جدول (۲-۱۸): رزرو بالا رونده سمت مصرف با روش پیشنهادی و مرجع [۴۱] در شبکه ۴۸ باس برای یک ساعت ۵۱

جدول (۲-۱۹): وضعیت قرارگیری واحدها در باس ها و نتایج اجرای برنامه با روش پیشنهادی و مرجع [۴۱] در شبکه ۴۸ باس برای یک ساعت ۵۱
جدول (۲-۲۰): وضعیت مشارکت واحدها در شبکه IEEE RTS1 در ۲۴ ساعت ۵۳
جدول (۲-۲۱): برنامه تولید مشارکت واحدها در شبکه IEEE RTS1 در ۲۴ ساعت ۵۴
جدول (۲-۲۲): برنامه رزرو بالارونده سمت تولید در شبکه IEEE RTS1 در ۲۴ ساعت ۵۵
جدول (۲-۲۳): برنامه رزرو پایین رونده سمت تولید در شبکه IEEE RTS1 در ۲۴ ساعت ۵۵
جدول (۲-۲۴): برنامه رزرو بالا رونده سمت بار در شبکه IEEE RTS1 در ۲۴ ساعت ۵۶
جدول (۲-۲۵): نتایج کلی شبیه سازی روش پیشنهادی در IEEE RTS1 در بازه ۲۴ ساعته ۵۶
جدول (۲-۲۶): مقایسه کلی روش پیشنهادی و روش [۵۱] در شبکه ۲۴ باس برای یک ساعت ۵۶
جدول (۲-۲۷): برنامه تولید واحدها در شبکه IEEE RTS2 در ۲۴ ساعت ۵۷
جدول (۲-۲۸): برنامه رزرو بالا رونده سمت تولید در شبکه IEEE RTS2 در ۲۴ ساعت ۵۸
جدول (۲-۲۹): برنامه رزرو بالا رونده سمت بار در شبکه IEEE RTS2 در ۲۴ ساعت ۵۹
جدول (۲-۳۰): نتایج کلی شبیه سازی روش پیشنهادی در IEEE RTS2 در بازه ۲۴ ساعته ۵۹
جدول (۳-۱): هزینه های انرژی به ازای نصب نیروگاه در باس i 76
جدول (۳-۲): برنامه تولید مشارکت واحدها با قیود امنیتی در شبکه IEEE RTS1 در ۲۴ ساعت به ازای نصب نیروگاه بادی در باس شماره ۳ ۷۷
جدول (۳-۳): برنامه رزرو بالارونده سمت تولید در شبکه IEEE RTS1 در ۲۴ ساعت به ازای نصب نیروگاه بادی در باس شماره ۳ ۷۸
جدول (۳-۴): برنامه رزرو پایین رونده سمت تولید در شبکه IEEE RTS1 در ۲۴ ساعت به ازای نصب نیروگاه بادی در باس شماره ۳ ۷۸
جدول (۳-۵): برنامه رزرو بالا رونده سمت بار در شبکه IEEE RTS1 در ۲۴ ساعت در حضور نیروگاه بادی در باس شماره ۳ ۷۸
جدول (۳-۶) : هزینه بستن بازار به ازای درصد نفوذ تولید نیروگاه باد در سیستم قدرت با عدم قطعیت ۱۰% () ۷۹
جدول (۳-۷) : میزان تغییرات هزینه به ازای درصد تغییرات در تولید نیروگاه بادی با میانگین بادهای متفاوت ۸۱
جدول (۳-۸) : مقایسه نتایج بدست آمده در شبیه سازی شبکه سه باسه با مرجع [۶۹] (مقادیر توان بر حسب مگاوات است) ۸۲
جدول (۴-۱): برنامه تولید واحدها با قیود امنیتی در شبکه IEEE RTS1 با عدم قطعیت تولید بادی در باس شماره۳ و بار پیش بینی شده ۱۰۱
جدول (۴-۲): برنامه رزرو بالارونده سمت تولید در شبکه IEEE RTS1 با عدم قطعیت تولید بادی در باس شماره۳ و بار پیش بینی شده ۱۰۲
جدول (۴-۳): برنامه رزرو پایین رونده سمت تولید در شبکه IEEE RTS1 با عدم قطعیت تولید بادی در باس شماره۳ و بار پیش بینی شده ۱۰۳
جدول (۴-۴): برنامه رزرو بالا رونده سمت بار در شبکه IEEE RTS1 با عدم قطعیت تولید بادی در باس شماره۳ و بار پیش بینی شده ۱۰۳
جدول (۴-۵): هزینه مشارکت واحدها با قیود امنیتی در شبکه IEEE RTS1 با عدم قطعیت تولید بادی در باس شماره۳ و بار پیش بینی شده ۱۰۴
فصل۱
مقدمه
مقدمه
بعد از تحول تجدید ساختار در سیستم‏های قدرت، جنبه‏ه ای اقتصادی سیستم‏های قدرت موضوع بسیاری از تحقیقات در زمینه مهندسی قدرت بوده است؛ زیرا تغییرات مختلف و سریع در ساختار اجتماعی- اقتصادی این سیستم‏ها منجر به تحولات شگفت انگیزی در جنبه‏ه ای فنی بهره ­برداری و کنترل و مدیریت آنها شده است.
استراتژی­ های گوناگونی برای حداقل کردن هزینه واحدهای تولید انرژی الکتریکی پیشنهاد شده است که برنامه­ ریزی مشارکت واحدها و پخش بار اقتصادی جزو بهترین راه ها برای تامین برق با کیفیت، برای مشتری در یک حالت اقتصادی و امن می­باشد [۱].
امروزه در اکثر کشورهای دنیا مبادلات توان الکتریکی از طریق بازار برق صورت می­گیرد و بهره­بردار سیستم موظف به حفظ سطح قابل قبولی از امنیت در این سیستم‏هاست. در عین حال عملکرد اقتصادی سیستم‏های قدرت مطلبی است که شدیداً مدنظر بهره­بردار قرار می­گیرد. لازم است انواع رزروهای بالارونده و پائین رونده در سمت تولید و احتمالاً در طرف مصرف درنظر گرفته شود تا از به خطر افتادن سیستم درصورت خروج واحدها و سایر تجهیزات جلوگیری شود.
ساختارهای گوناگونی برای اجرای بازارهای انرژی و رزرو و سایر خدمات جانبی در سیستم‏های قدرت مختلف وجود دارد. هر یک از این ساختارها دارای نقاط قوت و ضعف بسیاری هستند. استفاده از هر یک از این ساختارها به گستردگی سیستم و خواسته‏های بهره‏بردار بستگی دارد. در برخی از سیستم‏ها برای یافتن نقطه عملکرد سیستم در کوتاه مدت بازارهای متنوعی در نظر گرفته می‏شود. برای مثال بازار انرژی، بازار تنظیم، بازار رزرو و … . ضعف اصلی این ساختار بهینه نبودن پاسخ نهایی است. در برخی سیستم‏ها بهره­بردار برای یافتن نقطه عملکرد سیستم با انجام یک بهینه ‏سازی، وضعیت و توان تولیدی واحدها، پیشنهادهای رزرو پذیرفته شده و سایر متغیرهای موجود در سیستم را به صورت هم زمان، بگونه‏ای بدست می‏آورد که تمامی قیود شبکه، از جمله قیود امنیتی، برآورده شوند. ضعف‏ اصلی این ساختار دشواری اجرای آن بر روی سیستم‏های گسترده با تعداد زیاد واحدهای تولیدی می‏باشد.
قیمت برق در سیستم سنتی بر مبنای هزینه­ های تولید برق بوده و در بسیاری از موارد با توجه به اینکه نیروگاه­ها در این سیستم متعلق به دولت می­باشند، قیمت برق از سیاست های دولت تاثیر می­پذیرد. در سیستم سنتی رقابت تولیدکنندگان برق در بهبود خدمات و بهینه­سازی امور در سطح پایینی قرار داشته و نیروگاه­ها با توجه به برنامه­ ریزی انجام گرفته قبلی، موظف به تولید مقدار پیش بینی شده توان برای ساعت خاصی می­باشند.
صاحبان سیستم قدرت انتظار دارند با تعمیم خصوصی­سازی به سیستم­های قدرت، کندی موجود در سرعت پیشرفت و نوآوری در تکنولوژی ساخت نیروگاه­ها و خطوط انتقال مرتفع شود. در کشورهای توسعه یافته و حتی جهان سوم نیز تجدیدساختار با استقبال مواجه شده است، چرا که این امر معمولاً سبب می­ شود که سرمایه­گذارهای خصوصی اقدام به ساخت، نصب و راه ­اندازی نیروگاه­ها به خرج خود نمایند و هزینه سنگین احداث آن­ها از دوش دولت برداشته شود. در سیستم تجدید ساختار شده صنعت برق بهره ­برداری ایمن از سیستم قدرت یکی از مسائل چالش برانگیز بهره­بردار مستقل سیستم می­باشد [۲]. بهره­بردار مستقل سیستم با موضوعات سخت و پیچیده­ای در ارتباط با تامین امنیت و قابلیت اطمینان سیستم مواجه است که یکی از آن­ها تامین رزرو سیستم است [۳].
برنامه زمانبندی تولید (کوتاه مدت-بلندمدت)، که با عنوان مشارکت واحدها نیز شناخته می­ شود یکی از مسائل عمده سیستم قدرت می­باشد. برنامه­ ریزی مشارکت واحدها شامل بهینه­سازی منابع تولید برای حداقل­سازی هزینه تولید توان با رعایت قیود مربوطه می­باشد که پتانسیل کافی برای صرفه جویی میلیون­ها دلار در سال، به عنوان عملیات اقتصادی را دارا می­باشد. در مدار قرارگرفتن یک واحد تولیدی به معنی روشن کردن آن و سپس سنکرون کردن آن با سیستم و متصل کردن آن به گونه ­ای است که بتواند توان الکتریکی را به شبکه انتقال دهد. بکارگیری تعداد زیادی واحد تولید که تقریباً گران است و یا خارج کردن تعدادی از واحدها زمانی که مورد نیاز نباشند می ­تواند موجب صرفه­جویی در حجم زیادی از پول شود. به صورت بنیادی، دقیق­ترین روش برای حل مسئله مشارکت واحدها، روش یکایک شماری است. بدین ترتیب که با آزمایش تمام ترکیبات ممکن روشن و خاموش بودن واحدها در بازه زمانی مورد مطالعه تعداد کل ترکیبات ممکن  خواهد بود که N نشان دهنده تعداد واحدها و M تعداد ساعات مورد مطالعه می­باشد. با در نظر گرفتن سرعت پروسسورهای کنونی، حل مسئله به این روش برای سیستم­های قدرت امروزی کاملاً غیر ممکن است. بنابراین لزوم اعمال یک الگوریتم مناسب به این مسئله ضروری به نظر می­رسد. تکنیک­های حل مختلفی برای این مسئله وجود دارد که بطور کلی آن­ها را می­توان به سه دسته روش­های عددی، روش­های هوشمند و روش­های ترکیبی تقسیم کرد. روش­های هوشمند به لحاظ همگرایی عددی و نیز کیفیت پاسخ مقبولیت بالایی ندارند [۴].
استفاده از روش­هایی مانند لیست اولویت، برنامه­ ریزی دینامیکی، روش شاخه و کران، روش لاگرانژ و برنامه­ ریزی اعداد صحیح در بالا رفتن دقت جواب­ها تاثیر زیادی دارد [۵] و [۶].
در برخی از محیط­های تجدید ساختار یافته، اپراتور مستقل سیستم از مشارکت واحدها با قیود امنیتی برای برنامه­ ریزی روز بعد بهره می­جوید [۶]. این برنامه­ ریزی یکی از پیچیده­ترین مسائل بهینه­سازی در سیستم­های قدرت است، که باید در آن قیود تولید، انتقال و امنیت شبکه در نظر گرفته شوند. قیود این برنامه­ ریزی عباتند از: قیود تامین توان شبکه، کمینه و بیشینه میزان تولید هر واحد، کمینه و بیشینه زمان روشن و خاموش بودن واحدها، ذخیره چرخان، ذخیره های بالارونده و پایین رونده سمت تولید و بار، نرخ شیب افزایش و کاهش توان نیروگاه­ها، و… ، برای شبکه انتقال نیز قیدهای میزان توان انتقالی هر خط و ولتاژ باس­ها در نظر گرفته می­ شود [۷].
مسئله مشارکت واحدها با قید امنیتی یک مسئله غیرخطی و غیرمحدب است که متغیرهای آن بصورت صفر و یک می­باشند. تعداد این متغیرها وابسته به اندازه مسئله است که هر چه ابعاد مسئله بزرگتر شود تعداد متغیرهای آن نیز افزایش می­یابد [۸].
تعیین میزان رزروها می ­تواند بصورت قطعی^[۱]، احتمالاتی^[۲] و یا ترکیب این دو^[۳] صورت پذیرد. در روش قطعی تابع هدف تنها شامل هزینه‏ های موجود سیستم بدون درنظر گرفتن هزینه سیستم بعد از وقوع حادثه‏های محتملِ گوناگون است ولی در حالت احتمالاتی هزینه آینده سیستم (بعد از وقوع حادثه‏های محتمل^[۴] مختلف) باتوجه به احتمال وقوع این وقایع در تابع هدف برنامه بکارگیری واحدها لحاظ می­ شود.
بدلیل نگرانی از کاهش منابع سوخت­های فسیلی و همچنین گرانی روزافزون این منابع، متخصصین صنعت برق به فکر استفاده از منابع تجدیدپذیر و رایگان موجود در طبیعت افتادند. از طرف دیگر بحران­های محیط زیستی فکر استفاده از انرژی­های نو را گسترش داده است. از میان منابع پاک جایگزین سوخت­های فسیلی، انرژی باد دارای بیشترین پتانسیل برای تولید الکتریسیته می­باشد. لذا کشورهای صنعتی به فکر گسترش تولید الکتریسیته از طریق ایجاد مزرعه بادی افتاده­اند. یکی از مشکلات بهره ­برداری در هنگام استفاده از انرژی باد که موجب نگرانی می­ شود، عدم قطعیت تولید ژنراتورهای بادی می­باشد. این امر از ماهیت احتمالی وزش باد ناشی می­ شود. میزان تولید یک ژنراتور بادی کاملاً به شرایط باد در همان زمان وابسته است. اگر چه با اعمال برنامه ­های پیش ­بینی تولید نیروگاه­های بادی می­توان میزان تولید ژنراتورهای بادی را برای روز بعد تقریب زد. اما این پیش ­بینی­ها با بهره گرفتن از بهترین روش­ها هم، بسته به افق زمانی مورد مطالعه می ­تواند تا ۵۰ درصد با خطا همراه باشد. همانطور که بیان شد گسترش بهره­ گیری از انرژی باد برای تولید الکتریسیته در شبکه قدرت، عدم قطعیت تولید سیستم را بالا برده و در نتیجه ریسک سیستم افزایش یافته و قابلیت اطمینان آن کاهش می­یابد [۹].
یکی از مسائل حائز اهمیت در بهره ­برداری اقتصادی و طراحی بهینه سیستم­های قدرت، پیش ­بینی بار سیستم است. در این میان پیش ­بینی کوتاه­مدت از اهمیت ویژه­ای برخوردار است. یکی از کاربردهای پیش ­بینی کوتاه مدت بار در برنامه مشارکت واحدها می باشد. از آنجایی که دقت در پیش ­بینی بار روی هزینه تاثیر مستقیم دارد و با توجه به امکان وجود خطا در پیش ­بینی بار، برنامه­ریز سیستم باید الگوی تولید را به نحوی تعیین نماید که علاوه بر تامین بار مصرفی، رزروها نیز تامین گردد. به این ترتیب خطای پیش ­بینی بار و همچنین خروج واحد تولید یا خط جبران شود [۹]-[۱۳]. [۹]،[۱۰]،[۱۱]،[۱۲]و[۱۳]
در ادامه رئوس مطالب و ساختار فصول این پایان نامه معرفی می­ شود.
در فصل دوم، مسائل مربوط به انجام بهینه­سازی برای حل مسئله بکارگیری واحدها با رعایت قیود امنیتی^[۵] و پخشِ بار اقتصادی با رعایت قیود امنیتی^[۶] در سیستم‏های قدرت گسترده اعم از مشکلات و فرمولاسیون مربوطه مورد بررسی قرار می­گیرند. مشکل اصلی در سیستم‏های قدرت بزرگ زیاد بودن تعداد متغیرهای بهینه­سازی و قیود مسئله است. تعداد این متغیرها و قیود با افزایش اندازه شبکه شدیداً افزایش می­یابد. افزایش تعداد حادثه‏های محتمل که باید درنظر گرفته شوند نیز منجر به افزایش تعداد متغیرها و قیود مسئله می­ شود. هرچه شبکه به نقاط مرزی خود نزدیکتر باشد تعداد حوادث محتملی که به عنوان خروجی برنامه انتخاب حوادث محتمل^[۷] ، منجر به فعال شدن قیود جدید می‏شوند افزایش می­یابد. مطالب این فصل برای بکارگیری در سیستم‏های قدرت گسترده که در نزدیکی نقاط مرزی پایداری خود بهره ­برداری می­شوند مناسب است. ایده اصلی در روش مورد استفاده برای مشارکت واحدها با در نظر گرفتن قیود امنیتی حذف متغیرها و قیود غیرضروری می­باشد. در گام بعد در لحاظ کردن قیود، از فرمولاسیونی استفاده می­ شود که با درنظر گرفتن تعداد کمتری از آنها بتوان جواب بهینه را یافت. الگوریتم استفاده شده بصورت همزمان هر دو اقدام پیشگیرانه^[۸] و اصلاحی^[۹] را در یک بازار پیوسته انرژی و رزرو^[۱۰] درنظر می­گیرد. در بهینه­سازی مورد استفاده رزروهای بالارونده و پائین­رونده^[۱۱] و در دو سمت تولید و مصرف درنظر گرفته شده ­اند. روش بهینه­سازی ترکیبی با اعداد صحیح و حقیقی در حالت خطی شده^[۱۲] به عنوان ماشین بهینه­سازی برای حل مسئله بهینه­سازی بکار گرفته شده است. همچنین از روش تفکیک بندرز^[۱۳] برای افزایش سرعت حل بهینه­سازی استفاده شده است. در این فصل ساختاری جدید که در آن با بهره گرفتن از فرمولاسیونی که با تعداد کمتری از قیود بتوان جواب بهینه را بدست آورد، معرفی می­ شود. در این فصل مشارکت واحدها با در نظر گرفتن قیود امنیتی (خروج واحد و خروج خط) در کوتاه مدت بدست می ­آید. در این فصل قیود فلوی عبوری از خطوط در حالت عادی و همچنین در حالتی که حوادث محتمل به وقوع می­پیوندد در نظر گرفته شده است.
در فصل سوم، به مدل کردن مزرعه بادی با در نظر گرفتن عدم قطعیت در تولید این واحدها به کمک روش ارائه شده در فصل دوم جهت کاهش تعداد قیود مسئله پرداخته می­ شود؛ در این فصل به معرفی فرمولاسیونی جدید جهت در نظر گرفتن هزینه وقوع هر سناریو در مسئله بهینه­سازی دو مرحله­ ای ارائه شده است. واحدهای بادی که با گذشت زمان و پیشرفت فن­آوری سیر نزولی هزینه احداث آن­ها ادامه دارد، روز به روز در مقایسه با واحدهای متداول تولید الکتریسیته اقتصادی­تر شده و در نتیجه قیمت پیشنهادی آن­ها کمتر از واحدهای تولید متداول می­گردد. با این وجود عدم قطعیت این واحدها باعث نگرانی می­ شود. البته بر روی روش­های پیش ­بینی تولید این واحدها کار می­ شود تا این عدم قطعیت کاهش یابد. تنها نقطه ضعف این روش تولید برق، عدم قطعیت تولید این واحدهاست. در این فصل مشارکت واحدها با در نظر گرفتن قیود امنیتی (خروج واحد و خروج خط) و عدم قطعیت تولید مزرعه بادی در کوتاه مدت بدست می ­آید. در این فصل عدم قطعیت در تولید نیروگاه­های بادی به صورت سناریو مدل شده و بنابراین با توجه به محتمل بودن تغییر در تولید این نیروگاه، هزینه این سناریوها به تابع هدف اضافه می­ شود.