پایان نامه برنامه ریزی توسعه شبکه به همراه تولید

پایان نامه برای درجه کارشناسی ارشد دررشته مهندسی برق گرایش قدرت

چکیده

در این پایان نامه به ارائه روشی جدید  جهت مکان یابی بهینه نیروگاه ها به منظور بهینه سازی همزمان توسعه تولید وشبکه پرداخته شده است. در مسأله بهینه سازی مورد بررسی، هدف انتخاب نوع و ظرفیت نیروگاه های جدید  و زمان و مکان احداث آنهاست به طوری که که کلیه اهداف مسأله بهینه سازی تأمین گردد. در این تحقیق ضمن مدل سازی مسئله بهینه سازی یاد شده، به اعمال شاخص هزینه با لحاظ نمودن هزینه  سرمایه گذاری، هزینه  تولید، هزینه انرژی تأمین نشده وهزینه  نگه داری مبادرت شده و در نگاهی جدید  دربرنامه ریزی درشبکه های قدرت پرداخته شده است. بر این اساس هدف از پژوهش انجام شده، تنها حداقل کردن هزینه  وجایابی بهتر نیروگاهها  بوده ،همچنین در تحقیق حاضر، جهت حل مسأله یاد شده از الگوریتم ژنتیک استفاده شده و بسته نرم افزاری تهیه شده روی یک شبکه قدرت تست گارور با افق طراحی 10سال آزمایش شده است و نتایج آن با روش الگوریتم کلونی مورچگان مقایسه گردیده است.

کلمات کلیدی:برنامه ریزی توسعه تولید،برنامه ریزی توسعه انتقال ،سرمایه گذاری،مکان یابی نیروگاه،الگوریتم کلونی مورچگان

برنامه ریزی توسعه نیروگاه ها یکی از مهمترین بخش های برنامه ریزی توسعه شبکه های قدرت می باشد. شبکه های انتقال وظیفه انتقال انرژی الکتریکی تولیدی که هدف از آن،یافتن الگوی مناسب جهت توسعه نیروگاه هاست که با احداث آنها ضمن تأمین انرژی مورد نیاز مصرف کنندگان به صورت مطمئن،کمترین هزینه  نیز جهت تأمین بارها به شبکه تحمیل شده وهمچنین شبکه نیز به بیشترین میزان پایداری خود دست یافته وتلفات خطوط انتقال توسط نیروگاه ها دربهینه ترین شرایط خود قرار داشته باشند. بر این اساس، در برنامه ریزی یاد شده می بایست مشخص شود که نیروگاه های جدید  باچه ظرفیتی، در چه زمانی و در چه مکانی باید احداث شوند تا اهداف فوق برآورده شود. این برنامه ریزی معمولاً برای یک دوره زمانی 10 تا 20 ساله انجام می شود.[1] 

تحقیقات انجام یافته در خصوص برنامه ریزی توسعه تولید وجایابی نیروگاه ها در سه مورد قابل بررسی می باشند ابتدا تابع هدف مسئله بهینه سازی مورد اشاره، دوم نوع محدودیت  ها، درنظر گرفته شده و در آخر روش حل مسئله بهینه سازی استفاده شده است. بر این اساس در بسیاری از پژوهش های انجام شده ، هدف حداقل کردن هزینه  ها ومکان یابی بهتر  بوده است.

1-2معرفی برنامه‌ریزی توسعه همزمان

مجموع ظرفیت عملی نیروگاههای نصب شده در یک شبکه برق، باید برابر با مجموع توان مورد نیاز کلیه مصرف کنندگان بعلاوه مجموع تلفات توان، مجموع توان مصرفی داخلی پستها و نیروگاهها و درصدی به عنوان ذخیره چرخان در محدوده زمانی مورد مطالعه باشد در صورتیکه مجموع ظرفیت عملی نیروگاههای نصب شده کمتر از مقدارمورد نیاز باشد، باید ترکیبی ازنیروگاههای جدید با حداقل هزینه به مجموع شبکه افزوده گردد. در برنامه ریزی توسعه ، هدف تعیین نوع، ظرفیت، محل احداث و زمان ورودواحدهای نیروگاهی جدید برای رعایت توازن تولید و مصرف در شبکه و با کمترین هزینه ممکن است.. برای تعیین مکان احداث نیروگاهها، لازم است چگونگی توزیع بار در منطقه مورد مطالعه، به همراه محدودیتهای محیطی جهت احداث نیروگاهها، محدودیتهای خطوط انتقال جهت انتقال توان تولیدی و محدودیتهای سوخت رسانی نیز لحاظ گردند. به دلیل بزرگ بودن ابعاد مسئله ی برنامه ریزی توسعه سیستم تولید، معمولاً آن را به دو مسئله مجزا تقسیم میکنند. در مسئله اول که به مسئله برنامه ریزی توسعه سیستم تولید در شبکه نامیده میشود، از تعیین مکان احداث نیروگاهها صرفنظر شده و تنها نوع نیروگاهها، زمان ورود و ظرفیت آنها تعیین میگردد. مسئله دوم معمولاً به این صورت است که فرض میشود مسئله اول حل شده و در نتیجه نوع نیروگاهها، زمان ورود و ظرفیت آنها مشخص است. حال با درنظر گرفتن عواملی همچون توزیع جغرافیایی بار، محدودیتهای محیطی و سوخت رسانی، ساختار شبکه انتقال و غیره، بحث جایابی نیروگاهها دنبال میشود.

حتی برای نیروگاههای یکسان نیز شرایط محیطی مانند منابع آبی، قیمت زمین و هزینه تامین سوخت، موجب هزینه های توسعه وبهره برداری متفاوت میشود. از طرف دیگر، دور بودن نیروگاهها از مراکز مصرف ممکن است منجر به افزایش هزینه توسعه خطوط انتقال شده و یا فاصله زیاد نیروگاهها از مراکزسوخت منجر به افزایش هزینه تولید گردد. با درنظر گرفتن عوامل فوق نمیتوان گفت که برنامه ریزی توسعه تولید درشبکه تک شینه یک برنامه ریزی بهینه است، اما به دلیل مشکل بودن برنامه ریزی با درنظر گرفتن همزمان محل احداث نیروگاهها، معمولاً بحث جایابی نیروگاهها بصورت مجزا بررسی میگردد. هزینه توسعه نیروگاهها و بهرهبرداری از آنها در یک سیستم قدرت، به محل قرارگیری نیروگاهها وابسته است.

1-3   برنامه ریزی انتقال

سیستم انتقال به عنوان یکی از زیرساخت های اصلی صنعت برق هر کشور به شمار می رود. چرا که علاوه بر ایجاد ارتباط میان تولید و توزیع انرژی الکتریکی، بستری فراگیر و قابل اطمینان برای تولیدکنندگان و مصرف کنندگان مهیا می سازد.از این رو طراحی و برنامه ریزی یک سیستم انتقا ل مطلوب و انعطاف پذیر از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

برنامه ریزی توسعه شبکه انتقال (TNEP) در حالت کلی به دو نوع دینامیکی (DTNEP) و استاتیکی (STNEP) طبقه بندی می شود. وظیفه برنامه ریزی دینامیکی توسعه شبکه انتقال  (DTNEP) که در بعضی از مراجع نظیر از آن به برنامه ریزی بلند مدت  نیز تعبیر شده، عبارتست از : مشخص کردن مکان و زمان احداث خطوط انتقال جدید به همراه مشخصات فنی مربوطه (همانند تعداد، جنس، سطح ولتاژ و..). برای توسعه شبکه انتقال مطابق با رشد بار و نتیجه برنامه ریزی توسعه شبکه تولید در بازه زمانی مورد مطالعه تااینکه تحویل انرژی الکتریکی به مراکز بار با لحاظ نمودن مجموعه ای از قیود بهره برداری و قابلیت اعتماد به اقتصادی ترین نحو ممکن صورت گیرد . در حالی که در STNEP تنها تعداد و مکان احداث خطوط مورد نیاز برای یک سال افق مشخص تعیین شده و جهت ساده سازی، پارامترزمان از مجهولات مسئله حذف میگردد.

1- 4 برنامه­ریزی توسعه خطوط:

  برنامه­ریزی توسعه خطوط را می‌توان در سه بخش خطوط انتقال، فوق­توزیع و توزیع در نظر گرفت.  در این بین ساختار خطوط توزیع بصورت شعاعی بوده در حالیکه شبکه خطوط فوق توزیع و انتقال این گونه نمی­باشند.  از نظر برنامه‌ریزی توسعه خطوط، روشهای توسعه شبکه انتقال و فوق توزیع تقریباً در یک دسته قرار می‌گیرند و از روشهای یکسان برای توسعه آنها استفاده می‌شوند و تقریباً مدل یکسانی دارند درحالیکه خطوط توزیع از نظر مدل و نحوه برنامه‌ریزی توسعه، با آن دو متفاوت می‌باشد. شبکه انتقال بیان مدلی دقیق از این مساله می‌باشد.

در مورد توسعه خطوط انتقال نوع و زمان نیاز به خطوط مورد توجه قرار می‌گیرد.  در این مورد فرض می‌شود که میزان بارهای پستها و مراکز تولید مشخص بوده و تولید از کفایت لازم برخوردار است ]1و22[.  تحقیقاتی که در این زمینه انجام شده از نظر روش حل مساله، در نظر گرفتن سال افق، رقابتی بودن سیستم و ابزارهای بهینه سازی با یکدیگر متفاوت بوده­اند.  نخستین قدم در جهت برنامه­‌ریزی دقیق مساله توسعه شبکه انتقال بیان مدلی دقیق از این مساله می‌باشد.  بطور کلی مدل توسعه شبکه شامل ابزارهایی است که گزینه­های توسعه شبکه را از بین گزینه­های موجود انتخاب کرده و با اضافه کردن آنها به شبکه موجود، می­تواند طرحی بهینه برای توسعه شبکه ارائه کند

1-5 قابلیت اطمینان] 10[

تعریف قابلیت اطمینان بر تعریف وقوع خرابی بنا شده‌است. برای اندازه گیری قابلیت اطمینان یک سیستم ابتدا سیستم به اجزایی شکسته می‌شود و قابلیت اطمینان سیستم برحسب قابلیت اطمینان اجزای آن بیان می‌گردد. برای محاسبه قابلیت اطمینان هر جزء براساس داده‌های آماری در دسترس، مدلی برای نرخ وقوع خرابی انتخاب می‌شود و پارامترهای آن براساس داده‌های موجود تخمین زده می‌شوند

بررسی قابلیت اطمینان در سا ل های اخیر در مباحث طراحی، برنامه ریزی و بهره برداری سیستم های قدرت  مورد توجه قرار گرفته است. ازجمله مشکلات موجود در راستای این مطالعه می توان به پراکنده بودن اطلاعات در سطوح مختلف اشاره کرد،تا بتواند پاسخگوی مشکلاتی از قبیل:

*خرابی تصادفی تجهیزات تولید (قطع اجباری).

*اختلاف در تقاضا باید توسط سیستم تولید برآورده شود(از جمله تغییرات تصادفی).

*تغییرات در شرایط تجهیزات هیدرولیک که موثر بر ظرفیت برق آبی و انرژی در دسترس سیستم های تولید است.

*برنامه ریزی تعمیرونگهداری تجهیزات تولید سوخت رسانی واحد ها است.

*تغییرات در ظرفیت جدید  پیش بینی شده که قرار در خط بیاید به عنوان مثال، تاخیر یا لغو به دلیل مالی و محدودیت های دیگر.

1-6جمع بندی فصل اول

   در این فصل  به انواع مدل های برنامه ریزی ، دینامیکی واستاتیکی ، قابلیت اطمینان سیستم ومحدودیت های سیستم پرداخته شد. که در این تحقیق ازروش برنامه ریزی بلند مدت (دینامیکی) برنامه ریزی شده است.

شبکه های قدرت دارای سه جزء اساسی، تولید، انتقال و توزیع هستند. شبکه های انتقال وظیفه انتقال انرژی الکتریکی تولیدی توسط نیروگاهها را به شبکه های توزیع برعهده دارند. شبکه های انتقال معمولاً برای انتقال میزان مشخصی از انرژی با برقراری تعداد خطوط مشخصی بین شینها طراحی میشوند. در صورتیکه میزان تقاضای انرژی بارهای الکتریکی با توجه به توسعه شهرهای صنعتی و امکانات رفاهی بیشتر شود یا نیروگاههای جدید ی به شبکه اضافه گردد، طراحی مجدد شبکه انتقال با توجه به ارتباطات موجود، امری اجتناب ناپذیر است. شبکه های انتقال اولیه صرفاً برای ارتباط نیروگاههای برق به مراکز بار ایجاد شده اند تا بدین طریق امکان استفاده از انرژی الکتریکی تولیدی درمحلهایی که به صرفه تر هستند فراهم شود. با رشد سیستم های قدرت، شبکه های حلقوی انتقال قدرت مسیرهای جایگزینی برای انتقال انرژی الکتریکی از نیروگاهها به بارها فراهم آورده اند که باعث افزایش قابلیت اطمینان انتقال میشود. هنگامیکه منابع تولید یا الگوهای بار نامتعادل باشند، این ارتباط داخلی، نیاز بار به انرژی بیشتر را از مسیرهای جایگزین تامین مینماید. توسعه شبکه های انتقال، از پیچیده ترین و درعین حال مهمترین مسایل مهندسی برق است. یکی از دلایل این پیچیدگی این است که نیاز به انرژی الکتریکی در طول زمان و مکان تغییر میکند.[3]

به طورکلی برنامه ریزی توسعه شبکه انتقال [1](TEP)با توجه به مدت زمان مورد مطالعه به دوروشی که گفته شد (استاتیکی ودینامیکی) تقسیم میشود. مساله برنامه ریزی توسعه انتقال که یکی از مسایل دشوار بهینه سازی است، همانند دیگر مسایل این زمینه دارای دو نکته قابل بررسی است. ابتدا تابع هدفی که باید بهینه شود و سپس الگوریتم بهینه سازی مناسب. تابع هدف مساله برنامه ریزی توسعه شبکه انتقال عمدتاً کمینه کردن هزینه کل اضافه کردن خطوط جدید  است که با توجه به قیدها و محدودیت های فیزیکی شبکه برآورد میشود. اما در مورد الگوریتم بهینه سازی آن، تاکنون روشهای مختلفی پیشنهاد شده است. این روشها را میتوان به دو دسته کلی،روشهای کلاسیک بهینه سازی و روشهای فراابتکاری تقسیم بندی نمود

از جمله روشهای کلاسیک بهینه سازی میتوان به برنامه ریزی خطی، غیرخطی، پویا و ... اشاره کرد. روشهای فراابتکاری روشهایی هستند که عمدتاً با الهام از طبیعت یا پدیده های فیزیکی یا اجتماعی یارفتار حیوانات وپرندگان مسایل پیچیده در زمینه های مختلف مهندسی با استفاده از آنها حل شده است. روشهای فراابتکاری استفاده شده در برنامه ریزی توسعه شبکه انتقال،الگوریتم در مرجع ،[9], [1]از روش بهینه سازی رقابت استعماری[2] به کارگرفته شده،درمرجع [2] از الگوریتم ژنتیک[3]، در مرجع [3] از الگوریتم جستجوی گرانشی[4]،در مرجع [4]ازالگوریتم ترتیبی[5]،درمرجع [5]ازکلونی مصنوعی زنبور عسل[6]، به کار گرفته شده است. یکی از الگوریتم های بهینه سازی الگوریتم کولونی مورچگان است.

در این تحقیق، هدف معرفی مکانیزمی جهت ایجاد هماهنگی بین هزینه تولید و برنامه ریزی توسعه نیروگاه ها می باشد که در قالب یک مسئله بهینه سازی غیر خطی مبادرت به مدل سازی برنامه ریزی توسعه و تولید نیروگاه ها با لحاظ نمودن شاخص هزینه خواهد شد.که در اخر نتایج ان به دو روش بهینه سازی الگوریتم ژنتیک والگوریتم کلونی مورچگان[7] مقایسه می گردد

2-2توسعه  خطوط

برنامه­ریزی توسعه خطوط را می‌توان در سه بخش خطوط انتقال، فوق­توزیع و توزیع در نظر گرفت.  در این بین ساختار خطوط توزیع بصورت شعاعی بوده در حالیکه شبکه خطوط فوق توزیع و انتقال این گونه نمی­باشند.  از نظر برنامه‌ریزی توسعه خطوط، روشهای توسعه شبکه انتقال و فوق توزیع تقریباً در یک دسته قرار می‌گیرند و از روشهای یکسان برای توسعه آنها استفاده می‌شوند و تقریباً مدل یکسانی دارند درحالیکه خطوط توزیع از نظر مدل و نحوه برنامه‌ریزی توسعه، با آن دو متفاوت می‌باشد.

در مورد توسعه خطوط انتقال نوع و زمان نیاز به خطوط مورد توجه قرار می‌گیرد.  در این مورد فرض می‌شود که میزان بارهای پستها و مراکز تولید مشخص بوده و تولید از کفایت لازم برخوردار است ]1و22[.  تحقیقاتی که در این زمینه انجام شده از نظر روش حل مساله، در نظر گرفتن سال افق، رقابتی بودن سیستم و ابزارهای بهینه سازی با یکدیگر متفاوت بوده­اند.  نخستین قدم در جهت برنامه­‌ریزی دقیق مساله توسعه شبکه انتقال بیان مدلی دقیق از این مساله می‌باشد.  بطور کلی مدل توسعه شبکه شامل ابزارهایی است که گزینه­های توسعه شبکه را از بین گزینه­های موجود انتخاب کرده و با اضافه کردن آنها به شبکه موجود، می­تواند طرحی بهینه برای توسعه شبکه ارائه کند. مدلهای ارائه شده برای برنامه­ریزی توسعه شبکه را می­توان به دو دسته مدلهای بهینه سازی ریاضی[8] و ابتکاری[9] تقسیم کرد.  البته مدلی دیگر نیز تحت عنوان مدل فراابتکار[10] نیز معرفی می­شود که ترکیبی از دو مدل قبلی می­باشد ]2[.

در مدل بهینه­ سازی ریاضی یک طرح بهینه به کمک فرآیند ریاضی بدست می­آید.  بدین ترتیب که جواب بهینه مساله­ای که بصورت یک فرمول ریاضی در آورده شده است، پیدا می­شود.  از آنجا که در این روشها امکان در نظر گرفتن تمام ابعاد مساله توسعه شبکه ممکن نمی­باشد، جواب بدست آمده توسط این مدل با توجه به ساده­ سازیهای بسیاری که روی آن صورت گرفته، نیاز به بازبینی فنی و اقتصادی توسط طراحان قبل از اجرای آن می­باشد.  در این روش مساله بهینه سازی توسط یک تابع هدف که میزان مطلوبیت یک طرح را نشان می­دهد و مقید به یک سری قیود است، فرموله می­شود. روشهای متفاوتی برای حل مساله به روش مدل بهینه سازی ریاضی ارائه شده است.

2-3شبکه گارور

یکی از اولین روشهایی که در این زمینه ارائه شده در سال 1970 میلادی توسط.Gaver ارائه شد که یک مدل برنامه­ریزی خطی برای حل مساله ارائه نمود.وی برای خطی کردن روابط حاکم بر رفتار شبکه بجای معادلات غیرخطی پخش بار متناوب، از مدل خطی حمل­ و نقل استفاده کرد.  برای بیان این رفتار، مدل خود را برای یک شبکه شش شینه پیاده نمود.  در این مدل، هدف حداقل کردن هزینه احداث خطوط جدید  با رعایت قیود مربوط به حداکثر و حداقل توان تولیدی نیروگاهها و توان انتقالی از خطوط بود.  بعدها برای نزدیک کردن مدلِ بیان کننده رفتار شبکه به واقعیت، بجای مدل حمل­ و نقل، از پخش بار مستقیم[11] استفاده شد.  ماهیت عدد صحیح بودن برخی از متغیرهای مساله نظیر انتخاب یا عدم انتخاب یک کاندید مشکلاتی را برای پیاده­سازی ریاضی مساله بوجود می­آورد.  لذا روشی بر اساس برنامه­ریزی عدد صحیح ارائه شد که در آن از پخش بار مستقیم برای مدل کردن رفتار شبکه استفاده شده است.علاوه براین روشها، روشهای برنامه­ریزی غیرخطی بدلیل ماهیت غیرخطی بودن مساله و روش برنامه­ریزی پویا، برای حل مدل بهینه سازی ریاضی ارائه شده است.[

[1] Transmission Expansion Planning

[2] Imperialist Competitive Algorithm

[3] Genetic Algorithm (GA)

[4] Gravitational Search Algorithm

[5] algorithm Sequential

[6] Artificial bee colony

[7] Ant colony

[8] Mathematical Optimization Model

[9] Heuristic Model

[10]Meta-Heuristic Model

[11] DC Load Flow

Abstract

This thesis presents a new method for locating the optimal power network has been developed to optimize simultaneously.  The optimization Question studied, the purpose of selecting the type and capacity of the new plant and the construction of their time and place so that all objectives will be met optimization problem. In this paper, modeling optimization problem mentioned above, the practice of considering the cost of the investment costs, production costs, the cost of not providing energy costs and keep engaged in the has been A New Look at program networks Customizable. The aim of the present study, only at the cost Placement best plants as well as in the present study, in order to solve the problem mentioned by Genetic Algorithm and software package developed by a network of testing Garver with a horizon of 10 years testing and the results were compared with ant colony optimization algorithms.

Keywords: generation expansion  planning, Transmission expansion  planning, Investment, power plant Location, Ant colony optimization algorithms