نوع مقاله : مقاله پژوهشی فارسی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی برق کنترل و قدرت- دانشگاه شهید بهشتی- تهران- ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی برق کنترل و قدرت - دانشگاه شهید بهشتی- تهران - ایران

چکیده

یکی از راههای بهبود تاب‌آوری شبکۀ توزیع، استفاده از ژنراتورهای سیار (MEGs) در شبکه است. این ژنراتورها با قابلیت جابه‌جایی در شبکه و برق‌رسانی به قسمت‌های مختلف، امکان بازیابی بارهای مهم شبکه را افزایش می‌دهد؛ اما به دلیل سوخت محدود این ژنراتورها، جابه‌جایی آنها با محدودیت روبه‌رو خواهد شد که این موضوع باعث کاهش اثربخشی آنها می‌شود. در این مقاله با در نظر گرفتن این نوع از ژنراتورها و نیز سوخت محدود برای آنها الگوریتمی برای جابه‌جایی بهینۀ آنها در طول مدت حادثه ارائه شده است. همچنین، با در نظر گرفتن خودروهای سوخت‌رسان و برنامه‌ریزی برای جابه‌جایی آنها برای تزریق سوخت به این ژنراتورها سعی به کاهش اثر محدودیت سوخت این ژنراتورها شده است. درنهایت، با شبیه‌سازی الگوریتم پیشنهادی روی شبکه 33-باس IEEE با در نظر گرفتن بارهای متغیر روزانه، اثربخشی الگوریتم پیشنهادی بر بهبود تاب‌آوری شبکۀ توزیع نشان داده شده است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Planning of Mobile Generators to Improve Resiliency of Distribution Systems

نویسندگان [English]

  • Hossein Ghasemi 1
  • Reza Mohammadi Chabanloo 2

1 Dept. of Electrical Engineering, University of Shahid Beheshti, Tehran, Iran

2 Dept. of Electrical Engineering, University of Shahid Beheshti, Tehran, Iran

چکیده [English]

One way to improve the distribution network resilience is to use mobile generators (MEGs) in the network. Such generators with the ability to move in the network and supply power to different parts increase the possibility of supplying important loads. However, due to the limited fuel of these generators, their movement will be limited, which will reduce their efficiency. Therefore, in this paper, considering this type of generators and also their limited fuel, an algorithm for their optimal displacement during the disaster is presented. Also, by considering fueling vehicles and planning to move them to inject fuel into these generators, an attempt has been made to reduce the effect of fuel restrictions on these generators. Finally, by simulating the proposed algorithm on the IEEE 33-bus network, taking into account the daily variable loads, the effectiveness of the proposed algorithm on improving the resilience of the distribution network is shown.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Network Restoration
  • Mobile Generator
  • Distribution system
  • Resiliency

1- مقدمه[1]

در سال‌های اخیر به دلیل تغییرات آب‌وهوایی شمار حوادث طبیعی شامل طوفان، سیل، زلزله و ... در سطح جهان افزایش یافته است. مطالعۀ این حوادث و اثرات آن در سیستم قدرت به شناخت بهتر موضوع تاب‌آوری شبکه منجر می‌شود. تاب‌آوری در حالت کلی به معنی تحمل‌کردن اثرات ناشی از حوادث طبیعی و بازگشت سریع‌تر شبکه به شرایط عادی است. به دلیل اهمیت بحث تاب‌آوری، پژوهشگران روش‌های متفاوتی را برای بهبود تاب‌آوری شبکه معرفی کرده‌اند. این روش‌ها در دو مرحلۀ مختلف دسته‌بندی می‌شوند. در نخستین مرحله که قبل از وقوع حادثه است، نیاز است با مطالعات احتمالاتی، نقاط آسیب‌پذیر شبکه، شناسایی و به مقاوم‌سازی آنها پرداخته شود. در دومین مرحله که پس از اتفاق‌افتادن حادثه است، با توجه به خرابی‌های حاصل‌شده از حادثه، راهکارهایی برای کاهش میزان خاموشی‌ها (افزایش تاب‌آوری شبکه) ارائه می‌شود؛ ازجمله این راهکارها تشکیل ریزشبکه‌ها ]1[-]3[، تغییر آرایش در شبکه ]4[-]5[، استفاده از ژنراتورهای سیار ]6[-]7[ و ... است.

همان‌گونه که مطرح شد یکی از راهکارهای افزایش تاب‌آوری شبکه، مقاوم‌سازی تجهیزات مختلف است. در حالت کلی هر اقدامی مربوط به ساختار شبکه که به مقاومت بالاتر در برابر حوادث طبیعی منجر شود، بخشی از مقاوم‌سازی شبکه در نظر گرفته می‌شود؛ برای مثال، استفاده از خطوط توزیع و انتقال زیرزمینی، مقاوم‌سازی دکل‌های فرسوده و ... جزو اقدامات مقاوم‌سازی در نظر گرفته می‌شود ]8[.

تشکیل ریزشبکه‌ها راهکار پیشنهادی برای بهبود تاب‌آوری شبکه قدرت است. در مقاله ]9[ نویسندگان از یک الگوریتم خطی برای تشکیل ریزشبکه‌ها استفاده کرده‌اند. در این مقاله، فرض شده است در هر ریزشبکه یک منبع تولید پراکنده وجود دارد و یک ضریب اولویت به هر بار اختصاص داده شده است. به عبارت دیگر، تغذیۀ بارهای مهم قطع‌شده به مقدار بار و اولویت بار بستگی دارد؛ مانند بارهای بیمارستان، مراکز نظامی و ... . همچنین، در این مقاله فرض شده است بارها در شبکه به‌صورت متعادل‌اند؛ بنابراین، ‌برای نزدیک‌تر کردن مسئله به واقعیت در مقاله [10] یک الگوریتم برای تشکیل ریزشبکه‌ها در شبکه‌هایی با بارهای نامتعادل ارائه شده است. در این ‌صورت، یک محدودیت به محدودیت‌های بهره‌برداری در شبکه‌های متعادل افزوده می‌شود و آن محدودیت عبارت است از حداکثر عدم تعادل تحمل‌پذیر برای یک ژنراتور سنکرون. در این مقاله، تشریح می‌شود هر ژنراتور سنکرون می‌تواند تلرانس چشمگیری از عدم تعادل را در فازهای مختلف به میزان 20 تا30 درصد نامتعادلی تحمل کند. روش دیگر پیشنهادشده برای بهبود تاب‌آوری شبکه، بعد از وقوع حادثه، تغییر آرایش شبکه است. در مقاله ]11[ تشریح می‌شود با در نظر گرفتن تغییر آرایش شبکه به همراه تشکیل ریزشبکه‌ها بارهای بیشتری تغذیه می‌شوند.

ازجمله راهکارهای اساسی برای تأمین بارهای مهم شبکه، در طول زمان خرابی‌های ناشی از حادثه، استفاده از MEG است. MEG ژنراتورهای نصب‌شده روی کامیون هستند که می‌تواند در صورت لزوم به مکان‌های مختلف در داخل شبکه منتقل شوند و بارهای اساسیِ نیازمند به تأمین برق فوری را تغذیه کنند ]12[. پس برنامه‌ریزی برای جابه‌جایی این ژنراتورها برای تأمین بارها با اهمیت بالاتر از اهمیت ویژه‌ای در هنگام حادثه برخوردار است؛ به همین دلیل، تا کنون راهکارهای مختلفی برای استفاده از این منابع ارائه شده است. نویسندگان در ]13[ الگوریتمی برای جابه‌جایی بهینۀ این ژنراتورها به‌منظور کاهش تلفات براساس بارهای با اهمیت هنگام بروز خاموشی سراسری ارائه داده‌اند. مرجع ]14[ به جایابی بهینۀ این ژنراتورها قبل از وقوع حادثه و برنامه‌ریزی جابه‌جایی آنها پس از وقوع حادثه پرداخته است. در این مقاله، یک الگوریتم ریاضی برای پیش‌بینی بدترین حالت ممکن برای اتفاق‌افتادن خطا ارائه شده است که بر اساس آن، جایابی اولیۀ این ژنراتورها انجام می‌شود. پس از آن، با استفاده از الگوریتم Benders[1]، در مدت زمان کمی جابه‌جایی بهینۀ این ژنراتورها مشخص می‌شود که تابع هدف، کاهش میزان خاموشی بارها با اولویت بالا و کمترین مقدار جابه‌جایی ژنراتورهای سیار است. این الگوریتم به‌خوبی به حل این مسئله و نحوۀ استفاده از ژنراتورهای سیار پرداخته است؛ ولی محدودیت سوخت ماشین‌های جابه‌جاکنندۀ ژنراتورها در نظر گرفته نشده است. به عبارت دیگر، خودروی به‌کاررفته برای جابه‌جایی ژنراتورها به دلیل داشتن سوخت محدود، توانایی جابه‌جایی بهینه - که با الگوریتم به دست آمده است - را ندارد.

در این مقاله با در نظر گرفتن ژنراتورهای سیار و میزان سوخت محدود برای آنها مدل استفاده از این ژنراتورها به مدل واقعی نزدیک‌تر شده است. همچنین، برای کاهش اثر میزان سوخت محدود آنها کامیون‌های سوخت‌رسان نیز برای تزریق سوخت به آنها در نظر گرفته شده است. در این شرایط، علاوه بر برنامه‌ریزی برای جابه‌جایی ژنراتورهای سیار، برنامه‌ریزی برای جابه‌جایی خودروهای سوخت‌رسان نیز باید انجام شود تا جواب نهایی به بهینه‌ترین جواب ممکن نزدیک شود.

 

2- بیان مسئله

بخش زیادی از حوادث طبیعی، نتایج تغییرات شرایط آب‌وهوایی است؛ درحالی‌که احتمال کمی برای اتفاق‌افتادن این حوادث وجود دارد؛ اما اثرات این حوادث بر شبکه، عمیق و تأثیرگذار است؛ ازاین‌رو مطالعۀ اثرات این حوادث بر شبکۀ قدرت و پیداکردن راه‌حلی برای کاهش این حوادث ضروری است. مطالعۀ تاب‌آوری به سه مرحلۀ زمانی تقسیم‌بندی می‌شود که این مراحل به‌ترتیب قبل از وقوع حادثه، در زمان وقوع حادثه و پس از وقوع حادثه است. این مقاله به اقداماتی می‌پردازد که در زمان وقوع و پس از وقوع حادثه اتفاق می‌افتد (در زمانی که حادثه اتفاق می‌افتد و شبکه دچار مشکل می‌شود و هنوز تعمیرات شبکه انجام نشده است).

در این مقاله، برای افزایش تاب‌آوری، در زمانی که خرابی‌های ناشی از حادثه در شبکه وجود دارد، ایدۀ استفاده از منابع سیار در نظر گرفته شده است. با توجه به شکل (1)، با اتفاق‌افتادن خطا، قسمتی از شبکه به‌صورت متصل به شبکۀ بالادست و قسمتی به‌صورت بی‌برق خواهند بود. برای‌ تأمین بارهای قسمت متصل به شبکۀ بالادست محدودیتی وجود ندارد. پس نیاز است راهکاری برای تأمین بارهای قسمت بی‌برق ارائه شود.

با‌ استفاده ‌‌از‌MEG  مقداری از بارهای قسمت بی‌برق تأمین می‌شود که دارای اهمیت بیشتری‌اند. منابع سیار ‌ذخیره‌سازهای انرژی‌اند که روی یک کامیون و برای جابه‌جایی انرژی نصب شده‌اند. این منابع پس از شارژ اولیه، توان خود را به بارهای قسمت بی‌برق تحویل می‌دهند و پس از اتمام انر‍ژی، مجدد به شبکۀ بالادست متصل می‌شوند و ذخیره‌ساز خود را شارژ می‌کنند و دوباره با حرکت به قسمت ایزوله، برای تغذیۀ بارهای مهم قطع‌شده بر اثر حادثه، توان خود را به این قسمت منتقل می‌کنند. این نکته درخور توجه است که چون هیچ منبع انرژی در شبکه وجود ندارد و ارتباط شبکۀ توزیع با شبکۀ بالادستی قطع شده است؛ ازاین‌رو از واحدهای تولیدی سیار برای بازیابی استفاده شده است.

با توجه به نوع منابع سیار، چالش‌های متفاوتی برای برنامه‌ریزی برای جابه‌جایی و شارژ/دشارژ این منابع وجود دارد. سه نوع منبع سیار به شرح ذیل در نظر گرفته می‌شود:

 

شکل (1): قسمتی از یک شبکۀ نمونه

 

1-دیزل ژنراتورهای اضطراری سیار: این منابع از یک دیزل ژنراتور و یک کامیون تشکیل شده است. دیزل ژنراتور موجود، سوخت (گازوییل) را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. دربارۀ این نوع منبع سیار باید به این نکته توجه کرد که برای شارژشدن نیازی نیست به قسمت متصل به شبکه حرکت کند و تنها نیاز است سوخت لازم برای تولید انرژی این منبع در نظر گرفته شود.

2- سیستم ذخیره‌ساز انرژی سیار (باتری‌ها): این نوع منابع برای شارژ و دشارژ شدن می‌توانند در شبکه جابه‌جا شوند. همان‌گونه که از ماهیت این منابع مشخص است برای شارژشدن نیاز است به قسمت بالادست شبکه متصل شوند.

3- خودروهای الکتریکی: همان‌گونه که از ماهیت این منابع مشخص است برای شارژشدن نیاز است به قسمت بالادست شبکه متصل شوند.

در مباحث بالا به انواع مختلف منابع سیار با محدودیت‌های مختلف اشاره شد. در کنار محدودیت‌های مطرح‌شده، محدودیتی نیز برای منابع سوخت وجود دارد که فارغ از نوع منبع است. این محدودیت‌ها شامل محدودیت حمل‌ونقل کامیون به دلیل نیاز به سوخت است؛ به این صورت که با توجه به سوخت محدود، کامیون‌ها می‌توانند میزان کمی جابه‌جایی داشته باشند. در این مقاله، این مسئله بررسی شده است و ماشین‌های سوخت‌رسان سیار برای کاهش اثر محدودبودن سوخت کامیون‌ها در نظر گرفته شده‌اند؛ بنابراین، باید نکاتی ازقبیل محل قرارگیری منابع سیار، زمان شارژ/دشارژ، مکان سوخت‌گیری کامیون‌های حمل منابع و ماشین‌های سوخت‌رسان و ... مشخص شوند. در شکل (2) فلوچارت روش پیشنهادی نشان داده شده است:

شکل (2): فلوچارت روش پیشنهادی

3- فرمول‌بندی مسئله

همان‌گونه که قبلاً مطرح شد تابع هدف شامل بازگرداندن حداکثر بارها با اهمیت زیاد و با کمترین مقدار جابه‌جایی مولدها است. دو عبارت در تابع هدف موجود است؛ عبارت اول مربوط به بازیابی بارها با اهمیت بالا و عبارت دوم مربوط به جابه‌جایی است. چون عبارت اول نیاز به حداکثرشدن و عبارت دوم نیاز به حداقل‌سازی دارد، عبارت دوم با علامت منفی در تابع هدف ظاهر شده است. معادله‌های (1) تا (24) قیودی هستند که در این مسئله باید در نظر گرفته شوند.

قید شماره (2) این موضوع را مطرح می‌کند که یک منبع به‌صورت هم‌زمان نمی‌تواند به دو باس متصل باشد. قید شماره (3) این موضوع را مطرح می‌کند که هر ایستگاه ظرفیت محدودی برای قرارگرفتن منابع دارد که بیش از آن مقدار منبع نباید در ایستگاه قرار گیرد. قید شماره (4) از برخی جواب‌های نادرست مسئله جلوگیری می‌کند. منظور از جواب نادرست، جواب‌هایی هستند مانند اینکه منبع در یک زمان مشخص در یک باس قرار دارد وپس از آن، باس را ترک می‌کند و مجدد به همان باس باز می‌گردد. قیود (5) تا (7) وضعیت شارژ و دشارژ باتری‌ها را مشخص می‌کند. قیود (8) و (9) حداکثر توان شارژ و دشارژ ذخیره‌سازها را مشخص می‌کند. قید (10) به این نکته اشاره می‌کند که ذخیره‌سازها یا در وضعیت شارژ و یا در وضعیت دشارژ قرار دارند و همزمان امکان شارژ و دشارژ وجود ندارد. قیود (11) و (12) حداکثر توان اکتیو و راکتیو قابل تولید دیزل ژنراتورها را مشخص می‌کنند. قیود (13) و (14) تعادل توان اکتیو و راکتیو را در هر باس مشخص می‌کنند؛ به این صورت که توان ورودی به یک باس با توان خروجی آن برابر است. قیود (15) و (16) توان‌های اکتیو و راکتیو تولیدی توسط منابع را مشخص می‌کنند. چون بارها به‌صورت کنترل‌پذیر در نظر گرفته شده‌اند، قید (17) این موضوع را مطرح می‌کند که چند درصد از میزان بار اکتیو یک باس تأمین خواهد شد. قید (18) مشخص می‌کند به همان درصد بار راکتیو آن باس تأمین خواهد شد. قیود (19) و (20) حداکثر توان اکتیو و راکتیو تحمل‌پذیر خطوط را مشخص می‌کنند. قیود (21) و (22) به‌منظور محاسبۀ ولتاژ باس‌های مختلف در نظر گرفته شده‌اند که در این عبارت‌ها ولتاژ باسی که شبکه ازطریق آن به شبکۀ بالادست متصل است، برابر 1 پریونیت در نظر گرفته شده است. قید (23) نشان‌دهندۀ حداکثر انحراف مجاز ولتاژ است که در شبکۀ توزیع معمولاً برابر (1.05-0.95) در نظر گرفته می‌شود. قیود (24) و (25) وضعیت سوخت خودروها را مشخص می‌کند. قید (24) مربوط به خودروهای جابه‌جاکننده منابع است و این نکته را بیان می‌کند که در صورت هر جابه‌جایی به اندازۀ پارامتر مشخص‌شده گازوییل از سوخت خودرو کاهش پیدا می‌کند و در صورتی که این خودرو با ماشین سوخت‌رسان سیار در یک باس قرار داشته باشد، این خودرو می‌تواند تا مقدار بهینه‌ای که مسئله مشخص می‌کند، سوخت از ماشین سوخت‌رسان سیار دریافت کند.

 

(1)

 

 

(2)

 

 

(3)

 

 

(4)

 

 

(5)

 

 

(6)

 

 

(7)

 

 

(8)

 

 

(9)

 

(10)

 

 

(11)

 

 

(12)

 

 

(13)

 

 

(14)

 

 

(15)

 

 

(16)

 

 

(17)

 

 

(18)

 

 

(19)

 

 

(20)

 

 

(21)

 

 

(22)

 

 

(23)

 

 

(24)

 

 

                             

 

4- نتایج حاصل از شبیه‌سازی

به‌منظور نشان‌دادن درستی الگوریتم پیشنهادی، این الگوریتم روی شبکه 33 باس IEEE با بارهای متغیر روزانه شبیه‌سازی شده است که ضریب هر بار در شکل (4) مشاهده می‌شود]15[. در این شبیه‌سازی فرض شده است در شبکه، 3 نوع مختلف منبع سیار موجود است و اطلاعات مربوط به این 3 منبع در جدول (2) مشاهده می‌شود. خطاهای حاصل از حادثه و ایستگاههای نصب ژنراتورهای سیار در شکل (3) نشان داده شده‌‌اند. برای حل این مسئله از نرم‌افزار GAMS و حل‌کننده BARON استفاده شده است.

 

 

 

 

جدول (2): پارامترهای در نظر گرفته شده برای شبیه‌سازی]14[

 

دیزل ژنراتور

باتری

خودروی برقی

 

1

1

1

 

-

20

20

 

-

800

800

 

-

700

700

 

-

500

500

 

-

150

150

 

800

-

-

 

600

-

-

 

0.95

0.95

0.95

 

1.05

1.05

1.05

 

-

0.5

0.5

 

-

0.95

0.95

 

در این شبیه‌‌سازی فرض شده است پس از وقوع حادثه، تیم تعمیراتی به سمت مناطق آسیب‌دیده حرکت می‌کند و خطوط آسیب‌دیده 1-2، 19-20، 16-17، 32-33، 29-30، 28-29، 24-25 به‌ترتیب در زمان‌های 3، 6، 13، 16، 20، 22 و 24 تعمیر می‌شوند ]14[.

 

شکل (3): شبکه 33 باس IEEE

 

 

شکل (4): ضریب بار در طول شبانه‌روز ]16[

 

شبیه‌سازی‌های انجام‌شده در 4 سناریو مختلف انجام شده‌اند که هر یک از این سناریوها به شرح زیر است:

  • سناریو اول: برنامه‌ریزی توان تولیدی منابع بدون در نظر گرفتن جابه‌جایی؛
  • سناریو دوم: برنامه‌ریزی توان تولید منابع به همراه جابه‌جایی بدون در نظر گرفتن سوخت؛
  • سناریو سوم: برنامه‌ریزی توان تولیدی منابع به همراه    جابه‌جایی با در نظر گرفتن سوخت محدود؛
  • سناریو چهارم: برنامه‌ریزی توان تولیدی منابع به همراه جابه‌جایی منابع با در نظر گرفتن ماشین سوخت‌رسان سیار.

الف) سناریو اول: در این سناریو فرض شده است دیزل ژنراتور، باتری و خودروی برقی به‌ترتیب روی باس‌های 21، 29 و 8 نصب شدند و در مدت برنامه‌ریزی قابلیت جابه‌جایی ندارند. همان‌گونه که از نتایج مشخص است چون باتری و خودروی برقی به قسمت بی‌برق شبکه متصل شده‌اند و امکان جابه‌جایی برای آنها وجود ندارد، این منابع قابلیت شارژ مجدد را نخواهند داشت و پس از اتمام شارژ بارهای قسمت بی‌برق که با این منابع تأمین می‌شدند، تأمین نخواهند شد. توان خروجی منابع، وضعیت باتری و خودروی برقی و دیزل ژنراتور در شکل‌های (5) تا (7) مشاهده می‌شوند. همان‌گونه که مشخص است خودرو برقی طی پنج ساعت اول، کل توان ذخیرۀ خود را به شبکه تحویل داده است. دلیل این موضوع این است که چون در ساعت سوم خط 1-2 تعمیر می‌شود، بارهای موجود در این قسمت می‌توانند از شبکۀ بالادست تأمین شوند؛ به همین دلیل نیاز است تا خودروی برقی در زمان خاموشی قسمت بی‌برق، کل توان خود را به شبکه تحویل دهد. بهینه‌ترین حالت ممکن این است که خورو برقی طی سه ساعت اول، کل توان خود را به شبکه تحویل دهد که به دلیل محدودبودن حداکثر توان دشارژشدن این منبع، این موضوع امکان‌پذیر نبوده است.

 

شکل )5): میزان شارژ باتری در طول شبانه‌روز در سناریو اول

 

 

شکل (6): میزان شارژ خودروی برقی در طول شبانه‌روز در سناریو اول

 

 

شکل (7): توان خروجی دیزل ژنراتور در طول شبانه‌روز در سناریو اول

 

 

جدول (4): جابه‌جایی منابع در سناریو دوم

 

1

2

5-3

6

7

8

9

14-10

15

16

17

18

19

24-20

دیزل ژنراتور

باس 21

باس 15

 

باتری

باس 29

باس 15

باس 29

باس 15

باس 29

خودروی برقی

باس 8

باس 33

باس 8

باس 33

 

 

ب) سناریو دوم: الگوریتم این سناریو در مرجع ]14[ ارائه شده و فرض شده است دیزل ژنراتور، باتری و خودروی برقی در باس‌های 21، 29 و 8 نصب شده‌اند. همچنین، در این سناریو محدودیتی برای میزان سوخت ژنراتورها در نظر گرفته نشده است. با توجه به شکل‌های (8)-(10) و جدول (4) این نتایج به دست می‌آیند که در این سناریو، دیزل ژنراتور در ابتدا در باس 21 متصل است و پس از تعمیرشدن خط 19-20 در ساعت 5 و اتصال این قسمت به شبکۀ بالادست، این ژنراتور به سمت یک قسمت بی‌برق حرکت می‌کند تا میزان بار بیشتری تأمین شود. با توجه به اینکه بارهای متصل به باس‌های 13، 14، 15 و 16 به ایستگاه باس 15 حرکت می‌کند تا این بارها را نیز تأمین کند، در این شرایط تا رسیدن دیزل ژنراتور و تأمین این بار‌های مهم، ذخیره‌ساز به سمت این قسمت از شبکه حرکت می‌کند و در ایستگاه باس 15 قرار می‌گیرد و مقداری از توان ذخیره‌شدۀ خود را به تأمین بارها اخصاص می‌دهد. پس از رسیدن دیزل ژنراتور به این قسمت از شبکه، این منبع به تأمین بارها می‌پردازد و شروع به شارژکردن ذخیره‌ساز می‌کند تا به سمت قسمتی دیگر از شبکه حرکت کند و میزان بیشتری از بار تأمین شود. همان‌گونه که مشخص است در ساعت 8ام و پس از شارژ دخیره‌ساز، این منبع به سمت ایستگاه باس 29 حرکت می‌کند تا بار موجود در این ناحیه را تأمین کند. دلیل انتخاب باس 29 در این ساعت این است که بارهای اطراف ایستگاه 21 توسط شبکۀ بالادست و بارهای اطراف ایستگاه 15 ازطریق دیزل ژنراتور تأمین می‌شوند و تنها ایستگاه موجود در قسمت بی‌برق برای ذخیره‌ساز، ایستگاه باس 29 است. پس از اتصال ذخیره‌ساز به ایستگاه باس 29، در ساعت‌های 10-14 به بارهای این ناحیه تأمین خواهند شد و سپس میزان شارژ دخیره‌ساز کاهش پیدا می‌کند. پس ذخیره‌ساز باید مجدد به قسمتی برای شارژشدن حرکت کند و پس از آن، شارژ باتری خود را به قسمت بی‌برق باس 29 تحویل دهد. پس ذخیره‌ساز برای شارژشدن، مجدد به سمت باس 15، حرکت می‌کند و میزان شارژ خود را به حداکثر مقدار خود می‌رساند و سپس برای اتصال به ایستگاه باس 29 و تأمین بار این قسمت بی‌برق حرکت می‌کند. در این سناریو، خودرو برقی نیز به سمت ایستگاه باس 33، حرکت و بارهای این قسمت بی‌برق را تأمین می‌کند. سپس با کم‌شدن شارژ خودرو برقی، این منبع به سمت ایستگاه باس 8 حرکت می‌کند و در این ایستگاه شارژ می‌شود تا مجدد به سمت ایستگاه باس 33، حرکت و بارهای این قسمت را تأمین کند.

 

 

شکل (8): میزان شارژ باتری در طول شبانه‌روز در سناریو دوم

 

 

شکل) 9): میزان شارژ خودروی برقی در طول شبانه‌روز در سناریو دوم

 

 

جدول (5): جابه‌جایی منابع در سناریو سوم

 

1

2

3

11 – 4

12

17 – 13

18

24-19

دیزل ژنراتور

باس 21

باس 15

باتری

باس 29

باس 21

باس 29

خودروی برقی

باس 8

باس 33

 

 

 

شکل (10): توان خروجی دیزل ژنراتور در طول شبانه‌روز در سناریو دوم

 

ج) سناریو سوم: در این سناریو برای نزدیک‌تر کردن سناریو دوم به واقعیت، سوخت خودروهای جابه‌جاکنندۀ منابع نیز محدود در نظر گرفته شده است. در این حالت فرض شده میزان سوخت اولیۀ کامیون‌ها برابر 100 لیتر و جابه‌جایی بین هر دو باس نیازمند مصرف 40 لیتر سوخت است که با این فرضیات هر خودرو حداکثر قادر به 2 بار جابه‌جایی است. با توجه به نتایج به‌دست‌آمده در سناریو دوم، چون ذخیره‌ساز و خودرو برقی بیش از دو بار جابه‌جایی را در حالت بهینه داشته‌اند، انتظار می‌رود حرکت این منابع در این سناریو نسبت به سناریو قبل تغییر کند (در سناریو دوم، ذخیره‌ساز، چهار مرتبه و خودرو برقی، سه مرتبه برای شارژشدن و تحویل توان شارژشده به قسمت بی‌برق، بین نقاط مختلف شبکه جابه‌جا شده‌اند).

مطابق با جدول (5) و شکل (11)، ذخیره‌ساز در ابتدا به ایستگاه باس 29 متصل است و به تأمین بارهای این ناحیه می‌پردازد. پس از آن، با تمام‌شدۀ ذخیرۀ این منبع و با توجه به تعمیر خطوط 1-2 و 19-20 به سمت ایستگاه باس 21 حرکت می‌کند تا ازطریق شبکۀ بالادست مجدد شارژ شود. شارژ ذخیره‌ساز در ساعت‌های 13-17 انجام می‌شود و پس از آن، ذخیره‌ساز به سمت باس 29 حرکت می‌کند تا بار این قسمت بی‌برق را تأمین کند. همان‌گونه که از مقایسۀ جدول‌های (4) و (5) مشخص است با محدود در نظر گرفتن میزان سوخت، جابه‌جایی این منبع در این سناریو نسبت به سناریو قبل کاهش پیدا کرده و جواب کلی مسئله از بهترین جواب ممکن فاصله گرفته است.

با توجه به جدول (5) و شکل (13)، این نکته برداشت می‌شود که دیزل ژنراتور نیز که به باس 21 متصل است، به دلیل اهمیت بارهای اطرف ایستگاه 15 به سمت این ایستگاه حرکت می‌کند تا بارهای این ناحیۀ بی‌برق را تأمین کند.

مطابق با جدول (5) و شکل (12)، به این نکته اشاره می‌شود که خودرو برقی نیز که به باس 8 متصل است، بارهای این ناحیه را تأمین می‌کند. با توجه به اینکه خط 1-2 در ساعت سوم تعمیر می‌شود، این ناحیه ازطریق شبکۀ بالادست تأمین خواهد شد. پس در ساعت‌های 3-5 خودرو برقی شروع به شارژشدن ازطریق شبکۀ بالادست خواهد کرد. پس از تکمیل‌شدن شارژ خودرو برقی در ساعت 11، این منبع به سمت ایستگاه باس 33 در قسمت بی‌برق، حرکت می‌کند تا بارهای این ناحیه را تأمین کند.

 

 

شکل )11): میزان شارژ باتری در طول شبانه‌روز در سناریو سوم

 

 

جدول (6): جابه‌جایی منابع در سناریو چهارم

 

1

2

5-3

6

7

8

9

13-10

14

16-15

17

18

19

24-20

دیزل ژنراتور

باس 21

باس 15

 

دخیره ساز

باس 29

باس 21

باس 29

باس 21

باس 29

خودروی برقی

باس 8

باس 33

باس 8

باس 33

سوخت‌رسان

باس 33

باس 29

                                   

 

 

 

شکل) 12): میزان شارژ خودروی برقی در طول شبانه‌روز در سناریو سوم

 

شکل (13(: توان خروجی دیزل ژنراتور در طول شبانه روز در سناریو سوم

 

سناریو چهارم: برای نزدیک‌کردن مسئله به بهینه‌ترین جواب، اثر محدودیت سوخت منابع موجود در شبکه با در نظر گرفتن ماشین‌های سوخت‌رسان‌ سیار کاهش یافته است. این سوخت‌رسان‌ها در شبکه حرکت می‌کنند و چون منابع فقط در ایستگاههای مخصوص خود قادر به توقف‌اند، این ماشین‌ها نیز فقط می‌توانند در این ایستگاهها مستقر شوند. درضمن میزان سوخت تزریقی به هر منبع با توجه به مسئلۀ بهینه‌سازی (مصرف گازوییل) تعیین می‌شود. این سوخت‌رسان‌ها با حرکت در شبکه، خود نیز سوخت مصرف می‌کنند که مطابق سناریو سوم، میزان سوخت مصرفی با حرکت بین دو باس 40 لیتر و میزان سوخت ذخیره‌شدۀ این سوخت‌رسان 250 لیتر در نظر گرفته شده است. با استفاده از ماشین‌های سوخت‌رسان مشکل محدودیت سوخت، کمرنگ‌تر و جواب مسئله در این سناریو به جواب واقعی نزدیک‌تر می‌شود.

با توجه به شکل (16)، (17) و جدول (6)، دیزل ژنراتور برای تأمین بارهای اراف ایستگاه 15 که بارهای با اهمیت بالا هستند، در ساعت دوم به سمت این ایستگاه، حرکت و به سبب این جابه‌جایی 40 لیتر از سوخت خود را مصرف می‌کند. این منبع تا آخرین ساعت روز در این ایستگاه مستقر خواهد بود. پس میزان سوخت این منبع 60 لیتر باقی خواهد ماند.

ذخیره‌ساز که در ایستگاه باس 29 قرار دارد، به سمت ایستگاه باس 21 حرکت می‌کند تا بارهای این ناحیه را تأمین کند و در این جابه‌جایی میزان 40 لیتر از سوخت خود را از دست می‌دهد. سپس با تعمیرشدن خطوط 2-1 و 20-19 در زمان‌های 3 و 5، این ایستگاه به شبکۀ بالادست متصل می‌شود. پس ذخیره‌ساز شارژ می‌شود و مجدد به سمت ایستگاه باس 29 حرکت می‌کند تا بارهای این قسمت بی‌برق را تأمین کند که مطابق شکل (17) میزان 40 لیتر از سوخت خود را از دست می‌دهد. در این شرایط، ذخیره‌ساز دارای 20 لیتر سوخت است که به جابه‌جایی بیشتر قادر نیست؛ ولی چون خودروی سوخت‌رسان در ساعت 9ام به سمت ایستگاه باس 29 حرکت کرده است، این امکان وجود دارد که مقداری سوخت به ذخیره‌ساز برای جابه‌جایی‌های بیشتر تزریق کند. پس با میزان سوخت تزریق‌شده به ذخیره‌ساز، این منبع، مجدد به سمت باس 21 برای شارژشدن حرکت می‌کند و پس از تکمیل شارژ به سمت ایستگاه باس 29 باز می‌گردد تا بار این ناحیۀ بی‌برق را تأمین کند.

خودروی برقی مستقر در ایستگاه باس 8 به سمت باس 33 حرکت می‌کند تا بارهای این ناحیۀ بی‌برق را تأمین کند. دلیل این جابه‌جایی در این است که با تعمیر خط 2-1 در ساعت سوم، این ناحیه، دیگر به‌صورت بی‌برق نیست و با شبکۀ بالادست تأمین می‌شود. مطابق با شکل (17)، خودروی برقی در این جابه‌جایی میزان 40 لیتر از سوخت خود را از دست می‌دهد. به دلیل اینکه سوخت باقی‌مانده در خودروی برقی برای یک مرتبه رفتن و برگشتن به قسمت متصل به بالادست شبکه کافی نیست، خودروی سوخت‌رسان که تا ساعت 8ام در ایستگاه باس 33 مستقر است، میزان سوخت خودروی برقی را به 80 لیتر (تزریق 20 لیتر) افزایش می‌دهد. پس با توجه به جدول (6) و شکل (15)، این خودرو در ساعت 6ام سوخت دریافت می‌کند و در ساعت 7ام به سمت ایستگاه باس 8 که به شبکۀ بالادست متصل است، حرکت می‌کند تا میزان توان ذخیره‌شدۀ خود را افزایش دهد. پس از تکمیل شارژ در ساعت 16 مجدد به سمت باس 33 حرکت می‌کند تا بارهای این ناحیۀ بی‌برق را تأمین کند.

با توجه به شکل (17)، میزان سوخت خودروی سوخت‌رسان سه مرتبه کاهش پیدا کرده است. این کاهش سوخت در ساعت 6ام به دلیل سوخت‌رسانی به خودروی برقی، در ساعت 9ام به دلیل حرکت به سمت ایستگاه باس 29 و در ساعت 13ام به دلیل سوخت‌رسانی به ذخیره‌ساز است.

 

 

شکل )14): میزان شارژ باتری در طول شبانه‌روز در سناریو چهارم

 

 

شکل) 15): میزان شارژ خودروی برقی در طول شبانه‌روز در سناریو چهارم

 

شکل (16(: توان خروجی دیزل ژنراتور در طول شبانه روز در سناریو چهارم

 

 

شکل (17(: میزان سوخت منابع در طول شبانه‌روز در سناریو چهارم

 

درنهایت به‌منظور مقایسۀ نتایج سناریوهای مختلف، میزان انرژی تأمین‌شده و زمان لازم برای حل مسئله در جدول (7) ارائه شده است. همان‌گونه که مشخص است در سناریو اول به دلیل اینکه منابع قابلیت جابه‌جایی ندارند، کمترین میزان تأمین انرژی وجود خواهد داشت. در سناریو دوم که برای حل آن از الگوریتم ارائه‌شده در مرجع ]14[ استفاده شده، جابه‌جایی خودروها با هدف تأمین بیشترین بارهای مهم با کمترین میزان جابه‌جایی در نظر گرفته شده است. در این مرجع، خودروها قابلیت جابه‌جایی نامحدود دارند و هزینۀ سوخت آنها در نظر گرفته نشده است؛ به همین دلیل، به‌منظور واقعی‌تر شدن الگوریتم ارائه‌شده در این مرجع، در سناریو سوم سوخت خودرهای جابه‌جاکنندۀ منابع محدود در نظر گرفته شده است. با توجه به جدول 7، در نظر گرفتن سوخت محدود باعث کاهش میزان بارهای تأمین‌شده می‌شود. درنهایت به‌منظور جبران این نقص و نزدیک‌شدن به جواب بهینۀ مسئله که در سناریو دوم ارائه شده، ایدۀ استفاده از خودروهای سوخت‌رسان در نظر گرفته شده است. جابه‌جایی خودرو سوخت‌رسان به اندازۀ جابه‌جایی ژنراتورهای سیار از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. مطابق با جدول 7، با الگوریتم ارائه‌شده در این مقاله، جابه‌جایی بهینۀ این خودروها بارهای تأمین‌شده برابر با بهینه‌ترین حالت ممکن (سناریو دوم) شده است. درواقع الگوریتم ارائه‌شده در این مقاله نه‌تنها مدل مسئله را به مدل واقعی‌تر نسبت به مرجع ]14[ تبدیل می‌کند، جواب به‌دست‌آمده برای مسئله از مقدار بهینۀ موجود فاصله نخواهد گرفت.

 

جدول (7): انرژی تأمین‌شده و زمان محاسبات در هر سناریو

سناریو

انرژی تأمین‌شده (kWh)

زمان انجام محاسبات (s)

سناریو اول

33258

10.82

سناریو دوم

39418

488.34

سناریو سوم

39079

549.08

سناریو چهارم

39418

586.57

 

 

5- نتیجه‌گیری

در این مقاله به یکی از راهکارهای افزایش تاب‌آوری شبکۀ توزیع هنگام وقوع حوادث طبیعی پرداخته شده است؛ این راهکار، استفاده از منابع سیار است. این منابع با قابلیت جابه‌جایی در نقاط مختلف شبکه و امکان تأمین بارهای با اهمیت در قسمت بی‌برق، ابزاری کارآمد برای افزایش تاب‌آوری هستند. همچنین، این منابع این امکان را فراهم می‌کنند تا برخی منابع مانند ذخیره‌سازهای سیار به سمت قسمت متصل به شبکۀ بالادست حرکت کنند و میزان شارژ خود را افزایش دهند تا بتوانند میزان توان شارژشده را به شبکه تحویل دهند؛ اما به دلیل میزان سوخت محدود این منابع، امکان جابه‌جایی زیاد برای آنها در شبکه موجود نیست؛ به همین دلیل در این مقاله با در نظر گرفتن خودروی سوخت‌رسان، این محدودیت ژنراتورهای سیار به حداقل مقدار خود رسیده است. نتایج ارائه‌شده در قسمت شبیه‌سازی نشان می‌دهند وجود محدودیت در سوخت ژنراتورهای سیار، جواب مسئله را از بهترین جواب ممکن دور خواهد کرد که استفاده از خودرو سوخت‌رسان این تأثیر را به حداقل مقدار خود خواهد رساند.



[1] تاریخ ارسال مقاله: 25/08/1399

تاریخ پذیرش مقاله: 16/01/1400

نام نویسندۀ مسئول: رضا محمدی چبنلو

نشانی نویسندۀ مسئول: ایران – تهران – دانشگاه شهید بهشتی – پردیس فنی مهندسی شهید عباسپور - دانشکده برق



[1] Benders Decomposition

Y. Wang, Y. Xu, J. He, C. C. Liu, K. P. Schneider, M. Hong, D. T. Ton, "Coordinating multiple sources for service restoration to enhance resilience of distribution systems", IEEE Transactions on Smart Grid, Vol. 10, No. 5, pp. 5781-5793, 2019.
[2] X. Lu, J. Wang, L. Guo, "Using micro-grids to enhance energy security and resilience", The Electricity Journal, Vol. 29, No. 10, pp. 8-15, Dec 2016.
[3] K. Schneider, "Micro-grids as a resiliency resource", 2014 IEEE International Test Conference (ITC), IEEE Computer Society, Seattle, pp. 1-1, USA, 2014.
[4] Z. Bie, Y. Lin, G. Li, F. Li, "Battling the extreme: A study on the power system resilience", Proceedings of the IEEE, Vol. 105, No.7, pp. 1253-1266, Apr 2017.
[5] M. Khederzadeh, S. Zandi, "Enhancement of distribution system restoration capability in single/multiple faults by using micro-grids as a resiliency resource", IEEE Systems Journal, Vol. 13, No.2, pp. 1796-1803, 2019.
[6] S. Lei, J. Wang, C. Chen, Y. Hou, "Mobile emergency generator pre-positioning and real-time allocation for resilient response to natural disasters", IEEE Transactions on Smart Grid, Vol. 9, No. 3, pp. 2030-2041, 2018.
[7] H.H. Abdeltawab, Y.A. Mohamed, "Mobile energy storage scheduling and operation in active distribution systems", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 64, No. 9, pp. 6828-6840, 2017.
[8] M. McGranaghan, M. Olearczyk, C. Gellings, "Enhancing distribution resiliency Opportunities for applying innovative technologies", Electr. Today, Vol. 28, No. 1, pp. 46-48, 2013.
[9] C. Chen, J. Wang, F. Qiu, D. Zhao, "Resilient distribution system by microgrids formation after natural disasters", IEEE Transactions on smart grid, Vol. 7, No. 2, pp. 958-966, 2015.
[10] Z. Wang, J. Wang, C. Chen, "A three-phase microgrid restoration model considering unbalanced operation of distributed generation", IEEE Transactions on Smart Grid, Vol. 9, No. 4, pp. 3594-3604, 2016.
[11] M. Khederzadeh, S. Zandi. "Enhancement of Distribution System Restoration Capability in Single/Multiple Faults by using Microgrids as a Resiliency Resource", IEEE Systems Journal, Vol. 13, No. 2, pp. 1796-1803, 2019.
[12] J. Kim, Y. Dvorkin, "Enhancing distribution system resilience with mobile energy storage and microgrids", IEEE Transactions on Smart Grid, Vol. 10, No. 5, pp. 4996-5006, 2019.
[13] J. Shang, X. Sheng, J. H. Zhang, W. Zhao, "The optimized allocation of mobile emergency generator based on the loads importance", IEEE Power and Energy Engineering Conference, pp. 1-4, 2009.
[14] S. Lei, C. Chen, H. Zhou, Y. Hou, "Routing and scheduling of mobile power sources for distribution system resilience enhancement", IEEE Transactions on Smart Grid, Vol. 10, No. 5, pp. 5650-5662, 2018.
[15] M. E. Baran, F. F. Wu, "Network reconfiguration in distribution systems for loss reduction and load balancing", IEEE Power Engineering Review, Vol. 4. No. 2, pp. 1401-1407, Apr 1989.
[16] M. R. Dorostkar-Ghamsari, M. Fotuhi-Firuzabad, Lehtonen, A. Safdarian. "Value of distribution network reconfiguration in presence of renewable energy resources", IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 31, No. 3, pp. 1879-1888, 2015.