بخشی از مقاله
چکیده
در شرایط بحران، شبکه انرژی کشور نقطه کلیدی در حلقه فرماندهی و مدریت بحران است. امروزه از مهم ترین بخش های انرژی در یک جامعه، انرژی الکتریکی است است و پاشنه آشین این انرژی شبکه توزیع است که همیشه در مقابله با اقدامات تهاجمی کمترین ایمنی را داراست.
علی رغم اینکه هدف اولیه سیستمهای قدرت رساندن انرژی الکتریکی به مصرف کنندگان میباشد، درحالات بحران ممکن است که به علت شرایط ویژه کشور و خارج شدن ناگهانی ژنراتورها و یا خط انتقال و همچنین نقصان در کار هر یک از اجزای سیستم، شرایط اضطراری رخ دهد . در این حالت برگرداندن خطوط اضافه بار به حالت اولیه و رفع حالت اضطراری از مهمترین وظیفههای سیستم کنترلی شبکه قدرت میباشد که برای حفظ امنیت سیستم باید در کوتاه ترین زمان ممکن انجام شود. این عمل ممکن است با حذف برخی از بارها - بارزدایی - و یا برنامه ریزی کردن ژنراتورهای کوچک ویژه و یا به عبارتی همان تولیدهای پراکنده، که در نزدیک ترین مکان ممکن نسبت به بار قرار گرفته اند، انجام شود تا این اطمینان حاصل شود که قدرت لازم برای تامین بارهای مهم وجود دارد.
از سالهای گذشته تا کنون، آلگوریتم های متفاوتی برای انجام بارزدایی پیشنهاد شده است . ولی حذف بارها در شبکه های توزیع همراه با تولید پراکنده با وجود اینکه از مباحث مهم در سیستم های تجدید ساختار یافته می باشد، کاملا مبحث جدیدی است که در این تحقیق با رویکرد استفاده از آلگوریتم ژنیتک دنبال شده است.
مقدمه
امروزه انرژی الکتریکی به عنوان اصلی ترین انرژی برای مصرف نهای در اختیار همه جوامع قرار گرفته است. این گستردگی باعث شده است که صنعت برق و سایر شاخههای وابسته به آن به منزله یکی از کلیدیترین صنایع در سطح جهان مطرح باشند به طوری که اکنون هیچ صنعتی بدون وجود آن امکان حیات ندارد.
بدلیل گستردگی شبکههای برق و تبدیل آنها به شبکههای به هم پیوسته، مشکلات شبکهای اولیه که عموماً به صورت شبکههای محلی و کوچکی بودند، از قبیل ناپایداری فرکانسی در مقابل قطع و وصل بارهای نسبتاً بزرگ و عدم امکان بهرهبرداری بهینه و توزیع اقتصادی بارها تا حدود زیادی مرتفع گردیده است. اما در مقابل، ایجاد شبکههای بزرگ، مسایل جدید و پیچیدهای را به دنبال داشته است که از آن جمله میتوان افزایش ظرفیت اتصال کوتاه شبکه، مسئله حفظ همزمانی - سنکرونیزم - و پایداری سیستم، حفاظت از خطوط و تجهیزات و کنترل ولتاژ سیستم را نام برد.
حفظ پایداری سیستمهای قدرت و جلوگیری از کاهش بیش از حد فرکانس از عمده مسایلی است که متخصصان این رشته همواره آن را مدنظر داشتهاند، زیرا ناپایداری فرکانسی علاوه بر خسارتهای نسبتاً سنگین به تجهیزات سیستم، ممکن است باعث تکهتکه شدن شبکه گردد و در بعضی موارد خاموشیهای نسبتاً طولانی و زیانهای اقتصادی را به دنبال داشته باشد. از این رو به هر طریق ممکن باید سعی شود تا از این مسأله جلوگیری گردد، حتی اگر این عمل با انجام بارزدایی1 و قطع موقت از مصرف کنندهها همراه باشد.
محققین در سالهای پیشین روشهای متفاوت را به منظور بارزدایی استفاده کرده اند . بارزدایی با استفاده از رلههای فرکانسی 2 ، در شبکههای قدرت قدمت طولانی دارد 1]،[2تعادل. بین میزان تولید و مصرف ارتباط تنگاتنگی با فرکانس شبکه دارد و در نتیجه در شرایطی که اُفت فرکانس را داشته باشیم، به منظور حفظ یکپارچگی و جلوگیری از فروپاشی شبکه، بایستی فرکانس شبکه را کنترل نمود.
رله های فرکانسی، نسبت به تغییرات فرکانس حساس میباشند و با آشکارسازی فرکانس شبکه به طور اتوماتیک، بارهایی را حذف و یا بارهای حذف شده را - پس از انجام بارزدایی و سپری شدن زمان مناسب - وارد مدار میکنند. یکی دیگر از روش های بارزدایی استفاده از بهینه سازی خطی است.[3] در برنامهریزی خطی از مدل ریاضی، به منظور تشریح مسئله بارزدایی استفاده میشود. کلمه خطی به معنای آن است که تمام روابط ریاضی این مدل، لزوماً باید توابع خطی باشند. بنابراین، برنامهریزی خطی را میتوان برنامهریزی فعالیتها، به منظور بدست آوردن یک نتیجه »بهینه خطی« معرفی نمود .
به عبارت دیگر،« نتیجهای که با توجه به هدف مشخص مدل ریاضی از کلیه گزینههای موجه دیگر بهتر باشد« مدنظر قرار میگیرد. در حال حاظر، برنامه ریزی خطی به دلیل مشکلاتی نظیر وابستگی حل به مسئله، پیچیدگی فرمول های ریاضی و خطای خطی سازی در توجه کمتر قرار دارد و در مقابل از برنامه ریزی غیر خطی استفاده می شود.
با وجود تلاشهای تحقیقاتی زیاد و روشهای بسیار زیاد موجود در حل مدلهای برنامهریزی غیرخطی فقط تعداد معدودی از این روشها برای استفاده در بهینهسازی سیستمهای قدرت مفیدند[ .10-4]دلایل مختلفی برای این امر وجود دارد ولی عمدتاً ناشی از بزرگ بودن ابعاد سیستمهای قدرت و کمبود حافظه کامپیوتری مورد نیاز، میباشد . از روشهای مناسبی که برای حل مدلهای بهینهسازی در سیستمهای قدرت استفاده میشوند، میتوان از روش تابع لاگرانژ، گرادیان مرتبه اوّل و دوم، و چند روش دیگر نام برد.
استفاده از هوش مصنوعی [11] و منطق فازی [12] برای انجام بارزدایی نیز کم و بیش در حال گسترش می باشد. اما این روش ها نیز مانند برنامه ریزی غیر خطی کاملا به شکل مسئله وابسته هستند و باید برای هر مسئله جداگانه طراحی شوند. انجام بارزدایی با استفاده از آلگوریتمهای ژنتیک [18-13] مدت زیادی است که در کانون توجه قرار گرفته است. علت این امر در کارایی و در عین حال سادگی پیاده سازی آلگوریتم ژنتیک می باشد.
ننها در مرجع [19] بارزدایی همراه با تولید پراکنده انجام شده است روش آن، بهینه سازی غیر خطی می باشد. بنابراین انجام بارزدایی در شبکه های توزیع همراه با تولید پراکنده با استفاده از آلگوریتم ژنتیک مسئله جدیدی است که موضوع این تحقیق است.
تعاریف
بارزدایی، به معنای قطع تعدادی از بارهای متصل به شبکه و به منظور اجتناب از آسیب دیدن تجهیزات، خطوط انتقال و حفظ پایداری سیستم و کنترل فرکانس شبکه است. آنچه مسلم است این است که بارزدایی ضمن کاهش درآمدهای اقتصادی، باعث ایجاد نارضایتی در مصرفکنندگان میگردد و لذا سعی میشود از آن به عنوان آخرین راه حل و چاره در کنترل سیستم قدرت استفاده گردد. اما در شرایطی که حفظ پایداری مطرح باشد طبیعی است که مسائل فوق تحتالشعاع قرار میگیرند و اجرای بارزدایی ماهیت منطقی به خود میگیرد.
در سطح کنترلی، همیشه بارزدایی آخرین راه برای حفظ پایداری سیستم نمیباشد. بلکه با توجه به پیشرفتهای اخیر راه حلهای دیگری به جز قطح مشترکان از شبکه وجود دار. همان طور که قبلا اشاره شد، از جمله این روشها استفاده از نیروگاههای تولید پراکنده میباشد. بارزدایی به همراه استفاده از تولید پراکنده، روشی مناسبی برای کنترل شبکه در وضعیتهای اضطراری است.
در مراکز کنترل سه تابع عمده مورد توجه قرار میگیرد .[20] الف نظارت بر سیستم، ب بررسی پیشآمدها - کنترل بازدارنده - ، ج بررسی اعمال اصلاحی.
ابا استفاد ه از این سه تابع، امکان بهره برداری مطمئن از سیستم قدرت به وجود می آید.
ااز دیدگاه قابلیت اطمینان و مسایل بهرهبرداری و کنترل، در شبکههای گسترده و بالطبع پیچیده، حالاتی را که یک سیستم قدرت میتواند به خود بگیرد، بصورت نشان داده شده در شکل - 1 - نمایش داده می شود
شکل - 1 - حالات یک سیستم قدرت
در حالت نرمال مطمئن کلیه تجهیزات در محدودیتهای خود در حال کار هستند و تولید و تقاضا برابر است و اضافه باری در تجهیزات وجود ندارد. در این حالت یک سیستم با کفایت و مطمئن در دسترس خواهد بود . در حالت نرمال غیر مطمئن، کلیه تقاضاها پاسخ داده میشوند، منتهی اگر اغتشاشی به سیستم وارد شود سیستم توانایی تحمل آن را ندارد. این حالت ممکن است در اثر خارج شدن تجهیزات، کاهش تولید یا افزایش بار نیز بوجود آید. حالت بحرانی، بواسطه وقوع پیشآمدی با تغییرات شدید و ناگهانی در تولید و بار بوجود میآید. در این حالت باری قطع نگردیده، ولی محدودیتهای ولتاژ و جریان نیز رعایت نشده است. در حالت بحرانی همه بارها تغذیه نمیشوند و محدودیتها نیز رعایت نشدهاند. برای عبور از این حالت باید به روشهای ویژهای، بارهای مصرفی کاهش یابند. در حالت بازگشت، تقاضای بار بعضی از مصرف کنندگان بدون پاسخ مانده است ولی سیستم در حالت پایدار در حال کار است.
با توجه به این تعاریف، وظیفه یک سیستم بارزدایی را میتوان به دو قسمت تقسیم کرد: الف - عبور از حالت نرمال غیرمطمئن به حالت نرمال مطمئن توسط کنترل بازدارنده، ب - عبور از حالت بحرانی و فوق بحرانی به حالت نرمال توسط کنترل اصلاحی.
اکثر تعاریفی که برای تولید پراکنده مطرح شدهاند بر پایه ظرفیت و محل اتصال منبع تولید به شبکه استوار میباشند . یک تعریف کلیتر که میتوان برای تولید پراکنده ارائه کرد، عبارت است از منبع تولید توان با ظرفیت محدود. ولی این تعریف مشخص نمیکند که محدودیت ظرفیت تولید چقدر است و یا این محدودیت از چه عاملی ناشی میشود هر چند در هیچکدام از تعاریف ارائه شده محدودیتی از نظر استفاده از تکنولوژیهای موجود در نظر نگرفته اند، ولی عمده تکنولوژیهای متداول در تولید پراکنده را میتوان به سه دسته کلی زیر تقسیم نمود:
الف - تکنولوژی مبتنی بر سوختهای فسیلی - موتورهای احتراقی،ذمیکروتوربینها، پیلهای سوختی، دیزل ژنراتورها - .
ب - تکنولوژی مبتنی بر انرژیهای نو - بیو ماس، توربینهای بادی، انرژی آب، سلولهای خورشیدی -
پ - تکنولوژی مبتنی بر ذخیره انرژی - باتری، چرخهای گردان، بانکهای خازنی بزرگ، سیستهای ذخیره انرژی با فشرده سازی هوا، نیروگاههای تلمبهای ذخیرهای آبی - .
با توجه به مطالب مطرح شده، نیروگاه های تولید پراکنده به شکل وسیعی در سیستم های قدرت استفاده می شوند. این استفاده گسترده باعث ظهور مسائل جدید برای شبکه شده است. از جمله این مسائل، روشن و خاموش کردن این نیروگاه ها در زمان بارزدایی می باشد. امری که تا کنون بکر مانده و جای تحقیق بسیاری دارد.
مدل سازی با استفاده از آلگوریتم ژنتیکی
همان طور که نام آلگوریتم ژنتیک القاء میکند، این آلگوریتم یک تکنیک جستجوی تطبیق پذیر است که از فرایندهای ارگانیسمهای بیولوژی الگو برداری شده است. برای استفاده از آلگوریتم ژنتیک در بارزدایی ابتدا باید یک دسته از جوابهای مسئله را که به صورت رشتههای باینری کد شده اند، فراهم کرد. این رشتهها که بیانگر یک جواب به مسئله میباشند، کروموزم نامیده میشود و مجموعه کروموزمها یا همان جواب ها، جمعیت نامیده میشود. هر کروموزم متشکل از اعداد باینری است که در آن محل هر عدد باینتری آلل3 نامیده میشود و مقداری که هر آلل میتواند داشته باشد ژن نامیده میشود.
جمعیت اولیه به صورت تصادفی ایجاد میشود. البته در حالت کلی میتوان جمعیت اولیه را به صورت ترکیبی از جوابهای اولیه و جوابهای تصادفی تشکیل داد. با توجه به ماهیت مسئله بارزدایی و انجام انجام آزمایشهای متعدد، معلوم گردید که استفاده از جوابهای اولیه خاص، به دلیل گستردگی و بزرگی جواب ها، کمک شایانی در حل مسئله به جز در موارد خاص نمیکند. بنابراین برای حل این مسئله از جوابهای اولیه تصادفی استفاده شده است.
آلگوریتم ژنتیک شامل مراحلی میشود که در ابتدای هر مرحله جمعیت موجود که در ابتدا همان جمعیت اولیه است، با جمعیت جدیدی به امید آنکه دارای راه حلهای بهتری برای مسئله باشد، جاگزین میشود. فرایندی که طی آن کروموزنهای جمعیت قدیمی برای تولید کروموزمهای جدید با یکدیگر ترکیب میشوند تولید مثل نامیده میشود. برای تولید مثل از سه ابزار در این رساله استفاده شده است: انتخاب یا گزینش، ترکیب و جهش. با استفاده از این سه روش جمعیت جدید شکل میگیرد.
با توجه به مطالب گفته شده در فصل قبل، آلگوریتم ژنتیک نیاز به یک تابع ارزیابی تا یک مقدار ارزیابی را به هر کروموزم که یک جواب برای مسئله است اختصاص دهد. در آلگوریتم ژنتیک فقط اعداد باینری در داخل هر کروموزم و مقدار ارزیابی آن کروموزم معنی و مفهوم دارد و هیچ اطلاعات دیگری از مسئله به جز در تابع ارزیابی در آلگوریتم وارد نمیشود. این تابع ارزیابی است که باعث میشود جمعیتها در راستای پیدا کردن جواب برای مسئله بارزدایی حرکت رو به جلو داشته باشند که این نکته اهمیت زیاد انتخاب تابع مناسب در آلگوریتم ژنتیک را یادآوری میکند. کروموزمهایی از نظر تابع ارزیابی دارای برازندگی بیشتری باشند، برای شرکت در تولید جمعیت بعدی شانس بیشتری خواهند داشت.
بناراین تابع ارزیابی این رساله به شکل زیر تعریف میشود:
که در آن :
: f نتیجه کلی تابع ارزیابی.
: Pc ضریب جریمه به دلیل تخطی از قیود یک پارچگی و شعاعی بودن.
: JR تعداد تخطی از قیود یک پارچگی و شعاعی بودن.
