بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مقايسه الگوريتم هاي بهينه سازي ژنتيک و ICA در جايابي مولدهاي توليد پراکنده در شبکه هاي توزيع
چکيده - استفاده از واحدهاي توليد پراکنده ، که به منظور تامين توان در شبکه هاي توزيع به کار مي روند، مي تواند تاثيرات بسيار زيادي بر روي شبکه هاي توزيع داشته باشد. امروزه از جمله مشکلات شبکه هاي توزيع وجود نامتعادلي ولتاژ، بالا بودن تلفات و مناسب نبودن پروفيل ولتاژ در آنها مي باشد، با جايابي بهينه منابع توليد پراکنده ، مي توان تا حد ممکن اين مشکلات را برطرف کرد. اساس تابع هدف استفاده شده در اين مقاله بر پايه کاهش تلفات و بهبود پروفيل ولتاژ مي باشد که بطور همزمان اندازه و محل مولد توليد پراکنده را تعيين مي کند. شبيه سازي براي دو الگوريتم ژنتيک و ICA انجام شده است . سپس دو الگوريتم از لحاظ سرعت پاسخ دهي و تاثيرپذيري نسبت به پارامترهاي تنظيم با يکديگر مقايسه مي شوند.
کليد واژه - توليد پراکنده ، سيستم توزيع ، جايابي بهينه ، بهينه سازي ژنتيک ، بهينه سازي ICA.
١- مقدمه
استفاده از مولدهاي توليدپراکنده در شبکه هاي توزيع با توجه به مزاياي اين مولدها در حال افزايش است . با وجود مزاياي فراوان مولدهاي DG يکي از مزايايي که معمولاً در جايابي و استفاده از اين مولدها مورد تأکيد است . کاهش تلفات شبکه هاي توزيع و انتقال مي باشد[١].
استفاده از اين مولدها بدون مطالعات جايابي و مطالعه شبکه توزيع و انتقال علاوه براينکه باعث کاهش تلفات شبکه نمي شود ممکن است ساير فاکتورهاي مهم شبکه از جمله قابليت اطمينان و سطح ولتاژ در شبکه توزيع را مختل کرده و هارمونيک هاي ولتاژ را در شبکه افزايش دهد. علاوه بر آن عدم حفاظت مناسب از مولدهاي توليد پراکنده مي تواند براي تعميرکاراني که به هنگام خاموشي شبکه مشغول کار هستند خطرناک باشد[٩].
توليد پراکنده شده يا توزيع شده (DG) سيستم قدرت را در سطح شبکه توزيع و انتقال به خصوص شبکه توزيع تحت تاثير اثرات حضور خود در شبکه قرار مي دهد[٦].
روش هاي مختلفي براي جايابي مولدهاي توليدپراکند در شبکه وجود دارد. هر يک ازاين روش ها اهداف گوناگوني را براي جايابي مولدهاي توليد پراکنده در شبکه دنبال مي کنند[٨-٧].
يکي از اين اهداف که بيشتر در تحقيقات جايابي مورد توجه بوده جايابي به منظور کاهش تلفات و بهبود پروفيل ولتاژ است [١٠].
جايابي صحيح مولد توليدپراکنده منجر به صرفه جويي در توان ميگردد و شبکه را از جابجايي توان اضافي آزاد مي سازد. روش هاي جايابي مولدهاي توليد پراکنده که به منظور کاهش توان تلف شده [١١] استفاده مي شود گوناگون هستند. در اين مقاله نيز دو روش براي جايابي مورد بررسي و مقايسه قرار ميگيرد.
٢- الگوريتم هاي پيشنهادي
٢-١- الگوريتم رقابت استعماري ICA
الگوريتم رقابت استعماري Imperialist Competitive) (ICA -Algorithm روشي در حوزه محاسبات تکاملي است که به يافتن پاسخ بهينه مسائل مختلف بهينه سازي می پردازد.
اين الگوريتم با مدلسازي رياضي فرايند تکامل اجتماعي - سياسي، الگوريتمي براي حل مسائل رياضي بهينه سازي ارائه ميدهد. از لحاظ کاربرد، اين الگوريتم در دسته الگوريتم هاي بهينه سازي تکاملي همچون الگوريتم هاي ژنتيک ( Genetic Algorithms) ، بهينه سازي انبوه ذرات Particle Swarm Optimization، بهينه سازي کلوني مورچگان Ant Colony Optimization، تبريد فلزات شبيه سازي شده (Simulated Annealing)و ... قرار مي گيرد. پايه هاي اصلي اين الگوريتم را سياست همسان سازي، رقابت استعماري و انقلاب تشکيل ميدهند. اين الگوريتم با تقليد از روند تکامل اجتماعي، اقتصادي و سياسي کشورها و با مدلسازي رياضي بخشهايي از اين فرايند، عملگرهايي را در قالب منظم به صورت الگوريتم ارائه ميدهد که ميتوانند به حل مسائل پيچيده بهينه سازي کمک کنند.ميتوان اينويژگيهارا ملاحظه کرد و درصورت لزوم تغييرداد.
٢-٢- الگوريتم ژنتيک
ايده الگوريتم ژنتيک از دو اصل انتخاب و توليد نسل در طبيعت بهره برده است . با گذشت زمان ساختار ژنتيکي موجودات تغيير کرده و نسل هاي جديدتر با محيط سازگاري بيشتري دارند. بدين طريق که امکان زنده ماندن و توليد مثل موجودات قويتر بيشتر از موجودات ضعيفتر مي باشد. در نسل هاي جديد ساختار ژنتيکي موجودات قوي تکرار مي شود و موجودات ضعيف از بين مي روند. در بعضي موارد نيز جهش به وجود مي آيد بدين معني که از آميزش دو موجود، موجودي متولد مي شود که بر اثر جهش ژنتيکي خيلي بهتر يا بدتر از والدين خود مي باشد و به تعبيري يک نابغه يا يک عقب مانده متولد مي شود و در نسل هاي بعدي تاثير مي گذارد. طبيعت تضمين مي کند که اين نوع زاد و ولد موجب توليد موجودات بهتر شود. الگوريتم ژنتيک بر اين اساس ابزاري ساده ، ولي قدرتمند است . الگوريتم ژنتيک يک روش بهينه سازي بر اساس جستجو مي باشد که توسط جان هولند و شاگردانش در دهه ١٩٧٧ در دانشگاه ميشيگان ارائه شد[٩].
GA جستجو را به وسيله جمعيتي از نقاط انجام ميدهد که تعداد اين نقاط نيز مهم است ، به اين صورت که تعداد جمعيت زياد محاسبات را زياد کرده و کندتر به جواب بهينه نزديک مي شود و تعداد جمعيت کم فضاي جستجو را به خوبي پوشش نداده و ممکن است الگوريتم در يک جواب محلي متوقف شود[١٠].
٣- پخش بار
در اين مقاله با بهينه سازي روش پخش با پيشرو.پسرو براي شبکه هاي توزيع ، حل مسئله پخش بار به حل روابط ساده امپدانسي تبديل ميشود. به منظور پخش بار شبکه توزيع شعاعي از روش پيشرو پسرو استفاده شده است . فرمول بندي اين روش يک سري معادلات تکراري از نگاه توان و ولتاژ شبکه ميباشد
[٤-٢]. با در نظر گرفتن شکل شعاعي فيدر توزيع روش پيشرو پسرو به صورت روابط (١) و (٢) بيان ميگردد. در پخش بار به روش پيشرو پسرو ابتدا ولتاژ باس انتهايي در نظر گرفته مي شود. سپس با کمک روابط پسروکه در معادله (٣) آمده است ، با دانستن توان بارها و مقادير خطوط ، توان و ولتاژ هر باس تا باس ابتدا به دست مي آيد. پس از رسيدن به باس ابتدايي که همان باس مبنا مي باشد، حرکت پيشرو آغاز ميشود. در مسير پيشرو با توجه به اين که ولتاژ و زاويه باس مبنا مشخص است از توان هاي بدست آمده از مسير پسرو ولتاژ هر باس تا باس انتهايي به کمک رابطه (٤) بدست مي آيد[١٥].
اين عمل آنقدر تکرار مي گردد تا شرط همگرايي حاصل شود.
٤- سناريو مورد مطالعه
در اين مقاله ، يک تابع چند هدفه را به منظور تعيين پارامترهاي بهينه سازي به منظور کاهش تلفات توان و بهبود پروفيل ولتاژ در نظر ميگيريم .
٤-١- کاهش تلفات توان
يکي از مهمترين دلايل استفاده از توليد پراکنده در شبکه ، نزديک تر شدن محل توليد به محل مصرف و در نتيج کاهش تلفات مي باشد [١٢]. در نتيجه به دليل امکان توليد در محل مصرف ، از توان انتقالي پست و شين هاي ابتدايي فيدر کاسته شده که اين مسئله با توجه به انتخاب تجهيزات ، از نظر اقتصادي نيز داراي اهميت مي باشد [١٧]. تابع هدفي که براي کاهش تلفات توان در مقاله بکار رفته است , بصورت معادله (٥) مي باشد:
هدف از مسئله حداقل کردن تلفات توان مي باشد تلفات توان از رابطه (٦) بدست ميآيد:
٤-٢- بهبود پروفيل ولتاژ
افت ولتاژ در شبکه هاي شعاعي معمولا در اتهاي شبکه (دورترين نقطه ) اتفاق مي افتد. لازم به ذکر است که افزايش افت ولتاژ افزايش تلفات ولتاژ را نيز در پي دارد [١٦]. کاهشي بودن پروفيل ولتاژ در شبکه هاي توزيع شعاعي به دليل نبود منابع توليد پراکنده مي باشد، يعني ولتاژ در نزديکي منبع نزديک به يکاک ش پريومنيت ياببدودکه ه ومهير توچانه دازتاثمينرباع ت دمونرف ميير شبراوييم ,م اصنردف ازه کنونلتداه ها داشته باشد [١٤-١٣]. تابع هدفي که براي مکان يابي و تعيين اندازه بهينه منابع توليد پراکنده براي بهبود پروفيل ولتاژ بکار رفته است به صورت معادله (٧) مي باشد:
ولتاژ مطلوب که برابر يک پريونيت در نظر مي گيريم محدوده ولتاژ باس i-ام
قيود حاکم بر مسئله به صورت زير مي باشد
قيد توازن
حدوده توليد توان اکتيو و راکتيو توسط منابع
محدوده تلفات شبکه :
براين اساس نکاتي که بايستي به آن توجه کنيم و در بهينه سازي مکان DG به ان توجه داشت عبارتند از:
پروفايل ولتاژ باس ها: شاخص انحراف ولتاژ مورد استفاده شاخص مجموعه مربعات اختلاف ولتاژ هر باس با باس مبنا مي باشد:
تلفات توان سيستم : توان تلف شده در خطوط سيستم از رابطه زیر به دست می اید
کفایت تولید سیستم برای پاسخگویی به نیاز متغیر ها : شاخص تعادل توان شاخص عدم تولید و بار است که در معامله 14 بیان شده است .
این تحلیل و بررسی ها برای نمونه های متنوع اشفتگی سیستمی به منظور نشان دادن تاثیر منابع پایدا انرژی در سیستم توزیع به کار گرفته شده است [18] . پس تابع هدف مساله بهنیه سازی بصورت ترکیب 3 نکته فوق میباشد و در نتیجه فرم تابع هدف بصورت معادله 15 تعیین میکنیم که جمله اول تلفات سیستم و جمله دوم افت ولتاژ سیستم توزیع است که بایستی حداقل گردد .
در شبکه توزيع بايد از الگوريتم هاي بهينه سازي استفاده کرد.
در اين جا به منظور تعيين مقدار بهينه منابع انرژي تجديد پذير از الگوريتم هاي بهينه سازي ژنتيک و رقابت استعماري استفاده شده است .
نمودار تک خطي سيستم ٣٣ شين IEEE در شکل (١) نشان داده شده است . سيستم ٣٣ شين ، داراي ولتاژ نامي ١٢.٦٦ کيلوولت ، چهار فيدر و ٣٢ نقطه بار است . مشخصات آن در مرجع [٥] آمده است .
شکل ١: شبکه ٣٣ شينه اصلاح شده IEEE
اطلاعات الکتريکي مربوط به بار، خطوط و شاخه هاي ارتباطي در سيستم ٣٣ شين ، بر اساس مرجع IEEE بوده و توزيع باراکتيو و راکتيو مصرف کنندگان در شکل (٢) قابل رويت است .
شکل ٢: ميزان توان اکتيو و راکتيو شبکه ٣٣ باسه
به منظور بهينه سازي مکان و توان نصب توليدپراکنده با الگوريتم ژنتيک بايد کروموزوم را به صورت ترکيب دومجموعه ژن با محتواي شماره باس نصب توليد پراکنده و مجموعه ژن توان توليدي هر واحد درنظر بگيريم و در مجموع طول کروموزوم دو برابر تعداد منبع توليد قابل نصب ميگردد.براي مثال اگر ٣ واحد توليد پراکنده اماده بهينه سازي توان و مکان نصب باشند.کرموزوم بصورت جدول (١) ميگردد:
که با تغيير
• نرخ عملگر ازدواج
• نرخ عملگر جهش
• تکرار نسل
تا رسيدن به مقدار مطلوب بهينه ,نهايتا مجموعه جواب بهينه بدست ميايد.
بهينه سازي مکان و توان نصب توليدپراکنده با الگوريتم استعماري نيز بايد امپراتوري را به صورت ترکيب دومجموعه کشور با محتواي شماره باس نصب توليد پراکنده و توان توليدي هر واحد درنظر بگيريم و در مجموع درجه قدرت امپراتوري و مستعمره ها ، دو برابر تعداد منبع توليد قابل نصب ميگردد.
که با تغيير:
• ضريب نفوذ هزينه مستعمره
• نرخ و احتمال انقلاب
• نرخ همسان سازي
تا رسيدن به مقدار مطلوب بهينه ,نهايتا مجموعه جواب بهينه بدست ميايد.
٦- شبيه سازي
به منظور شبيه سازي بايستي درنظر گرفت که توان توليدي منابع پراکنده در محدوده مشخص مي باشد که معمولا حداقل ١٠٠ کيلووات و حداکثر ١.٥ مگاوات ميباشد و بمنظور بهينه سازي ظرفيت بهينه توليد بايستي محدوده توليد را بصورت پله ١٠٠ کيلووات درنظر گرفت تا توان منابع در محدوده استاندارد و بدون رقم اعشار گردد.
