Authors
Dept. of Electrical Engineering, University of Kurdistan, Sanandaj, Iran
Abstract
Keywords
1- مقدمه[1]
1-1- انگیزۀ پژوهش
هدف اصلی در حفاظت سیستم‌های قدرت، شناسایی و جداسازی محل وقوع خطا در کمترین زمان ممکن است که رله‌های جریان زیاد ([1]OC) به‌دلیل سادگی، اجرای آسان و مزایای اقتصادی رایج‌ترین رله‌های استفاده‌شده برای وظیفۀ مذکورند [3-1]. ازجمله راه‌حل‌های مرسوم در سیستم‌های قدرت این است که در کنار رلۀ اصلی از دست‌کم یک رلۀ پشتیبان برای ایجاد حفاظت مطمئن و با قابلیت اطمینان بالا استفاده می‌شود؛ رله‌های جریان زیاد هم حفاظت اصلی برای شبکه‌های زیرانتقال و توزیع محسوب می‌شوند و هم به‌عنوان رلۀ پشتیبان در شبکه‌های انتقال بالادست استفاده می‌شوند. هدف، برطرف‌کردن خطا در سریع‌ترین زمان ممکن است؛ اما اگر رلۀ اصلی به هر دلیلی نتواند وظیفۀ خود را به‌درستی انجام دهد، رلۀ پشتیبان بلافاصله و با یک وقفۀ زمانی از پیش تعیین شده با توجه به زمان عملکرد ([2]OT) رلۀ اصلی باید عمل کند. درواقع رلۀ پشتیبان نباید قبل از رلۀ اصلی عمل کند؛ بنابراین، میان زمان عملکرد دو رله باید یک فاصلۀ زمانی هماهنگی ([3]CTI) در نظر گرفته شود که زمان تشخیص میان رلۀ اصلی و پشتیبان باید کمتر از CTI باشد [5,4]. به‌طور معمول، OT رلۀ پشتیبان بزرگ‌تر از مجموع OTهای رلۀ اصلی و [4]CB اصلی انتخاب می‌شود که هماهنگی رله‌های OC در مطالعات حفاظت را سبب می‌شود [6]. رله‌های OC، ساختار ساده‌ای دارند؛ اما در صورت افزایش اندازه و پیچیدگی شبکۀ قدرت به هم پیوسته، هماهنگی آنها بسیار محاسباتی می‌شود و حجم محاسبات افزایش می‌یابد و این بسیار زمان‌بر خواهد بود [7].
1-2- پیشینۀ پژوهش
در مسئلۀ تنظیم رله‌های OC حفاطتی سیستم‌های قدرت پارامترهای اساسی شامل ضریب تنظیم زمانی ([5]TSM) و ضریب تنظیم جریانی ([6]PSM) باید محاسبه شوند که محدودۀ مجاز TSM و PSM براساس کاتالوگ فروشنده انتخاب می‌شود. همچنین، درجه‌بندی TSM در حالت گسسته به‌طور متداول از 05/0 تا 1/1 با گام‌های 05/0 و درجه‌بندی PSM در حالت گسسته به‌طور معمول از 50% تا 200% با گام‌های 25% است. با محاسبۀ این ضرایب، سیستم حفاظتی باید بخش‌های خطادار سیستم قدرت را به‌راحتی قطع کند. گفتنی است در رله‌های دیجیتال جدید امکان تنظیم پارامترها با گام‌های 01/0 فراهم شده است [10-8]. رله‌های جریان زیاد جهت‌دار ([7]DOC) در سیستم‌های توزیع و به‌ویژه ریزشبکه‌های دارای ساختار مش ضعیف یا شعاعی استفاده می‌شوند که هماهنگی رله‌های DOC در این شبکه‌ها به‌آسانی انجام می‌شود؛ زیرا هر رله به‌عنوان رلۀ پشتیبان برای یک یا چند رله در پایین‌دست خود عمل می‌کند یا چند رله، نقش رلۀ پشتیبان را برای یک رلۀ پایین‌دست دارند [12,11].
با توجه به پیچیدگی‌های سیستم قدرت به هم پیوسته، امروزه از روش‌های بهینه‌سازی مختلف کلاسیک و تکاملی برای تنظیم پارامترهای زمانی و جریانی و هماهنگی میان رله‌ها استفاده می‌شود. در برخی مطالعات قدیمی‌تر از روش‌های بهینه‌سازی خطی سیمپلکس و دوگان سیمپلکس برای هماهنگی بهینۀ رله‌های OC استفاده شده است
[15-13]. روش‌های بهینه‌سازی غیرخطی به مقادیر اولیه وابسته‌اند؛ به همین دلیل، ممکن است در بهینه‌های محلی به دام بیافتند. بنابراین در مطالعات جدیدتر، از روش‌های بهینه‌سازی تکاملی بیشتر استفاده شده است که این روش‌ها در بیشتر موارد بسط داده شده‌اند. الگوریتم ژنتیک ([8]GA) [16,3] و الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات ([9]PSO) [17] ازجمله الگوریتم‌های تکاملی بسیار معروف‌اند که برای مسائل بهینه‌سازی مهندسی برق ازجمله حل مسئلۀ هماهنگی رله‌های OC استفاده می‌شوند. در بعضی مواقع روش‌های بهینه‌سازی به نبود هماهنگی میان رله‌های اصلی و پشتیبان منجر می‌شوند؛ به‌طوری‌که اگر OT رلۀ پشتیبان کوچک‌تر از OT رلۀ اصلی باشد، یعنی رلۀ پشتیبان زودتر از رلۀ اصلی عمل کند، ازنظر مسئلۀ هماهنگی پذیرفتنی نیست. مسئلۀ مهم دیگری که در بهینه‌سازی باید مدنظر قرار گیرد، ارائۀ تابع هدف ([10]OF) مناسب در پیداکردن OT بهینه است. در صورتی که OT رله‌های اصلی و پشتیبان خیلی بزرگ باشد، موجب تحمل جریان خطای بیشتری توسط تجهیزات می‌شود که درنتیجه، موجب خسارت به تجهیزات و کاهش طول عمر آنها خواهد شد؛ بنابراین با انتخاب OF مناسب، این مشکل رفع می‌شود [18].
به‌طور کلی برای حل مسائل پیچیدۀ مختلف در سیستم قدرت، الگوریتم‌های تکاملی گوناگونی استفاده شده‌اند که برخی از آنها شامل الگوریتم کلونی زنبور عسل [19]، الگوریتم جستجوی گرانشی [20] و الگوریتم ترکیبی جهش قورباغه‌ها [21] هستند. همچنین، برای حل مسئلۀ هماهنگی رله‌های جریان زیاد ([11]OCRC)، در مقالات زیادی الگوریتم‌های تکاملی مختلفی ازجمله الگوریتم ژنتیک ترکیبی ([12]HGA) [22]، الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO) [23]، الگوریتم بهینه‌سازی کلونی مورچگان ([13]ACO) [24]، الگوریتم جستجوی هارمونی ([14]HS) [25] و الگوریتم بهینه‌سازی جستجوگر ([15]SOA) [26] ازنظر دقت و کارایی بررسی و مقایسه شده‌اند.
بنابراین، OCRC یک مسئلۀ بهینه‌سازی مقید محدب است که با روش‌های کلاسیک [15-13] و روش‌های مبتنی بر هوش تکاملی [26-22] حل می‌شود. در الگوریتم‌هایی با قابلیت بررسی یک تابع هدف، برای اینکه بتوان به‌صورت هم‌زمان چند تابع هدف را بهینه کرد، باید کلیۀ توابع هدف را با استفاده از ضرایب جریمه و وزن‌دهی ضرایب جریمه به یک هدف تبدیل کرد؛ سپس مسئلۀ بهینه‌سازی را حل کرد که در هر تکرار یک مقدار مشخص برای تابع هدف به دست می‌آید [3]. در الگوریتم‌های چندهدفه، کلیۀ هدف‌ها به‌صورت جداگانه و به‌طور هم‌زمان عمل بهینه‌سازی را انجام می‌دهند که در صورت وجود دو هدف، یک جبهۀ پارتو در فضای دوبعدی و در صورت وجود سه هدف، پارتو بهینه در فضای سه‌بعدی رسم می‌شود. همچنین، در الگوریتم‌های چندهدفه با بسط‌دادن الگوریتم تکاملی مدنظر، بیشتر از سه هدف بررسی می‌شوند [29-27].
1-3- اهداف و نوآوری‌های مقاله
در این مقاله برای هماهنگی رله‌های جریان زیاد در سیستم‌های قدرت به هم پیوسته یک الگوریتم بهینه‌سازی چندهدفۀ مبتنی بر بهینه‌سازی ازدحام ذرات با استفاده از روش بهینه‌سازی برنامه‌سازی مربعی متوالی ([16]SQP) پیشنهاد شده است. در این مقاله، تابع هدف جدیدی نیز پیشنهاد شده است. با استفاده از الگوریتم پیشنهادی و با افزودن تابع هدف جدید، بعضی از اهداف حفاظتی ارتقا یافته‌اند که به‌صورت زیرند:
در جدول (1) برخی مقاله‌های پیشین و این مقاله ازنظر روش حل، الگوریتم پیشنهادی و شاخص‌های حفاظتی به‌صورت کلی مقایسه شده‌اند. با توجه به این جدول، جامعیت و نوآورانه‌بودن ساختار هماهنگی بهینۀ پیشنهادی استنتاج می‌شود؛ زیرا این مقاله شاخص‌های بیشتری را در یک ساختار چندهدفه در نظر گرفته است.
جدول (1): طبقه‌بندی و مقایسۀ روش‌های حل مسئلۀ OCRC
|
مراجع |
ساختار توابع |
روش حل |
ارزیابی شاخص‌های حفاظتی |
توانایی الگوریتم |
||||||
|
تک‌هدفه |
چندهدفه |
کلاسیک |
ابتکاری |
کاهش ناهماهنگی‌ها |
افزایش سلکتیویته |
افزایش سرعت |
افزایش قابلیت اطمینان |
تعیین ضرایب وزنی توابع هدف |
تعیین ضرایب منحنی مشخصه |
|
|
[2] |
* |
|
|
* |
* |
|
|
|
|
|
|
[3] |
* |
|
|
* |
* |
|
|
|
* |
* |
|
[4] |
* |
|
|
* |
* |
|
* |
* |
|
|
|
[5] |
* |
|
|
* |
|
|
|
* |
|
|
|
[7] |
* |
|
|
* |
|
|
* |
|
|
|
|
[9] |
* |
|
|
* |
* |
|
* |
* |
|
|
|
[13] |
* |
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
[26] |
* |
|
|
* |
|
* |
* |
|
|
|
|
این مقاله |
|
* |
|
* |
* |
* |
* |
* |
|
* |
بخش‌های اصلی مقاله به این صورت است: در بخش دو، توصیف مدل و فرمولاسیون مسئلۀ OCRC آورده شده و در بخش سه، الگوریتم چندهدفۀ [17]MOPSO-SQP پیشنهادی ارائه شده است. نتایج شبیه‌سازی برای سناریوهای مختلف (سیستم‌های آزمون قدرت با مقیاس کوچک و بزرگ) و مقایسه با روش‌های پیشین در بخش چهار به‌تفصیل آمده‌اند و در انتها نتیجه‌گیری مقاله در بخش پنج بیان شده است.
2- توصیف مدل و فرمولاسیون مسئلۀ OCRC
در این بخش، مدل‌سازی ریاضی مسئلۀ هماهنگی بهینه تشریح می‌شود.
2-1- تعریف مسئله و قیود
زمان عملکرد هر رله در صورت وقوع خطا در ناحیۀ حفاظتی رله به‌صورت (1) است [30]:
|
(1) |
که در آن ، ، و ضرایب ثابت رله‌ها با توجه به نوع منحنی مشخصه در استانداردهای مختلف [31] هستند. نسبت تبدیل ترانسفورماتور جریان هر رله و جریان خطا در ناحیۀ حفاظتی رلۀ مدنظر است. پارامتر نشان‌دهندة جریان آستانه‌ای عملکرد رله در سمت اولیه و در ، پارامتر بیان‌کنندة جریان متناظر تبدیل‌یافته با نسبت تبدیل در سمت ثانویۀ رله است. جریان باید بزرگ‌تر از حداکثر جریان بار ( ) پیوستۀ ضرب‌شده در یک ضریب اطمینان (به‌طور معمول 3/1) و کوچک‌تر از حداقل جریان خطای شناسایی‌شده ( ) در ناحیۀ حفاظتی رله (با توجه به نوع خطای نزدیک یا دور رله) باشد که در رابطة (2) نمایش داده شده است [32]:
|
(2) |
برای تضمین عملکرد هماهنگ لازم است تأخیر زمانی معناداری در تنظیمات رله‌های اصلی و پشتیبان وارد شود که این مفهوم در رابطۀ (3) بیان شده است:
|
(3) |
در اینجا فاصلۀ زمانی بین زمان عملکرد هر جفت رلۀ اصلی و پشتیبان، CTI فاصلۀ زمانی هماهنگی بین رله‌های اصلی و پشتیبان است. و به‌ترتیب زمان عملکرد رله‌های پشتیبان و اصلی‌اند. همچنین شکل (1) محدودیت هماهنگی برای یک جفت رلۀ اصلی و پشتیبان را به‌وضوح نشان می‌دهد [3].
|
x |
|
t |
|
tm |
|
Rm |
|
bt |
|
Rb |
شکل (1): هماهنگی یک جفت رلۀ اصلی و پشتیبان [30]
متغیرهای (بردارهای راه‌حلی) به‌دست‌آمده با الگوریتم پیشنهادی، باید در یک محدودۀ مشخص قرار گیرند که به‌صورت (4) و (5) هستند:
|
(4) |
|
|
(5) |
براساس سطح اتصال کوتاه و توپولوژی شبکۀ مدنظر، حدود بالا و پایین با توجه به رابطة (6) تعریف می‌شود [33]:
|
(6) |
پارامترهای و به‌ترتیب حداکثر و حداقل جریان خطا در ناحیۀ حفاظتی رلۀ i هستند و حداکثر جریان بار است.
2-2- توابع هدف مسئله
تابع هدف اصلی به‌صورت سرعت کلی عملکرد تمام رله‌ها (مجموع زمان عملکرد رله‌ها) در برابر خطای نزدیک تعریف شده است [30] که هدف آن کمینه‌کردن زمان عملکرد هر رله و درواقع افزایش سرعت عملکرد رله در مقابل خطای رخ‌داده در ناحیۀ حفاظتی خودش است که به‌صورت (7) بیان می‌شود:
|
(7) |
تعداد رله‌ها و زمان عملکرد هر رلۀ اصلی است. در صورتی که هدف، پیداکردن سرعت عملکرد بهینۀ مجزای هر رله باشد، با افزایش تعداد رله‌های یک سیستم، مسئلۀ OCRC به یک مسئلۀ ریاضیاتی پیچیده و غیرعملی تبدیل می‌شود [30,29].
سایر توابع هدف مسئلۀ OCRC در ادامه بیان می‌شوند. در تابع نیز هدف افزایش سرعت عملکرد رله‌ها است.
|
(8) |
اگر تابع هدف ، به‌تنهایی نوشته شود، مشکلاتی را ایجاد خواهد کرد. به دلیل اینکه هدف، کمینه‌سازی است، ممکن است جواب بهینۀ سراسری به دست نیاید و در بهینۀ محلی به دام افتاده باشد؛ برای مثال، اگر مجموع مجذور زمان‌های عملکرد برای دو رله برابر 7/0 در نظر گرفته شود، زمان عملکرد دو رله برابر 8/0 و 25/0 یا 58/0 و 6/0 به دست می‌آید که درواقع مشخص نیست کدام‌یک پاسخ مدنظر را پوشش می‌دهد [3]. برای حل این معضل عبارت‌های و ، وزن‌دهی و یک تابع در نظر گرفته می‌شوند که زمان عملکرد بهینۀ رله‌ها را نیز به دست می‌آورند.
در تابع هدف به‌صورت (9) تعریف می‌شود که در آن هدف بهبود سلکتیویته است که عبارت‌های موجود در آن، محدودیت‌های بهینه‌سازی‌اند که به تابع هدف تبدیل شده‌اند:
|
(9) |
در اینجا، mb تعداد جفت رله‌های اصلی و پشتیبان است و ضریب جریمۀ هر ناهماهنگی محسوب می‌شود؛ زیرا همیشه باید مثبت باشد که عملکرد رلۀ اصلی قبل از رلۀ پشتیبان را نشان دهد [34]. در مقالات مختلف، ضریب جریمۀ را برابر 100 در نظر می‌گیرند [3]. در مرجع [16] عبارت به‌عنوان یک عبارت جریمۀ کلی به اضافه شده است.
تابع موجود در (10) که تابع هدف پیشنهادی مقاله است، علاوه بر بهبود سلکتیویته، خطای همپوشانی را کاهش می‌دهد و بهبود قابلیت اطمینان را سبب می‌شود.
|
(10) |
در این تابع، ، و ضرایب وزنی تابع هدف‌اند که مجموع آنها برابر عدد یک است. عبارت
به این‌صورت تعریف شده است که برای و به‌ترتیب برابر صفر و یک باشد. همچنین مشاهده می‌شود به‌صورت درجۀ اول استفاده شده است که از گیرافتادن در بهینه‌های محلی جلوگیری کند و بهینه‌ترین حالت ممکن را به دست بیاورد. در اینجا توابع علامت به‌صورت (11) و (12) هستند:
|
(11) |
|
|
(12) |
در هماهنگی حفاظتی رله‌ها باید به این نکته توجه شود که علاوه بر اینکه رلۀ پشتیبان نباید قبل از رلۀ اصلی عمل کند، فاصلۀ زمانی عملکرد این دو نیز باید بزرگ‌تر از CTI باشد؛ پس با قراردادن عبارت در تابع هدف جدید، مشاهده می‌شود که باید به‌صورت مثبت به دست آید و همچنین، باید بیشتر از باشد و چون هدف، کمینه‌سازی این دو عبارت است، ضرایب ، و به‌گونه‌ای انتخاب می‌شوند که عدد بزرگی نباشد. همچنین، چون تعداد جفت رله‌ها در مخرج عبارت‌های دوم و سوم تابع هدف در نظر گرفته شده است، مقدار ضرایب وزنی به تعداد جفت رله‌ها نیز مرتبط خواهد بود. در این مقاله با توجه به ارزش هر عبارت در هر تابع هدف و براساس ترجیح بهره‌بردار، از روش آزمون و خطا برای تعیین ضرایب وزنی استفاده شده است.
3- الگوریتم‌های ارائه‌شده و الگوریتم پیشنهادی
3-1- الگوریتم MOPSO
الگوریتم بهینه‌سازی چندهدفه، یک ناحیۀ تصمیم‌گیری چندمعیاره است که مسائل بهینه‌سازی ریاضیاتی با بیش از یک هدف را بررسی می‌کند؛ به‌طوری‌که کلیۀ این هدف‌ها هم‌زمان با هم بهینه می‌شوند [29-27]. مراحل انجام الگوریتم چندهدفۀ MOPSO به‌صورت زیر است [35]:
1) ایجاد جمعیت اولیه.
2) جداکردن اعضای نامغلوب جمعیت اولیه و ذخیره‌کردن آنها در یک مخزن یا آرشیو.
3) جدول‌بندی فضای هدف کشف‌شده.
4) هر ذره از میان اعضای آرشیو یک رهبر انتخاب می‌کند و حرکت خود را انجام می‌دهد.
5) بهترین خاطرۀ شخصی هرکدام از ذرات به‌روز می‌شود.
6) اعضای نامغلوب جمعیت فعلی به آرشیو اضافه می‌شوند.
7) اعضای مغلوب آرشیو حذف می‌شوند.
8) اگر تعداد اعضای آرشیو بیشتر از ظرفیت تعیین‌شدۀ آن باشد، اعضای اضافی حذف می‌شوند و جدول‌بندی فضای هدف تجدید می‌شود.
9) در صورتی که شرایط خاتمه محقق نشده است، باید به مرحلۀ 3 بازگشت؛ در غیر این صورت، الگوریتم پایان می‌یابد.
3-2- الگوریتم SQP
الگوریتم SQP یکی از روش‌های بسیار مؤثر حل مسائل بهینه‌سازی غیرخطی مقید است. این الگوریتم، مبتنی بر شرایط Kuhn-Tuker و هم‌زمان با استفاده از ضرایب لاگرانژ برای لحاظ‌کردن قیدها، اقدام به حل مسئلة بهینه‌سازی خواهد کرد [36]. مسائل بهینه‌سازی غیرخطی به‌صورت (13) بیان می‌شوند:
|
(13) |
که در روش SQP مسئلۀ (13)، به‌صورت (14) حل می‌شود [38,37]:
|
(14) |
ماتریس هیسیان است و تابع لاگرانژ به‌صورت فرمول (15) خواهد بود:
|
(15) |
در الگوریتم SQP در هر مرحله از تکرار، تقریبی از توابع لاگرانژ و هیسیان با استفاده از روش به‌روزآوری شبه‌نیوتون ساخته می‌شود. این کار برای تولید یک زیرمسئلۀ درجۀ دوم (درواقع یک معادله) است که برای انتخاب جهت جستجو، یک پیشنهاد محسوب می‌شود. روش SQP مبتنی بر حدس اولیه است و به‌طور معمول بهینۀ محلی را جستجو می‌کند که با ادغام در MOPSO نتایج بهتری خواهد داشت [39].
3-3- الگوریتم پیشنهادی
در الگوریتم پیشنهادی ابتدا الگوریتم MOPSO، جستجوی هم‌زمان کل فضای پاسخ را برای متغیرهای مدنظر مقاله انجام می‌دهد، توابع هدف را پس از به‌روزرسانی موقعیت و سرعت ذرات محاسبه می‌کند و پس از اعمال جهش بر ذرات، موقعیت نسبی هر ذره را در اختیار SQP قرار می‌دهد. در این حالت، SQP در بهینۀ محلی گرفتار نمی‌شود و جواب‌های بهتری به دست می‌آید. الگوریتم پیشنهادی MOPSO-SQP همچنین زمان کمتری را برای یافتن جواب بهینه لازم دارد؛ زیرا اگر در MOPSO تعداد ذرات بیشتری برای جستجوی کل فضای هدف در نظر گرفته شود، زمان یافتن جواب طولانی خواهد شد، اما در الگوریتم پیشنهادی با قراردادن الگوریتم SQP، پس از اعمال جهش موقعیت ذرات در الگوریتم MOPSO، با ایجاد مقادیر جدیدی از فضا و با همان تعداد ذرات، سرعت همگرایی، افزایش و احتمال واگرایی کاهش می‌یابد. فلوچارت مربوط به الگوریتم پیشنهادی مقاله در شکل (2) نشان داده شده است.
|
نمایش راه‌حل‌های نامغلوب در آرشیو |
|
خیر |
|
اضافه‌کردن ذرات نامغلوب به آرشیو |
|
تعیین غلبگی آرشیو جدید |
|
جدول‌بندی فضای هدف کشف‌شده و به‌روزرسانی آن |
|
اعمال جهش بر موقعیت جدید |
|
محاسبة توابع هدف به‌ازای اعمال جهش
|
|
اعمال روش SQP به ذرات دارای بهترین پاسخ ناشی از اعمال جهش |
|
تعیین غلبگی با به‌روزرسانی بهترین موقعیت |
|
آیا کل جمعیت ارزیابی شدند؟ |
|
بله |
|
خیر |
|
برای هر تکرار |
|
برای هر ذره |
|
انتخاب یک رهبر از میان ذرات هر آرشیو |
|
به‌روزرسانی موقعیت و سرعت ذره |
|
محاسبة توابع هدف به‌ازای موقعیت جدید |
|
آیا تعداد تکرارها به اتمام رسید؟ |
|
بله |
|
بله |
|
آیا تمام ذرات ارزیابی شدند؟ |
|
خیر |
|
محاسبة توابع هدف |
|
ارزیابی بردار موقعیت و سرعت ذره |
|
بررسی الگوریتم به‌ازای هر ذره |
|
مقداردهی اولیة پارامترهای MOPSO |
|
واردکردن داده‌های مسئله و محدودیت‌ها |
|
شروع |
|
به‌روزرسانی بهترین خاطرة شخصی |
شکل (2): روندنمای الگوریتم پیشنهادی
متغیرهایی که با الگوریتم پیشنهادی MOPSO-SQP پیدا می‌شوند، به‌صورت هستند که برای هر نسل در هر تکرار از الگوریتم، بردار راه‌حل به‌صورت است. این بردار راه‌حلِ شامل سه نوع متغیر (برای تعداد m رله) به‌صورت زیر است:
این سه نوع متغیر، به‌دنبال هم و به‌عنوان درایه‌های بردار راه‌حل در الگوریتم قرار می‌گیرند. متغیر مشابه انواع استانداردها، شامل پارامترهای A، B، C و D است [31]. شایان ذکر است از پارامترهای استاندارد مرجع [31] می‌توان استفاده کرد و فقط متغیرهای TSM و PSM را ازطریق الگوریتم پیشنهادی به دست آورد.
در مسائل چندهدفه، مفهوم پارتو به این صورت تعریف می‌شود که در آن فقط یک راه‌حل بهینه وجود ندارد؛ بلکه راه‌حل‌های متعددی وجود دارند که به‌طور بالقوه بهینه‌اند و هیچ‌کدام از راه‌حل‌ها را نمی‌توان بهینۀ سراسری مطلق در نظر گرفت؛ بنابراین، باید مناسب‌ترین راه‌حل با توجه به اولویت خاص کاربرد مدنظر انتخاب شود. در این مقاله با توجه به ارزش هر تابع هدف، با ایجاد بهترین مصالحه بین توابع هدف، بهترین راه‌حل توافقی انتخاب می‌شود.
4- شبیه‌سازی و نتایج
در بیشتر مقالات OCRC ارائه‌شدۀ پیشین فقط TSM و PSM به‌عنوان متغیرهای بهینه‌سازی محاسبه شده‌اند که ازطریق الگوریتم به دست می‌آیند و از ضرایب ثابت یک منحنی مشخصه در تعیین زمان عملکرد کلیۀ رله‌ها استفاده شده است [7]؛ اما در این مقاله هر سه نوع متغیر ازطریق الگوریتم به دست می‌آیند. توابع هدف مدنظر این مقاله شامل مجموع وزنی روابط (7) و (8) (با ضرایب وزنی و )، تابع هدف (9) و تابع هدف پیشنهادی (10) هستند که در الگوریتم قرار داده شده‌اند.
کارایی، صحت و دقت الگوریتم MOPSO-SQP پیشنهادی مقاله برای مسئلۀ OCRC بهینه در سیستم‌های قدرت 8 شینه و 30 شینۀ IEEE بررسی شده‌اند. در کلیۀ شبیه‌سازی‌ها، برنامه‌ها با کامپیوتری با مشخصات ریزپردازندۀ Intel Corei5, 2.64 GHz، 4GB RAM و 750 GB hard disc و با استفاده از نرم‌افزار MATLAB R2018a اجرا شده‌اند.
4-1- سیستم آزمون 1: سیستم 8 شینۀ IEEE
تمام داده‌های سیستم 8 شینه (شکل 3) در [40] موجود است. در نتایج شبیه‌سازی این سیستم در مقایسه با نتایج الگوریتم چندهدفۀ [29]، متغیرهای TSM، PSM در حالت گسسته و OT بررسی شده‌اند و به‌دست‌آمده از نتایج شبیه‌سازی این مطالعه با [29,26] مقایسه شده است؛ مقادیر مربوطه در جدول‌های (2) و (3) نشان داده شده‌اند. مشاهده می‌شود مقادیر TSM و OT در مقایسه با روش پیشنهادی [29] به‌طور مؤثری کاهش یافته‌اند. در اینجا برای مقایسۀ PSM با مرجع [29]، از استفاده شده است. برای این سیستم، مقادیر پارامترهای منحنی مشخصه نیز به دست آمده‌اند. در جدول (4) مقادیر متغیرهای پارامترهای A، B و C منحنی مشخصۀ هر رله نشان داده شده‌اند. مقدار پارامتر D در رابطۀ (1) برابر صفر در نظر گرفته شده است.
شکل (3): سیستم 8 شینۀ IEEE [39]
با اعمال الگوریتم پیشنهادی MOPSO-SQP به سیستم آزمون 8 شینۀIEEE، جبهۀ پارتو بهینۀ دوبعدی و سه‌بعدی در شبیه‌سازی‌ها به‌دست می‌آید. جبهۀ پارتو بهینۀ دوبعدی در شکل (4) نشان داده شده است که در آن مجموع وزنی روابط (7) و (8)، تابع هدف اول و رابطۀ (10)، تابع هدف دوم در نظر گرفته شده است. راه‌حل‌های بهینۀ نامغلوب، به‌صورت دایره و راه‌حل‌های مغلوب با ستاره مشخص شده‌اند. شکل (5) نیز جبهۀ پارتو بهینۀ سه‌بعدی این سیستم را برای تابع هدف ناشی از مجموع وزنی روابط (7) و (8) به‌عنوان تابع هدف اول، رابطۀ (10)، تابع هدف دوم و رابطۀ (9)، تابع هدف سوم نشان می‌دهد.
شکل (4): پارتو بهینۀ دوبعدی در سیستم آزمون 1
شکل (5): پارتو بهینۀ سه‌بعدی در سیستم آزمون 1
جدول (2): مقادیر TSM، PSM و OT رله‌های اصلی در سیستم 1
|
شماره رله |
روش پیشنهادی مرجع [29] |
روش پیشنهادی این مقاله |
||||
|
TSM |
PSM(A) |
OT(s) |
TSM |
PSM(A) |
OT(s) |
|
|
1 |
10/0 |
500 |
1058/0 |
05/0 |
300 |
0131/0 |
|
2 |
25/0 |
800 |
2447/0 |
10/0 |
700 |
0839/0 |
|
3 |
20/0 |
600 |
2052/0 |
25/0 |
600 |
1913/0 |
|
4 |
10/0 |
800 |
0979/0 |
15/0 |
650 |
2279/0 |
|
5 |
05/0 |
550 |
0520/0 |
25/0 |
250 |
0328/0 |
|
6 |
15/0 |
550 |
1561/0 |
10/0 |
550 |
0644/0 |
|
7 |
15/0 |
650 |
1518/0 |
25/0 |
650 |
0956/0 |
|
8 |
15/0 |
550 |
1561/0 |
10/0 |
500 |
0753/0 |
|
9 |
05/0 |
540 |
0522/0 |
10/0 |
500 |
0993/0 |
|
10 |
10/0 |
550 |
1041/0 |
20/0 |
550 |
1233/0 |
|
11 |
20/0 |
650 |
2025/0 |
05/0 |
650 |
0553/0 |
|
12 |
35/0 |
550 |
3643/0 |
15/0 |
450 |
2319/0 |
|
13 |
10/0 |
600 |
1026/0 |
15/0 |
600 |
1448/0 |
|
14 |
10/0 |
800 |
0979/0 |
10/0 |
600 |
3441/0 |
|
مجموع |
05/2 |
- |
0931/2 |
95/1 |
- |
7830/1 |
جدول (3): رله‌های اصلی و پشتیبان در سیستم 1
|
شماره رله |
روش پیشنهادی مرجع [29] |
روش پیشنهادی مرجع [26] |
روش پیشنهادی این مقاله |
|
|
اصلی |
پشتیبان |
|||
|
1 |
6 |
0380/0 |
2250/0 |
0247/0 |
|
2 |
1 |
4493/0 |
8800/2 |
6152/0 |
|
2 |
7 |
0020/0 |
4400/1 |
0502/0 |
|
3 |
2 |
1911/0 |
1610/0 |
0771/0 |
|
4 |
3 |
1469/0 |
4110/0 |
2219/0 |
|
5 |
4 |
1346/0 |
0360/0 |
0339/0 |
|
6 |
5 |
- |
- |
0554/0 |
|
6 |
14 |
3446/0 |
3370/0 |
2209/0 |
|
7 |
5 |
- |
- |
4115/0 |
|
7 |
13 |
0061/1 |
5650/0 |
6670/0 |
|
8 |
7 |
3338/0 |
3450/0 |
1096/0 |
|
8 |
9 |
- |
- |
2385/0 |
|
9 |
10 |
2266/0 |
0750/0 |
1240/0 |
|
10 |
11 |
1568/0 |
2500/0 |
0713/0 |
|
11 |
12 |
0351/0 |
1890/0 |
0198/0 |
|
12 |
13 |
5811/0 |
5500/1 |
4220/0 |
|
12 |
14 |
0349/0 |
1360/0 |
0295/0 |
|
13 |
8 |
1637/0 |
4200/0 |
1467/0 |
|
14 |
1 |
9415/0 |
2200/1 |
8890/0 |
|
14 |
9 |
- |
- |
0556/0 |
جدول (4): پارامترهای منحنی مشخصۀ رله‌ها در سیستم 1
|
شماره رله |
A |
B |
C |
|
1 |
5794/88 |
0206/1 |
4598/0 |
|
2 |
0675/158 |
8003/0 |
7027/0 |
|
3 |
7201/145 |
8210/0 |
4850/0 |
|
4 |
1108/90 |
6329/0 |
9980/0 |
|
5 |
4188/107 |
2150/1 |
7906/0 |
|
6 |
9220/189 |
9016/0 |
5607/0 |
|
7 |
1025/75 |
8160/0 |
9091/0 |
|
8 |
8200/111 |
8052/0 |
5550/0 |
|
9 |
7320/195 |
8509/0 |
7630/0 |
|
10 |
4980/200 |
9170/0 |
6553/0 |
|
11 |
8905/161 |
7703/0 |
4907/0 |
|
12 |
0015/198 |
8104/0 |
4395/0 |
|
13 |
2587/170 |
8092/0 |
6790/0 |
|
14 |
1919/144 |
5873/0 |
9116/0 |
4-2- سیستم آزمون 2: سیستم 30 شینۀ IEEE
اثربخشی روش پیشنهادی برای سیستم قدرت 30 شینه نیز ارزیابی شده است. داده‌های این سیستم در [29] موجود است. در این سیستم، متغیرهای بهینه‌سازی شامل TSM و PSM در حالت پیوسته و پارامترهای منحنی مشخصه‌اند که TSM و PSM به‌همراه OT و به‌دست‌آمده از این شبیه‌سازی با [7] مقایسه شده‌اند. نتایج مربوط به این سیستم در جدول‌های (5) تا (7) نشان داده شده‌اند. همان‌طور که در جدول (7) مشاهده می‌شود، در [7] تعداد 15 ناهماهنگی وجود دارد که در روش پیشنهادی فقط 6 ناهماهنگی وجود دارد. با استفاده از روش پیشنهادی، زمان عملکرد رله‌ها در حین خطا و تعداد ناهماهنگی‌ها کاهش یافته است؛ بنابراین، روش پیشنهادی برای حل مسئلۀ OCRC در بسیاری از سیستم‌های قدرت اجراشدنی خواهد بود.
جدول (5): مقادیر OT رله‌های اصلی در سیستم آزمون 2
|
شماره رله |
روش مرجع [7] |
روش پیشنهادی این مقاله |
شماره رله |
روش مرجع [7] |
روش پیشنهادی این مقاله |
|
1 |
0006/0 |
0002/0 |
21 |
0590/0 |
0193/0 |
|
2 |
0555/0 |
0033/0 |
22 |
0581/0 |
0001/0 |
|
3 |
2230/0 |
0217/0 |
23 |
0010/0 |
2157/0 |
|
4 |
8413/0 |
0606/0 |
24 |
0210/0 |
0649/0 |
|
5 |
1132/0 |
0007/0 |
25 |
1831/0 |
0017/0 |
|
6 |
2300/0 |
3212/0 |
26 |
2720/0 |
0234/0 |
|
7 |
1700/0 |
0093/0 |
27 |
5036/0 |
5911/0 |
|
8 |
2361/0 |
2710/0 |
28 |
0577/0 |
0446/0 |
|
9 |
0780/0 |
3908/0 |
29 |
4981/0 |
6100/0 |
|
10 |
0873/0 |
0540/0 |
30 |
0231/0 |
0639/0 |
|
11 |
0148/0 |
0049/0 |
31 |
0175/0 |
4121/0 |
|
12 |
1702/0 |
0105/0 |
32 |
0876/0 |
0022/0 |
|
13 |
2277/0 |
1601/0 |
33 |
0722/0 |
0487/0 |
|
14 |
0479/0 |
0089/0 |
34 |
0595/0 |
0826/0 |
|
15 |
2092/0 |
0358/0 |
35 |
0572/0 |
0129/0 |
|
16 |
0409 |
0219/0 |
36 |
0123/0 |
0012/0 |
|
17 |
0002/0 |
1710/0 |
37 |
5934/0 |
0344/0 |
|
18 |
1123/0 |
0010/0 |
38 |
0589/0 |
0003/0 |
|
19 |
0119/0 |
0056/0 |
39 |
0215/0 |
0140/0 |
|
20 |
0412/0 |
1458/0 |
مجموع |
0173/4 |
9322/3 |
جدول (6): مقادیر TSM و PSM رله‌های اصلی در سیستم آزمون 2
|
شماره رله |
روش پیشنهادی مرجع [7] |
روش پیشنهادی این مقاله |
||
|
TSM |
PSM(A) |
TSM |
PSM(A) |
|
|
1 |
36/1 |
5025/132 |
38/0 |
8123/215 |
|
2 |
26/1 |
5650/617 |
42/1 |
0062/514 |
|
3 |
60/1 |
7975/128 |
21/1 |
8920/138 |
|
4 |
57/0 |
1900/86 |
06/1 |
7841/55 |
|
5 |
58/0 |
3700/136 |
55/0 |
2500/119 |
|
6 |
13/1 |
6500/78 |
26/0 |
3656/297 |
|
7 |
19/0 |
1900/242 |
94/0 |
4839/60 |
|
8 |
72/0 |
1450/106 |
29/0 |
0632/517 |
|
9 |
.88/0 |
5000/188 |
38/0 |
0074/106 |
|
10 |
64/1 |
6400/406 |
15/0 |
8504/356 |
|
11 |
91/1 |
3550/290 |
07/1 |
7593/189 |
|
12 |
40/1 |
6350/76 |
15/1 |
3641/98 |
|
13 |
31/1 |
2500/159 |
42/1 |
0492/144 |
|
14 |
61/1 |
6950/214 |
64/0 |
6009/88 |
|
15 |
59/1 |
7350/72 |
78/0 |
2054/111 |
|
16 |
99/1 |
3900/78 |
83/1 |
9620/205 |
|
17 |
99/0 |
6450/47 |
25/1 |
5619/82 |
|
18 |
76/0 |
7300/106 |
83/0 |
1785/43 |
|
19 |
69/0 |
1000/178 |
40/0 |
1200/99 |
|
20 |
09/0 |
3125/202 |
41/0 |
5317/176 |
|
21 |
11/0 |
7100/411 |
01/1 |
9671/328 |
|
22 |
10/0 |
5950/257 |
19/0 |
0648/198 |
|
23 |
46/1 |
6550/18 |
23/0 |
6309/45 |
|
24 |
97/1 |
2850/129 |
61/0 |
9710/150 |
|
25 |
42/0 |
4625/170 |
10/0 |
8105/138 |
|
26 |
80/0 |
6500/78 |
22/0 |
1649/82 |
|
27 |
64/0 |
0950/121 |
13/0 |
1780/162 |
|
28 |
85/0 |
2175/159 |
00/1 |
0052/104 |
|
29 |
99/0 |
1000/113 |
08/0 |
2307/186 |
|
30 |
07/0 |
3200/203 |
34/0 |
8261/149 |
|
31 |
68/0 |
1775/145 |
87/0 |
4512/136 |
|
32 |
64/0 |
0900/51 |
39/0 |
2003/68 |
|
33 |
90/0 |
2500/159 |
27/1 |
6507/114 |
|
34 |
47/1 |
3475/107 |
51/0 |
0208/174 |
|
35 |
30/1 |
6125/60 |
47/0 |
2673/45 |
|
36 |
00/2 |
3900/78 |
45/0 |
3209/67 |
|
37 |
82/1 |
4125/133 |
68/0 |
1680/88 |
|
38 |
18/1 |
9250/80 |
93/0 |
3926/129 |
|
39 |
26/0 |
5100/42 |
50/0 |
8300/67 |
|
مجموع |
93/39 |
- |
40/26 |
- |
جدول (7): اختلاف زمانی عملکرد رله‌های اصلی و پشتیبان ( ) در سیستم آزمون 2
|
شماره رله |
روش پیشنهادی مرجع [7] |
روش پیشنهادی این مقاله |
شماره رله |
روش پیشنهادی مرجع [7] |
روش پیشنهادی این مقاله |
شماره رله |
روش پیشنهادی مرجع [7] |
روش پیشنهادی این مقاله |
|||
|
اصلی |
پشتیبان |
اصلی |
پشتیبان |
اصلی |
پشتیبان |
||||||
|
2 |
5 |
0277/0 |
0418/0 |
16 |
17 |
0975/0 |
0881/0 |
29 |
10 |
1688/0 |
0238/0 |
|
2 |
13 |
0718/0 |
0536/0 |
16 |
18 |
0120- |
0069/0 |
29 |
11 |
1680/0 |
0041/0 |
|
2 |
23 |
1307/0 |
0952/0 |
18 |
19 |
0055/0 |
0264/0 |
30 |
8 |
3167/0 |
1599/0 |
|
3 |
4 |
0035/0 |
0027/0- |
18 |
20 |
0107/0 |
0000/0 |
30 |
9 |
4513/0 |
2970/0 |
|
4 |
29 |
0210/0- |
0163/0 |
19 |
38 |
6075/0 |
9103/0 |
30 |
11 |
4193/0 |
3680/0 |
|
5 |
6 |
1193/0 |
0025/0 |
20 |
39 |
2813/0 |
0479/0 |
31 |
8 |
7737/0 |
2009/0 |
|
6 |
7 |
0270/0- |
0191/0 |
21 |
1 |
3566/0 |
0915/0 |
31 |
9 |
9070/0 |
6656/0 |
|
7 |
28 |
0360/0- |
0098/0 |
21 |
3 |
3377/0 |
00174/0 |
31 |
10 |
8760/0 |
0022/0 |
|
8 |
27 |
3351/0 |
0046/0 |
22 |
1 |
0140/0- |
0050/0 |
32 |
30 |
1780/0- |
0000/0 |
|
9 |
24 |
1650/0- |
0085/0 |
22 |
2 |
0480/0- |
0095/0- |
33 |
5 |
0000/0 |
0176/0 |
|
10 |
12 |
0304/0 |
0447/0 |
24 |
22 |
2190/0- |
0025/0 |
33 |
21 |
0692/0 |
0583/0 |
|
11 |
14 |
2131/0 |
3380/0 |
25 |
13 |
0000/0 |
0037/0 |
33 |
23 |
1001/0 |
8293/0 |
|
11 |
32 |
2525/0 |
1729/0 |
25 |
21 |
0275/0 |
0191/0 |
34 |
31 |
0151/0 |
0281/0 |
|
12 |
14 |
2600/0- |
0019/0- |
25 |
23 |
0583/0 |
0648/0 |
34 |
32 |
0000/0 |
0155/0- |
|
12 |
31 |
2030/0- |
9516/0 |
26 |
25 |
0170/0- |
0086/0- |
35 |
33 |
0140/0- |
0088/0- |
|
13 |
15 |
0000/0 |
0066/0 |
27 |
26 |
0506/0 |
0454/0 |
36 |
34 |
0976/0 |
0548/0 |
|
14 |
16 |
0240/0- |
0148/0 |
28 |
9 |
0472/0 |
0892/0 |
36 |
35 |
0966/0 |
0597/0 |
|
14 |
35 |
0440/0- |
0391/0 |
28 |
10 |
0000/0 |
0162/0 |
37 |
17 |
0450/1 |
6231/0 |
|
15 |
16 |
0213/0 |
0757/0 |
28 |
11 |
0000/0 |
0259/0 |
37 |
36 |
3121/0 |
8464/0 |
|
15 |
34 |
0023/0 |
0125/0 |
29 |
8 |
0813/0 |
0687/0 |
- |
- |
- |
- |
مقایسۀ سرعت اجرای الگوریتم و مقدار توابع هدف در روش پیشنهادی MOPSO-SQP و دو الگوریتم چندهدفۀ MOPSO [29] و NSGA-II [41] به‌ازای ضرایب وزنی 39/0 ، 61/0 ، 31/0 ، 36/0 و 33/0 در جدول (8) نشان داده شده‌اند. نتایج موجود در جدول بیان‌کنندۀ برتری روش پیشنهادی بر دو روش ذکرشده در بالا است.
جدول (8): مقایسة میان الگوریتم‌های چندهدفه
|
الگوریتم‌های چندهدفه |
MOPSO |
NSGA-II |
MOPSO-SQP |
|
سرعت اجرای الگوریتم (برحسب ثانیه) |
2365/170 |
0772/196 |
6506/171 |
|
مقدار اولین تابع هدف |
8901/4 |
5781/4 |
4269/3 |
|
مقدار دومین تابع هدف |
0156/4 |
7730/3 |
3650/3 |
|
مقدار سومین تابع هدف |
1750/2 |
8665/1 |
3053/1 |
همچنین، مقایسۀ عملکرد روش پیشنهادی MOPSO-SQP با دو روش MOPSO و NSGA-II ازنظر جبهۀ پارتو در شکل (6) نشان داده شده است. همان‌طور که در شکل مشخص است، مطلوبیت پاسخ‌های استخراج‌شده با روش MOPSO-SQP به‌وضوح دیده می‌شود.
شکل (6): مقایسۀ جبهۀ پارتو سه الگوریتم MOPSO، NSGA-II و MOPSO-SQP
5- نتیجه‌گیری
در این مقاله، برای حل مسئلۀ هماهنگی بهینۀ رله‌های جریان زیاد در شبکه‌های به هم پیوستۀ قدرت، یک الگوریتم چندهدفۀ مبتنی بر MOPSO-SQP پیشنهاد شده است که کارایی آن روی سیستم‌های قدرت مختلف بررسی شد. این الگوریتم پیشنهادی به‌همراه توابع هدف پیشنهادی علاوه بر اینکه سرعت عملکرد رله‌ها را بهبود بخشیده‌اند، اختلاف زمان عملکرد میان رله‌های اصلی و پشتیبان را کاهش داده‌اند. همچنین، ساختار بهینه‌سازی پیشنهادی به‌گونه‌ای است که بهبود سلکتیویته و تضمین عملکرد پشتیبانی، کاهش خطای همپوشانی رله‌ها، افزایش قابلیت اطمینان و پایداری بیشتر سیستم حفاظتی را سبب می‌شود. تحلیل نتایج شبیه‌سازی‌های انجام‌شده روی سیستم‌های قدرت نمونه به‌خوبی نشان‌دهندة کارآیی روش بهینه‌سازی ترکیبی پیشنهادی در تحقق اهداف حفاظتی مزبور است. ساختار الگوریتم و تابع هدف پیشنهادی می‌تواند به سیستم‌های انشعاب‌دار مجهز به منابع تولید پراکنده نیز تعمیم داده شود؛ به‌طوری‌که در پژوهش‌های آتی می‌توان اثر تولیدات پراکنده بر هماهنگی رله‌های جریان زیاد را لحاظ کرد و جامعیت مدل پیشنهادی برای انواع شبکه‌های سیستم قدرت را نشان داد. با توجه به اینکه بهره‌بردار در مسئلۀ هماهنگی رله‌های حفاظتی با توابع هدف مختلفی مواجه است، از نسل جدید بهینه‌سازی‌های مبتی بر چندین تابع هدف (many objective) در ابزار تصمیم‌گیری حفاظت می‌توان بهره گرفت.
[1] تاریخ ارسال مقاله: 01/07/1398
تاریخ پذیرش مقاله: 14/10/1398
نام نویسندۀ مسئول: علی حسامی‌نقشبندی
نشانی نویسندۀ مسئول: ایران - کردستان - سنندج - دانشگاه کردستان - دانشکده مهندسی
[1] Overcurrent (OC)
[2] Operation Time (OT)
[3] Coordination Time Interval (CTI)
[4] Circuit Breakers (CB)
[5] Time Setting Multiplier (TSM)
[6] Plug Setting Multiplier (PSM)
[7] Directional Overcurrent (DO)
[8] Genetic Algorithm (GA)
[9] Particle Swarm Optimization (PSO)
[10] Objective Function (OF)
[11] Overcurrent Relay Coordination (OCRC)
[12] Hybrid Genetic Algorithm (HGA)
[13] Ant Colony Optimization (ACO)
[14] Harmony Search (HS)
[15] Seeker Optimization Algorithm (SOA)
[16] Sequential Quadratic Programming (SQP)
[17] Multi Objective Particle Swarm Optimization-Sequential Quadratic Programming (MOPSO-SQP)
[18] Current Transformer Ratio (CTR)
)
