بخشی از مقاله
چکیده -
انجام عملیات بازآرایی در شبکه توزیع به منظور بهبود شاخصهایی مانند کاهش تلفات و افزایش قابلیت اطمینان سیستم و یا جهت بازیابی و خودترمیمی با توجه به قیدها و محدودیتهای سیستم انجام میشود. نکته حائز اهمیت برای انجام بازآرایی این است که دستیابی به یک مقدار بهینه برای یک شاخص با توجه به ساختار و شرایط شبکه ممکن است موجب دور شدن سایر شاخصها از نقطه بهینه گردد. انجام بازآرایی در شبکههای سنتی تنها جهت کاهش تلفات مدنظر بوده است.
اما با رشد واحدهای تولید پراکنده و تعریف شدن شاخصهای دیگری همانند هزینه بهرهبرداری این واحدهاصرفاً کاهش تلفات نمیتواند ملاک عمل بازآرایی قرار گیرد. از اینرو در این مقاله انجام بازآرایی با هدف کاهش هزینه تامین توان کل از دید اپراتور شبکه در حضور واحدهای تولید پراکنده مورد بررسی قرار میگیرد. بر اساس نتایج بهدست آمده میتوان نتیجه گرفت که در نظر گرفتن کاهش تلفات شبکه به تنهایی جهت انجام عملیات بازآرایی سبب افزایش هزینه کل خواهد شد. لذا در این مقاله پیشنهاد میشود که جهت انجام بازآرایی به جای کمینهسازی تلفات، تابع هزینه کل تامین توان شبکه مورد استفاده واقع شود که علاوه بر هزینه کل تلفات شبکه را نیز در نظر میگیرد.
-1 مقدمه
بهطورکلی منظور از عملیات بازآرایی شبکه تغییر توپولوژی آن با باز و بسته کردن کلیدها تحت شرایط عادی و یا غیرعادی با هدف بهبود در شاخصهایی نظیر کمینهسازی تلفات، هزینه و یا نظایر آن است. این موضوع اولین بار در [1] به جهت کمینهسازی تلفات شبکه پیشنهاد شد. چالش اصلی در حل این مساله پیدا کردن ترکیب مناسبی از کلیدها از بین تعداد زیاد حالت ممکن با توجه به اهداف و محدودیتهای شبکه است. با وجود شاخصها و قیدهای مختلف در این مساله روش حل بر اساس الگوریتمهای فرا ابتکاری همانند الگوریتم ژنتیک، جستجوی هارمونیک و رقابت استعماری [4]-[2] و یا روشهای بر پایه ریاضی [5] قابل دستهبندی است.
مزیت الگوریتمهای فرا ابتکاری امکان حل چند هدفه مساله با در نظر گرفتن قیدهای غیر خطی و پیچیده است. این در حالی است که این روشها بر خلاف روشهای بر پایه ریاضی تضمینی برای رسیدن به جواب بهینه ندارند و در نتیجه جهت اعتبارسنجی پاسخ نیاز به چندین مرتبه تکرار میباشد. این موضوع ممکن است در برخی کاربردهای زمان واقعی ایجاد محدودیت نماید.
با این حال هدف بازآرایی با توجه به کاربرد میتواند متفاوت باشد. برای مثال در بعضیموارد صرفاً کاهش تلفات شبکه مدنظر است. همچنین ممکن است علاوه بر کاهش تلفات، افزایش قابلیت اطمینان بر اساس شاخصهایی نظیر SAIDI، SAIFI و AENS نیز هدف بازآرایی باشد. قیدهای بهرهبرداری هم میتواند ظرفیت خطوط، محدوده ولتاژ شینها و تعادل توان باشد
بررسیهای انجام شده در [2] نشان میدهد کهصرفاً بازآرایی به جهت کاهش تلفات که معمولاً به جهت ملاحظات اقتصادی در حالت کار عادی شبکه انجام میشود ممکن است شبکه را به حالت نا ایمن - کاهش قابلیت اطمینان - سوق دهد. این امر ممکن است در زمان بازیابی از اهمیت ویژهای بهخصوص در تغذیه بارهای حساس پیدا کند. لذا در کنار ملاحظات اقتصادی و کاهش زمان بازیابی و علاوه بر قیدهای بهرهبرداری درنظر گرفتن شاخصهای قابلیت اطمینان نیز ضرورت مییابد. در این موارد استفاده از بهینهسازی چند هدفه با یافتن جبهه پارتو و یا همسانسازی، وزن دهی و جمع توابع هدف پیشنهاد شده است.
با توجه به افزایش ضریب نفوذ واحدهای تولید پراکنده در سطح شبکههای فعلی و حرکت آنها به سوی تبدیل شدن به شبکههایی هوشمند اهداف و محدودیتهای اقتصادی و فنی جدیدی مطرح میشود. برای مثال در شبکهای که شامل چندین واحد تولید پراکنده است استفاده از آنها میتواند علاوه بر کاهش تلفات در شبکه موجب بهبود پروفیل ولتاژ هم شود.
برای نمونه در [4]، [6] و [7] عمل بازآرایی با فرض ثابت بودن توان واحدهای تولید پراکنده با هدف کاهش تلفات انجام شده است. بر اساس نتایج بهدست آمده میتوان دید که استفاده از این منابع میتواند سبب کاهش تلفات و بهبود پرفیل ولتاژ گردد، اما به هزینه بهرهبرداری اشاره نشده است. بهطور مشابه در [8] و [9] با هدف کاهش تلفات اقدام به انجام بازآرایی و تعیین کلیدهای باز بهصورت همزمان با تعیین نقطه کار واحدهای تولید پراکنده میشود. بهبود شاخص قابلیت اطمینان سیستم، کاهش تلفات و هزینه با تعیین نقاط کار واحدهای تولید پراکنده بهصورت یک مساله بهینهسازی چندهدفه در [10] پیشنهاد شده است. در [11] هم بازآرایی به جهت کاهش تلفات در حضور واحدهای تولید پراکنده با تعیین دو نوع شین P و PQV انجام میشود.
با این حال استفاده از واحدهای تولید پراکنده اگر چه میتواند تلفات سیستم را کاهش و سبب بهبود پروفیل ولتاژ گردد اما بر اساس آن لزوماً نمی توان انتظار داشت که هزینه بهرهبرداری کل نیز کاهش یابد. انجام عملیات بازیابی به جهت کاهش تلفات و یا بهطور مشابه بهبود در شاخصهای دیگر ممکن است واحدهای با هزینه تولید بالاتر را به افزایش تولید وادار نماید.
در این صورت در یک محیط رقابتی با توجه به شرایطی همانند پایینتر بودن قیمت برق شبکه بالادست در زمانهای خاص از هزینه تولید واحدهای تولید پراکنده میتوان انتظار داشت که کاهش تلفات منجر به کاهش هزینه کل نگردد. بر این اساس میتوان انتظار داشت که تامین توان از منابع ارزانتر از مسیرهایی که افزایش تلفات بیشتری را باعث میشود در مقایسه با حالت قبل مقرون بهصرفه باشد. به عبارت دیگر هزینه ای که در اثر افزایش تلفات و تامین آن توسط منابع ارزان صورت میگردد میتواند کمتر از هزینه کاهش تلفات در اثر استفاده از منابع تولید پراکنده گران در سطح شبکه شود.
در این مقاله مدلی جهت بازآرایی توپولوژی شبکه و بهرهبرداری بهینه از واحدهای تولید پراکنده بر اساس هزینه کل تامین توان با توجه به قیدهای شبکه مثل پروفیل ولتاژ و تعادل توان ارائه میشود. در این مدل تلفات در قید تعادل توان در نظر گرفته شده است که میبایست از طریق شبکه بالا دست و یا
واحدهای تولید پراکنده تامین شود و در نتیجه با بازآرایی و تعیین سطح تولید واحدهای تولید پراکنده مسیری ارزانتر برای تامین آن مشخص میشود. بر اساس نتایج بهدست آمده از این مدل بر روی سیستم آزمون 69 شین که تعدادی واحد قابل دیسپاچ به عنوان واحدهای تولید پراکنده در آن در نظر گرفته شده است، انجام عملیات بازآرایی و پخش بار اقتصادی بین این واحدها در سطح شبکه با توجه به قیمت برق شبکه بالادست و هزینه تولید واحدها میتواند سبب کاهش هزینه کل نسبت به حالیت که صرفاً کاهش تلفات مد نظر است، شود. از اینرو در نظر گرفتن هزینه تامین توان به جای کمینهسازی تلفات موجب حل یک مساله بهینهسازی تک هدفه و یا چند هدفه سادهتر در مقایسه با روشهای ارائه شده پیشن میگردد.
در ادامه ساختار این مقاله بدین شرح است. بخش 2 به تشریح فرمولبندی مدل اختصاص خواهد داشت. بخش 3 به تحلیل نتایج عددی بهدست آمده میپردازد. در بخش آخر نیز به نتیجهگیری نهایی از این پژوهش پرداخته میشود.
-2 مدل پیشنهادی بر اساس کمینهسازی هزینه کل
در این بخش مدلی بر اساس کمینهسازی هزینه بازآرایی همزمان با بهرهبرداری بهینه از واحدهای تولید پراکنده در سطح شبکه با در نظر گرفتن برخی قیدهای شبکه ارائه میشود . در این مدل فرض می شود که شبکه توزیع به شبکه بالا دست متصل بوده و تعدادی واحد تولید پراکنده قابل دیسپاچ در سطح شبکه موجود است. بارهای شبکه نیز بهصورت بار غیر فعال در نظرگرفته میشود. بر این اساس مدل پیشنهادی بهصورت زیر بیان میشود:
در این مدل P N ، PiM ، c N و ciM بهترتیب توان خریداری شده از شبکه بالادست، توان تولید شده توسط هر واحد تولید پراکنده، قیمت برق خریداری شده از شبکه بالادست و هزینه توان تولیدی توسط هر واحد و GM مجموعه واحدهای تولید پراکنده در سطح شبکه است. Ploss تلفات توان اکتیو در شبکه بوده که آن نیز تابعی از توپولوژی شبکه و نقطه کار واحدهای تولید پراکنده است. مجموعهای از کلیدها که میبایست در عملیات کلیدزنی باز شوند با TS نشان داده میشود که توپولوژی شبکه با باز شدن کلیدهای این مجموعه در شبکه تغییر میکند.
از اینرو تلفات شبکه بهصورت تابعی از متغیرهای مساله، یعنی نقاط کار واحدهای تولید پراکنده و مجموعه کلیدهای باز - که توپولوژی شبکه متأثر از آن است - ، نشان داده میشود. LiP بار متصل به هر شین و DL مجموعه شینهای دارای بار است. در این مدل رابطه - 1 - تابع هزینه کل است که در بخش اول آن هزینه برق خریداری شده از شبکه و بخش دوم آن مربوط به هزینه تولید واحدهای تولید پراکنده است
رابطه - 2 - قید تعادل توان را نشان میدهد که درصورت برقراری آن میزان توان خریداری شده از شبکه و تولید شده توسط واحدها میبایست برابر مجموع بارها و تلفات شبکه باشد. قید - 3 - و - 4 - نیز به ترتیب محدوده مجاز ولتاژ شینها و جریان هر خط را تعیین میکند. برقراری رابطه - 5 - شرط شعاعی بودن شبکه در اثر عملیات کلیدزنی را حفظ میکند. در این رابطه Y ماتریس تلاقی شین میباشد.
در این ماتریس شماره سطرها متناظر با شماره شین و شماره ستون ها متناظر با شماره شاخه ها است. اگر jاٌمین شاخه با اٌمینi شین تلاقی داشته باشد و جریان از شین i خارج - وارد - شود درایه yij از این ماتریس برابر 1 - برابر - -1 و در غیر این صورت yij برابر صفر است. رابطه - 6 - هم تضمین میکند که خروجی هر واحد تولید پراکنده در محدوده مجاز قرار گیرد. همچنین در اینجا واحدهای تولید پراکنده با ضریب توان ثابت در نظر گرفته شدهاند.
با توجه به مدل فوق اثر هزینه تلفات سیستم به عنوان تابعی از متغیرهای مساله به عنوان بخشی از توان کلی که میبایست تامین شود در تابع هدف وجود دارد. بهعنوان یک نتیجه از این مدل میتوان انتظار داشت در صورتی که قیمت برق شبکه بالا دست در یک دوره زمانی مشخص ثابت و بسیار ارزانتر از برق تولیدی واحدهای قابل دیسپاچ باشد بخش زیادی از توان کل مورد نیاز از شبکه بالادست دریافت میگردد و با توجه به اینکه در این حالت میزان کل بار ثابت است هزینه تامین توان برای بارها نیز یک مقدار مشخص و ثابت خواهد بود.
در اینصورت میبایست مقدار تلفات کمینه شود که در نتیجه آن تابع هدف این مساله تبدیل به کمینهسازی هزینه تلفات خواهد شد. به عبارت دیگر این موضوع معادل کمینهسازی خود تلفات خواهد شد. از این رو در این مقاله نیاز به در نظر گرفتن همزمان تلفات و هزینه نمیباشد که در نتیجه آن تنها نیاز به حل یک مساله بهینهسازی تک هدفه و یا چند هدفه سادهتر برخلاف مدلهای ارائه شده در کارهای پیشین مانند [10] میباشد که بجای سه تابع هدف میتوان تنها دو تابع هدف هزینه و قابلیت اطمینان را در نظر گرفت. لذا مقایسه بین دو حالت درنظر گرفتن تابع هدف تلفات و هزینه انجام خواهد شد.
-3 مطالعه موردی
بررسی مدل پیشنهادی بر روی سیستم آزمون استاندارد 69 شین مطابق شکل 1 انجام شده که اطلاعات فنی آن از [12] قابل استحصال است. در این سیستم 5 شاخه 69، 70، 71، 72 و 73 بهصورت پیش فرض باز - در شکل 1 با کلیدهای باز مشخص شدهاند - و مابقی بسته هستند. مقدار کل بار این سیستم برابر 3/7919 MW بوده و مطالعه در یک بازه یک ساعته انجام میشود. در اینجا برای این سیستم 7 واحد تولید پراکنده در نظر گرفته شده است. اطلاعات مربوط به ظرفیت، محل قرارگیری و هزینه تولید واحدها در جدول 1 آمده و قیمت برق شبکه بالا دست هم برابر 0/1 واحد پول بر کیلووات ساعت فرض شده است.
