مهمترین اهداف شبکه هوشمند بوده و شبکه مصرف مهمترین زنجیره از یک شبکه برای تحویل کالاهایی نظیر برق، آب و غیره از تولید به مصرف است، بنابراین بررسی هوشمندسازی شبکه توزیع اهمیت بسزایی دارد. لازمه هوشمندسازی، نفوذ فناوری در سیستم شبکه از محل منبع گرفته تا مصرفکنندگان است. حرکت به سمت هوشمندسازی و ایدهآلهای شبکه نیازمند طراحی چارچوبی مشخص است که محققین آن را، نقشه راه هوشمندسازی شبکه مینامند.
.2 شبکه هوشمند و ضرورت ایجاد آن
تاکنون شبکه هوشمند به طور ویژه در سیستمهای انتقال و توزیع برق توسط متخصصان برق مطرح گردیده است. از اوایل قرن 21، اقداماتی در جهت ارتقاء فناوری ارتباطات الکترونیکی به منظور کاهش محدودیتها و هزینههای شبکه الکتریکی صورت گرفته است. با تجهیز شبکههای موجود میتوان برنامهریزی را علاوه بر واحدهای تولید، برای منابع سمت تقاضا نیز انجام داد.
از این نظر، وجود منابع تولیدی کالاها نظیر نیروگاههای بادی و خورشیدی و استفاده در شبکه در جهت کاهش کمبودها مستلزم هوشمندسازی شبکه در جهت تسهیل ارتباط بین منابع و مصرفکنندگان میباشد. در این گونه شبکهها که تبادل اطلاعات بین منابع و مصرفکنندگان مقدور بوده رویکرد به صورت توزیع شده میباشد. تکنولوژیهای مورد استفاده در شبکه هوشمند به منظور کنترل الکترونیکی، اندازهگیری و پایش میباشد. در دهه 1980 شکلگیری این نوع شبکههای هوشمند به ویژه در صنعت برق، به صورت قرائتهایی خودکار از مقدار بار مصرفی توسط مشترکین بزرگ صورت گرفت. در دهه 1990 این اندازهگیریها در مورد هر نوع مصرفکنندهای و در زمانهای مختلفی در طول روز قابل ثبت بود
سپس وسیلههای اندازهگیری هوشمند به شکل مخابرههای پیوسته امکان پایش بهنگام را حتی در منازل مسکونی فراهم نمود. در اوایل دهه 1990 با تحقیقاتی که اداره برق بونویل3 بر روی یک پروتوتیپ شبکه هوشمند انجام داد و در آن به بررسی ناهنجاریهای کیفی برق در گستره جغرافیایی پرداخت، عملاً تحولی در نظارت و هماهنگ سازی شبکههای گسترده صورت پذیرفت.
اوج این کار با عملی نمودن یک سیستم اندازهگیری وسیع در سال 2000 میلادی انجام شد. در ابتدای سال 2000 پروژه تلهگستور4 در کشور ایتالیا سبب گردید تا 27 میلیون خانه با استفاده از اندازهگیری هوشمند به شبکه هوشمند متصل گردد
برخی از این شبکههای ارتباطی از طریق خطوط نیرو و عمده این تبادل اطلاعات با کمک تکنولوژی شبکه بیسیم امکان پذیر بوده و قابلیت ثبت اطلاعاتی غیر از برق، نظیر گاز و آب را دارد. پس از آن، کشورهای دیگر به سرعت اقدام به یکپارچهسازی این تکنولوژی کردند به طوری که کشور چین طی یک برنامه پنج ساله اقتصادی در سال 2012 به سیستم اندازهگیری وسیع مجهز شد. از دیگر مواردی چنین سیستمهای هوشمند برق میتوان به سیستم تلهگستور در کشور ایتالیا - 2005 - ، شبکه آستن1 در ایالت تگزاس - 2003 - و شبکه هوشمند بولدر ایالت کلرادو - 2008 - اشاره نمود
از آنجایی که یکی از کلیدیترین زیربناها در شبکههای هوشمند، همان ذخایر موجود - مخازن، مازاد مصرف و منابع تولید - بوده که میتواند ضمانت کننده تأمین انرژیهای پایدار باشد [3] بنابراین مدلسازیها و طراحی ساز و کارهای تبادل بر پایه تأمین کمبودها با استفاده از ذخایر میباشد که منجر به افزایش سود و بهرهوری شبکه خواهد شد. به عبارت دیگر، یکی از ملزومات طراحی شبکه هوشمند، تبیین نحوه تعاملات و نیز ابزارهای مورد استفاده در نظام تبادل بوده و توجه محققین را در این خصوص به خود جلب نموده است.
شبکه های هوشمند با هدف شناسایی، اندازهگیری و پایش منابع و مصرفکنندگان و نیز تصمیمگیری و ارائه راهکارهای مناسب تبادل کالا در شبکههای ذینفعان پایهریزی میگردد. امروزه با گسترش این مفهوم و ایجاد زیرساختهای آن به ویژه در صنعت برق امکان ایجاد محیطی جهت تبادل کالا همراه با طراحی مکانیزمهایی به منظور سوق دادن تعادل نش به تعادل بهینه فراهم شده است. این نوع شبکهها به صورت محلی و یا منطقهای در بخشهایی از شبکه برق در کشورهایی چون آمریکا، ایتالیا، چین و کرهجنوبی پایهریزی شده و طی دو دهه اخیر تحقیقات گستردهای در دنیا در خصوص نحوه طراحی این شبکهها و نیز مکانیزمهای عرضه و تقاضا آغاز گردیده است. مسلماً هدف کلی در طراحی این نوع شبکهها، ایجاد مدیریت مناسب جهت افزایش بهینگی سیستم بوده و با گسترش فناوری ارتباطات، توسعه اینگونه شبکهها در سیستمهای بهرهبرداری از منابع مشترک نظیر منابع آبی اجتناب ناپذیر خواهد بود.
همسو با شبکههای هوشمند برق، طراحی شبکه هوشمند آب نیز با ظهور ابزارهای مخابره و سنجش در جهت مدیریت هر چه بهتر منابع آب با تأکید بر بررسی و امکانسنجی ایجاد زیرساختها طی چند سال اخیر در حال انجام میباشد 4]، .[5 این دسته از پژوهشها در قالب دیاگرامهای مربوط به شبکه تولیدکنندگان و مصرفکنندگان، طریقه استفاده از ابزارهای هوشمند، پایش و اندازهگیری و به طور کلی تدوین راهکارهایی در جهت مصرف بهینه میباشد.
در خصوص طراحی شبکه هوشمند آب و نیز ارائه مکانیزم و ابزارهای مدلسازی، تدوین سیاستهای مبادله آب بین طرفهای ذینفع در راستای تخصیص بهینه منابع آب و مدیریت کلان مصرف، میتواند در سایه توسعه و به کارگیری ساز و کارهای مبتنی بر ارضا اهداف موجود در یک سیستم باشد. در این راستا، با تعیین ساز و کار جدیدی در تبادل آب بین گروههای مختلف در حوضه آبریز با حفظ مطلوبیتهای گروههای بهرهبرداری، سعی میگردد تا نحوه تشکیل یک سیستم بازار هوشمند آبی بررسی گردیده تا در آن معیار مبتنی بر زمان 2 و مبتنی بر عامل3 در نظر گرفته میشود.
از سوی دیگر در طراحی شبکه هوشمند آب لازم است تا به ردیابی گام به گام - تراکنشهای4 مختلف - از تبادل، فعل و انفعالات، تغییرات زمانی و مکانی قیمت خرید و فروش آب، مقادیر داد و ستد و نیز پایش کاربرانی که استفاده نامتعارف از آب داشتهاند پرداخته شود. این موضوع، در ابتدا با استفاده از بررسی تابع مطلوبیت کلی سیستم صورت میگیرد و سپس به تکتک اجزا بازار تعمیم داده میشود. رویکرد این مدل، به صورت توزیع شده بوده به گونهای که هر یک از گرهها در شبکه آب، با اتخاذ بهترین تصمیمات و مطلع ساختن دیگر عاملین از تغییرات رخ داده به صورت ارسال پیام5، منجر به رسیدن به مسائل توزیع شده با توابع مطلوبیت حاکم بر سیستم خواهد شد که این مسائل نیز با الگوریتمهایی چون B-MOMS6 و Max-Sum و مکانیزمهای حراج قابل حل خواهند بود.
