بخشی از مقاله
چکیده:
پیچیدگی هاي موجود در مسائل بهینهسازي مهندسی به طور عام و منابع آب به طور خاص، ازکارایی روشهاي معمول بهینه سازي کاسته و لزوم بکارگیري الگوریتمهاي جدید - فراکاوشی - را نمایان ساخته است. این الگوریتمها نوعی الگوبرداري از رفتار موجودات زنده بوده و در واقع با شبیه سازي رفتار جانداران به جستجوي نقطه بهینه میپردازند.
هدف اصلی از بکارگیري الگوریتمهاي فراکاوشی در حل این گونه مسائل، ارائه مجموعهاي از نقاط است که میتوان امیدوار بود، حالات بهینه و یا نزدیک به آنها را آشکار سازد. در این تحقیق، ابتدا کاربرد الگوریتم رقابت استعماري در حل مسائل بهینه سازي بررسی گردیده و پس از اطمینان ازکارایی الگوریتم فوق، بهره برداري بهینه تک هدفه سیستم مخازن، با هدف برقابی بررسی شده است که نتایج توانایی الگوریتم رقابت استعماري در دستیابی به نقاط نزدیک بهینه را نشان میدهد.طبق این نتایج الگوریتم رقابت استعماري توانایی بدست آوردن متغیرهاي مسئله یعنی رقوم حداقل بهره بردلري ،حداقل رقوم نرمال و ظرفیت نصب نیروگاه را داراست.
.1 مقدمه:
انرژي برق از اساسی ترین نیازهاي زندگی در قرون جدید بشمار میرود، آمارهاي جهانی در تقاضاي رو به رشد دنیا نشان میدهد که حدود 70 درصد سرمایه گذاریهاي جهانی در توسعه ي بخش انرژي- معادل 11 تریلیون دلار- طی سه دهه آینده به تأمین برق اختصاص دارد بطوریکه این رقم 3 برابر رقم معادل 3 دهه گذشته است. در این راستا ارزیابی پتانسیل هیدروانرژي در این طرحها با استفاده از روشهاي تحلیل سیستم و مدلهاي شبیهسازي و بهینهسازي سالها است که مورد توجه بوده است. از فعالیتهاي مزبور میتوان به شبیهسازي بهرهبرداري از مخازن با هدف تولید انرژي و تامین نیاز آبی، کنترل اعتمادپذیري تولید انرژي برقابی در رقابت با سایر روشهاي تولید انرژي، شبیهسازي بر مبناي اعتمادپذیري در سیستمهاي چندمخزنه و.... اشاره کرد.
انرژي برقابی به عنوان یک منبع پاك، تجدید پذیر و قابل اطمینان، انرژي ارزانی را تولید میکند زیرا طبیعت، آب را رایگان در اختیار ما قرار میدهد.
بهرهبرداري از نیروگاههاي آبی یکی از مسائل روز به شمار میآیدکه از پیچیدگیهاي فراوانی برخوردار است. بهرهبرداري به معناي استفاده از امکانات و منابع به منظور دست یافتن به بالاترین منفعت از قدیم الایام تا کنون همواره یکی از چالشهاي بشري محسوب میشود. . بهینهسازي بهرهبرداري از مخازن سدها از جمله مسایل مهم در علوم مهندسی آب میباشد که تاکنون از طریق انواع روشهاي بهینهسازي شناخته شده مورد ارزیابی قرار گرفته است
در گذشته معمولاً از روشهاي بهینهسازي سنتی استفاده میشده است این روشها در مقایسه با روشهاي فرکاوشی بسیار پیچیده هستند و نیاز به حل معادلات پیچیده ریاضی دارند که با صرف وقت و هزینه بسیار همراه است که با بیشتر شدن ابعاد مساله دیگر پاسخگو نیستند ولی روشهاي فراکاوشی که الهام گرفته از طبیعت هستند ضمن سادگی در وقت و هزینه صرفه جویی کرده و محدودیت ابعادي ندارند ولی برخلاف روش هاي سنتی به جواب مطلق نمیرسند و جوابی نزدیک به بهینه را ارائه میدهند به همین دلیل در دهه اخیر گرایش کارشناسان به روشهاي فرا کاوشی بیشتر شده است.
در این تحقیق از بین آنها روش الگوریتم رقابت استعماري به عنوان موتور بهینه ساز انتخاب و بررسی شده است که باید جهت شبیه سازي جریان نیز به یک موتور شبیه ساز متصل شود. بدیهی است که هیچیک از این روشها به جواب مطلق بهینه دست نیافته و تنها جوابی نزدیک بهینه را ارایه میدهد. مدل توسعه یافته در این تحقیق یک مدل شبیه سازي – بهینه سازي طراحی-بهره برداري بهینه از مخازن آبی با اهداف برقابی میباشد، نرم افزار شبیه ساز براي احتساب نیاز برقی در سیستمهاي چند مخزنه نرم افزار متلب میباشد.
این نرم افزار همچنین بعنوان بهینه ساز تحت الگوریتمICA در بهینه سازي اقتصادي ظرفیت سدها و نیروگاههاي سیستم چند مخزنه برقابی خرسان مورد استفاده قرار میگیرد. در این تحقیق ابتدا سعی در رفع این کاستیهاي این نرم افزار در انجام محاسبات برقآبی و سپس مدل اصلاح شده به مدل بهینه سازي ICA و براي یافتن مقادیر متغیرهاي طراحی یعنی رقوم نرمال، رقوم حداقل بهرهبرداري سد و ظرفیت نیروگاه سد متصل شده است.
.2 مروري بر مطالعات گذشته
امامی و همکاران - - 1390 در بررسی مدل بهینه سازي –شبیه سازي در طراحی و بهره برداري بهینه از سیستم هاي چندمخزنه برقابی با ترکیب الگوریتم بهینه سازي اجتماع ذرات و مدل MODSIM و با مطالعه موردي سیستم سه مخزنه برقابی خرسان با اعمال سیاست بهره برداري استاندارد برقابی در مدل شبیه ساز صورت گرفته است، همچنین در فرایند بهینه سازي، طراحی و بهره برداري از سیستم برقابی مورد بررسی قرار گرفته است.
در مدل ترکیبیمقادیر جریان عبوري از توربین و تراز هر مخزن به منظور تامین انرژي مطمئن در هر گام زمانی، که از طریق حل الگوریتم NFP و روش روندیابی متوالی جریان با استفاده از سیاست استاندارد برقابی به دست می آید، از MODSIM به pso بازگردانده می شود و مقدار تابع هدف براي هر نقطه کاندید در درون فضاي جستجوي چندبعدي مساله توسط pso محاسبه می گردد.
محمدي و همکاران - - 1388 در برنامه ریزي تخصیص بهینه منابع آب در حوضه آبریز زنجانرود، میزان تخصیص بهینه براي طر حهاي توسعه منابع آب در این حوزه با رعایت اولویت هاي مصرف با سناریوهاي مختلف در زمینه محاسبه میزان دبی حداقل زیست محیطی، بررسی نمودند و در واقع مدلی از یک زیرحوضه آبریز با مدلسازي سدهاي مهم آن و منابع آب حوزه ساخته شد تا تصمیمات اتخاذشده براي میزان تخصیص آب از هر سد به صورت انفرادي نباشد و اثر کلیه سدهاي بالادستی لحاظ گردد.
میبدي و همکاران - - 2001 میلادي کاربرد شبیه سا زي و بهینه یا بی در برنامه ریزي تصادفی را بررسی کردند. آنها با استفاده از شبیه سازي مونت کارلو و در نظر گرفتن آن در برنا مه ریزي دو مرحله اي استوکستیک با متغیرهاي کمکی نشان داد هاند که براي در نظر گرفتن عدم قطعیت عملگر مقدار انتظاري مناسب نمیباشد و همچنین همگرایی مسأله به جواب واقعی با زیاد شدن تعداد نمونه ها افزایش مییابد. بالاخره تعداد 10 تا 30 نمونه براي بیشتر مسائل عملی کفایت میکند
هوتا و همکاران - - 1999 میلادي پس از تحقیقاتی به این نتیجه رسیدند که که برنامه ریزي تکاملی، پاسخ هایی به صورت سراسري و به مراتب بهینه تر از الگوریتم هاي جستجو بر اساس مشتق به دست میدهد. تنها مسأل هاي که درمدل ایشان وجود داشت زمان حل مدل نسبت به الگوریتم ذکر شده بود که آن هم با به کار بردن استراتژي هاي ویژ هاي قابل کاهش است.
.3 الگوریتم رقابت استعماري
الگوریتم رقابت استعماري که از رقابتهاي استعماري الهام گرفته شده است، بطور خلاصه، این الگوریتم، از چندین کشور در حالت اولیه شروع میشود. کشورها در حقیقت جوابهاي ممکن مساله هستند و معادل کروموزوم در الگوریتم ژنتیک و ذره در بهینهسازي گروه ذرات هستند. همه ي کشورها، به دو دسته تقسیم میشوند: امپریالیست و مستعمره. کشورهاي استعمارگر با اعمال سیاست جذب - همگونسازي - در راستاي محورهاي مختلف بهینهسازي، کشورهاي مستعمره را به سمت خود میشکند. رقابت امپریالیستی در کنار سیاست همگونسازي، هستهي اصلی این الگوریتم را تشکیل میدهد و باعث میشود که کشورها به سمت مینیمم مطلق تابع حرکت کنند. قدرت کل یک امپراطوري به صورت مجموع قدرت کشور استعمارگر به اضافه درصدي از قدرت میانگین مستعمرات آن تعریف میشود.
یعنی در طی رقابت استعماري، امپراطوريهاي ضعیف، به تدریج قدرت خود را از دست داده و به مرور زمان با تضعیف شدن از بین میروند. رقابت استعماري باعث میشود که به مرور زمان، به حالتی برسیم که در آن تنها یک امپراطوري در دنیا وجود دارد که آن را اداره میکند. این حالت زمانی است که الگوریتم رقابت استعماري با رسیدن به نقطه بهینه تابع هدف، متوقف میشود.
همانند دیگر الگوریتمهاي تکاملی، این الگوریتم، نیز با تعدادي جمعیت اولیه تصادفی که هر کدام از آنها یک "کشور" نامیده میشوند؛ شروع میشود. تعدادي از بهترین عناصر جمعیت - معادل نخبهها در الگوریتم ژنتیک - به عنوان امپریالیست3 انتخاب میشوند. باقیمانده جمعیت نیز به عنوان مستعمره4، در نظر گرفته میشوند. استعمارگران بسته به قدرتشان، این مستعمرات را با یک روند خاص که در ادامه میآید؛ به سمت خود میکشند. قدرت کل هر امپراطوري، به هر دو بخش تشکیل دهنده آن یعنی کشور امپریالیست - به عنوان هسته مرکزي - و مستعمرات آن، بستگی دارد. در حالت ریاضی، این وابستگی با تعریف قدرت امپراطوري به صورت مجوع قدرت کشور امپریالیست، به اضافه در صدي از میانگین قدرت مستعمرات آن، مدل شده است.
با شکلگیري امپراطوريهاي اولیه، رقابت امپریالیستی میان آنها شروع میشود. هر امپراطورياي که نتواند در رقابت استعماري، موفق عمل کرده و بر قدرت خود بیفزاید - و یا حداقل از کاهش نفوذش جلوگیري کند - ، از صحنه رقابت استعماري، حذف خواهد شد. بنابراین بقاي یک امپراطوري، وابسته به قدرت آن در جذب مستعمرات امپراطوريهاي رقیب، و به سیطره در آوردن آنها خواهد بود. در نتیجه، در جریان رقابتهاي امپریالیستی، به تدریج بر قدرت امپراطوريهاي بزرگتر افزوده شده و امپراطوريهاي ضعیفتر، حذف خواهند شد. امپراطوریها براي افزایش قدرت خود، مجبور خواهند شد تا مستعمرات خود را نیز پیشرفت دهند.
.4 بهرهبرداري از مخزن به منظور تأمین نیاز برقآبی
چنانچه مخزن به منظور تأمین نیاز برقآبی استفاده شود، میتوان تابع هدف را به صورت کمینهسازي اختلاف توان تولیدي نیروگاه از حداکثر توان تولیدي آن در نظر گرفت. در این حالت با افزایش خصوصیات غیرخطی مدل، بر پیچیدگیهاي حل مسئله افزوده میشود.
که در آن = Def شاخص کمبود کل، = Pi,t توان تولیدي نیروگاه iام در طول دوره t برحسب مگاوات و = PPCi ظرفیت نصب نیروگاه i ام برحسب مگاوات میباشد. توان تولیدي نیروگاه از رابطه زیر محاسبه میشود:
که در آن =γ وزن حجمی آب، = ei,t بازده نیروگاه iام در طول دورة t میباشد، که مجموع بازده توربین و ژنراتور استبازده. ژنراتور معمولاً ثابت فرض میشود ولی بازده توربین با توجه به پارامترهاي بهرهبرداري نظیر هد و دبی تغییر میکند
معمولاً این تغییرات در پروژههاي بزرگ با دقت بسیار بالا در نظر گرفته میشود و در این مطالعه مقدار بازده ثابت فرض شده است. = RPi,t مقدار آب ورودي به نیروگاه iام در دوره t که از روي Rit حاصل از رابطه پیوستگی محاسبه میشود و مقادیر اضافی آن مطابق رابطه - 14-2 - سرریز میشود. =PFi,t ضریب کارکرد نیروگاه iام در طول دوره t میباشد که براساس ساعات پیک مصرف تعریف میشود.
بنابراین با توجه بهاینکه بار پیک معمولاً کمتر از هشت ساعت در روز میباشد و از طرفی با توجه به اینکه ضریب کارکرد از نسبت ساعات بار پیک به 24 ساعت روزانه حاصل میشود، بنابراین همواره کمتر از 0/33 میباشد که در این مطالعه بهصورت ثابت براي کل دورهها درنظر گرفته شده است. = Mult ضریب تبدیل واحد میلیونمترمکعب در دوره t به متر مکعب بر ثانیه، = H i,t متوسط تراز آب مخزن iام در طول دوره t از سطح دریا، = TWi,t تراز آب پایاب از سطح دریا در مخزن iام میباشد.
