بخشی از مقاله
چکیده
موضوع تلفات در شبکههای توزیع، مسئله حائز اهمیتی بوده و از روشهای گوناگونی برای کاهش اقتصادی آن استفاده میشود. هدف این مقاله انتخاب بهینه هادیها بمنظور کاهش تلفات و صرفهجویی اقتصادی در شبکه توزیع شعاعی میباشد. روش کار بدین صورت است که تابع هدفی تشکیل میشود تا بتوان به حل مسئله انتخاب بهینه هادیها پرداخت. در این فرآیند بهینهسازی محدودیتهای ولتاژ و جریان مجاز هادیها در نظر گرفته میشود.
الگوریتم بکار رفته جهت بهینهسازی الگوریتم ژنتیک میباشد. روش مذکور بر روی یک شبکه نمونه و یک فیدر 400 ولت روستایی شهرستان کرج تحت پوشش شرکت توزیع نیروی برق استان البرز آزمایش شده، نتایج بدست آمده نشان دهنده کارایی روش در کاهش میزان تلفات به همراه کاهش هزینه اقتصادی سیستم و بهبود پروفیل ولتاژ میباشد. این روش قابل اجرا بر روی هر فیدر فشار متوسط و ضعیف از شبکههای توزیع شعاعی میباشد.
-1 مقدمه
از آنجا که اولین بخش اصلی تلف کننده انرژی در شبکه توزیع خطوط توزیع می باشند، انتخاب بهینه نوع و سطح مقطع هادیها در طراحی و بهینهسازی سیستمهای توزیع مقوله مهمی در کاهش تلفات بشمار میروند. از مشخصات یک مجموعه هادی ایدهآل داشتن مشخصات اقتصادی و ظرفیت هدایت کافی در طول سالهای عمر مفید آن است. علاوه بر این باید ولتاژ مناسب در انتهای دورترین فیدر در شرایط پیک بار را تامین کند.
مسئله بهینهسازی هادیها شامل تعیین بهینه سطح مقطع هادی در سیستم بگونهای است که کمترین هزینه اقتصادی سالیانه با توجه به تلفات توان، انرژی و هزینه هادیها حاصل آید در حالیکه محدودیتهای جریان و ولتاژ مجاز سیستم در نظر گرفته میشود.
مقاله هایی در زمینه انتخاب بهینه هادیها برای شبکههای توزیع به چاپ رسیده است که درآنها تمرکز روی کاهش هزینه به منظور بهبود پروفیل ولتاژ است1]و2و.[3 مقاله[4] به انتخاب بهینه هادیها با استفاده از روش فازی تکاملی میپردازد، هدف مینیمم سازی تابع هدف شامل هزینه سرمایهگذاری و تلفات ذکر شده است. مقاله [5] از یک الگوریتم ابتکاری برای انتخاب بهینه هادیها استفاده کرده که در آن هدف کاهش هزینه مرتبط با هادیها و تلفات با در نظر گرفتن قید ولتاژ و جریان ذکر شده است.
مقاله[6] به تعیین سطح مقطع بهینه کابلهای فشار متوسط با وجود بارهای غیر خطی با استفاده از تئوری تصمیم میپردازد. مقاله [7] از روش برنامه ریزی خطی برای انتخاب بهینه هادیها استفاده میکند.مقاله [8] انتخاب بهینه سطح مقطع هادی را با الگوریتم ژنتیک روی شبکه استاندارد انجام میدهد.
هدف مقاله حاضر کاهش اقتصادی تلفات با رعایت قیود ولتاژ و جریان در شبکه توزیع واقعی میباشد. در این مقاله یک شبکه نمونه با بار خطی و یک فیدر 400ولت روستایی بنام جِی تحت پوشش شرکت توزیع نیروی برق استان البرز شبیهسازی و بررسی شده است. تابع هدف این مقاله بصورت درآمد ناشی از بهبود انرژی و هزینه هادیها می باشد. نتایج حاصل از اعمال برنامه نشان دهنده کارایی روش و کاهش میزان تلفات و همچنین بهبود پروفیل ولتاژ میباشد.
-2 تئوری انتخاب بهینه سطح مقطع هادیها
-1-2تابع هدف
برای حل مسائل بهینه سازی تابع هدفی باید تشکیل شود و بسته بنوع بهینه سازی تابع هدف ماکزیمم یا مینیمم گردد. در این مسأله تابع هدف با توجه به نوع بهینهسازی که کاهش اقتصادی تلفات میباشد بصورت هزینه اقتصادی سیستم یعنی درآمد ناشی از بهبود میزان انرژی منهای هزینه مربوط به خرید و راهاندازی هادی میباشد، که می بایست بیشینه گردد. تابع هدف در رابطه - 1 - نشان داده شده است.
در حل مسأله بهینهسازی بروش انتخاب هادیهااصولاً یکی از قیودی که باید رعایت شود قید مربوط به محدودیت ولتاژ در شینهای شبکه مورد نظر میباشد.[8] این قید در واقع بیان میکند که محدوده ولتاژ هر شین شبکه مورد نظر نباید از حدود مجازی که قبل از اجرای برنامه برای آن در نظر گرفته میشود تجاوز نماید. این قید بصورت رابطه - 2 - برای هر شین شبکه در نظر گرفته میشود.
که در این رابطه Vmax و Vm i n به ترتیب حد مجاز بالا و پایین ولتاژ در شینهای شبکه برابر 1/05 و 0/92 پریونیت و Vi مقدار ولتاژ شین i ام شبکه می باشد.
قید دومی که باید رعایت شود، قید مربوط به حداکثر جریان مجاز عبوری از هادی است. این قید بصورت رابطه - 3 - در نظر گرفته میشود.
جریان گذرنده از هادی قرار گرفته بر روی خط l ام در شبکه می باشد و Imaxl مقدار حداکثر جریان مجاز عبوری از همان هادی قرار گرفته در خط l ام شبکه میباشد. شایان ذکر است در این روش قیود در هر مرحله ژنتیک مورد بررسی قرار میگیرند و اگر برقرار نباشند مقدار تابع هدف برابر عدد بزرگی قرار داده میشود.
-2-2 برنامه ژنتیک
روش کار بدین صورت است که شبکه مورد نظر در نرم افزار DIgSILENT مدلسازی میشود. ابتدا تلفات انرژی و توان قبل از بهینهسازی توسط پخش بار بر روی شبکه محاسبه میگردد. شایان ذکر است در این هنگام هر خط دارای یک نوع اولیه قبل از بهینهسازی میباشد. حال برنامه مربوط به الگوریتم ژنتیک اجرا میگردد و نسل اول یعنی کاندیداهای تعویض هادیهای موجود با هادی بهینه انتخاب میگردند، در واقع در این قسمت با ایجاد نسل اولیه هادیها که بعنوان پارامترهای گسسته هستند برحسب انتخاب الگوریتم ژنتیک بر روی سیستم نصب شده و آنگاه با توجه به مشخصات جدید در سیستم، پخش بار روی آن صورت میگیرد. نتایج پخش بار تلفات سیستم جدید میباشد.
در این حالت قیود چک شده و تابع هدف که همان تابع هزینه کل میباشد، محاسبه میگردد . در تکرار کروموزومهای بعدی تولید شده هر جوابی که بهینهتر باشد ذخیره خواهد شد. این تکرارها تا آخرین کروموزوم ادامه پیدا میکند و پس از آن مرحله انتخاب والدین در ژنتیک صورت گرفته و دوباره مراحل الگوریتم ژنتیک - تقاطع، جهش و نخبهگزینی - برای تولید نسلهای بعدی اجرا میشود. در نهایت زمانیکه تعداد تکرارها به پایان رسید پاسخ بهینه در خروجی چاپ خواهد شد.
جواب بهینه در پایان عملکرد برنامه بهینهسازی اقتصادی تلفات، مکان و نوع هادیهای منتخب جهت تعویض خطوط شبکه می باشد. جواب نهایی بگونهای حاصل می شود که با توجه به کاهش تلفات در سیستم و بهبود مقدار ولتاژ شینهای شبکه، هزینه سالیانه سیستم نیز از لحاظ اقتصادی بهبود مییابد. شایان ذکر است این برنامه قابلیت اجرا بر روی شبکه توزیع فشار متوسط و ضعیف را دارد. در این مسأله بهینهسازی ، مقدار تلفات با اعمال ضریبی در برنامه بمدت چند سال در صورت پیش بینی بار شبکه قابل محاسبه است. در قسمت بعد کارایی روش ذکر شده برروی یک شبکه نمونه 20 کیلوولت و یک فیدر 400 ولت روستایی امتحان شده است.
-3 مطالعه عددی
-3-1 مشخصات شبکه نمونه
این شبکه نمونه، یک شبکه توزیع شعاعی تک خطی مطابق شکل - 1 - دارای 9 شین و ولتاژ 20کیلوولت میباشد.[9] اطلاعات بارهای این شبکه در جدول - 1 - آورده شده است. جدول - - 2 نوع هادیهای منتخب جهت جاگذاری در شبکه را نشان میدهد. در این جدول مقدار مقاومت، راکتانس، قیمت در واحد طول 5 نوع هادی و نیز حداکثر جریان مجاز عبوری از آنها بر حسب آمپر آورده شده است.
شکل:1 شبکه نمونه 9 شینه
قیمت هادیها بعنوان یکی از ورودیها به برنامه داده میشود. در این روش طول عمر متوسط هادیها 10 سال در نظر گرفته شده و در نتیجه هزینه ذکر شده در جدول - - 2 در محاسبات به یکسال سرشکن میشود، چون در صورت بهینهسازی در شبکه باید بازگشت سرمایه را در یکسال آینده در نظر گرفته شود.
جدول:1 اطلاعات بارهای شبکه 10 شینه
جدول:2 مشخصات هادیهای منتخب
-3-2 اعمال برنامه برروی شبکه نمونه
پس از شبیهسازی شبکه مذکور در نرم افزار DIgSILENT محاسبات پخش بار بر روی آن صورت گرفته و تلفات سالیانه شبکه قبل از بهینهسازی بدست آمده است. با اعمال برنامه بهینهسازی نوع بهینه هادیهای قابل نصب در شبکه بمنظور کاهش اقتصادی تلفات تعیین میشود. جدول - 3 - اطلاعات خطوط شبکه را نشان میدهد که شامل طول خط، نوع خط قبل و بعد از بهینهسازی و شماره شین ابتدا وانتهای آن است. جدول - 4 - شامل نتایج قبل و بعد از بهینهسازی میباشد.
در طی اجرای این الگوریتم از بین پاسخهای ژنتیک بهترین پاسخ از نظر بیشترین صرفهجویی اقتصادی در سیستم انتخاب شده است. شایان ذکر است در این شبیه سازی ارزش تلفات انرژی الکتریکی که در واقع همان مقدار Ecost در تابع هدف بهینه سازی میباشد برابر با 982 ریال بر کیلووات در ساعت - معادل با ارزش سالانه آن یعنی 7718520 ریال بر کیلو وات - انتخاب شده است. و این پارامتر قابل تغییر در برنامه نوشته شده میباشد. میزان بهبود تلفات سیستم در این حالت نسبت به حالت قبل از بهینه سازی برابر 89/8 کیلووات یعنی %6 است.
در این حالت بهبود هزینه اقتصادی کل سیستم برابر با 772 میلیون ریال خواهد شد. ملاحظه میشود با انتخاب این هادیها علاوه بر کاهش اقتصادی تلفات ولتاژ شبکه نیز بهبود یافته است، چرا که قبل از بهینهسازی مقدار ولتاژ مینیمم 0/81 پریونیت در سیستم های توزیع مقدار کم و غیر قابل قبولی میباشد. شکل - 2 - پاسخهای الگوریتم ژنتیک را طی 7 بار اجرا نشان میدهد. این شکل نشان میدهد که اگر بهترین پاسخ بدست آمده بعنوان نقطه بهینه در نظر گرفته شود، %42 از پاسخها با تلرانس ناچیزی از پاسخ بهینه قرار دارند. بعبارت دیگر احتمال رسیدن به پاسخ بهینه با تلرانس %1 برابر 0/4 میباشد.
جدول:3 مشخصات خطوط شبکه
جدول :4 مقایسه نتایج قبل و بعد از بهینهسازی
شکل:2 پاسخهای الگوریتم ژنتیک طی 7 اجرا
-3-3 مشخصات فیدر فشار ضعیف واقعی
در این قسمت روش مذکور بر روی یک فیدر 400 ولت از شبکه توزیع واقعی آزمایش میشود. اطلاعات این فیدر توسط شرکت توزیع نیروی برق استان البرز برداشت شده است. جهت سهولت در برداشت اطلاعات فیدر مذکور یک شبکه روستایی شعاعی کوچک با حدود 95 مشترک میباشد. مصرف عمده فیدر خانگی است. ترانسی که این فیدر را تغذیه میکند دارای ظرفیت 200 کیلوولت آمپر میباشد.
برای شبیهسازی فیدر مذکور نیاز به آگاهی از میزان بار میباشد. بار یک مشتری شخصی یا گروهی از مشتریان در شبکه توزیع دائما در حال تغییر است. آنچه از میزان مصرف این فیدر در اختیار میباشد میانگین مصرف سالیانه هر مشترک است.
