توصيفگر ها :
زمان‌بندي تعميرات واحدهاي توليد , معيار قابليت اطمينان N-1 , پخش توان AC , مدل حالت دائمي فلوي گاز , رهاسازي مخروطي مرتبۀ دوم , تجزيۀ بندرز
چكيده فارسي :
سيستم قدرت يك سيستم پيچيده و به هم پيوسته است كه يكي از مهم‌ترين وظايف اين سيستم تأمين مطمئن و اقتصادي انرژي مورد نياز مصرف‌كنندگان است. به‌منظور دستيابي به اين مهم، لازم است قابليت اطمينان سيستم قدرت در سطح مطلوب حفظ شود. قابليت اطمينان سيستم قدرت از برنامۀ تعميرات تجهيزات، به‌ويژه تعميرات واحدهاي توليد متأثر مي‌شود. بنابراين برنامه‌ريزي خروج به‌موقع واحدهاي توليد از مدار، نيازمند حل مسألۀ زمان‌بندي تعميرات واحدهاي توليد در سطح سيستم و با در نظر گرفتن قيدهاي مربوط به سيستم و قابليت اطمينان است.
تجهيزات سيستم قدرت علاوه‌بر خروج‌هاي برنامه‌ريزي‌شده ممكن است در اثر حوادث اتفاقي و يا عمدي، خروج‌هاي برنامه‌ريزي‌نشده داشته‌باشند. بنابراين زمان‌بندي تعميرات واحدهاي توليد بايد به‌نحوي انجام شود كه در صورت بروز خروج‌هاي برنامه‌ريزي‌نشدۀ تجهيزات، همچنان الزامات قابليت اطمينان برآورده شود. به‌منظور حصول اطمينان از آن لازم است الزامات مربوط به توان اكتيو و راكتيو و قيدهاي قابليت اطمينان به‌صورت هم‌زمان مدنظر قرار بگيرند.
در سال‌هاي اخير، با افزايش استفاده از گاز طبيعي به‌عنوان منبع اوليۀ انرژي در شبكۀ برق، برهم‌كنش شبكه‌هاي برق و گاز افزايشي چشمگير داشته‌است؛ به‌گونه‌اي كه تصميم‌گيري در خصوص بهره‌برداري و برنامه‌ريزي هر يك از اين شبكه‌ها، بدون توجه به برهم‌كنش موجود ممكن است به پاسخ‌هاي غيربهينه (و يا حتي نشدني) منجر شود. استفاده از اين پاسخ‌هاي غيربهينه مي‌تواند هزينۀ بيشتر به سيستم تحميل كند و يا حتي قابليت اطمينان غيرقابل قبول شود. به‌همين دليل لازم است كه مسألۀ زمان‌بندي تعميرات واحدهاي توليد، با در نظر گرفتن برهم‌كنش شبكه‌هاي برق و گاز حل شود.
در اين پايان‌نامه، با در نظر گرفتن معيار قابليت اطمينان N-1 براي واحدهاي توليد و تجهيزات انتقال، مسألۀ زمان‌بندي تعميرات واحدهاي توليد با در نظر گرفتن شبكۀ گاز طبيعي و با هدف كاهش هزينه‌هاي توليد و تعميرات در افق زماني ميان‌مدت مدل‌سازي و حل مي‌شود. به‌منظور برآورده‌كردن الزامات بهره‌برداري در شبكۀ برق و گاز به‌ترتيب از معادلات پخش توان AC و مدل حالت دائمي فلوي گاز استفاده مي‌شود. چالش نخست مسألۀ توصيف‌شده، استفاده از معادلات پخش توان AC در مدل‌سازي بهره‌برداري از شبكۀ برق و مدل حالت دائمي فلو گاز در مدل‌سازي بهره‌برداري از شبكۀ گاز طبيعي است كه موجب غيرخطي و غيرمحدب شدن مسأله مي‌شود. ابعاد بزرگ مسأله چالش دوم است كه ناشي از وجود متغيرهاي باينري و در نظر گرفتن معيار قابليت اطمينان N-1 است. به‌منظور غلبه‌بر چالش اول و دستيابي به پاسخ بهينۀ سراسري و يا نزديك به بهينۀ سراسري، از رهاسازي مخروطي مرتبۀ دوم استفاده مي‌شود. براي غلبه‌بر ابعاد بزرگ مسأله از الگوريتم تجزيۀ بندرز استفاده مي‌شود. به‌كمك تجزيۀ بندرز، مسألۀ يكپارچه به يك مسألۀ اصلي و چندين زيرمسأله تجزيه مي‌شود. مسألۀ اصلي شامل تمام متغيرهاي باينري و محدوديت‌هاي مربوط به آن‌ها و همچنين برخي متغيرهاي پيوسته مانند توليد واحدهاي توليد و توليد چاه‌هاي گاز و محدوديت‌هاي آن‌ها است؛ اما محدوديت‌هاي مربوط به شبكه‌ها را شامل نمي‌شود. زيرمسأله‌ها به بررسي امكان‌پذيري پاسخ حاصل‌شده از مسألۀ اصلي از ديدگاه شبكه‌ها مي‌پردازند و از طريق برش‌هاي بندرز اطلاعاتي را به مسألۀ اصلي اضافه مي‌كنند.
مطالعه‌هاي مختلف، با هدف پي‌بردن به تأثير مدل‌سازي معادلات پخش توان AC، تأثير در نظر گرفتن معيار قابليت اطمينان N-1 و تأثير در نظر گرفتن معادلات شبكۀ گاز طبيعي در مسألۀ زمان‌بندي تعميرات واحدهاي توليد انجام مي‌شود. مطالعه‌ها بر روي شبكه‌هاي قدرت اصلاح‌شدۀ سه باس متصل به شبكۀ گاز طبيعي چهار گره (مقياس كوچك)، 24 باس IEEE متصل به شبكۀ گاز طبيعي 20 گره (مقياس متوسط) و 118 باس IEEE متصل به شبكۀ گاز طبيعي 48 گره (مقياس بزرگ) انجام مي‌شود. مطالعه‌ها در نرم‌افزار GAMS پياده‌سازي مي‌شوند. نتايج به‌دست آمده نشان‌دهندۀ توانمندي روش پيشنهادي براي حل مؤثر مسألۀ زمان‌بندي تعميرات واحدهاي توليد است.
چكيده انگليسي :
The power system is a complex and interconnected system, with one of its most crucial tasks being the reliable and cost-effective supply of energy to consumers. To achieve this goal, it is essential to maintain the power systems reliability at an optimal level. The reliability of the power system is significantly influenced by the equipment maintenance, particularly for generation units. The timely removal of generation units from operation necessitates addressing the generation maintenance scheduling problem at a system-wide level while considering system constraints and reliability requirements.
In addition to planned outages, power system equipment may also experience unplanned outages due to accidental or intentional incidents. Therefore, the generation maintenance scheduling must be performed in such a way that reliability requirements are still fulfilled in the event of unplanned equipment outages. This necessitates considering the requirements for active and reactive power, as well as reliability constraints, simultaneously.
In recent years, the interaction between power and natural gas systems has increased significantly. Consequently, decisions regarding the operation and planning of the power system, without accounting for the mentioned dependency, may yield suboptimal (and even infeasible) outcomes. Hence, it is crucial to solve the generation maintenance scheduling problem while considering the interaction between electricity and gas systems.
This thesis addresses the generation maintenance scheduling problem by incorporating the N-1 reliability criterion for generation units and transmission equipment. The problem objective is to reduce the generation and maintenance costs in the medium-term perspective. Moreover, the natural gas system impacts are modeled and taken into account. To meet the operational requirements of the power and natural gas systems, AC power flow equations and the steady-state natural gas flow model are employed, respectively. The problem at hand presents two major challenges. The first challenge lies in the utilization of AC power flow equations in the power system operation model and the steady-state natural gas flow model in the natural gas system operation model, which render the problem non-linear and non-convex. Another significant challenge stems from the large dimensions of the problem due to binary variables and the consideration of the N-1 reliability criterion. To address the first challenge and achieve a global optimal or near-optimal solution, a second-order conic relaxation approach is employed. Meanwhile, the Benders decomposition algorithm is utilized to overcome the scalability issue. By applying Benders decomposition, the integrated problem is decomposed into a master problem and several sub-problems. The master problem encompasses all binary variables and their associated constraints, as well as some continuous variables such as generation units and natural gas well outputs and their constraints. However, it does not incorporate the networks constraints. The sub-problems examine the feasibility of solutions obtained from the master problem from the networks perspective and provide additional information to the master problem through Benders cuts.
Various studies are conducted to investigate the impact of considering AC power flow equations, the N-1 reliability criterion, and the natural gas system equations in the generation maintenance scheduling problem. These studies are carried out on modified networks, including a 3-bus power system connected to a 4-node natural gas system (small scale), the IEEE 24-bus power system connected to a 20-node natural gas system (medium scale), and the IEEE 118-bus power system connected to a 48-node natural gas system (large scale). The implementation of these studies is performed using GAMS software. The numerical results demonstrate the effectiveness of the proposed approach in solving the generation maintenance scheduling problem.
