حضور بانک خازنی منجر به کاهش تلفات توان و به دنبال آن بهبود پروفیل ولتاژ میگردد.

لحاظ کردن مدلهای مختلف روی محل و ظرفیت بانک خازنی موثر خواهد بود.

شبکه های مورد بررسی دارای بار ثابت و متعادلاند.

همچنین مطالعه پیشرو اساسا از سه فرضیه تسهیلی رایج استفاده کرده است:

بانکهای خازنی از نوع ثابتاند.

میزان انحراف ولتاژ، معیار بررسی نحوه بهبود پروفیل ولتاژ است.

شبکه نمونه، شبکه توزیع شعاعی است.

با توجه به فرضیه های فوق، اهداف تحقیق را میتوان به صورت زیر خلاصهسازی کرد:

کاهش تلفات توان اکتیو و بهبود پروفیل ولتاژ شینههای شبکه با حضور بانکهای خازنی،

بررسی تاثیرگذاری بارهای تجاری، خانگی، کشاورزی، عمومی و صنعتی روی محل/ظرفیت خازن نصب شده،

کمینهسازی تلفات توان و بهبود پروفیل ولتاژ در حضور بانکهای خازنی با مدلسازی بارهای شبکه به صورت امپدانس ثابت، جریان ثابت و توان ثابت،

بررسی توانائی الگوریتم PSO در حصول جوابهای بهینه برای جایابی خازن.
برای دانلود متن کامل پایان نامه به سایت tinoz.ir مراجعه کنید.

همچنین نتایج مورد انتظار تحقیق عبارتند از:

محاسبه دقیق تلفات اهمی شبکه با اعمال دو سطح مدلسازی پیشنهادی

تعیین محل/ظرفیت بهینه خازن بر اساس تلفات شبکه

بررسی میزان تاثیر مدل سازی بار در تلفات توان و پروفیل ولتاژ

۱-۷ بیان مسأله اساسی تحقیق
نیاز به تامین توان راکتیو بدلیل رشد چشمگیر مصرف انرژی الکتریکی بویژه در مقیاس صنعتی، یکی از دغدغه های اصلی بهره برداران از شبکه قدرت است. منابع اصلی توان راکتیو در شبکه عبارتند از: ژنراتورهای سنکرون، موتورهای سنکرون، تولیدات پراکنده[۶] (DG)، جبرانکننده های سنکرون استاتیک[۷] (STATCOM)، جبرانکننده وار استاتیک[۸] (SVC) و خازن شنت. خازن شنت با وجود مشخصه های نه چندان مطلوب فنی (بویژه سرعت پاسخ) بدلیل هزینه نصب و نگهداری بسیار کمتر از سایر منابع، گزینهی بهتری برای تامین توان راکتیو در شبکه است. منافع اقتصادی حاصل از نصب خازن به صورت خلاصه عبارتند از: آزادسازی ظرفیت تولید، آزادسازی ظرفیت انتقال، آزادسازی ظرفیت پست توزیع، کاهش تلفات انرژی، کاهش افت ولتاژ (بهبود تنظیم ولتاژ)، افزایش کیفیت توان و بهبود پارامترهای قابلیت اطمینان.
عکس مرتبط با اقتصاد
با توجه به تاثیر زیاد مصرف توان راکتیو در شبکه و اثرات نامطلوب آن، کاهش مصرف توان راکتیو در سیستم قدرت اجتنابناپذیر است. نصب خازن بایستی با در نظر گرفتن ملاحظات فنی و اقتصادی باشد. حضور خازن از نظر فنی، موجب افزایش ضریب توان میشود، اما این افزایش نباید آنقدر زیاد باشد که موجب پیشفاز شدن شبکه شود. همچنین نصب خازن بایستی توجیه اقتصادی داشته باشد، یعنی نصب آن از لحاظ اقتصادی چنان به صرفه باشد که برای مصرفکننده جذابیت لازم را داشته باشد. برای ارضاء این دو، بایستی خازن در بهترین نقطه ممکن و با مناسبترین ظرفیت نصب شود. چه آنکه عدم نصب آن در محل مناسب با ظرفیت مناسب نه توجیه اقتصادی دارد و نه توجیه فنی. اینجاست که بهینه بودن جایابی و تعیین ظرفیت خازن نمایان میشود. مهمترین دغدغه در نصب خازن شنت، تعیین مکان و ظرفیت بهینه خازن در شبکه است. مساله جایابی خازن در سادهترین صورت تابعی از صرفهجوئی اقتصادی ناشی از کاهش میزان تلفات توان و هزینه نصب و بهره برداری بانک خازنی در شبکه است.
یکی از پارامترهای بسیار موثر در تعیین ظرفیت و اندازه خازن نصب شده در شبکه قدرت، نوع بار شبکه است که در بسیاری از مطالعات از آن بدلیل پیچیدگی زیاد چشمپوشی میشود. اساسا شبکه قدرت متشکل از بارهای متنوعی است که الگوی مصرف، میزان مصرف و کیفیت مورد نیاز توان آنها کاملا متفاوت است. در این پایان نامه، یک روش بدیع جهت مدلسازی بارهای مختلف شبکه به منظور بهبود پروفیل ولتاژ و کاهش تلفات توان در حضور خازن شنت انجام میگیرد که در طی آن دو مدل ارائه میشود: الف) تجاری- خانگی-کشاورزی- عمومی- صنعتی و ب) امپدانس ثابت- جریان ثابت- توان ثابت. در واقع برتری اصلی این پایان نامه نزدیک کردن مطالعه به دنیای واقعیست، چرا که تقریبا تمامی مطالعات انجام شده در زمینه جایابی بهینه خازن اساسا از تاثیر نوع بار بر محل و ظرفیت بهینه خازن نصب شده اغماض میکنند، حال آنکه این پایان نامه اثبات خواهد کرد که در نظرگیری مدل بار متفاوت روی محل/ظرفیت خازن تاثیرگذار خواهد بود. از شاخص انحراف ولتاژ بعنوان معیار نحوه بهبود پروفیل ولتاژ استفاده خواهد شد. مساله فوق با بهره گرفتن از الگوریتم بهینهسازی اجتماع ذرات[۹] (PSO) حل خواهد شد. جهت اثبات این اثرگذاری شبیهسازیها روی شبکه واقعی، که این تنوع بار در آن لحاظ شده، انجام گرفته و سناریویهای زیر بر روی آن اعمال میگردد: مدلسازی بار و بدون آن با حضور خازن و بدون حضور آن.
۱-۸ طرح کلی پایان نامه
متن پایان نامه در شش فصل تدوین و گردآوری شده است. بعد از مرور مفاهیم پایهای و کلی حفاظت، ریکلوزر و منابع DG در فصل اول، در فصل دوم ابتدا تاریخچهای از بهینهسازی، تکنیک حل مساله و کارهای انجام شده در زمینه جایابی خازن دستهبندی میشود. فصل سوم به فرمولبندی تابع هدف و مدلسازی بار متمرکز شده است. معرفی الگوریتم و نحوه حل مساله جایابی بهینه خازن در فصل چهارم ارائه خواهد شد. شبیهسازی روی شبکه های نمونه در بخش پنجم انجام میگیرد. از تحقیق پیشرو در بخش ششم نتیجهگیری شده و برای کارهای آینده پیشنهادهایی ارائه خواهد شد. اطلاعات مربوط به شبکه های نمونه در پیوست الف فهرست خواهد شد.
فصل دوم:
مبانی نظری و پیشینه تحقیق
۲-۱ دیباچه
ادبیات منتشره فراوانی در مورد الگوریتمهای جایابی خازنی وجود دارد. تکنیکهای حل برای مسالهی جایابی خازن را میتوان در چهار دسته تقسیمبندی کرد: تحلیلی، برنامه ریزی ریاضی، ابتکاری و مبتنی بر هوش مصنوعی.
۲-۲ روش های تحلیلی
تمامی کارهای اولیهی منتشر شده در مورد جایابی خازن، مبتنی بر روش های تحلیلی بودهاند. این الگوریتمها، زمانیکه منابع محاسبهی قدرتمندی در دسترس نبودند، بکار گرفته میشد. روش های ابتکاری، با بهره گرفتن از حساب دیفرانسیل و انتگرال، بیشترین مقدار صرفهجوئی را در حضور خازن تعیین میکنند. این توابع صرفهجوئی اغلب به صورت زیر بدست میآید:
(۲-۱)
که در آن،
KE، هزینه انرژی بر حسب $/kWh
ΔE، کاهش تلفات انرژی بر حسب kWh
Kp، توان پیک بر حسب $/kW
ΔP، کاهش تلفات توان پیک بر حسب kW
Kc، هزینه خازنها بر حسب $/KVAr
C، مقدار جبرانسازی بر حسب kVAr
پیشروان جایابی بهینهی خازن، نیگل و سامسون[۱۰] [۸]، کوک[۱۱] [۹-۱۰]، اسکمیل[۱۲] [۱۱]، چنگ[۱۳] [۱۲-۱۳] و بای[۱۴] [۱۴] همگی روش های تحلیلی را برای بیشینهسازی تابع هدف مطروحه در رابطه (۲-۱) بکار گرفتهاند. هر چند پاسخهای ساده بدست آوردند، اما این تکنیکها مبتنی بر فرضیه های غیرواقعی از یک فیدر با اندازهی هادی ثابت و بارگذاری یکنواخت بودند که حاصل از تحقیق اولیهای بود که به «قانون دوسوم» مشهور[۱۵] بود. قانون دوسوم مبتنی بر حصول بیشترین کاهش تلفات ارائه شده بود که طی آن یک خازن در دوسوم بار راکتیو پیک در موقعیتهای دوسوم از منبع در طول فیدر بایستی نصب شود.
روش های تحلیلی اولیه به راحتی قابل فهم و اجرا میشد. علارغم فرضیه های غیرواقعی که بر اساس قانون دوسوم ایجاد میشد، امروزه برخی از شرکتها هنوز جایابی خازن را بر این اساس اجرا کرده [۱۴] و برخی از سازندگان خازن، این قانون را در دفترچه راهنمای خود گنجاندهاند [۱۵].
۲-۳ روش های برنامه ریزی ریاضی
روش های محاسباتی زمانی رایج شدند که حافظههای کامپیوتری ارزان و در دسترس قرار گرفت. روش های برنامه ریزی ریاضی، تکنیکهای تکراری برای بیشینهسازی (کمینهسازی) تابع هدف یا متغیرهای تصمیم بکار میروند. مقادیر متغیرهای تصمیم بایستی یک سری از قیود را نیز ارضاء کنند. برای جایابی بهینهی خازن، تابع هدف و مکانها، ظرفیتها، تعداد خازنها، ولتاژ شینه و جریان متغیرهای تصمیمیاند که باید همگی به عنوان قیود مساله ارضاء شوند. روش های برنامه ریزی ریاضی، امکان استفاده از توابع هزینه برای مساله جایابی بهینهی خازن را به صورت استادانهای فراهم میآورد. توابع هدف، تمامی قیود ولتاژ و بارگذاری، اندازه های مجزای خازن و مکانهای فیزیکی گرهها را میتواند در بر بگیرد. با بهره گرفتن از روش های برنامه ریزی ریاضی، مسالهی جایابی بهینهی خازن را میتوان به صورت زیر فرمولبندی کرد:
(۲-۲)
که در آن،
KLΔL، صرفهجوئی هزینهای که میتواند شامل کاهشهای تلفات توان پیک و انرژی و ظرفیت آزاد شده باشد
KcC، هزینه های نصب خازنها
ΔV، تغییر ولتاژ ناشی از نصب خازنی که بایستی از ماکزیمم مقدار آن (ΔVMAX) تجاوز نکند.
در [۱۶]، روش جدیدی برای تعیین تعداد، محل و اندازهی خازن شنت در فیدر توزیع شعاعی با بارهای مجزا به منظور بیشینهسازی صرفهجوئی پیشنهاد شده است. تکنیکهای برنامه ریزی دینامیکی بکار گرفته شده و چندین الگوریتم برای حصول پاسخ بهینه با در نظرگیری فرایند بهینهسازی به صورت یک پروسهی تصمیمگیری چند مرحلهای بسط یافتهاند. موارد خاص مطالعه شده و پاسخهای حاصل در چندین سناریو مورد بررسی قرار گرفته است: بدون هزینه خازن، هزینه متناسب با خازن نصب شده، و هزینه متناسب با خازن نصب شده به اضافهی هزینه ثابت برحسب بانک خازنی. در [۱۷]، دو تکنیک بهینهسازی مجزا برای انتخاب اندازه و محل خازن وابسته به محل بارهای اضافی پیشنهاد شده است. تابع هدف شامل سود ناشی از کاهش تلفات انرژی در فیدر و KVA در پست است. کمینهسازی با در نظر گرفتن قیود افت ولتاژ انجام میشود. این تکنیکها به بخشی از شبکهی توزیع مضر اعمال شده است.
باران و وو[۱۶] در [۱۸]، روشی برای تجزیهی مسالهی جایابی بهینهی خازن در یک مسالهی کلی و فرعی اجرا کردهاند. مسالهی کلی برای تعیین مکان خازنها و مساله فرعی برای تعیین اندازه و ظرفیت خازنهای نصب شده در شبکه استفاده میشود. نویسندگان مرجع قبلی در [۱۹]، جایابی بهینهی خازن را با هدف کمینهسازی تلفات توان در یک پروفیل بار معین با درنظر گرفتن هزینه خازنها انجام دادهاند. فرمولبندی مساله، با ادغام مدل پخش توان AC برای سیستم و قیود ولتاژ انجام شده است. الگوریتم حل روش پیشنهادی به صورت محاسباتی، مناسب و از نظر عددی قویست، مخصوصا برای سیستمهای توزیع با نرخ مقاومت به راکتانس بالا. تکنیک پخش بار پیشنهادی، به صورت یک برنامهی فرعی در الگوریتم بهینهسازی برای تعیین ظرفیت خازن بکار رفته است.
در [۲۰]، هماهنگی بهینهی خازن و تپچنجر ترانسفورماتور در شبکهی توزیع شعاعی انجام شده است. مساله با ادغام قیود ولتاژ فرمولبندی شده است. مسالهی بهینهسازی توسط یک بهینهسازی درجه دوم مجزای مقید با بهره گرفتن از نتایج مسالهی پیوستهی بدون قید متناظر تقریب زده شده است. دو الگوریتم، برای جستجوی پاسخها برای تقریب مسالهی بهینهسازی پیشنهاد میشود. اولی، یک الگوریتم تصادفیست که سریع اجرا میشود اما حصول پاسخ بهینه را تضمین نمیکند. دومین الگوریتم، الگوریتم درجهی دوم است. شبکهای با ۷۰ نقطهی بار به عنوان شبکهی نمونه مورد استفاده قرار گرفته است.
۲-۴ روش های ابتکاری
ابتکارها قوانینیاند که از طریق درک مستقیم، تجربه و داوری توسعه یافتهاند. قوانین ابتکاری، استراتژیهای سریع و عملیاند که فضای جستجو را کاهش داده و قادر به ارائه پاسخی نزدیک به نقطهی بهینه هستند. در [۲۱]، یک تکنیک ابتکاری با بهره گرفتن از مدل ریاضی متغیرهای مجزا به عنوان استراتژی شناسائی شینههای کاندید برای افزودن خازن، پیشنهاد شده است. مدل ریاضی پیشنهادی، یک مسالهی برنامه ریزی غیرخطیست و با بهره گرفتن از یک روش نقطهای داخلی تخصصی حل میشود. روش حل پیشنهادی روی سیستمهای استاندارد اجرا و نتایج حاصل از آن با روش های فرا ابتکاری مقایسه شده است. داسیلوا[۱۷] و همکارانش در [۲۲]، یک تابع سیگموئید[۱۸] به منظور تقریب زدن ماهیت مجزای مساله جایابی خازن را بکار گرفته و سپس مساله را با بهره گرفتن از روش نقطهای داخلی اولیهی دوگانه آن فرمولبندی کردهاند. دو روش برای تعیین حساسیت مورد استفاده قرار گرفته است: ۱) کاهش تعداد شینههای کاندید براساس یک شاخص حساسیت که در واقع یک تابع چندمتغیره افزایندهی لاگرانژ توان راکتیو و سطح ولتاژ است، ۲) یک تکنیک ابتکاری جدید مبتنی بر تابع سیگموئید مبتنی بر تکنیک ابتکاری سازنده[۱۹] . تکنیک پیشنهادی به دو شبکهی توزیع مشهور اعمال شده و نتایج آن با الگوریتم ژنتیک مورد مقایسه قرار گرفته است.
مرجع [۲۳]، تکنیکهای ابتکاری قبلی را مورد مطالعه قرار داده و چگونگی اصلاح یا بهبود آنها را نشان داده است. سپس دو تکنیک برای حصول نتایج بهتر را ارائه کرده است. این دو تکنیک را میتوان تعمیم یافتهی روش های ابتکاری قبلی برای جایابی خازن در نظر گرفت. برای اثبات نزدیکی پاسخهای حاصل از تکنیکهای پیشنهادی به پاسخ بهینه، یک الگوریتم جدید با بهره گرفتن از تکنیک تغییراتی مطرح میگردد.
روش جدیدی مبتنی بر تکنیک ابتکاری و جستجوی حریص[۲۰] در [۲۴] برای جایابی بهینهی خازن پیشنهاد شده است. قوانین ابتکاری برای تعیین مکانهای احتمالی خازن بکار گرفته شده است. سپس تکنیک جستجوی حریص، مکانهای بهینهی خازن حاصل از مکانهای احتمالی را تعیین کرده و اندازهی خازنها در این مکانها را ارائه میکند. تکنیک جستجوی حریص برای تعیین مکان و اندازهی بهینهی خازن، از یک تکنیک جستجوی تکبعدی استفاده میکند. برتری تکنیک ابتکاری با مقایسهی نتایج آن با الگوریتم ژنتیک به اثبات رسیده است. در [۲۵]، روش ابتکاری نوینی برای یافتن گره های حساس برای نصب خازن به منظور کاهش تلفات اهمی و افزایش صرفهجوئی اقتصادی ارائه شده است. گره های حساس، مکانهای اولیه برای نصب بانک خارنی بوده و براساس تلفات ناشی از مولفهی راکتیو جریانهای بار انتخاب میشود. هزینه سرمایهگذاری خازنها و تغییرات بار در طول مدت روز نیز در فرایند مطالعه در نظر گرفته میشود.
۲-۵ روش های مبتنی بر هوش مصنوعی
با توجه به توسعه های اخیر هوش مصنوعی، محققان زیادی آن را برای مسائل مهندسی قدرت بکار گرفتهاند. در عمل، الگوریتم ژنتیک[۲۱] (GA)، سیستمهای خبره[۲۲] (ES)، آبکاری شبیهسازی شده [۲۳] (SA)، شبکه های عصبی مصنوعی[۲۴] (ANN) و تئوری مجموعهی فازی[۲۵] (FST) برای حل مسالهی جایابی بهینهی خازن پیشنهاد شدهاند.
۲-۵-۱ الگوریتم ژنتیک
الگوریتم ژنتیک از تکاملی بیولوژیکی برای ایجاد مجموعهای از نقاط فضای جستجو به سمت یک نقطهی بهینه استفاده میکند. الگوریتم ژنتیک با انتخاب یک جمعیت از پارامترهای کدبندی شده با بالاترین سطح برازندگی (یعنی پارامترهائی که منجر به بهترین پاسخ میشوند) و انجام ترکیبی از عملگرهای جفتگیری، جهش و تقاطع روی آنها، مجموعهی بهتری از پارامترهای کد شده را تولید میکند. الگوریتم ژنتیک به سادگی اجرا شده و قادر به یافتن نقطهی بهینه است.
در [۲۶]، تعدادی از روش های تسریع عملکرد الگوریتم ژنتیک برای حل مسالهی بهینهی خازن در سیستمهای توزیع چند مبدلهی نامتعادل مطالعه شده و نتایج آن با هم مورد مقایسه قرار گرفته است. از این رو، برتریهای اصلی این مقاله عبارت است: ۱) بسط تکنیکهای جایابی خازن در سیستمهای توزیع چند مبدلهی نامتعادل با در نظرگیری اعوجاجهای شکل موج، ۲) مقایسهی رفتار این تکنیکها با یکدیگر و الگوریتم ژنتیک ساده بدون هیچ کاهش در فضای جستجو به منظور اثبات برتری.
ایدهی اصلی مرجع [۲۷]، کاهش هزینه های نصب و تلفات توان اکتیو شبکه های توزیع با در نظرگیری عمر ادوات کلیدزنی شبکه (تپچنجر ترانسفورماتور و خازن کلیدزنی) در تابع هدف مسالهی جایابی بهینهی خازن است. شینههای کاندید برای نصب خازن با بهره گرفتن از تحلیل حساسیت و پیشبینی بار سالیانه تقریب زده میشود. سپس، بهره برداری بهینه از تمامی ادوات برای هر بخش با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک، صورت میگیرد. تعداد خازنهای نصب شده، براساس عملکرد بهینه محاسبه میشود که این امر منجر به کاهش هزینه سالیانهی نصب خازن و تلفات توان اکتیو میگردد.
در [۲۸]، روش جدیدی برای بهبود الگوریتم ژنتیک به منظور حل مسالهی جایابی بهینهی خازن ارائه شده است که در طی آن، فاز فضای جستجوی به الگوریتم ژنتیک با بهره گرفتن از سازماندهی سلسله مراتب افزوده میشود. تکنیک پیشنهادی، برخی از ملاحظات مانند محدودیتهای بودجهی سالیانه را نیز در بر میگیرد. روش پیشنهادی قادر به اجرا در شبکه های توزیع بزرگ با توانائی یافتن پاسخهای نزدیک به حالت بهینه در یک مدت زمان اجرای کوتاه است.
معصوم[۲۶] و همکارانش در [۲۹]، الگوریتم ژنتیک را برای فرمولبندی مسالهی جایابی و تعیین ظرفیت بهینهی خازن در حضور هارمونیکهای ولتاژ و جریان با درنظر گرفتن تعداد محدودی از بانکهای خازنی در هر شینه و کل فیدر، بکار گرفته است. قیود عملیاتی و کیفیت توان شامل ولتاژ موثر، تعداد/ظرفیت خازنهای نصب شده و رزونانسهای همزمان هارمونیک در جایابی لحاظ شده است. با بهره گرفتن از تابع برازندگی پیشنهادی، ترکیب مناسبی از هدف و قیود به عنوان معیار انتخاب تعریف میشود. نتایج شبیهسازی برای دو شبکهی IEEE ارائه شده و پاسخهای الگوریتم ژنتیک با تکنیکهای حداکثر حساسیت انتخاب[۲۷]، حداکثر حساسیت انتخاب-تغییرات محلی[۲۸] و مجموعه فازی مورد مقایسه قرار گرفته است.
نویسندگان مرجع [۳۰]، تکنیکی را برای جایابی بهینهی خازن با سه هدف پیشنهاد کردهاند: ۱) سطوح عمیقتر کاهش ولتاژ پست برای کاهش پیک بار، ۲) اصلاح ضریب قدرت و ۳) کاهش تلفات توان. کاهش بار همراه با بهبود ضریب قدرت در پست علاوه بر داشتن مزایای اقتصادی برای شبکه، دارای اثرات مفید پایداری ولتاژ با افزایش حد پایداری سیستم است.
۲-۵-۲ سیستمهای خبره
سیستمهای خبره یا سیستمهای مبتنی بر دانش[۲۹] (KBS) شامل مجموعه قوانین، حقایق (دانش) و یک محرک واسط برای انجام استدلال منطقی است. اغلب ES ها در مهندسی قدرت برای تشخیص، طراحی و برنامه ریزی بکار میروند [۳۱].