توضیحات

پروژه متلب برنامه ­ریزی ریزشبکه هوشمند بادرنظرگرفتن برنامه های پاسخگویی بار و منابع انرژی تجدیدپذیر با الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات چندهدفه(MOPSO)

 

دانلود مقاله مرجع

در دسترس­ بودن منابع کافی انرژی خورشیدی و سایر منابع انرژی تجدیدپذیر و همچنین تعرفه‌های تشویقی مناسب، بسیاری از مصرف‌کننده‌های مسکونی را به نصب پنل‌های خورشیدی و توربین‌های بادی و سایر منابع انرژی پاک و کم‌هزینه برای تأمین تقاضای بار خانگی تشویق می‌کند. در طول دوره اوج تابش خورشید و پیک تولید سایر منابع تجدیدپذیر، انرژی مازاد پس از تأمین بارهای محلی به طور معمول به شبکه اصلی تغذیه می‌شود. مسائلی از قبیل طبیعت متناوب خروجی این منابع تجدیدپذیر باعث کمبود و یا افزایش توان و در نتیجه خرید انرژی از شبکه اصلی و یا فروش مازاد انرژی به شبکه اصلی می‌شوند که باعث افزایش ولتاژ و همچنین سایر مشکلات مربوطه می‌شود. ریزشبکه‌ها پتانسیل زیادی برای فراهم‌­کردن راه‌حل‌های امیدوارکننده از مشکلات موجود طبیعت متغیر تولیدات تجدیدپذیر و تغذیه مقدار زیاد انرژی الکتریکی برنامه‌ریزی‌ نشده به شبکه اصلی دارند. به جای فروش برق به شبکه اصلی، تولیدات موجود در یک ریزشبکه خانگی می‌تواند با سایر ساکنین به اشتراک گذاشته شود. در واقع شبکه اصلی به عنوان آخرین گزینه برای انجام تبادل توان در نظر گرفته شود. یک نقشه طراحی‌ شده مناسب برای به اشتراک گذاشتن انرژی به عنوان مثال، یک سیستم مدیریت انرژی برای انجام فعالیت‌های مربوط به اشتراک‌گذاری توان با همسایگان در یک ریزشبکه مسکونی مورد نیاز است. همچنین، تجزیه و تحلیل هزینه و سود به منظور بررسی امکان‌سنجی پروژه به اشتراک‌گذاری انرژی نیز باید انجام شود. هدف اصلی این طرح پیشنهادی بهره‌گیری مناسب از منابع تولید پراکنده و افزایش بهره‌وری انرژی در بخش مسکونی و طراحی و پیاده‌سازی یک سیستم مدیریت انرژی هوشمند برای برنامه‌ریزی و کنترل بهینه حوزه تولید و ذخیره و مصرف انرژی در ریزشبکه‌های مسکونی چندگانه و ایجاد یکپارچه‌سازی و هماهنگی بین بخش‌های مختلف آن است.

سیستم­های توزیع آینده با افزایش نفوذ منابع تولید پراکنده که به صورت نسل­هایی از منابع تجدیدپذیر مانند تولید توان بادی و خورشیدی، که دارای رفتار طبیعی متناوب هستند، روبرو خواهند شد. این امر ممکن است امنیت عملیات بهره­برداری سیستم را به مخاطره بیاندازد. لذا ارائه مدل های برنامه ریزی مؤثر و کارآ برای منابع انرژی توزیع (DER) جهت بهره برداری و کنترل سیستم های توزیع آینده یک امر لازم و ضروری است. یکی از راه حل های پوشش عدم قطعیت حاصل از این نوع منابع، استفاده از برنامه های پاسخگویی بار است. جهت پیاده سازی برنامه ریزی پیشرفتة منابع انرژی توزیع برای بهره برداری اقتصادی و امن سیستم های توزیع آینده، وجود زیرساخت اندازه گیری پیشرفته به عنوان یکی از ضروری ترین زیرساخت های سیستم هوشمند، لازم و ضروری است. پاسخگویی بار (DR) دربرگیرندة روش­هایی از برنامه های مدیریت مصرف برق است که به تغییر مصرف در اثر تغییر قیمت در بازار اطلاق می­شود. لذا بارهای پاسخگو به عنوان یک منبع ارزشمند برای حفظ قابلیت سیستم و بهره برداری اقتصادی از آن به شمار می­رود. در شبکه­های هوشمند به دلیل وجود تجهیزات اندازه­گیری پیشرفته امکان اعمال برنامه های پاسخگویی به راحتی امکان پذیر است بطوریکه در این شبکه ها، مصرف کنندگان می­توانند با تغییر شیوة مصرف خود، به تعادل میان تولید و مصرف کمک کرده و قابلیت اطمینان سیستم را افزایش دهند. این تغییر زمانی به وقوع می پیوندد که مصرف کنندگان گزینه­هایی برای انتخاب داشته باشند تا انگیزة تغییر مصرف در آنها به وجود آید. برای عملیاتی کردن این انگیزه در مصرف­کنندگان باید آنها به اطلاعاتی دربارة مقدار برق مصرفی خود و نیز قیمت­های واقعی برق که هر لحظه در حال تغییر هستند، دست یابند. امروزه در اکثر تکنیک های عملیاتی سیستم های قدرت، تولید به منظور تأمین بار شبکه پیش بینی شده کنترل می شود. کنترل مستقیم بارها نادر است؛ به جز در مورد تولید ناکافی در روزهای اوج که در آن فشار ممکن است در سراسر طرح های پاسخگویی بار(پیک سایی) کاهش یابد. تلقی کلی بر این است که بار به دنبال کنترل تولید یا پخش حاصل می شود. سیاست استفاده پیروی از بار، پیچیده تر است از تولید انرژی تجدیدپذیری که به شبکه تزریق می شود. در ریزشبکه ها، منابع انرژی تجدیدپذیر متناوب، مانند انرژی های خورشیدی و بادی، قابل پیش بینی و قابل پخش با یک تضمین و اطمینان کافی نیستند. تولید انرژی خورشیدی می تواند با عبور ابرها به سرعت تغییر کند. انرژی بادی نیز الگوی متفاوتی با تغییرات سریع روزانه دارد. در نتیجه، افزایش ظرفیت تولید انرژی تجدیدپذیر می بایست با افزایش در منابع رایج مانند به اوج رساندن توربین های گازی توأمان باشد. با تولید هرچه بیشتر انرژی تجدیدپذیر متناوب، پیچیدگی بیشتری برای ظرفیت تولید قابل پخش مازاد به منظور تأمین خدمات موردنیاز و شیب سریع به منظور کسب اطمینان از آن وجود دارد که تولید در راستای مصرف بار است. خوشبختانه، موقعیت و فرصت تازه ای به وسیله ی شبکه هوشمند به وجود آمده که کنترل مستقیم بارها را امکان پذیر می کند. هنگامی که تولید کمتر توزیع شود در اصل میتواند تا حدود ی با ایجاد بارهایی با قابلیت توزیع بیشتر جبران کننده باشد. پخش بار و پاسخ گویی بار در روشی که پاسخگویی بار نیز درگیر تغییر بارها به حالت روشن و خاموش است به هم شبیه هستند. اما، برعکس پاسخگویی بار که گاهاً و به طور خاص به منظور کاهش بار در زمان پیک تقاضا استفاده می شود، توزیع تقاضا به منظور استفاده یکپاردر همه زمان هایی که در خدمات مربوط به بهره برداری شبکه یکپارچگی وجود داشته باشد، مورد استفاده واقع می شود. پخش بار نامیده می شود به این دلیل که بارها به اندازه ی تولید پخش موجود شبکه ، در زمان واقعی پخش می شوند. زمانی که تولید کاهش می یابد، روشن کردن بار یا افزایش تقاضا در شبکه، نتایج مشابهی در توازن توان شبکه ایجاد می کند. در مورد مشابه، خاموش کردن بار نتیجه مشابهی دارد؛ زمانی که تولید افزایش می یابد. به دنبال توزیع تقاضا، تولید بار را حاصل خواهد داشت. میان تمام خدمات ساختمان و تجهیزات الکتریکی، انرژی مصرف شده به وسیله سیستم های گرمایشی و سرمایشی، درصد بالایی را به خود اختصاص می دهند. بنابراین پخش بار مؤثر سیستم گرمایشی و سرمایشی می تواند نقش مهمی در ایجاد توازن توان ایفا کند. در این تحقیق، زمانی که افزایش نفوذ منابع انرژی تجدیدپذیر امکان پذیر است، سیستم های گرمایشی و سرمایشی، بار منعطفی فرض می­شوند که می­تواند به دنبال تولید انرژی تجدیدپذیر مدیریت شود. بدین وسیله هزینه کلی ریزشبکه هوشمند کاهش می­یابد. این ریزشبکه هوشمند به یک شبکه توزیع متصل می شود. در نتیجه، ریزشبکه می تواند توان مازادش را به گرداننده شبکه توزیع متصل شده عرضه کرده و کمبود توان را از آن ها دریافت کند؛ در هر زمانی که نیاز باشد.

ریزشبکه:

ریزشبکه شامل یک یا چند فیدر از شبکه توزیع فشار ضعیف است که مجموعه‌ای از واحدهای تولید پراکنده (توربین بادی، فتوولتائیک، پیل سوختی، میکروتوربین، دیزل ژنراتور و…)، منابع ذخیره‌ساز انرژی (باتری، چرخ طیار، خازن‌ها،…) و بارها (خانگی، تجاری، صنعتی و یا ترکیبی از آن‌ها) در آن قرار دارد و توانایی عملکرد در دو حالت متصل و یا جدا از شبکه سراسری را دارا می‌باشد. پدیده جدا شدن از شبکه سراسری که منجر به عملکرد جزیره‌ای می‌شود، می‌تواند ناشی از رخدادهای کلیدزنی برنامه‌ریزی‌شده(خواسته) و یا غیر برنامه‌ریزی‌شده (ناخواسته) باشد. تحت شرایط عادی ریزشبکه در حالت متصل به شبکه سراسری عمل می‌کند و ولتاژ و فرکانس آن توسط شبکه سراسری تعیین می‌گردد. با وقوع جزیره تعادل بین تولید و مصرف در ریزشبکه از بین می‌رود که منجر به انحراف فرکانس و ولتاژ ریزشبکه می‌شود، در ادامه عدم برقراری تعادل بین بار و تولید ریزشبکه سبب خاموشی آن خواهد شد.

منابع انرژی پراکنده:

منابع انرژی پراکنده، منابع تولیدکننده توان در ریزشبکه‌ها هستند. در دسته‌بندی صورت گرفته منابع انرژی پراکنده به سه دسته کلی منابع تولید پراکنده، منابع ذخیره‌ساز انرژی و منابع پاسخگویی بار تقسیم می‌شوند. واحدهای منابع انرژی پراکنده اغلب به سطح ولتاژ متوسط یا پایین متصل می‌شوند و حضور آن‌ها منافع زیادی برای ریزشبکه دارد:

اکثر فناوری‌های منابع انرژی پراکنده به منظور تبدیل انرژی خود به صورت سازگار با سیستم ac نیاز به مبدل‌های الکترونیک قدرت دارند. این فناوری‌ها ممکن است به مبدل dc-dc و همچنین فیلترها و سیستم‌های حفاظتی خروجی مجهز باشند. قابلیت‌های مبدل‌های الکترونیک قدرت واحدهای DER بهره‌برداری مطمئن ریزشبکه را پشتیبانی می‌کنند.

باید در نظر داشت که علاوه دو نوع اصلی واحدهای DG، Ds یک واحد منبع انرژی پراکنده می‌تواند به صورت ترکیبی از این دو نوع نیز باشد. این منابع می‌تواند قابل توزیع یا غیر قابل توزیع باشند.

 پاسخگویی بار

مطابق تعریف دپارتمان انرژی ایالات متحده پاسخگویی بار عبارت از توانایی قطع بار توسط مشترکین برای بهبود الگوی مصرف انرژی الکتریکی در زمان‌های پیک بار به منظور رسیدن به قیمت‌های مناسب و بهبود قابلیت اطمینان شبکه است. ریزشبکه قادر است انواع مختلف بارها اعم از خانگی، تجاری و صنعتی را تغذیه کند. عموماً بارهای تجاری و صنعتی به عنوان بارهای حساس و بحرانی تلقی می‌گردند که تقاضای بالای از کیفیت توان و قابلیت اطمینان را دارا می‌باشند. ریزشبکه باید تأمین بارهای حساس را بر بار غیر حساس مقدم بداند و بدون توجه به هزینه، این نوع بار را تأمین کند. این در حالی است که بارهای غیرحساس دارای انعطاف بیش‌تری می‌باشند و سیستم مدیریت ریزشبکه می‌تواند در زمان های مورد نیاز اقدام به قطع و یا کاهش میزان تقاضای این نوع بارها کند. در عمل قسمتی از بارهای غیرحساس را می‌توان به عنوان بار کنترل‌پذیر در نظر گرفت و آن‌ها را وارد استراتژی کنترل پاسخگویی بار کرد تا بدین وسیله پیک بار را کاهش باید و پروفیل بار را مسطح گردد. به عبارت دیگر، با توجه به توان مصرفی و تولیدی ریزشبکه، با برنامه‌ریزی مشخص می‌توان این بارها را در فواصل زمانی معلوم وارد مدار کرد و در فواصلی که با کمبود تولید مواجه هستیم از مدار خارج کنیم.

برنامه های پاسخگويي بار :

بنابر تعريف ارائه شده از سمت DOE در فوريه ي 2006 پاسخگوي بار تغيير در مصرف انرژي الكتريكي توسط مصرف كنندگان از مقدار عادي الگوي مصرفشان در پاسخ به تغيير در قيمت برق در طي زمان و يا هزينه های تشويقي تعيين شده براي كاهش مصرف برق در ساعاتي كه قيمت برق در بازار بالاست و يا قابليت اطمينان سيستم در خطر است، مي باشد.

شکل مديريت مصرف پس از تجديد ساختار در صنعت برق.

 

انواع برنامه هاي پاسخگويي بار

برنامه هاي پاسخگويي بار يا برنامه هاي پاسخ تقاضا در مراجع مختلف، به انواع مختلفي دسته بندي شده اند.

دسته بندي برنامه پاسخگويي بار از ديد FERC

از ديد FERC برنامه هاي پاسخگويي بار به دو دسته كلي تقسيم مي شود:

1 . پاسخگويي بار بر مبناي تشويق، كه در اين نوع پاسخگويي بار، مشوق هايي براي تشويق كاهش برق در زمان هاي بحراني به مصرف كنندگان پرداخت مي شود.

2. پاسخگويي بار بر مبناي قيمت، در اين پاسخگويي، تعرفه هاي متغير با زمان با توجه به هزينه هاي مربوط به توليد برق مورد استفاده قرار مي گيرد: مصرف كنندگان مي توانند با عدم مصرف در ساعت هاي با قيمت بالا و يا تغيير مصرف زمان هاي با قيمت پايين، صورتحساب برق مصرفي خود را كاهش دهند.

برنامه هاي پاسخگويي بار مبتني بر تشويق شامل موارد زير است:

1. كنترل مستقيم بار: در اين برنامه شركت هاي برق اين توانايي را دارند كه از راه دور تجهيزات مشتركين را براي مدت كوتاهي خاموش كنند. تجهيزاتي كه معمولا در اين روش از راه دور كنترل مي شوند، شامل سيستم تهويه هوا و آب گرمكن ها مي باشد. اين روش عمدتا توسط مشتركين خانگي و تجاري كوچك مورد توجه قرار مي گيرد.
2. قطع يا كاهش بار: در اين برنامه، مشتركين در ازاي كاهش مصرف كه مقدار آن از قبل تعريف شده است، از مشوق هاي پولي يا نرخ هاي تخفيف برخوردار مي شوند. اگر مصرف كننده در زمان مقرر، مصرف خود را كاهش ندهد با جريمه روبرو خواهد شد.

3 . فروش ديماند / باز خريد: در اين روش، مصرف كنندگان عمده، مقدار بار قابل كاهش را همراه با قيمت به بهره بردار مستقل سيستم پيشنهاد مي دهند و پس از اجراي عمليات بازار، چنان چه قيمت زير قيمت تسويه بازار باشد پيشنهاد پذيرفته شده و مشتري موظف به اجراي قرارداد مي باشد.

4. برنامه هاي پاسخگويي بار اضطراري: در اين برنامه، مشتركين بابت قطع بار در شرايط اضطراري مبلغي قابل توجه به عنوان پاداش دريافت مي كنند، البته قطع بار اختياري است و اگر مشتري كاهش بار را انجام ندهد، جريمه نمي شود.
5. برنامه هاي بازار ظرفيت: در اين روش مشتركين متعهد مي شوندكه براي كاهش مقدار معيني از بار اقدام كنند و اگر انجام ندهند. جريمه مي شوند معمولا اين روش براي بارهاي بالاي kw 100 انجام
   مي­شود و به مدت چهار ساعت ادامه دارد و دو ساعت قبل به مشترك ابلاغ مي شود. مشتري در ازاي تعهد خود، مبلغ تضمين شده اي را دريافت مي كند ( مثل اين كه شركت برق خود را بيمه كرده باشد )، اپراتور مستقل سيستم اين منابع را شناسايي مي كند و مانند ظرفيت نصب شده ي توليد در نظر مي گيرد و مرتب بازرسي مي كند كه بار فوق آمادگي قطع بارداشته باشد. ممكن است نيازي به اين بارها پيدا نشود اما مبلغي تشويقي مانند مبلغ بيمه پرداخت خواهد شد.
6. برنامه­هاي خدمات جانبي: در اين برنامه مشتركين قطع بار خود را ( مانند بازار رزرو )‌به بهره بردار مستقل سيستم پيشنهاد مي كند. اگر پيشنهاد آنان قبول شود، مبلغ تسويه­ي بازار را بابت آماده نگه داشتن قطع بارشان دريافت مي كنند. البته هر وقت فراخوان شدند و بار خود را قطع كردند، ممكن است قيمت لحظه اي را دريافت كنند. اين نوع بارها بايد سريع باشند تا در هنگام وقوع حوادث (مواقع پيك سايي يا جهش قيمت )‌سريع عمل كنند و بايد مقادير بزرگي باشند، مانند پمپ هاي بزرگ آبرساني، كوره هاي قوس الكتريكي كمپرسورهاي هوا.

شکل فروش دیماند/بازخرید

 

دسته بندي برنامه پاسخگويي بار از ديدNERC

همانطور كه در شكل زیر نشان داده شده است، برنامه­هاي پاسخگويي بار به دو دسته كلي تقسيم مي شوند: دسته اول برنامه هايي كه در آن منابع سمت مصرف  با توجه به دستور العمل يا سيگنالي كه از بهره بردار سيستم دريافت مي كنند، به قطع بار اقدام مي كنند كه به آن برنامه هاي پاسخگويي بار قابل كنترل مي گويند. دسته دوم برنامه­هايي كه در آن منابع سمت مصرف با توجه به قيمت، به قطع بار اقدام مي كنند و دستور العمل يا سيگنالي از بهره بردار سيستم بابت قطع بار دريافت نمي كنند كه به آن برنامه هاي پاسخگويي  بار غيرقابل كنترل مي گويند.برنامه هاي پاسخگويي بار قابل كنترل خود به سه دسته تقسيم مي شوند: دسته اول برنامه هاي هستند كه مبتني بر قابليت اطمینان هستند و بيشتر در شرايط اضطراري استفاده مي شوند. دسته دوم برنامه هايي هستند که مبتني بر اقتصاد بوده و منابع سمت مصرف بر اساس قيمت پيشنهادي و شرايط بازار برنامه ريزي مي شوند.  دسته سوم جزو برنامه هاي خدمات جانبي بوده كه خود به دو دسته رزرو و مقررات دسته بندي مي شود.

برنامه هاي پاسخگويي بار در NYISO

سازمان NYISO سازماني است كه در دسامبر 1999 به منظور فعاليت بر بازار عمده فروشي برق و بهره برداري از خطوط انتقال ولتاژ بالاي شبكه نيويورك تاسيس شد. اين سازمان از زمان شروع كار در 1990 پاسخگويي بار را در برنامه هاي خود لحاظ كرد. برنامه هاي پاسخگويي بار در NYISO را مي توان به دو دسته تقسيم بندي كرد:

1. برنامه_­هاي مبتني بر قابليت اطمينان: فعال سازي اين برنامه ها توسط NYISO مي باشد. هدف از اين برنامه­ها كاهش بار به منظور تكميل توليد در زماني كه پيش بيني مي شود كه ذخيره ي بهره برداري كم است مي باشد. اين برنامه­ها به دو صورت زير مي باشد :
   • برنامه هاي پاسخگويي بار اضطراري
   • برنامه ظرفيت نصب شده (برنامه مواد خاص)

مزاياي استفاده از برنامه هاي پاسخگويي بار:

پاسخگويي بار سودهاي مالي و كاربردي فراواني را براي مصرف كنندگان و حتي خود شبكه فراهم مي كند.  در اين قسمت سعي بر آن است كه مزاياي پاسخگويي بار از دو ديدگاه مصرف كنندگان و شبكه بررسي شود.

 مزاياي پاسخگويي بار از ديدگاه مصرف كنندگان:

مصرف كنندگاني كه مصرفشان را در پاسخ به  قيمت برق و يا برنامه هاي تشويقي پاسخگويي بار كاهش مي دهند، در واقع به دنبال كسب منابع اقتصادي مي باشند. همچنين ممكن است اين مصرف كنندگان به شركت در برنامه هاي پاسخگويي بار براي ايجاد مزاياي قابليت اطمينان بيشتر بطور غيرمستقيم تشويق شده باشند. بنابراين بطور كلي مزاياي شركت كنندگان در برنامه هاي پاسخگويي بار را مي توان به دو دسته ي كلي تقسيم بندي كرد.

مزاياي پاسخگويي بار از ديدگاه بازار و شبكه:

پاسخگويي بار با تاثيري كه بر عمليات بازار، قابليت اطمينان سيستم و رفاه اجتماعي مي گذارد، سبب ايجاد مزايايي در شبكه مي شود كه از اين مزايا اكثر مصرف كنندگان سود خواهند برد. در واقع محرك اصلي براي اجراي برنامه هاي پاسخگويي بار اين مزايا مي باشد. اين مزايا را مي توان به سه دسته ي تاثيرات بر كوتاه مدت و بلند مدت بر بازار و قابليت اطمينان سيستم تقسيم كرد:

تاثيرات كوتاه مدت بازار: اقتصاددانان بر اين باورند كه كارايي اقتصادي بهينه در صورتي كه قيمت واقعي كالا به مصرف كنندگان آن كالا اعمال شود، ‌حاصل خواهد شد. بر طبق اين نظر در بازارهاي برق نيز نقطه ي تسويه ي بازار از تقاطع منحني توليد و مصرف حاصل مي شود. در شكل زیر اين موضوع براي ساعات پرباري و كم باري نشان داده شده است. اما چنان چه مصرف كنندگان در تمامي ساعات با قيمت برق متوسط روبرو باشند، مقدار مصرف بصورت Q” وQ” peak خواهد بود. اين نقاط از منحني مصرف بارها با توجه به قيمت  P_ave حاصل مي شود. همان طور كه در شكل زیر ديده مي شود، مقدار مصرف Q” كمتر از مقدار Q (‌كه بيانگر مقدار مصرف از ديدگاه اقتصادي است )، مي باشد. به عبارتي ديگر، مصرف كنندگان در ساعات كم باري كمتر از مقدار پول پرداختي شان برق مصرف مي­كنند اما در ساعات پرباري مقدار مصرف Q” peak بيشتر از وQ peak مي­باشد. به عبارتي ديگر مبلغ پرداختي در اين ساعات براي برق، كمتر از هزينه­ي تمام شده برق نيروگاه­ها است، كه اين موضوع منصفانه به نظر نمي رسد. اين دو عدم تعادل بين هزينه ي برق پرداختي توسط مشتريان و هزينه ي تمام شده ي برق در شكل زیر با هاشور مشخص شده است. پر واضح است كه اين پرداخت نامتعادل در نهايت سبب كاهش سطح رفاه اجتماعي خواهد شد.

شکل منحني توليد و مصرف، نقطه ي تعادل بازار.

از طرفي ديگر، چنانچه قيمت واقعي به مصرف كنندگان اعمال شود، ‌در ساعات پرباري كه قيمت برق بالا مي باشد، مصرف كنندگان با كاهش و يا انتقال مصرف به ساعات ديگر مصرف خود را كاهش خواهند داد.  اين موضوع سبب كاهش قيمت بازار لحظه اي خواهد شد. اين تغييرات در شكل زیر نشان داده شده است[24].

شکل تاثير پاسخگويي بار بر قيمت بازار

در بازارهاي برق بخشي از انرژي در شكل قراردادهاي بلند مدت معامله مي شود. با كاهش قيمت بازار لحظه اي در اثر پاسخگويي بارها، قيمت برق در قراردادهاي بلند مدت نيز كاهش مي يابد، زيرا احتمال خطر روبرو شدن مصرف كنندگان با قيمت بالا در بازارهاي لحظه اي ( در صورت نياز به آن )‌كاهش يافته و در نتيجه چنانچه شركت هاي توليدي در قراردادهاي بلند مدت حاضر به فروش برق در قيمت پايين نباشند، مصرف كنندگان ترجيح خواهند داد كه از بازار لحظه اي برق مورد نياز خود را تامين كنند. بنابراين برنامه هاي پاسخگويي بار بطور كلي سبب كاهش قيمت برق در بازار برق خواهد شد كه اين موضوع مزيتي براي تمامي مصرف كنندگان برق ( اعم از شركت كنندگان در برنامه هاي پاسخگويي بار و ديگران )‌ مي باشد.تاثيرات بلند مدت بر بازار: با اجراي برنامه هاي پاسخگويي، بار اوج سيستم كاهش يافته و به موجب آن احتياج به نيروگاه هاي جديد و توسعه سيستم هاي توزيع و انتقال به تعويق مي افتد.واضح است كه به شركت كنندگان در اين برنامه به اندازه سطح قابليت اطميناني كه براي سيستم فراهم مي كنند پول پرداخت خواهد شد. در شكل زیر فرض كنيد كه بار سيستم D₁ مي باشد. چنانچه در اثر يك پيشامد مانند خروج يك واحد منحني توليد به سمت چپ حركت كند و يا در اثر افزايش بار، منحني مصرف به سمت راست حركت كرده و مقدار مصرف به D₂ برسد، منحني بار به D₁ انتقال خواهد يافت. حال چنانچه برنامه هاي پاسخگويي بار اجرا نشود، به ناچار بخشي از بار تامين نخواهد شد. به منظور محاسبه ي ميزان قابليت اطمينان فراهم شده توسط اين برنامه پاسخگويي مي توان از معيار ارزش بار از دست رفته (VOLL‌) استفاده كرد.  به اين معني كه هر مصرف كننده با توجه به ضرري كه از قطع اجباري بارش مي بينند، ارزشي را براي حفظ بار خود تعيين خواهد كرد. اين معيار می تواند بسته به نوع فعاليت مصرف كننده متفاوت باشد. حال با توجه به مقدار قطع بارها و ارزش بار از دست رفته ميزان قابليت اطمينان تامين شده توسط بارهاي پاسخگو قابل ارزيابي مي باشد. مقدار ضرر بارها در حالتي كه قطع بار اجباري و بدون اطلاع قبلي بيشتر خواهد بود. با در نظر گرفتن يك مقدار متوسط براي ارزش بار از دست رفته كل سيستم، مقدار ارزش قابليت اطمينان تامين شده توسط بارهاي اجرا كننده برنامه كاهش بار اضطراري، به صورت سطح هاشور خورده در شكل زیر خواهد بود.

شکل افزايش قابليت اطمينان سيستم با اجراي برنامه پاسخگويي بار.

علاوه بر موارد ذكر شده، پاسخگويي بار مزاياي ديگر نيز دارد كه اندازه گيري آن ها چند تن ساده نيست و مقدار تاثير پذيري آن در مناطق مختلف، متفاوت است. اين مزايا را مي توان را به صورت زير بيان كرد:

• قوي تر شدن بازار خرده فروشي: اعمال قيمت واقعي بازار به مصرف كنندگان براي خرده فروشان، ‌انگيزه­هاي جديدي را ايجاد خواهد كرد و توانايي مصرف كنندگان را نيز براي رسيدن به سودهاي مالي از طريق كاهش مصرف افزايش خواهد داد .
• فراهم كردن ابزارهاي اضافي براي مديريت مصرف بار: پاسخگويي بار ابزارها و گزينه هاي مختلفي را براي مصرف كنندگان فراهم می كند تا آن ها بتوانند در شرايط گوناگون (‌چه با وجود رقابت هاي خرده فروشي و چه بدون حضور آن )، بر هزينه هاي خود مديريت كنند.
• مديريت ريسك: پاسخگويي بار به مصرف كنندگان، خرده فروشان و شركت هاي برق اين اجازه را مي دهد و از بي ثباتي قيمت ها و خطراتي كه در شرايط اضطراري براي سيستم وجود دارد مصون بمانند.
• سودهاي اجرايي بازار: پاسخگويي بار همچنين مي تواند نقش مهمي را در محدود كردن قدرت توليد كنندگان ( كه باعث افزايش قيمت در بازار عمده فروشي مي شوند )، ‌داشته باشد. شركت هاي توليدي ممكن است براي رسيدن به سود بيشتر و فروش توان توليدي خود با قيمت بالاتر، ‌از ارائه بخشي از توان توليدي خود، ‌خودداري كرده و از اين طريق باعث افزايش قيمت در بازار شوند. اما با اجراي برنامه­هاي پاسخگويي بار و اعمال قيمت بازار به مصرف كنندگان، آن ها در مقابل اين قيمت ها واكنش نشان داده و مصرف خود را كاهش مي دهند. اين موضوع ممكن است سبب به فروش نرفتن برق شركت­هاي توليدي كه دسته به اعمال قدرت بازار زده اند، شود. بنابراين، اجراي برنامه­هاي پاسخگويي بار، شركت هاي توليدي را ( به خاطر ترس از به فروش نرفتن توان توليدي خود )، از انجام اين كار و تباني با يكديگر براي بالا رفتن قيمت برق بر حذر مي دارد.
• ارتباط بين بازار خرده فروشي و عمده فروشي: پاسخگويي بار مي تواند از طريق افزايش پاسخگويي مصرف كنندگان به تغييرات قيمت در بازار عمده فروشي و افزايش فرصت هاي براي جلوگيري از ضرر و زيان، به ارتباط بين بازار به ارتباط بين بازار عمده فروشي و خرده فروشي كمك كند .
• مزاياي زيست محيطي :‌پاسخگويي بار مي تواند به صورت مستقيم و غيرمستقيم زمينه رسيدن به اين مزايا را فراهم كند. نوع مستقيم بيانگر اين واقعيت است كه مي توان با كاهش ميزان مصرف و تبع آن كاهش توليد، ميزان آلودگي را كاهش داد، شرايط آب وهوايي را بهبود بخشيد، ساخت نيروگاه هاي جديد سوخت فسيلي و خطوط انتقال را به تعويق انداخت و از كاهش منابع طبيعي جلوگيري كرد. همچنين با تشويق مصرف كنندگان به مشاركت در برنامه هايي پاسخگويي بار، آن ها به افزايش آگاهي از شرايط سيستم مقدار انرژي مصرفي خود اثرات كاهش مصرف و مقدار هزينه هاي برق، نيز ترغيب شده و مي توان آن ها را به استفاده درست از منابع سوق داد و به اين ترتيب به صورت غيرمستقيم زمينه دستيابي به سودهاي زيست محيطي را فراهم كرد .

در يك نگاه كلي مي توان مزاياي برنامه هاي پاسخگويي بار را بصورت زير خلاصه كرد:

• تاثير در كاهش هزينه هاي شركت هاي برق و مزاياي اقتصادي
• تاثير در بهبود قابليت اطمينان شبكه
• تاثير در كاهش مبلغ قبض برق مشتركين
• تاثير در كاهش خاموشي شبكه
• تاثير در افزايش ميزان فروش برق
• تاثير در كاهش آلودگي محيط زيست

پرواضح است كه به منظور اجراي برنامه هاي پاسخگويي بار و دستيابي به اين مزايا، در نظر گرفتن قيود برنامه ها  حائز اهميت مي باشد. از جمله ي اين قيود كه  مي بايست در برنامه ريزي در نظر گرفته شوند، مي توان به موارد زير اشاره كرد:

• تعداد دفعاتي كه بار مي تواند در يك مدت مشخص قطع شود .
• حداكثر زمان فعاليت
• سرعت در پاسخگويي

هزينه هاي  پاسخگويي بار:

اجرا و توسعه برنامه هاي پاسخگويي بار هزينه هاي در پي دارد. هزينه هاي پاسخگويي بار را مي توان به دو دسته ي هزينه هاي شركت كنندگان در برنامه و هزینه ی سیستم تقسیم بندی کرد.  مصرف کنندگانی که به تنهایی در برنامه های پاسخ تقاضا مشارکت می کنند، هزینه های شرکت کنندگان را متحمل می شوند. اجرا کننده ی برنامه های پاسخگویی بار به منظور شروع و اجرای این برنامه ها متحمل هزینه های سیستم میشود، این هزینه ها شامل پرداخت هزینه ی تشویقی به شرکت کنندگان در برنامه نیز است. هزينه ي سيستم معمولا از طريق ماليات و يا از طريق هزينه ي مزاياي عمومي و در قبض برق از مصرف كنندگان دريافت مي شود. هزينه ي شركت كنندگان شامل هزينه ي اوليه و هزينه ي تحميلي [23]مي باشد.

• هزينه­هاي اوليه: اين هزينه­ها شامل هزينه هاي هستند كه شركت كنندگان قبل از شركت در برنامه­هاي پاسخگويي بار متحمل آن مي­شوند. اين هزينه ها شامل سرمايه گذاري در تكنولوژي هايي كه در پاسخگويي بار نياز است، اين تكنولوژي­ها شامل سيستم ترموستات هوشمند، كنترل كننده هاي بار اوج، كنترل مديريت انرژي مصرفي و نصب ژنراتور توليد داخلي به عنوان پشتيبان و همچنين ايجاد استراتژي­هاي براي تخمين سود و هزينه مي باشد. پر واضح است كه مصرف كنندگان براي شركت در اين برنامه­ها و اين سرمايه گذاري بايد آموزش داده شوند.
• هزينه­هاي تحميلي: اين هزينه ها شامل هزينه هاي است كه با شركت در برنامه هاي پاسخگويي بار به سيستم تحميل مي­شود. برخي از اين هزينه ها از لحاظ اقتصادي قابل اندازه گيري مي باشد (‌از دست دادن فعاليت اقتصادي، پرداخت اضافه كار به كارمندان، هزينه­ي سوخت و بهره برداري از ژنراتور پشتيبان) ‌اما برخي از اين هزينه ها نيز قابل اندازه گيري نمي­باشند (مانند از دست دادن راحتي ناشي از كاهش بار).

با اجراي برنامه هاي پاسخگويي بار هزينه هاي به سيستم نيز تحميل مي شود. اين هزينه ها ممكن است توسط ماليات و يا سهام داران شركت برق تامين شوند. اين هزينه ها نيز شامل هزينه هاي برنامه مي باشد.

هزينه ي اوليه را مي توان به چند دسته كلي تقسيم كرد :

بهبود سيستم اندازه گيري: استفاده از تعرفه هاي برق متغير با زمان مثل RTP و CPP نيازمند استفاده از سيستم اندازه گيري­اي است كه بتواند مصرف برق در زمان را مشخص كند. به عبارتي ديگر براي اجراي برنامه هاي  پاسخگويي بار مبتني بر زمان، استفاده از سيستم هاي اندازه گيري هوشمند كه امكان تعيين و حفظ مقدار مصرف برق در بازه­ي زماني يك ساعت و يا كمتر و همچنين امكان دستيابي شركت برق به اطلاعات مصرف را (از راه دور و هر زمان كه نياز شد) داشته باشد، ضروري به نظر مي رسد. چنانچه هزينه نصب اين تجهيزات خيلي بالا باشد، اين هزينه ممكن است مانع بزرگي براي اجراي برنامه­هاي تعرفه هاي متغير با زمان به ويژه براي بارهاي كوچك به حساب آيد.

بهبود سيستم محاسبه ي صورت حساب براي برخي از برنامه ها پاسخگويي بار ( مثل RTP و CPP ) ضروري مي باشد. زيرا سيستم هاي سنتي محاسبه صورت حساب، امكان محاسبه ي هزينه برق با تعرفه ي متغير با زمان را دارا نمي باشد. تعرفه ي برق ساعتي ( RTP ) و يا متغير در ساعات خاص (CPP ) نيازمند تغيير در نحوه ي اندازه گيري، ‌جمع آوري، پردازش و ذخيره ي داده ها مي باشد. براي اجراي
 برنامه­ های پاسخگويي بار، آموزش دادن به مصرف كنندگان در رابطه با طبيعت متغير قيمت برق با زمان
استراتژي­هاي پاسخگويي بار و نشان دادن انتخاب­ها و موقعيت هاي مختلف اين برنامه­ها به مصرف كنندگان ضروري مي­باشد. هزينه­هاي تحميلي براي سيستم، شامل هزينه­ي مديريت و بهره برداري و هزينه مشاركت شركت كنندگان (هزينه هاي تشويقي) مي باشد. در برنامه هاي پاسخگويي بار مبتني بر تشويق، هزينه­هاي اضافي براي تشويق بارها نيز نياز مي­باشد كه اين هزينه غير از قيمت برق مي باشد. اما در
برنامه­هاي تعرفه متغير با زمان، اين هزينه­ي مشاركت وجود ندارد. شايان ذكر است كه نوع تجهيزات اندازه گيري و تكنولوژي ارتباطات بكار رفته، بر هزينه ي بهره برداري از اين تجهيزات تاثير گذار مي باشد.

 

شرح پروژه:

در این پروژه، خطای حاصل از پیش ­بینی سرعت باد و تابش خورشید به وسیلة توابع چگالی احتمالی مدلسازی شده و یک مدل برنامه ­ریزی احتمالاتی به منظور پیش­بینی عملکرد ریزشبکة هوشمند در کوتاه­مدت جهت حداقل­ سازی هزینة بهره­برداری و آلایندگی با حضور منابع تجدیدپذیر پیشنهاد می­شود. استفاده از برنامه­های پاسخگویی بار که توسط شرکت­کنندگان خانگی، تجاری و صنعتی صورت می­گیرد، جهت پوشش عدم قطعیت توان تولیدی حاصل از منابع تجدیدپذیر پیشنهاد می­شود. جهت اجرای پاسخگویی بار از روش پرداخت تشویقی به­صورت بسته­های پیشنهادی قیمت و میزان انرژی که به وسیلة فراهم کنندگان پاسخ­گویی بار جمع­آوری می­شود، پیشنهاد گردیده است. برای حل مسئله پیشنهادی روش چندهدفه حرکت ازدحام(MOPSO) پیشنهاد شده است. جهت راستی آزمایی مدل پیشنهادی بر روی یک ریزشبکة هوشمند نمونه بکاربرده شده است. در این پژوهش، بادرنظرگرفتن مفهوم پاسخ­گویی بار در ریزشبکه­ های هوشمند برای پوشش عدم قطعیت حاصل از تولید توان بادی و خورشیدی به دنبال بهره­برداری بهینه از ریزشبکة هوشمند جهت حداقل­ کردن هزینة بهره­برداری و انتشار آلایندگی می­باشد. در اجرای برنامه­ های پاسخ­گویی بار، روش پاسخ­گویی بار مبتنی بر پایة پرداخت تشویقی پیشنهاد می­شود به­طوریکه این برنامه ­ها به­صورت بسته پیشنهادی قیمت و مقدار ذخیرة پاسخگویی بار برای مصرف­کنندگان خانگی، تجاری و صنعتی درنظرگرفته شده است.

بهینه ­سازی ازدحام ذرات(PSO):

الگوریتم بهینه­سازی ازدحام ذرات(PSO)، یک الگوریتم مبتنی بر جمعیت است که برای اولین بار توسط کندی و ابرهارت (1995) ارائه شد. این روش با تجزیه و تحلیل رفتار طبیعی پرندگان و یا ماهی­ها برای پیداکردن غذا بدست آمده است. آنها در تلاش بودند تا با بهره­گیری از مدل­های اجتماعی و روابط موجود اجتماعی نوعی هوش محاسباتی پدید آورند که به توانایی­های فردی ویژه­ای نیازمند نباشد. این دو محقق بیشتر بر روی مدل­هایی که توسط زیست­شناس فرانک هپنر ایجاد شده بود، تأکید کردند. باتوجه به مدل هپنر ممکن است پرندگان در زمان مشخصی انگیزة برای فرود را بالاتر از انگیزه برای در میان گروه ماندن ببینند و در این هنگام، فرود می­آیند. در اصل، از آنجاییکه این روش نوعی از تکنیک­های هوش ازدحامی است، هریک از راه­حل­های موجه به­عنوان یک ذره تلقی می­شود. هر ذره دارای ویژگی­های موقعیتی، سرعت و جهت حرکت خاصی(مانند مگس­ها) است و از طریق فضای جستجو باتوجه به بهترین موقعیت گذشته که تجربه کرده است(pbest) وب هترین موقعیت که دیگر اعضای جمع تجربه کرده­اند(gbest) جواب جدید بدست می­آید. این رفتار شبیه عملکرد مردم در   تصمیم­ گیری است جاییکه آنها بهترین تجربه پیشین خود و بهترین تجربه سایرین را مدنظر قرار می­دهند.

بهینه ­سازی چندهدفه ازدحام ذرات(MOPSO):

برای بسیاری از مسائل و مشکلات دنیای واقعی، درنظرگرفتن تمام جوانب در شرایط هدف واحد بسیار دشوار است. لذا به نظر می­رسد استفاده از یک فرم چندهدفه برای مدلسازی باتوجه به معیارهای متضاد، ایدة بسیار بهتری خواهد بود(آبراهام و جین، 2005). برای گسترش الگوریتم­های تک­ هدفه به شکل چندهدفه، روش اصلی حل، تغییر یافته است. کوئلو برای اولین بار رویکرد حل MOPSO را ارائه نموده است که در آن الگوریتم PSO از آرشیو خارجی ذرات استفاده می­کند. این آرشیو بعداً توسط ذرات دیگر برای هدایت روند جستجو مورد استفاده قرار می­گیرد(کوئلو و لچونگا، 2002). نسخة چندهدفة الگوریتم PSO در مرجع ریزسیرا و کوئلو(2006) توسعه داده شده و در مسائل کاربردی مورد استفاده قرارگرفته است.مدیریت انرژی و بهره­برداری بهینه از ریزشبکة هوشمند یک مسأله پیچیده است که باید توسط روش­های ابتکاری هوشمند قوی حل شود. لذا باتوجه به ویژگی­های منحصربه فرد الگوریتم PSO در حل مسائل پیوسته، این الگوریتم برای حل مسأله موردنظر پیشنهاد می­شود. الگوریتم PSO یک الگوریتم هوش جمعی است که براساس حرکت گروهی از ذرات در فضای جستجو به دنبال­کردن تابع هدف می­باشد. در این مطالعه با اعمال مفاهیم بهینه­سازی پارتو با اصول اساسی الگوریتم PSO (ایجاد الگوریتم بهینه­سازی چندهدفه ازدحام ذرات(MOPSO) (کوئلو و لچونگا، 2002). حداقل­سازی همزمان تابع هزینة بهره­برداری و انتشار آلایندگی در حضور منابع تجدیدپذیر، تولید پراکنده و بارهای پاسخگو صورت می گیرد.

سناریوهای شبیه سازی:

شبیه سازی شامل سه سناریو است:

سناریو1 : این شبیه‌سازی مربوط به سناریو 1 می‌باشد. در این سناریو تنها هزینه بهره‌برداری به عنوان تابع هدف بهینه‌سازی درنظر گرفته شده‌است.

سناریو 2: در این سناریو تنها میزان آلودگی به عنوان تابع هدف بهینه‌سازی درنظر گرفته شده‌است.

   سناریو 3: در این سناریو هم هزینه بهره‌برداری و هم میزان الودگی در تابع هزینه در نظرگرفته شده‌است.

• در سناریو1 و سناریو2 بهینه‌سازی تک‌هدفه می‌باشند و به همین دلیل برای آنها از الگوریتم ازدحام ذرات(PSO) معمولی استفاده شده‌است.
• در سناریو سوم بهینه‌سازی دو هدفه می‌باشد و برای اجرای آن از الگوریتم ازدحام ذرات چندهدفه( MOPSO ) استفاده شده‌است.

 

نمونه نتایج: