طراحی سبز و تاب آور شبکه های زنجیره تأمین برق: یک رویکرد بهینه سازی قوی چند هدفه (مقاله سوم)

چکیده :

شبکه های هوشمند فرصت های زیادی را برای طراحی و اجرای زنجیره های تأمین برق پایدار و کارآمد فراهم می کنند که مقاومت بیشتری در برابر اختلالات دارند. در مورد مسئله طراحی شبکه زنجیره تامین برق (ESCND) با استفاده از شبکه هوشمند به طور گسترده مورد بررسی قرار نگرفته است. این مقاله با هدف دستیابی به این مشکل با استفاده از یک روش بهینه سازی قوی چند هدفه: سه هدف اقتصادی (حداکثر سازی سود) ، زیست محیطی (به حداقل رساندن انتشار گازهای گلخانه ای) و تاب آوری (حداکثر تاب آوری شبکه) است. به حداکثر رساندن بهره وری - به حداقل رساندن اتلاف انرژی - نیز با استفاده از عنصر هزینه مربوطه در عملکرد هدف اقتصادی مورد توجه قرار گرفته است. روش پیشنهادی شامل اجزای مختلف شبکه هوشمند منحصر به فرد از جمله برنامه های مدیریت تقاضای جانبی، ساختار میکرو شبکه، خطوط توزیع دو طرفه و گره های مصرف کننده تأمین کننده است، در حالی که تصمیمات متقابل مختلفی از جمله موقعیت مکانی، گسترش ظرفیت، تخصیص بار و قیمت گذاری را شامل می شود. برای حل مدل حاصل، یک روش بهینه سازی قوی چند هدفه ترکیبی بر اساس الگوریتم های صفحه برش و AUGMECON2 ارائه شده است. سپس مدل پیشنهادی و رویکرد راه حل برای مطالعه موردی واقعی اعمال شده و نتایج تولید شده به طور کامل مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. به این نتیجه رسیدند که اگرچه اهداف اقتصادی و زیست محیطی می توانند کاملاً متناقض باشند، اما اجرای شبکه های هوشمند می تواند باعث افزایش همزمان عملکرد محیطی و انعطاف پذیری شبکه شود.

  مقدمه:

مصرف برق جهانی در طی ربع قرن گذشته به دلیل رشد جمعیت و همچنین افزایش تولید ناخالص داخلی و سرانه مصرف برق دو برابر شده است. برای تامین این تقاضا از نیروگاههای پایه سوخت فسیلی (به عنوان مثال ، ذغال سنگ ، نفت و گاز طبیعی) استفاده شده است. جبران عدم تعادل بین تقاضا و عرضه با استفاده از فن آوری های فعلی تولید برق مبتنی بر سوخت های فسیلی منجر به افزایش انتشار گازهای گلخانه ای میشود. کاربرد گسترده منابع انرژی تجدیدپذیر در تولید برق نیاز به مقابله با دو مانع اساسی دارد: پایداری اقتصادی به دلیل هزینه های تولید بیشتر منابع انرژی تجدیدپذیر و قابلیت اطمینان و تاب آوری شبکه به دلیل تغییر زمان و عدم قطعیت در تأمین این منابع. به منظور مقابله با این موارد و سایر موارد مرتبط ، نسل جدیدی از شبکه های برق به نام "شبکه های هوشمند" پیشنهاد شده است. شبکه های هوشمند معمولاً هفت ویژگی زیر را دارند:

1) امکان مشارکت فعال توسط مصرف کنندگان؛

2) مطابقت با تمام گزینه های تولید و ذخیره سازی؛

3) امکان تولید محصولات، خدمات و بازارهای جدید؛

4) تأمین کیفیت برق برای نیازهای قرن بیست و یکم؛

5) بهینه سازی دارایی ها و کارایی کارآمد؛

6) خود ترمیم در برابر حوادث اختلال قدرت؛

7) عملکرد تاب آور در برابر حملات جسمی و سایبری.

جامعه مهندسی سیستم های قدرت توصیه می کند از ویژگی های اضافی برای شبکه های هوشمند مانند ساختار میکرو شبکه و قابلیت تولید توزیع شده و همچنین ابزارهای پیشرفته امنیت سایبری برای کاهش احتمال بروز اختلال و عواقب آن استفاده شود. این مقاله از منظر طراحی شبکه زنجیره تأمین (SCND) به یک مسئله طراحی شبکه برق پایدار و تاب آور می پردازد. مدل پیشنهادی شامل اجزای مختلف منحصر به فرد شبکه هوشمند مانند برنامه های مدیریت تقاضا، ساختار میکرو شبکه، خطوط توزیع دو طرفه و گره های مصرف کننده و تأمین کننده است. همچنین سعی می شود با گرفتن اتلاف انرژی در شبکه، بازده شبکه را به حداکثر برساند. تاب آوری شبکه در برابر حملات سایبری و یا اختلالات فیزیکی با استفاده از احتمال وقوع متناظر آنها در مدل تولید می شود. از دیگر ویژگی های گنجانیده شده در مدل میکرو شبکه و قابلیت های تولید توزیع شده است. از آنجا که منابع مختلف عدم قطعیت بر عملکرد شبکه های هوشمند تأثیر می گذارند، این مسئله به عنوان یک مسئله بهینه سازی چند منظوره قوی قابل تنظیم (چند مرحله ای) مبتنی بر بازه زمانی مدل سازی می شود. پارامترهای نامشخص مدل ظرفیت تولید برق تجدید پذیر و غیر قابل تجدید و تقاضای نهایی مصرف کننده در هر بازه زمانی است. مدل پیشنهادی با استفاده از یک رویکرد بهینه سازی قوی چند هدفه ترکیبی مبتنی بر الگوریتم های صفحه برش و AUGMECON2 حل شده است. مدل و روش ارائه شده در این مقاله، این امکان را می دهد تا همزمان موضوعات مرتبط به هم را در شبکه های هوشمند از جمله مکان تسهیلات، گسترش ظرفیت، تخصیص بار، قیمت گذاری و مدیریت تقاضا بررسی شود. رویکرد راه حل ارائه شده همچنین می تواند به طور کارآمد مدل چند هدفه حاصل را حتی در شرایطی که کمبود داده های تاریخی برای تخمین توزیع واقعی پارامترهای تصادفی وجود دارد ، حل کند.

شکاف مطالعاتی:

تجزیه و تحلیل ادبیات چند زمینه را نشان می دهد که در گذشته به طور کامل بررسی نشده است.

1) هیچ یک از آثار بررسی شده مشکل ESCND را در زمینه شبکه های هوشمند که در آن هر مصرف کننده می تواند برق مورد نیاز خود را تولید کند و تولید مازاد آن را به شبکه بفروشد، برطرف نمی کند. بر این اساس، سایر ویژگی های متمایز شبکه های هوشمند از جمله مدیریت تقاضا، ساختار میکرو شبکه و تولید توزیع شده در مدل های قبلی نادیده گرفته شده است.

2) در حالی که مقالات به اهداف هزینه و سبز بودن در مشکلات SCND پرداخته است، انعطاف پذیری شبکه تحت اختلالات احتمالی در تولید، انتقال و توزیع برق، و رابطه بین انعطاف پذیری و سایر اهداف طراحی مانند سبز و هزینه در گذشته بررسی نشده است.

3) مشکل قیمت گذاری برق نیز در متن ESCND کشف نشده باقی مانده است.

4) اکثریت ادبیات بر اهداف حداکثر سود (یا به حداقل رساندن هزینه) و حداکثر قابلیت اطمینان می باشد. اهداف محیطی و از دست دادن نیرو فقط توسط تعداد کمی در نظر گرفته شده است.

5) تغییرات دینامیکی و ماهیت تصادفی تقاضا، عرضه، هزینه ها و قیمت ها به ندرت با استفاده از رویکردهای مبتنی بر سناریو گسسته مورد بررسی قرار گرفته است.

توضیحات و فرمول مسئله:

شبکه های برق از سه زیر سیستم اصلی تشکیل شده اند: تولید، انتقال و توزیع. زیر سیستم های تولید (تأمین کنندگان) شامل شرکت های تولیدی هستند که نمونه کارهای مختلفی از فناوری های تجدید پذیر و غیر قابل تجدید را دارند. زیرسیستم های انتقال، انتقال برق تولید شده توسط شرکتهای تولیدی به اپراتورهای توزیع را با استفاده از خطوط انتقال فشار قوی انجام می دهند و اپراتورهای توزیع وظیفه تأمین تقاضای مصرف کنندگان نهایی را بر عهده دارند. شبکه انتقال از دو خط تشکیل شده است: 1) ولتاژ بالا؛ و 2) ولتاژ پایین. در حالی که مورد اول برای خدمات دهی به مصرف کنندگان داخلی اعمال می شود و تصور می شود که فاقد اتلاف باشد، می توان تلفات برق در دومی را به عنوان افزایش خطی فاصله نشان داد. در زمینه شبکه های هوشمند، مصرف کنندگان می توانند نیازهای خود را تأمین کرده و با استفاده از خطوط توزیع دو طرفه، برق اضافی تولید شده را به شبکه بفروشند. مصرف کنندگان به دو دسته تقسیم می شوند: 1) مصرف کنندگان عادی که شامل خریداران برق تجاری و مسکونی می شوند. 2) مصرف کنندگان حیاتی، مانند بیمارستان ها که مستقیماً با زندگی و سلامت انسان سروکار دارند. بدیهی است تأمین تقاضای مصرف کنندگان حیاتی هنگام بروز اختلالات از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است. به دلیل مشکلات فنی، شرایط آب و هوایی و یا حملات تروریستی، می تواند در نقاط مختلف شبکه اختلال ایجاد شود. احتمال بروز این اختلالات و خسارات متوالی آنها برابر نیست. افزایش تاب آوری شبکه در برابر حملات سایبری / فیزیکی از اهمیت حیاتی برای اپراتورهای شبکه برخوردار است. این موضوع می تواند از طریق دو عنصر یک شبکه هوشمند محقق شود: میکرو شبکه و تولید توزیع شده. Microgrid به عنوان "یک شبکه جزیره محلی تعریف می شود که می تواند به صورت مستقل یا به عنوان یک سیستم متصل به شبکه عمل کند". تولید پراکنده به "انواع فن آوری هایی که در یا در نزدیکی محل استفاده از آن برق تولید می کنند" اطلاق می شود. این فناوری ها در کنار هم به اپراتور شبکه کمک می کنند تا حتی در صورت بروز اختلال سطح خدمات را افزایش دهد. طراحی شبکه زنجیره تامین برق ذاتاً یک مسئله تصمیم گیری چند هدفه است که شامل اهداف و محدودیت های اقتصادی، زیست محیطی و تاب آوری است. در این مقاله سه عملکرد هدف در نظر گرفته شده است: 1) حداکثر رساندن سود؛ 2) به حداقل رساندن انتشار گازهای گلخانه ای؛ و 3) به حداکثر رساندن تاب آوری شبکه در برابر اختلالات در زیر سیستم های تولید، انتقال و توزیع. هدف اول شامل چهار عنصر است، یعنی سود کل حاصل از فروش برق به مصرف کنندگان، هزینه های ثابت (همراه با اجرای زیرساخت ها و گسترش ظرفیت) و هزینه های متغیر. به منظور تقاضای برآورده نشده یا عرضه مازاد، یک مجازات به کل هزینه متناسب با عدم تعادل کل عرضه و تقاضا اضافه می شود. برای تابع هدف دوم، انتشار گازهای گلخانه ای به صورت انتشار کل معادل دی اکسید کربن (CO2e) محاسبه می شود. سرانجام، تاب آوری شبکه با استفاده از احتمال ایجاد اختلال در تولید و انتقال یا توزیع و اهمیت نسبی هر مصرف کننده حیاتی محاسبه می شود. اهمیت نسبی یک مصرف کننده حیاتی متناسب با جمعیت منطقه خدمات آن است. مصرف کنندگان با تقاضای بالاتر وزن بیشتری دریافت می کنند. منابع مختلف عدم قطعیت نیز در مدل پیشنهادی از جمله تقاضا، تجدیدپذیر و تأمین انرژی غیر قابل تجدید و ایجاد اختلال در زیر سیستم های تولید، انتقال و توزیع در نظر گرفته شده است. از این رو، مشکل طراحی شبکه زنجیره تامین برق مورد مطالعه به عنوان یک مسئله بهینه سازی چند منظوره قوی قابل تنظیم مدل سازی می شود. تصمیماتی که باید توسط مدل پیشنهادی گرفته شود به شرح زیر است:

1) تولید برق و تخصیص بار در هر دوره زمانی؛

2) قیمت گذاری برق برای مصرف کنندگان مختلف در هر دوره زمانی؛

3) ظرفیت تولید و گسترش ظرفیت برای گره های مختلف عرضه؛

4) آیا می توان زیرساخت های تولید میکرو شبکه و توزیع شده را در مناطق مختلف پیاده سازی کرد؟

تابع هدف :

1)       اولین هدف به حداقل رساندن هزینه کل (حداکثر رساندن کل سود) به شرح زیر است:

معادله (13) نشان میدهد که، سود کل به عنوان تفاوت بین کل برق فروخته شده در هر قیمت (TP) و هزینه های ثابت و متغیر (TFC و TVC) شامل: تولید، گسترش ظرفیت و هزینه های تاسیس ایستگاه محاسبه می شود. هزینه اتلاف برق (ناکارآمدی شبکه های توزیع) نیز با استفاده از ضریب افت (lc) در معادله (14) در نظر گرفته می شود. اگرچه مدیریت تقاضا به عنوان ابزاری برای متعادل سازی تقاضا و عرضه در نظر گرفته می شود، اما تقاضای برآورده نشده می تواند سطح استاندارد زندگی مصرف کنندگان را کاهش داده و موجب نارضایتی کاربر نهایی شود. علاوه بر این، به دلیل محدودیت های فن آوری، ذخیره اضافی منبع یا غیرممکن است یا بسیار پرهزینه است. بنابراین، جریمه ای که با DSI در معادله (17) مشخص می شود، متناسب با تفاوت بین کل عرضه و تقاضا نیز به این عملکرد اضافه می شود. معادله (17) غیرخطی است که به صورت زیر خطی سازی میشود:

2)       هدف دوم به حداقل رساندن انتشار گازهای گلخانه است که در معادله (20) به صورت جمع کل برق تولید شده توسط هر ژنراتور ضرب در ضریب انتشار GHG فرموله شده است.

3)       سومین هدف که به حداکثر رساندن تاب آوری شبکه در هنگام ایجاد اختلال می باشد، می تواند به صورت زیر فرموله شود:

انعطاف پذیری شبکه در معادله (21) به عنوان توانایی سیستم در تأمین تقاضای مصرف کنندگان حیاتی علی رغم اختلال در سیستم های تولید، انتقال و یا توزیع تعریف شده است. این اختلالات با احتمالات مستقل شناخته شده اتفاق می افتد. احتمال خرابی واحدهای تولیدی را می توان با استفاده از داده های تاریخی تخمین زد. احتمال خرابی سیستمهای فرعی انتقال / توزیع براساس فاصله و تعداد ایستگاه های بین هر جفت عرضه و تقاضا محاسبه می شود. از آنجا که مصرف کنندگان مهم از نظر اهمیت در مقیاس محلی و کلانشهر متفاوت هستند، یک وزن مهم نیز در مدل گنجانیده شده است. این هدف می تواند از طریق تولید توزیع شده و توانایی شبکه برای ادامه کار به عنوان یک ریز شبکه جزیره ای علی رغم اختلالات حاصل شود.

محدودیت ها :

ظرفیت های تأمین و انتقال به ترتیب اولین محدودیت هایی هستند که به ترتیب در معادلات (22) - (30) نشان داده شده اند. معادله (22) تضمین می کند که کل برق منتقل شده از هر مولد نمی تواند از ظرفیت تولید کل آن فراتر رود. معادله (23) حداکثر ظرفیت توسعه را برای هر ژنراتور اعمال می کند. معادله (24) بیان می کند که هرگاه توسعه ظرفیت رخ دهد، تا پایان افق برنامه ریزی در دسترس خواهد بود. معادله (25) مقادیر اولیه گسترش ظرفیت را تعیین می کند. معادله (26) حداکثر ظرفیت تولید توزیع شده را برای هر فناوری تولید در هر گره تقاضا تعیین می کند، همچنین بیان می کند که واحدهای تولیدی توزیع شده فقط در گره هایی که تجهیزات میکرو شبکه نصب شده اند می توانند ساخته شوند. معادله (27) حداقل ظرفیت تولید ژنراتورها را برای تقاضای حیاتی گره مربوطه تعیین می کند. معادله (28) تضمین می کند که یک واحد تولیدی توزیع شده نصب شده تا پایان افق برنامه ریزی در دسترس خواهد بود. معادله (29) ظرفیت تولید توزیع شده اولیه را صفر می کند. معادله (30) حداکثر تولید هر شرکت تولیدی را در هر بازه زمانی برابر با حداکثر ظرفیت انتقال ایستگاه انتقال که آن را به شبکه متصل می کند محدود می کند. محدودیت های تقاضا و قیمت در (31) و (32) نشان داده شده است. در معادله (31) آمده است که کل توان تخصیص یافته به هر گره در هر بازه زمانی باید برابر با کل تقاضای آن (ثابت و حساس به قیمت) و اتلاف توان در شبکه باشد. معادله (32) حداکثر تبعیض قیمت مجاز را بین گره های تقاضا تحمیل می کند (حداکثر انحراف مجاز از قیمت پایه).

روش حل:

در این مقاله با توجه به ماهیت چند هدفه بودن از الگوریتم بهبود یافته محدودیت ε استفاده شده است. روش محدودیت ε به دلیل سادگی و اثربخشی آن در تولید راهکارهای کارآمد پارتو، از جمله کاربردی ترین تکنیک های بهینه سازی چند هدفه است. این الگوریتم به صورت زیر عمل میکند:

              

                         

x بردار متغیرهای تصمیم گیری است، f1 (x) ، f2 (x) ،. . . ، و fp (x) توابع هدف هستند و S منطقه عملیاتی مسئله است. در این الگوریتم، مدل (1) به مدل (2) تبدیل میشود و به صورت تکراری حل می شود که sk متغیر مازاد و rk محدوده مقادیر هر محدودیت تابع هدف است. ε به ضریب مجازات متغیرهای مازاد اشاره دارد و ek سمت راست هر محدودیت است. برای هر تکرار ، ek با استفاده از معادله (3) محاسبه می شود. fkmin (x) حداقل مقدار تابع هدف fk (x) است، Ik شمارنده تکرار تابع هدف k است و stepk اندازه گام برای تابع هدف k است.

همچنین در این مقاله برای مقابله با عدم قطعیت از روش the robust multiobjective model استفاده شده است. دو نوع عدم اطمینان بر عملکرد شبکه های برق شبکه هوشمند تأثیر می گذارد: 1) اختلالات در زیر سیستم های تولید، انتقال و توزیع که با توجه به احتمال خرابی مربوطه در مدل ادغام می شوند و 2) عدم قطعیت در تقاضای پیش بینی شده و تأمین انرژی تجدیدپذیر. برای مقابله با عدم قطعیت نوع دوم ، این مسئله به عنوان یک بهینه سازی قوی قابل تنظیم مبتنی بر فاصله ، براساس روش پیشنهادی Thiele و همکاران ، دوباره فرموله می شود. 

نتیجه گیری :

نتایج این مقاله نشان می دهد که هدف زیست محیطی در تضاد با هدف اقتصادی است، اما با هدف تاب آوری رابطه ضعیفی دارد. این امر به این دلیل است که سرویس دهی به مصرف کنندگان حیاتی و به حداقل رساندن انتشار گازهای گلخانه ای منجر به ترکیبات مختلفی از فناوری های تولید در مناطق مختلف می شود. ممکن است مناطقی با تقاضای بسیار مهم مصرف کننده وجود داشته باشد، اما ممکن است اجرای فناوری های تولید برق مبتنی بر انرژی تجدید پذیر در این مناطق عملی نباشد. بعلاوه، با توجه به اینکه اقتصاد مقیاس در فناوریهای تولید مبتنی بر سوخت فسیلی در واحدهای تولیدی توزیع شده در مقیاس کوچک کاهش می یابد، فناوریهای نسل تجدیدپذیر در مقایسه با فن آوریهای سنتی تولید برق در واحدهای تولید پراکنده، رقابت بیشتری دارند. همچنین سهم منابع تجدیدپذیر انرژی در بهترین و بدترین حالت ها بین 16 تا 7 درصد متغیر است. سرانجام، نتایج نشان داد که بین اهداف اقتصادی و زیست محیطی و بودجه عدم قطعیت رابطه مثبت و قوی وجود دارد، در حالی که هیچ رابطه مشابهی بین هدف تاب آوری و بودجه عدم قطعیت یافت نمی شود. به طور کلی، چارچوب بهینه سازی ارائه شده در این مقاله چشم انداز جدیدی را برای طراحی شبکه برق فراهم می کند. این امکان را فراهم می کند تا خصوصیات منحصر به فرد شبکه های هوشمند مانند برنامه های مدیریت تقاضا، ساختار میکرو شبکه، خطوط توزیع دو طرفه و گره های تأمین کننده-مصرف کننده را در اختیار قرار دهد، در حالی که تصمیمات مختلفی از جمله موقعیت مکانی، گسترش ظرفیت، تخصیص بار و قیمت گذاری را شامل می شود. رویکرد چند هدفه قوی پیشنهاد شده همچنین در بررسی رابطه کشف نشده بین سبز بودن، هزینه و تاب آوری در زنجیره های تأمین برق تحت عدم قطعیت تقاضا و ظرفیت های تولید کمک می کند. رویکرد راه حل ارائه شده، با توجه به کارایی محاسباتی آن، قادر است سطح محافظه کاری تصمیم گیرنده را بدون دانش صریح مربوط به توزیع پارامترهای نامشخص تصرف کند. با وجود یافته های این تحقیق، محدودیت هایی وجود دارد که می توان در تلاش های پژوهشی آینده آنها را برطرف کرد. شبکه های هوشمند ابزارها و فرصت های بالقوه دیگری برای طراحی شبکه های برق قابل اطمینان و پایدارتر فراهم می کنند. از آنجا که این ویژگی ها معمولاً مورد استفاده قرار نمی گیرند، بنابراین در مدل پیشنهادی گنجانده نمی شوند. وسایل نقلیه الکتریکی و نقش ظهور آنها به عنوان واحدهای ذخیره موقت از جمله این اقدامات هستند که می توانند به افزایش پایداری و مقاومت شبکه کمک کنند. جهت دیگر برای کارهای آینده شامل درج جزئیات عملیاتی، از جمله برنامه ریزی نگهداری زیر سیستم تولید کننده و انتقال / توزیع، مشخصات فنی زیرساخت انتقال و توزیع هوشمند و جزئیات انتخاب مکان بهینه توزیع شده تولید بهینه است.