بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق مسأله بهینهسازي طراحی و بهره برداري از سدهاي برقابی با استفاده از الگوریتم بهینهسازي مبتنی بر هوش جمعی در دو مسأله بهینه سازي طراحی با سیاست بهرهبرداري معلوم و مسأله بهینهسازي توأم طراحی و بهرهبرداري مورد مطالعه قرار گرفته است.
در مساله اول متغیرهاي ارتفاع نرمال و رقوم حداقل بهره برداري سد و ظرفیت نیروگاه بعنوان متغیرهاي طراحی سیستم مخزن برقابی بهینهسازي میشوند. در مساله دوم متغیرهاي ارتفاع نرمال سد، رقوم حداقل بهره برداري و ظرفیت نیروگاه به عنوان متغیرهاي طراحی و متغیرهاي جریان خروجی از مخزن در هر دوره زمانی به عنوان متغیرهاي بهرهبرداري بصورت توأم بهینهسازي میشوند. نتایج مدلهاي طراحی بهینه و طراحی و بهره برداري بهینه توأم در مطالعه موردي سد بختیاري و در سطح اعتمادپذیري %90 براي تولید بده انرژي قابل استحصال - انرژي مطمئن -
حکایت از نزدیکی بسیار زیاد جوابهاي دو نوع مساله فوق و به عبارتی عدم تأثیر قابل ملاحظه بهینهسازي متغیرهاي بهرهبرداري دارد. علیرغم آن در شرایط احتساب بزرگی کمبود و زمانی که بزرگی شکستهاي رخ داده در دوره هاي خشک، که در آنها سیستم در تأمین بده انرژي مطمئن مورد نیاز ناتوان است، در ساختار مدلهاي بهینهسازي لحاظ میشود، تفاوت بین مدلهاي طراحی بهینه با سیاست بهرهبرداي معلوم و طراحی و بهرهبرداري بهینه توأم ظهور مینماید. همچنین نتایج نشان میدهد که الگوریتم PSO در شرایط مختلف و انواع مدلهاي توسعه یافته از توفیق قابل توجهی در نیل به جوابهاي مطلوب برخودار میباشد.
-1 مقدمه
بهینه سازي طراحی و بهره برداري از سدهاي برقابی از منظر منابع آب می تواند یک مساله پیچیده به لحاظ نوع مدل بهینهسازي حاصل و فرمولبندي آن باشد، که علت آن ریشه در وجود توابع غیر خطی و غیر محدب در کنار متغیرهاي گسسته یا دو مقداره دارد. مشکلات فوق نهایتا منجر به تبدیل مسأله به یک مسأله بهینه سازي غیر محدب میگردد که از انواع مسایل پیچیده و مشکل براي حل توسط روشهاي کلاسیک بهینه سازي غیر خطی است. از طرف دیگر استفاده از روشهاي بر مبناي جستجوي تصادفی مبتنی بر الگوریتمهاي تکاملی در حل اینگونه مدلها امیدوار کننده بوده است.
در این مقاله مسأله بهینه سازي طراحی و بهره برداري از سدهاي برقابی با استفاده از الگوریتم بهینهسازي مبتنی بر هوش جمعی و یا قحب مورد نظر قرار گرفته است. در این راستا دو نوع مسأله مورد بررسی قرار میگیرد که شامل مساله طراحی بهینه و مساله طراحی و بهرهبرداري بهینه بصورت توأم میباشند. مدلهاي توسعه یافته در مطالعه موردي سیستم مخزن برقابی سد بختیاري استفاده شده و نتایج آنها با یگدیگر مقایسه شده است.
-2 الگوریتم OptimizationشSwarmشParticle
الگوریتم شبیهسازي یک رفتار دسته جمعی است که ایده اصلی پیدایش آن از نحوه حرکت دسته پرنده ها و ماهیان نشأت گرفته است این الگوریتم مانند سایر تکنیک هاي محاسباتی تکاملی از یک جمعیت که شامل راه حل هاي بالقوه مسئله تحت بررسی است، جهت اکتشاف در فضاي جستجو استفاده میکند.
گرچه مانند الگوریتم ژنتیک یک روش بهینهسازي برمبناي جمعیت می باشد، اما تفاوت آن در این است که هرذره داراي یک بردار سرعت است، که مسئول تغییر دادن موقعیت آن ذره به منظور اکتشاف در بین جوابهاي موجود میباشد.
اگر فضاي جستجو یک فضاي D بعدي باشد، ذره i از جمعیت با بردار D بعدي Xi= - xi1,xi2,...,xiD - ، سرعت - تغییر مکان - این ذره با بردار D بعدي Vi= - vi1,vi2,...,viD - ، بهترین مکان دیده شده تا بحال توسط ذره i بصورت
Pi= - pi1,pi2,...,piD - و بهترین ذره در کل جمعیت با اندیس g نشان داده میشود. جمعیت ذرات مطابق با دو معادله زیر به حرکت واداشته میشوند
که در این روابط d = 1,2,..., D ؛ i = 1,2, ...N و N برابر با اندازه جمعیت، n شماره تکرار، ω وزن اینرسی، c1 و c2 دو ثابت مثبت بنامهاي ضرایب شناخت و اجتماعی، χ فاکتور انقباض، که میتواند مانند ω براي محدود کردن سرعت بکار رود و r1 و r2 اعداد تصادفی با توزیع یکنواخت بین میباشند.
در هر تکرار از الگوریتم ، با استفاده از مقادیر بدست آمده براي متغیرهاي تصمیم مسأله محاسبات روندیابی متوالی جریان و مقدار انرژي حاصل از سیستم صورت گرفته و با تعیین مقادیر بهینه متغیرها با توجه به مقدار تابع هدف بدست آمده، مقادیر جدید متغیرها با استفاده از معادلات - 1 - و - 2 - بدست آورده میشوند. این روند تا رسیدن به یک تعداد تکرار ماکزیمم و یا تکرار شدن مقدار کمینه بدست آمده براي تابع هدف در یک تعداد تکرار متوالی مشخص ادامه مییابد.
-3 بهینهسازي سیستم مخزن برقابی با استفاده از الگوریتم PSO
در مطالعات عملی سیستمهاي مخازن برقابی، به منظور محاسبه پتانسیل بده انرژي سیستم از یک مدل شبیهسازي مخزن بر مبناي اعتمادپذیري استفاده میشود. در ادامه، به توضیح در مورد یک مدل پرداخته شده و سپس نحوه استفاده از این مدل در الگوریتم قحب بهمنظور طراحی بهینه یک سیستم مخزن برقابی شرح داده میشود.
-1-3 مدل شبیه سازي مخزن برقابی بر مبناي اعتماد پذیري
به منظور تعیین ظرفیت نصب به ازاي هر تراز مشخص از احجام نرمال و حداقل بهره برداري، از آنجاکه ظرفیت نصب نیروگاه طی روند سعی و خطا تعیین میگردد، لازم است در ابتدا ظرفیت نیروگاه که متغیر تصمیم مدل میباشد تخمین زده شده و متناسب با این حدس اولیه، جریان خروجی و انرژي تولیدي نیروگاه در هر ماه تعیین گردد. سپس با تکرار فرآیند روندیابی جریان در طول ماههاي سري تاریخی، اعتمادپذیري تامین نیاز انرژي و دیگر شاخص هاي تولید انرژي برقابی تعیین گردد. بعنوان یک حدس اولیه براي ظرفیت نیروگاه می توان از رابطه - 3 - استفاده نمود:
که در این رابطه، IC حدس اولیه براي ظرفیت نیروگاه - MW - ، Qave میانگین جریانهاي ماهانه ورودي به مخزن - MCM - ، Hmax اختلاف تراز نرمال و تراز میانگین پایاب - m - ، PF ضریب کارکرد نیروگاه، a فاکتور کاهش دوره هاي خشک که مقدار آن بین 0/5 تا 0/8 درنظرگرفته می شود و nhours تعداد ساعات کار نیروگاه - hr - میباشد. در نبود مطالعات خاص بازار انرژي، مقدار انرژي مطمئن مطلوب ماهانه برابر با بده انرژي تخمین زده شده در نظر گرفته میشود. رابطه بده انرژي مطمئن مطلوب و ظرفیت نیروگاه و نیز رابطه انرژي تولیدي براساس جریان خروجی از مخزن به شکل زیر تعریف می شود:
که در این روابط، FE - t - بده انرژي مطمئن مطلوب برآورد شده در یک ماه - MWh - ، E - t - انرژي تولیدي طی دوره t - MWh - ، ep راندمان نیروگاه، R - t - جریان عبوري از توربین طی دوره - MCM - t، h1 - t - /h2 - t - تراز آب در مخزن در ابتدا و انتهاي دوره - m - t، hTAIL - t - تراز آب در پایاب نیروگاه طی دوره - m - t و hf - t - افت انرژي در نیروگاه طی دوره - m - t میباشند. در نتیجه جریان عبوري از توربین با توجه به روابط - 4 - و - 5 - از رابطه - 6 - بدست می آید:
با توجه به جریان خروجی بدست آمده، محاسبات روندیابی متوالی جریان در هر گام زمانی و با فرض ناچیز بودن میزان تبخیر از مخزن صورت میگیرد:
که در این رابطه، S - t - حجم آب مخزن در ماه t، Q - t - حجم آب ورودي به مخزن در ماه t، R - t - حجم آب عبوري از توربین نیروگاه در ماه t و Spill - t - سرریز در ماه میباشند. در هر گام زمانی از محاسبات حجم جریان خروجی از مخزن تعیین شده و براساس آن میزان انرژي تولیدي در آن گام زمانی مشخص میگردد. چنانچه حجم حداقل مخزن متناظر با رقوم حداقل بهره برداري را با Smin و حجم حداکثر مخزن متناظر با رقوم نرمال را Smax نشان دهیم، اگر پس از تعیین جریان خروجی از رابطه - 6 - ، Smin≤ S - t+1 - ≤ Smax باشد میزان خروجی از مخزن تغییر نمی کند و سرریز از مخزن وجود نخواهد داشت.
اگر S - t+1 - >Smax باشد در این صورت میزان دبی خروجی از سد افزایش یافته و در نتیجه میزان تولید انرژي در دوره مزبور افزایش می یابد. با تامین انرژي ثانویه حداکثر متناظر با ظرفیت نصب نیروگاه، مازاد بر جریان به عنوان سرریز در نظر گرفته میشود. در این صورت نیز مانند حالت قبل کمبودي در تولید انرژي وجود نداشته و انرژي ثانویه نیز به مقدار انرژي تولیدي افزوده میشود.
اگر S - t+1 - <Smin باشد، در این حالت رقوم مخزن کمتر از رقوم حداقل بهره برداري میباشد که در نتیجه میزان تولید انرژي برقابی کاهش مییابد و در این شرایط در تولید انرژي برقابی کمبود وجود خواهد داشت که یک شکست براي سیستم محسوب میگردد. با انجام این مراحل براي کل دوره زمانی، میزان اعتمادپذیري که به صورت نسبت تعداد ماههایی که نیاز ماهانه انرژي تامین میشود به تعداد کل ماهها تعریف شده محاسبه میگردد.