بخشی از مقاله
چکیده
شبکه های توزیع وسیع ترین بخش شبکههای الکتریکی هستند. به دلیل ولتاژ پایین و گستردگی زیاد بیشترین تلفات انرژی الکتریکی مربوط به این شبکه ها می باشد. روشهای زیادی برای کاهش تلفات شبکه توزیع پیشنهاد شده است. باز آرایی شبکه توزیع و جایابی منابع تولید پراکنده از روشهای بسیار موثر هستند که در این مقاله به کار گرفته می شوند.
در این مقاله با استفاده از نظریههای ریاضی، روشی برای شعاعی کردن شبکه توزیع و اجرای بازآرایی ارائه شده است. روش کد کردن مسئله بازآرایی و جایابی منابع تولید پراکنده و پیادهسازی آن با الگوریتم ژنتیک شرح داده شده و تابع ارزیابی جهت استفاده در الگوریتم بهینه سازی هوشمند معرفی شده است. با توجه به ویژگی های شبکههای توزیع شعاعی، روش پخش بار مناسب برای این شبکهها ارائه شده است.
تعداد، اندازه و مکان مناسب منابع تولید پراکنده در شبکه 33 شینه استاندارد بررسی شده است. جایابی منابع تولید پراکنده در آرایشهای مختلف شبکه انجام شده و تأثیر آرایش شبکه بر مکان و اندازه منابع تولید پراکنده بررسی و روش پیدا کردن بهترین آرایش برای جایابی منابع تولید پراکنده معرفی شده است. در پایان اثر افزایش تعداد منابع تولید پراکنده و افزایش ظرفیت آنها بر کاهش تلفات سیستم بررسی شده است.
مقدمه
شبکه توزیع وسیعترین بخش شبکه برق میباشد. به دلیل ولتاژ پایین و وسعت زیاد بیشترین تلفات انرژی الکتریکی در این شبکه اتفاق میافتد. تا کنون روشهای بسیاری برای کاهش تلفات شبکه توزیع پیشنهاد شده است.
از میان همه روشها، بازآرایی شبکه توزیع و جایابی منابع تولید پراکنده موضوع این مقاله میباشند. هر دو موضوع از مسائل بهینهسازی بسیار مهم و پیچیده هستند. شبکههای توزیع به گونهای طراحی و برنامه ریزی میشوند که هم هزینه سرمایه گذاری پایینی داشته باشند و هم هزینه بهرهبرداری آنها مناسب باشد. یکی از تمهیدات در نظر گرفتهشده در شبکههای توزیع حضور خطوط پشتیبان یا رزرو است. درواقع شبکههای توزیع به صورت حلقوی و متصل به هم طراحی میشوند، اما به صورت شعاعی مورد بهرهبرداری قرار می گیرند.
با تغییر وضعیت کلیدهای باز و بسته سیستم - بازآرایی - و تأمین بار فیدرهای پر مصرف از طریق خطوط کم بارتر شبکه، تلفات شبکه کاهش مییابد و پروفیل ولتاژ سیستم مطلوب میشود. تا کنون تحقیقات زیادی در رابطه با باز آرایی شبکه توزیع انجام شده است. در مرجع [1] یک روش پیشرفته بر مبنای الگوریتم ژنتیک اصلاحشده برای مطالعه باز آرایی شبکه توضیح ارائه شده است.
در این مقاله حضور منابع تولید پراکنده در نظر گرفته نشده است. همچنین تابع هدف ارائهشده در این مقاله محدودیتهای لازم برای جریان خطوط را در نظر نگرفته است. در مرجع [2] بازآرایی شبکه توزیع با استفاده از الگوریتم ژنتیک انجام شده است. برای کد کردن باز آرایی همه کلیدهای بسته سیستم در رشتههای الگوریتم ژنتیک وارد شدهاند. بنابراین رشتهها بسیار طولانی شده و مقایسه آنها باهم کمی مشکل است. در مرجع [3] با یک روش ابتکاری بازآرایی شبکه توزیع شعاعی با الگوریتم ژنتیک اجرا شده است.
در این مقاله ارزیابی هر جواب به اطلاعات به دست آمده از همه جوابهای قبلی وابسته است. در مرجع [4] باز آرایی شبکه توزیع با استفاده از الگوریتم ازدحام ذرات باینری تعیین شده است. در شبکههای بزرگ استفاده از روش باینری موجب طولانی شدن رشته شده و اجرای عملیات را کمی مشکل میکند. در مرجع [5] باز آرایی شبکه توزیع و جایابی منابع تولید پراکنده با استفاده از الگوریتم ازدحام ذرات اجرا شده است. در این مقاله جایابی و باز آرایی به صورت مستقل از هم انجام شده و اثر اجرای همزمان آنها در نظر گرفته نشده است.
در مرجع [6] تعیین اندازه و مکان بهینه چند منبع تولید پراکنده با در نظر گرفتن الگوهای باری متفاوت انجام شده است. به وضوح نشان داده شده است که الگوی بار میتواند بر مکان و اندازه منابع تولید پراکنده اثر داشته باشد. در این مقاله در مورد تأثیر آرایش شبکه بر مکان و اندازه منابع تولید پراکنده صحبتی نشده است. در مرجع [7] با استفاده از باز آرایی شبکه توزیع و جایابی منابع تولید پراکنده تلفات سیستم کاهش یافته و بارها متعادل شدهاند. در این مقاله درباره نحوه پیدا کردن تعداد مناسب منابع تولید پراکنده و ظرفیت آنها صحبتی نشده است.
در مرجع [8] روش پخش باری مبتنی بر روش رفت و برگشتی ارائه شده است که برای شبکههای شعاعی مناسب است. در مجموع روش پخش بار ارائه شده در این مقاله جامع و قابل قبول است. در مرجع [9] با استفاده از آنالیز حساسیت مکان منابع تولید پراکنده تعیین شده سپس با استفاده از الگوریتم جستجوی هارمونی اندازهیابی و بازآرایی همزمان با هم اجرا شده است. در این مقاله در مورد اجرای همزمان بازآرایی، جایابی و اندازه یابی منابع تولید پراکنده صحبتی نشده است.
در بخش بعدی درباره الگوریتم ژنتیک و روش پیاده سازی مسئله صحبت میشود. سپس تابع ارزیابی مورد استفاده در الگوریتم بهینه سازی معرفی و روش پخش بار مناسب شرح داده می شود. در ادامه در مورد شبکه مورد مطالعه صحبت می شود و روش تشخیص آرایش های شعاعی مناسب بیان می شود. سپس تعداد مناسب منابع تولید پراکنده تعیین میشود. با در نظر گرفتن حالت های مختلف، بازآرایی و جایابی مستقل ازهم اجرا می شوند و اثر تقدم و تاخر اجرای آن ها بررسی می شود. سپس بازآرایی، جایابی و اندازه یابی همزمان با هم و به صورت یک مسئله بهینه سازی واحد - روش پیشنهاد شده در این مقاله - اجرا می شود. در پایان درباره اثر افزایش تعداد و ظرفیت منابع تولید پراکنده بر کاهش تلفات سیستم صحبت میشود و همه نتایج با هم مقایسه میشوند. برای اجرای شبیهسازیها از نرمافزار MATLAB استفاده میشود.
الگوریتم ژنتیک و روش کد کردن مسئله
روشهای مختلفی برای حل مسائل بهینهسازی پیشنهاد شده است. از میان روشهای مختلف الگوریتمهای هوشمند به دلیل توانایی حل مسائل بهینهسازی بزرگ و پیچیده محبوبیت بالایی پیداکردهاند. در این مقاله از الگوریتم ژنتیک استفاده میشود. بدین ترتیب این اطمینان وجود دارد که این الگوریتم توانایی حل چنین مسئله بهینهسازی پیچیدهای را دارد.
مراحل الگوریتم ژنتیک به این صورت است که در ابتدا تعدادی جواب ممکن به صورت تصادفی تولید میشوند. سپس بر اثر عملگرهایی همچون تقاطع و جهش، جوابهای جدیدی تولید میشوند. قبل از پذیرفتن جواب باید صحت آن بررسی شود. نحوه تعریف رشته در الگوریتم ژنتیک بسیار مهم است و با توجه به مسئله مورد مطالعه رشتههای متفاوتی تعریف میشوند.
در این مقاله به هنگام بازآرایی شبکه توزیع فقط کلیدهای باز در نظر گرفته میشوند و شماره آنها به صورت عدد صحیح - نه باینری - در کنار هم قرار میگیرند و یک رشته تشکیل میدهند. اگر جایابی منابع تولید پراکنده و باز آرایی شبکه توزیع همزمان باهم و به صورت یک مسئله بهینهسازی واحد اجرا شود - روش مطرح شده در این مقاله - ، در صورتی که 5 کلید باز باشد و تعداد ژنراتورها برابر 4 عدد باشد، میبایست یک رشته ژنتیکی با 13 درایه وجود داشته باشد که 5 درایه آن به کلیدها، 4 درایه آن به محل نصب منابع تولید پراکنده و 4 درایه هم به توان آنها اختصاص یابد. این رشته توسط رابطه - 1 - نشان داده شده است. در صورت تغییر تعداد منابع تولید پراکنده و یا تغییر تعداد کلیدها، طول رشته ها هم تغییر میکنند. با توجه به اینکه در این مقاله از اعداد صحیح برای تشکیل رشتهها استفاده شده است، تجزیه و تحلیل دادهها بسیار آسان میباشد.
تابع ارزیابی جهت استفاده در الگوریتم بهینهسازی
برای ارزیابی جوابهای به دست آمده از الگوریتم بهینه سازی فوق از یک تابع ارزیابی استفاده میشود. این تابع ارزیابی که ترکیبی از تابع هدف و تابع جریمه است توسط رابطه - 2 - بیان میشود.
- 2 - اجزای این رابطه عبارتاند از:
= نسبت تعداد منابع انرژی الکتریکی که بالاتر از محدوده استاندارد ظرفیت تولیدشان کار میکنند، به تعداد کل منابع.
= نسبت تعداد شینهایی که ولتاژشان بالاتر یا پایینتر از محدوده استاندارد است، به تعداد کل شینها.
= نسبت تعداد خطوطی که ظرفیتشان بالاتر از محدوده استاندارد است، به تعداد کل خطوط.
پخش بار در شبکههای شعاعی
به دلیل ویژگیهای خاص شبکه های توزیع نظیر ساختار شعاعی، نسبت R/X بالا، عدم تعادل فازها، اتصال یا عدم اتصال به زمین، تعداد بسیار زیاد شاخه ها و شین ها و...، روشهای قدیمی پخش بار نظیر گوس- سایدل و نیوتن- رافسون ممکن است همگرا نشوند یا به جواب نادرست همگرا شوند. به دلیل ساده بودن ساختار شبکههای توزیع با استفاده از روشهای رفت وبرگشتی1 و قوانین KVL و KCL، میتوان معادلات غیرخطی پخش بار را به سادگی حل کرد و به جواب مطلوب رسید.
