Stochastic Planning of Resilience Enhancement for Electric Power Distribution Systems against Extreme Dust Storms
Subject Areas : electrical and computer engineeringM. Haghshenas 1 , R. Hooshmand 2 * , M. Gholipour 3
1 - UNIVERSITY OF ISFAHAN
2 -
3 -
Keywords: Power distribution system resilience, blackout, insulation failure, extreme dust storms, network reconfiguration, emergency generators,
Abstract :
Resilience in power systems refers to the system's ability to withstand severe disturbances with a low probability of occurrence. Because in recent years extreme dust storms have caused severe damage to Iran's electricity industry, especially in the south and southwest, in this paper proposed a new scenario-based stochastic planning model for enhancement of power distribution systems resilience against extreme dust storms. In proposed model, in the first stage, the investment costs to improve the distribution system resilience against extreme dust storms are minimized due to the financial constraints, and in the second stage, the expected operating costs in dust storm conditions are minimized due to the operating constraints. Because network's insulation equipment are major cause of distribution system vulnerabilities in the dust storms, measures in the planning stage include replacement of porcelain insulators with silicon-rubber type, installation of automatic tie switches and installation of emergency generators. In the second stage, the measures are divided into preventive actions and corrective actions, and coordination between stages 1 and 2 is implemented in such a way that the results of each stage depend on the decision variables of the other stage. The simulation results for IEEE 33-bus test system and a 209 bus radial distribution network located in Khuzestan province, Iran, confirm the efficiency of the proposed model in different financial conditions.
[1] A. Gholami, F. Aminifar, and M. Shahidehpour, "Front lines against the darkness: enhancing the resilience of the electricity grid through microgrid facilities," IEEE Electrification Magazine, vol. 4, no. 1, pp. 18-24, Mar. 2016.
[2] NERC, "Hurricane sandy event analysis report," Jan. 2014.
[3] کمیسیون انرژی مجلس شورای اسلامی، گزارش بحران قطعیهای آب، برق و مخابرات در بهمنماه 1395 استان خوزستان، شماره 99896، اسفند 1395.
[4] ف. امینی¬فر و م. فرهومندی، ” مفاهيم و مباني ارزيابي تاب¬آوری¬ در شبکه¬های برق،“ مجله انجمن مهندسي برق و الکترونيک ايران، سال 15، شماره 3، صص. 91-83، پاییز 1397.
[5] N. M. Tabatabaie, S. Najafi, and N. Bizon, "Power systems resilience: modeling, analysis and practice," Springer, 2019.
[6] M. Mahzarnia, M. P. Moghaddam, P. Teimourzadeh, and P. Siano, "A review of the measures to enhance power systems resilience," IEEE Systems J., vol. 14, no. 3, pp. 4059-4070, Sept. 2020.
[7] A. Arab, A. Khodaei, S. K. Khator, K. Ding, V. A. Emesih, and Z. Han, "Stochastic pre-hurricane restoration planning for electric power systems infrastructure," IEEE Trans. Smart Grid, vol. 6, no. 2, pp. 1046-1054, Mar. 2015.
[8] A. Arif, Z. Wang, J. Wang, and C. Chen, "Power distribution system outage management with co-optimization of repairs, reconfiguration, and DG dispatch," IEEE Trans. Smart Grid, vol. 9, no. 5, pp. 4109-4118, Sep. 2017.
[9] X. Wu and A. J. Conejo, "An efficient tri-level optimization model for electric grid defense planning," IEEE Trans. Power Syst., vol. 32, no. 4, pp. 2984-2994, Jul. 2016.
[10] X. Wang, Z. Li, M. Shahidehpour, and C. Jiang, "Robust line hardening strategies for improving the resilience of distribution systems with variable renewable resources," IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 10, no. 1, pp. 386-395, Jan. 2017.
[11] Y. Lin and Z. Bie, "Tri-level optimal hardening plan for a resilient distribution system considering reconfiguration and DG islanding," Appl. Energy, vol. 210, pp. 1266-1279, Jan. 2018.
[12] W. Yuan, et al., "Robust optimization-based resilient distribution network planning against natural disasters," IEEE Trans. Smart Grid, vol. 7, no. 6, pp. 2817-2826, Nov. 2016.
[13] G. Huang, J. Wang, C. Chen, J. Qi, and C. Guo, "Integration of preventive and emergency responses for power grid resilience enhancement," IEEE Trans. Power Syst., vol. 32, no. 6, pp. 4451-4463, Nov. 2017.
[14] E. Yamangil, R. Bent, and S. Backhaus, "Resilient upgrade of electrical distribution grids," in Proc. 29th Conf. on Artificial Intelligence, pp. 1233-1240, Austin, TX, USA, 25-30 Jan. 2015.
[15] Q. Shi, F. Li, et al., "Post-extreme-event restoration using linear topological constraints and DER scheduling to enhance distribution system resilience," International J. of Electrical Power & Energy Systems, vol. 131, Article ID: 107029, 9 pp., Oct. 2021.
[16] B. Taheri, A. Safdarian, M. Moeini-Aghtaie, and M. Lehtonen, "Distribution system resilience enhancement via mobile emergency generators," IEEE Trans. Power Deliv., vol. 36, no. 4, pp. 2308-2319, Aug. 2021.
[17] J. Najafi, A. Peiravi, A. Anvari-Moghaddam, and J. M. Guerrero, "Resilience improvement planning of power-water distribution systems with multiple microgrids against hurricanes using clean strategies," J. of Cleaner Production, vol. 223, no. 1, pp. 109-126, Jun. 2019.
[18] M. Ghasemi, A. Kazemi, A. Mazza, and E. Bompard, "A three-stage stochastic planning model for enhancing the resilience of distribution systems with microgrid formation strategy," IET Gen., Trans. and Dist., vol. 15, no. 13, pp. 1908-1921, Feb. 2021.
[19] J. Najafi, A. Parvini, and J. M. Guerrero, "Power distribution system improvement planning under hurricanes based on a new resilience index," Sustainable Cities and Society, vol. 39, no. 1, pp. 592-604, May. 2018.
[20] Y. P. Fang and G. Sansavini, "Optimum post-disruption restoration under uncertainty for enhancing critical infrastructure resilience," Reliability Engineering and System Safety, vol. 185, no. 1, pp. 1-11, May. 2019.
[21] S. Ma, L. Su, Z. Wang, F. Qiu, and G. Guo, "Resilience enhancement of distribution grids against extreme weather events," IEEE Trans. Power Syst., vol. 33, no. 5, pp. 4842-4853, Sept. 2018.
[22] S. Ma, S. Li, Z. Wang, and F. Qiu, "Resilience-oriented design of distribution systems," IEEE Trans. Power Syst., vol. 34, no. 4, pp. 2880-2891, Jul. 2019.
[23] A. Rashki, N. J. Middleton, and A. S. Goudie, "Dust storms in Iran-Distribution, causes, frequencies and impacts," Aeolian Research, vol. 48, Article ID: 100655, 17 pp., Jan. 2021.
[24] IEC/TS60815-1 "Selection and dimensioning of high-voltage insulators intended for use in polluted conditions-Part 1: Definitions, information and general principles," 2008.
[25] پژوهشگاه نیرو، سند راهبردي و نقشه راه توسعه فناوريهاي نوين تجهيزات فشارقوي و عايقها در مناطق با اقليم خاص، 1392.
[26] M. R. Shariati, A. R. Moradian, M. Rezaei, and S. J. A. Vaseai, "Providing the pollution map in south west provinces of Iran based on DDG method," in Proc. IEEE/PES Trans. Dist. Conf.: Asia and Pacific, 5 pp., Dalian, China, 18-18 Aug. 2005.
[27] M. Haghshenas, R. A. Hooshmand, and M. Gholipour, "Power distribution system resilience enhancement planning against extreme dust storms via pre-and post-event actions considering uncertainties," Sustainable Cities and Society, vol. 78, Article ID: 103626, 19 pp., Mar. 2022.
[28] Iran-Insulator Co. Retrieved from: https://iraninsulator.com/en/36-kv-pin-insulator-code0309/
[29] BSA Co. Retrieved from: http://www.baspar-sazeh.com/ index.php/en/products/silicone-insulators/pine-type-insulator/155-pine-type-p-1270-9.Iran-Insulator
[30] Y. Xu, Z. Y. Dong, R. Zhang, and D. J. Hill, "Multi-timescale coordinated voltage/var control of high renewable-penetrated distribution systems," IEEE Trans. Power Syst., vol. 32, no. 6, pp. 1498-4408, Nov. 2017.
[31] J. Li, X. Ma, C. Liu, and K. P. Schneider, "Distribution system restoration with microgrids using spanning tree search," IEEE Trans. Power Syst., vol. 29, no. 6, pp. 3021-3029, Nov. 2019.
[32] ب. صمديار، ع. محب¬الحجه و ا. طهماسبي پاشا، ”بررسي آماري- ديناميكي توفان¬هاي همرفتي قوي در اهواز،“ مجله ژئوفيزيك ایران، جلد 15، شماره 2، صص. 17-1، تابستان ١٤٠٠.
[33] R. E. Brown, Electric Power Distribution Reliability, CRC Press, 2008.
108 نشریه مهندسی برق و مهندسی كامپیوتر ایران، الف- مهندسی برق، سال 20، شماره 2، تابستان 1401
مقاله پژوهشی
برنامهریزی تصادفی بهبود تابآوری سیستمهای توزیع
انرژی الکتریکی در مقابل طوفانهای گرد و غبار شدید
مرتضی حقشناس، رحمتالله هوشمند و مهدی قلیپور
چكیده: ویژگی تابآوری در سیستمهای قدرت به قابلیتهای سیستم در مقابله با اغتشاشات شدید با احتمال رخداد کم اشاره دارد. از آنجا که در چند سال اخیر ریزگردها و طوفانهای گرد و غبار خسارتهای سنگینی را به صنعت برق کشور تحمیل کرده است، در این مقاله یک مدل برنامهریزی دوسطحی برای بهبود تابآوری سیستمهای توزیع انرژی در مقابل این پدیده پیشنهاد شده است. در سطح اول مدل پیشنهادی، هزینههای سرمایهگذاری برای بهبود
تابآوری سیستم توزیع در مقابل طوفانهای گرد و غبار و در سطح دوم آن، هزینههای مورد انتظار بهرهبرداری از سیستم توزیع در چارچوب محدودیتهای مالی و عملیاتی سیستم حداقل میگردند. با توجه به کاهش استقامت عایقی تجهیزات شبکه توزیع در شرایط طوفان گرد و غبار، اقدامات پیشنهادی در حوزه برنامهریزی شامل تقویت خطوط توزیع با مقرههای سیلیکونی، تعیین محل کلیدهای جداکننده در شبکه توزیع و بکارگیری ژنراتورهای اضطراری میباشد. در مدل پیشنهادی، اقدامات حوزه بهرهبرداری به دو دسته اقدامات پیشگیرانه و اصلاحی تفکیک شده و تعامل بین سطوح برنامهریزی به گونهای پیادهسازی شده است که نتایج هر سطح به متغیرهای تصمیم و محدودیتهای سطح مقابل وابسته است. نتایج شبیهسازی و مطالعات عددی بر روی شبکه 33 باسه IEEE و یک فیدر فشار متوسط شعاعی با 209 گره واقع در استان خوزستان کارایی روش پیشنهادی را در مقادیر مختلف بودجه تایید کرده است.
کلیدواژه: تابآوری سیستم توزیع انرژی، خاموشی گسترده، شکست عایقی، طوفان گرد و غبار، بازآرایی شبکه، ژنراتورهای اضطراری.
فهرست علایم و نشانهها
مجموعهها و اندیسها
: مجموعه سناریوهای هدف با اندیس 
: مجموعه کل باسهای شبکه با اندیس 
: مجموعه باسهای مجهزشده به ژنراتور با اندیس
: مجموعه باسهای بار با اندیس
: مجموعه باسهای پست با اندیس
: مجموعه کل خطوط شبکه با اندیس
: مجموعه خطوط مجهزشده به کلید با اندیس 
: مجموعه بازههای زمانی بهرهبرداری اضطراری با اندیس 
: مجموعه بازههای زمانی بهرهبرداری پیشگیرانه با اندیس
متغیرها
: مجموع سرمایهگذاری سالانه برای تعویض مقرهها
: مجموع سرمایهگذاری سالانه برای نصب کلید اتوماتیک
: مجموع سرمایهگذاری سالانه برای ژنراتور اضطراری
: مجموع هزینههای بهرهبرداری مورد انتظار در سناریو
: هزینه تعمیرات و شستشوی خط 
در سناریو
: توان اکتیو/ راکتیو انتقالی از باس به 
در ساعت از بازه بهرهبرداری پیشگیرانه در سناریو (پریونیت)
: توان اکتیو/ راکتیو تولیدی ژنراتور در ساعت از بازه بهرهبرداری پیشگیرانه در سناریو (پریونیت)
: دامنه ولتاژ باس در ساعت از بازه بهرهبرداری پیشگیرانه در سناریو (پریونیت)
: توان اکتیو/ راکتیو دریافتی از پست در ساعت از سناریو (پریونیت)
: توان اکتیو/ راکتیو انتقالی از باس به در ساعت از بازه بهرهبرداری اضطراری در سناریو (پریونیت)
: توان اکتیو/ راکتیو تولیدی ژنراتور در ساعت از بازه بهرهبرداری اضطراری در سناریو (پریونیت)
: دامنه ولتاژ باس در ساعت از بازه بهرهبرداری اضطراری در سناریو (پریونیت)
: هزینه تعویض یک مقره آسیبدیده در خط در سناریو
متغیرهای باینری
: متغیر باینری تعیینکننده تقویت خط با مقره سیلیکونی
: متغیر باینری تعیینکننده نصب کلید اتوماتیک جدید در خط
: متغیر باینری تعیینکننده وجود کلید (از قبل یا جدید) در خط
: متغیر باینری تعیینکننده نصب ژنراتور جدید در باس
: متغیر باینری تعیینکننده وجود ژنراتور (از قبل یا جدید) در باس
: متغیر باینری تعیینکننده باز (0) یا بسته (1) بودن کلید خط در ساعت از بازه بهرهبرداری پیشگیرانه در سناریو
: متغیر تعیینکننده وجود (1) یا عدم وجود (0) خط 
در درخت فراگیر در ساعت بازه بهرهبرداری پیشگیرانه در سناریو
: متغیر باینری تعیینکننده باز (0) یا بسته (1) بودن کلید خط در ساعت از بازه بهرهبرداری اضطراری در سناریو
: متغیر تعیینکننده وجود (1) یا عدم وجود (0) خط در درخت فراگیر در ساعت بازه بهرهبرداری اضطراری در سناریو
: متغیر باینری تعیینکننده روشن (1) یا خاموش (0) بودن ژنراتور در ساعت از بازه بهرهبرداری اضطراری در سناریو
پارامترها
: هزینه سالانه نصب یک مقره سیلیکونی در خط
: هزینه سالانه نصب یک کلید اتوماتیک در خط
: هزینه سالانه نصب یک ژنراتور اضطراری در باس
: تعداد کل مقرههای خط
: تعداد مقرههای آسیبدیده خط در سناریو
: ضریب بازیافت هزینه نصب یک مقره سیلیکونی/ یک کلید اتوماتیک/ یک ژنراتور اضطراری در شبکه
: تعداد روزهای گرد و غباری در سال
: احتمال رخداد سناریو از مجموعه سناریوهای هدف
: ضریب اهمیت بار در باس شبکه
: هزینه حذف بار در باس شبکه
: هزینه یک ساعت شستشوی مقرههای خط در سناریو
: بازه زمانی که وضعیت سیستم یک بار در آن محاسبه میشود.
: توان اکتیو/ راکتیو بار باس در ساعت از سناریو
: حداکثر توان اکتیو/ راکتیو انقالی توسط خط
: حداکثر توان اکتیو/ راکتیو تولیدی ژنراتور
: حداکثر توان اکتیو/ راکتیو دریافتی از پست شبکه
: حداکثر/ حداقل دامنه ولتاژ مجاز در باس شبکه
: نرخ افزایش/ کاهش توان خروجی ژنراتور
: مقاومت/ راکتانس خط بر حسب پریونیت
: اندازه ولتاژ مرجع سیستم بر حسب پریونیت
: پارامتر باینری بیانکننده وجود (1) یا عدم وجود (0) ژنراتور در باس / کلید اتوماتیک در خط قبل از برنامهریزی
: پارامتر باینری نشاندهنده آسیب (1) یا عدم آسیب (0) خط ij با مقرههای سرامیکی/ سیلیکونی در ساعت t از سناریو s
: پارامتر باینری نشاندهنده وضعیت آسیب (1) یا عدم آسیب (0) خط در ساعت سناریو
: زمان وقوع اولین تخلیه الکتریکی در خط با مقرههای سرامیکی/ سیلیکونی در سناریو
: زمان مورد نیاز برای تعمیر خط در سناریو
1- مقدمه
در سالهای اخیر، تغییرات ایجادشده در شرایط اقلیمی منجر به افزایش شدت و نرخ وقوع حوادث طبیعی گردیده است. تابستانهای بسیار گرم
و طولانی، زمستانهای سرد همراه با یخبندانهای شدید، سیلهای ویرانگر، پدیده فاجعهبار ریزگردها و طوفانهای گرد و غبار شدید از جمله رخدادهای طبیعی هستند که امروزه وقوع آنها در اقصی نقاط جهان دور از ذهن نیست. این وقایع که از آنها تحت عنوان حوادث با احتمال کم و اثر زیاد یاد میشود میتوانند اثرات مخربی بر عملکرد زیرساختهای اساسی یک کشور به ویژه سیستمهای انتقال و توزیع انرژی داشته باشند [1].
این حوادث که معمولاً به ندرت اتفاق میافتند یا تا کنون هرگز تجربه نشدهاند، محدوده جغرافیایی وسیعی را در بر گرفته و تجهیزات متعددی را به صورت همزمان تحت تأثیر قرار میدهند، به طوری که فرایند بازیابی سیستم به شرایط اولیه بسیار پیچیده و طولانی میگردد.
از جمله حوادث طبیعی اثرگذار بر شبکههای زیرساختی که تا کنون در جهان رخ داده است میتوان به تندباد سندی2 در سال 2012 اشاره نمود که در آن آسیبدیدن بیش از 1000 تیرک و 900 ترانسفرماتور توزیع منجر به خاموشی بیش از 8 میلیون مشترک برق در واشنگتن و 15 ایالت دیگر آمریکا شد [2]. در کشور ایران، سیلهای جاریشده در ابتدای سال 1398 با آسیب جدی به شبکههای توزیع برق، علاوه بر تعدادی از شهرهای بزرگ، 2352 روستا را در استانهای شمالی و غربی کشور برای چند روز با قطعی برق مواجه کرد. در بهمنماه سال 1395، خارجشدن تعداد زیادی از پستها و خطوط شبکه در استان خوزستان به علت طوفان گرد و غبار شدید و رطوبت بالای هوا، بیش از 90% مشترکان در 11 شهر این استان را بیبرق کرد [3] و [4]. این در حالی است که در طراحی و بهرهبرداری از این سیستمها، کلیه معیارهای قابلیت اطمینان از جمله کفایت و امنیت در نظر گرفته شده است. از این رو افزایش نرخ وقوع این خاموشیها در سالهای اخیر نشان میدهد که علاوه بر حوادث با احتمال مشخص، باید رفتار سیستم قدرت به عنوان حیاتیترین زیرساخت کشور در شرایط وقوع حوادث با احتمال کم نیز مورد ارزیابی قرار گیرد و تمهیدات لازم جهت رفع کاستیها اندیشیده شود. این رفتار که از آن تحت عنوان تابآوری یاد میشود، میزان استقامت، آسیبپذیری و برگشتپذیری یک سیستم را در برابر حوادث شدید نشان میدهد و باید به عنوان یک ضرورت در طراحی و بهرهبرداری از سیستمهای قدرت مورد توجه قرار گیرد [4] و [5].
در حالت کلی، اقداماتی که در راستای بهبود تابآوری سیستمهای توزیع انرژی انجام میگیرد، به دو حوزه برنامهریزی و بهرهبرداری قابل تفکیک است [6]. اقدامات حوزه بهرهبرداری، معمولاً شامل اقدامات پیشگیرانه [7] و اقدامات مربوط به بازیابی سیستم پس از حوادث شدید است [8]. این در حالی است که اقدامات برنامهریزی عمدتاً بر مدیریت سرمایهها و نحوه توزیع آن تمرکز دارند [9] تا [22]. در این راستا، تکنیکهای مدلسازی و حل مسایل برنامهریزی بهبود تابآوری به دو دسته برنامهریزی مقاوم و برنامهریزی تصادفی تفکیک میشوند. در رویکرد برنامهریزی مقاوم، اقدامات صورتگرفته برای مقابله با بدترین شرایط ناشی از وقوع حادثه انجام خواهد گرفت [9] تا [13]. از این رو، این رویکرد میتواند منجر به هزینههای سرمایهگذاری نسبتاً زیاد و در برخی موارد غیر ضروری گردد. در [9]، یک مدل برنامهریزی مقاوم مبتنی بر مفاهیم روش مدافع- مهاجم- مدافع برای بهبود تابآوری شبکه توزیع ارائه شده است. در این مدل، برنامهریز سیستم در سطح اول اقدام به تقویت خطوط توزیع کرده است، در سطح دوم خطوطی که در حادثه آسیب دیدهاند مشخص شده و در سطح سوم، بهرهبردار سیستم، برخی اقدامات اصلاحی را با هدف کاهش هزینههای حذف بار در شبکه اجرا میکند. در [10] به برنامهریزی تقویت شبکه توزیع با هدف افزایش تابآوری در مقابل آسیب تعدادی از خطوط پرداخته شده است. در این مسأله، در سطح اول خطوطی که باید تقویت شوند مشخص شده و در سطح دوم هزینههای حذف بار با توجه به نتایج سطح اول حداقل میگردد. در [11] از قابلیت بازآرایی شبکه برای ارتقای تابآوری سیستم توزیع استفاده شده است. در این مدل که به صورت سهسطحی پیادهسازی گردیده است، اقدامات در سطح اول تنها شامل تقویت خطوط شبکه میشود. در سطح دوم، وضعیت آسیب خطوط شبکه تعیین میشود و سطح سوم به اقدامات بهرهبرداری اختصاص یافته است. در [12] یک روش برنامهریزی مقاوم مشابه [9] ارائه شده است؛ با این تفاوت که علاوه بر تقویت شبکه، از ژنراتورهای اضطراری نیز برای کاهش هزینههای حذف بار استفاده شده و اقدامات حوزه بهرهبرداری شامل بازآرایی شبکه نمیشود. در [13]، اقدامات حوزه بهرهبرداری به دو دسته اقدامات پیشگیرانه و اصلاحی تقسیم گردیده و نشان داده شده که ایجاد هماهنگی بین این اقدامات میتواند در نتایج برنامهریزی سیستم توزیع نقش داشته باشد.
در روشهای مبتنی بر برنامهریزی تصادفی، حادثه و عواقب ناشی از آن به صورت پدیدههای احتمالی مدل شده و کلیه تصمیمگیریها بر پایه سناریوهای احتمالاتی و توابع توزیع احتمال استوار است [14] تا [22]. چارچوب برنامهریزی تصادفی مبتنی بر سناریو، یک بستر مناسب برای مدلسازی عدم قطعیتها در فرایند برنامهریزی است و با در نظر گرفتن احتمال رخداد حوادث میتواند از هزینههای سرمایهگذاری غیر ضروری در سیستم جلوگیری کند. در [14] یک مدل برنامهریزی تصادفی مبتنی بر سناریو برای بهبود تابآوری سیستمهای توزیع ارائه شده که در آن، اثر خرابی تجهیزات تقویتشده لحاظ گردیده است، ولی ارتباط بین تصمیمات تقویت خطوط شبکه و سایر متغیرهای مسأله نامشخص است. در [15] یک مدل برنامهریزی تصادفی جهت ارتقای تابآوری سیستم توزیع ارائه گردیده و نشان داده شده که با تعیین مکان بهینه تجهیزات پشتیبان در سیستم توزیع میتوان به طور قابل ملاحظهای هزینههای حذف بار را کاهش داد. در [16]، یک مدل برنامهریزی دوسطحی برای تعیین مکان ژنراتورهای اضطراری و کلیدهای جداکننده پیشنهاد گردیده و نشان داده شد که این تجهیزات تأثیر بسزایی در کاهش میزان حذف بار و هزینههای بهرهبرداری اضطراری دارند. این در حالی است که در [15] و [16] از تقویت خطوط توزیع در مقابل حوادث شدید، چشمپوشی شده است. در [17]، یک چارچوب برنامهریزی تصادفی برای بهبود تابآوری سیستم توزیع ارائه شده که در آن هدف، کاهش هزینههای سرمایهگذاری و هزینههای مربوط به خاموشی در شرایط پس از طوفان است. در [18]، یک مدل برنامهریزی سهسطحی ارائه شده که در سطح اول هزینههای سرمایهگذاری برای تابآوری سیستم، در سطح دوم کلیدزنیها برای بازآرایی شبکه و در سطح سوم هزینههای حذف بار در سیستم توزیع حداقل میگردد. در [18] هیچ محدودیتی در سرمایهگذاری برای تابآوری سیستم توزیع در نظر گرفته نشده است. در [19]، یک مدل تصادفی برای ارتقای تابآوری سیستم توزیع در مقابل طوفان ارائه شده که در آن، وضعیت آسیب تجهیزات از مقایسه احتمال خرابی آنها با یک عدد تصادفی یکنواخت تعیین میگردد. در [20]، یک مدل تصادفی دوسطحی برای بازیابی سیستم توزیع پس از حوادث شدید ارائه گردیده که در آن عدم قطعیت در زمان تعمیرات خطوط نیز لحاظ شده است. در [21] یک مدل تصادفی دوسطحی ارائه شده که در سطوح اول و دوم آن به ترتیب هزینههای سرمایهگذاری و هزینههای مورد انتظار بهرهبرداری از سیستم توزیع در مقابل تندباد حداقل میگردد. در این مدل با ایجاد تعامل بین نتایج تقویت شبکه با اقدامات اصلاحی در حوزه بهرهبرداری، بسیاری از ایرادات [14] از جمله عدم قطعیت در خرابی خطوط برطرف شده است. در [22] برنامهریزی بهبود تابآوری شبکه توزیع به صورت یک مسأله سهسطحی با اهداف حداقل هزینه سرمایهگذاری برای تقویت شبکه، حداکثر میزان آسیب شبکه در مقابل طوفان و حداقل هزینه حذف بار در مرحله بهرهبرداری مدلسازی و حل شده است. در [14]، [21] و [22] احتمال خرابی خطوط تقویتشده معادل درصد ثابتی از احتمال خرابی خطوط تقویتنشده در نظر گرفته شده است، در حالی که این فرض میتواند نتایجی دور از واقعیت را به همراه داشته باشد.
با توجه به قرارگرفتن ایران در همسایگی کانونهای بزرگ گرد و غبار جهان و تحمیل خسارتهای سنگین ناشی از پدیده ریزگردها در سالهای گذشته، در این مقاله یک مدل جامع مبتنی بر راهکارهای عملیاتی برای برنامهریزی بهبود تابآوری سیستم توزیع در مقابل این پدیده پیشنهاد شده است. مهمترین نوآوریهای مدل پیشنهادی عبارتند از 1) شبیهسازی اثر گرد و غبار و رطوبت بر احتمال خرابی خطوط توزیع انرژی، 2) برنامهریزی تقویت خطوط توزیع بر اساس نتایج احتمال خرابی خطوط قبل و بعد از تقویتشدن با هدف کاهش عدم قطعیت در نتایج برنامهریزی، 3) ایجاد هماهنگی بین اقدامات قبل و بعد از طوفان گرد و غبار، 4) ایجاد هماهنگی بین اقدامات پیشگیرانه و اصلاحی در حوزه بهرهبرداری از سیستم توزیع در شرایط اضطراری، 5) مدلسازی هزینههای بازیافت تجهیزات در فرایند برنامهریزی برای تقویت سیستم توزیع، 6) برنامهریزی بهبود تابآوری و تعیین اقدامات کارآمد متناسب با سطوح مختلف بودجه.
در بخش 2، نحوه تأثیر طوفانهای گرد و غبار بر عملکرد سیستمهای توزیع بیان شده و در بخشهای 3 و 4، معرفی روش پیشنهادی و مدلسازی ریاضی آن آمده است. در بخش 5، نتایج شبیهسازی مورد بحث قرار گرفته و نهایتاً نتیجهگیری مقاله در بخش 6 ارائه شده است.
2- ریزگردها و طوفانهای گرد و غبار شدید
در این مقاله منظور از طوفانهای گرد و غبار شدید، حجم عظیمی از بادرفتها در اثر جریانهای متلاطم جوی است که در آنها قطر ذرات گرد و غبار معلق در هوا بین 05/0 تا 1/0 میلیمتر بوده و قادر است میزان دید افقی را به کمتر از 1000 متر محدود نماید [23]. فرونشست ذرات گرد و غبار بر روی سطح مقرهها و تجهیزات عایقی سیستم توزیع به عنوان اولین شرط لازم برای وقوع خاموشی میتواند خاصیت عایقی مقرهها را به طور قابل ملاحظهای کاهش داده و موجبات تخلیه الکتریکی در این تجهیزات را فراهم نماید. این پدیده زمانی در سیستمهای قدرت قوت میگیرد که علاوه بر گرد و غبار ساکن بر روی سطح مقرهها، رطوبت ماندگار در هوا به حدی برسد که اصطلاحاً پدیده شبنم بر روی تجهیزات عایقی ایجاد گردد. در این شرایط لایه حاصل از ترکیب ریزگردها و قطرات شبنم بر روی سطح مقرهها شرایط را برای ایجاد جرقه و یک کانال قوس الکتریکی بر روی سطح خارجی مقره فراهم میکند. این در حالی است که احتمال شکست عایقی در اثر وجود پدیده ریزگرد در شرایط محیطی گرم و خشک و همچنین احتمال شکست عایقی در شرایط محیطی با رطوبت بالا و فاقد آلودگی بسیار ناچیز است. از این رو میتوان ادعا کرد که فاجعه، زمانی رخ خواهد داد که طوفانهای گرد و غبار خود را به مناطقی برسانند که در آنجا رطوبت ماندگار در هوا زیاد است.
از جمله روشهای متداول برای پایش و اندازهگیری میزان آلودگی مقرهها میتوان به روش اندازهگیری چگالی رسوب نمک معادل آلودگی 3(ESDD) اشاره نمود که جزئیات آن در [24] ارائه شده است. در [25] مناطق مختلف ایران از نظر سطوح آلودگی مقرههای سیستم قدرت
شکل 1: احتمال تخلیه الکتریکی در مقرههای سرامیکی و سیلیکونی در سطوح رطوبت و آلودگی مختلف [27].
شکل 2: احتمال وقوع طوفان گرد و غبار در ناحیه مورد مطالعه.
جدول 1: مشخصات مقرههای سرامیکی [28] و سیلیکونی [29].
جنس مقره (مدل) | سرامیک (مدل 0309) | سیلیکون رابر |
شرکت سازنده | شرکت مقرهسازی ایران | شرکت بسپار سازه الوند |
نوع مقره | اتکایی با پین گالوانیزه | اتکایی با فیتینگ آلومینیوم |
تعداد چترک | 3 چترک با نمایه متناوب | 9 چترک با نمایه متناوب |
فاصله خزشی | 864 میلیمتر | 1270 میلیمتر |
ولتاژ نامی | 36 کیلوولت | 36 کیلوولت |
طول مقره | 388 میلیمتر | 490 میلیمتر |
استاندارد پوششدهنده | 61952IEC | 61952IEC |
پهنهبندی شده و نتایج استخراج مقادیر ESDD در 45 ایستگاه سنجش آلودگی مقرهها در جنوب و جنوب غرب ایران در [26] منتشر شده است. در کار قبلی ما [27]، یک روش احتمالاتی برای محاسبه احتمال تخلیه الکتریکی در مقرهها بر اساس شدت آلودگی سطح مقره توسعه یافته است. در این روش که مبتنی بر شبیهسازی اجزای محدود میباشد، احتمال تشکیل مسیر جرقه از الکترود فاز تا الکترود زمین در نقاط مختلف تعیین شده و نهایتاً احتمال وقوع تخلیه الکتریکی در مقره برای سطوح مشخصی از آلودگی و رطوبت هوا تعیین میگردد. نحوه شبیهسازی اثر آلودگی ناشی از طوفان گرد و غبار و رطوبت هوا بر احتمال تخلیه الکتریکی مقرهها به همراه الگوریتم تعیین وضعیت آسیب خطوط در [27] ارائه شده است.
شکل 3: روندنمای کلی روش پیشنهادی برای برنامهریزی بهبود تابآوری.
در این مقاله دو مقره سرامیکی و سیلیکونی با مشخصات جدول 1 به عنوان مبنای مطالعات در نظر گرفته شده و با حفظ کلیت مسأله، فرض گردیده است که مشخصه آسیبپذیری کاتاوت فیوزها و بوشینگ ترانسفرماتورهای توزیع در مقابل عوامل محیطی مشابه مقرههای خطوط توزیع است. شکلهای 1 و 2 به ترتیب نتایج احتمال تخلیه الکتریکی بر حسب شدت ESDD در مقرههای سرامیکی و سیلیکونی و تابع چگالی احتمال طوفان گرد و غبار را بر اساس میزان ESDD در ایستگاههای جنوب غرب ایران در سطوح رطوبت مختلف نشان میدهند.
3- مدل برنامهریزی پیشنهادی برای بهبود
تابآوری سیستم توزیع انرژی
در این مقاله یک مدل برنامهریزی دوسطحی مبتنی بر سناریو در چارچوب روش برنامهریزی تصادفی برای بهبود تابآوری شبکههای توزیع در مقابل طوفانهای گرد و غبار ارائه شده است. همان طور که در شکل 3 آمده است، در گام اول روش پیشنهادی، احتمال تخلیه الکتریکی در مقرههای سرامیکی و سیلیکونی در سطوح رطوبت و آلودگی مختلف بر اساس [27] استخراج میگردد. در این گام، سناریوهای تصادفی به عنوان مبنای برنامهریزی برای بهبود تابآوری تولید شده و تعداد آنها به منظور کاهش حجم محاسبات کاهش مییابد. فرایند تولید و کاهش سناریو در دو مرحله انجام شده است. در مرحله اول برای هر یک از متغیرهای تصادفی بار، رطوبت هوا و آلودگی مقرهها 10000 سناریو مستقل تولید شده و سپس تعداد آنها توسط الگوریتم کاهش سناریو بازگشتی [30] به 20 سناریو کاهش داده شده است. سپس به منظور پوشش تمام حالتهای ممکن، این سناریوها ترکیب شده و 8000 بردار سناریوی حاصل مجدداً توسط الگوریتم بازگشتی به 20 بردار سناریو کاهش مییابند. به طوری که هر بردار سناریو شامل مؤلفههای تغییرات بار، تغییرات رطوبت و تغییرات آلودگی مقرهها خواهد بود. بدیهی است که در این روش، احتمال وقوع هر بردار سناریو، معادل حاصلضرب احتمال وقوع مؤلفههای تشکیلدهنده آن خواهد بود.
در گام دوم، میزان آسیبپذیری تجهیزات عایقی سیستم در هر سناریو هدف و وضعیت شکست عایقی در مقرهها و خطوط شبکه تعیین خواهد شد. در این راستا برای محاسبه احتمال تخلیه الکتریکی در مقرهها در هر سناریو، ابتدا میزان رطوبت هوا در هر ساعت اندازهگیری شده و با توجه
به مقدار آن، منحنی احتمال تخلیه الکتریکی مقره در آن سطح رطوبت انتخاب میگردد (اگر رطوبت هوا کمتر از 65% باشد، مقدار آن معادل 65%، در غیر این صورت اگر رطوبت هوا بیشتر از 65% و کمتر از 85% باشد ،مقدار آن معادل 85% و در غیر این صورت اگر رطوبت هوا بیشتر از 85% باشد، مقدار آن 95% در نظر گرفته میشود). پس از تعیین منحنی تخلیه الکتریکی بر اساس سطح رطوبت، برای هر مقره با توجه به میزان ESDD آن، احتمال تخلیه الکتریکی محاسبه میگردد و مقدار این احتمال با احتمال وقوع طوفان گرد و غبار در شکل 2 مقایسه میشود.
در صورت بزرگتربودن احتمال تخلیه الکتریکی از احتمال وقوع طوفان گرد و غبار با همان شدت ESDD، برای مقره تخلیه الکتریکی گزارش میگردد و در غیر این صورت فرض بر این است که در آن ساعت مقره آسیب ندیده و محاسبات برای ساعتهای بعدی تکرار میگردد. این فرایند یک بار به طور مستقل برای شبکه با مقرههای سرامیکی و یک بار برای شبکه با مقرههای سیلیکونی اجرا میشود و نتایج آسیب خطوط برای آنها ذخیره میگردد. این نتایج به عنوان مبنای برنامهریزی بهبود تابآوری سیستم توزیع در گام سوم مورد استفاده قرار خواهند گرفت. بدیهی است که هرچه تعداد مقرهها در یک خط بیشتر باشد، احتمال آسیب آن خط در طوفان گرد و غبار نیز بیشتر است.
در گام سوم برنامهریزی بهبود تابآوری سیستم توزیع با توجه به محدودیتهای مالی و عملیاتی سیستم اجرا میگردد. در مدل پیشنهادی برای برنامهریزی بهبود تابآوری سیستم توزیع، سطح اول برنامه با هدف کاهش هزینههای سرمایهگذاری و سطح دوم با هدف کاهش هزینههای مورد انتظار در بهرهبرداری از سیستم توزیع در شرایط وقوع طوفان گرد و غبار طراحی شده است. از این رو نحوه تعامل بین سطوح اول و دوم برنامه به گونهای پیادهسازی گردیده که تصمیمات اتخاذشده در هر سطح وابسته به نتایج و محدودیتهای سطح مقابل میباشد. در این مدل جایگزینی مقرههای سرامیکی با نوع سیلیکونی با هدف کاهش احتمال شکست عایقی در سیستم، نصب کلیدهای اتوماتیک با هدف افزایش قابلیت مانور در بازآرایی شبکه و به کارگیری ژنراتورهای اضطراری با هدف کاهش هزینههای حذف بار به عنوان 3 راهکار عملی برای افزایش تابآوری شبکههای توزیع در مقابل طوفانهای گرد و غبار در نواحی با اقلیلم آب و هوایی مرطوب پیشنهاد شده است. همان طور که روندنمای مدل پیشنهادی در شکل 3 نشان داده است، کارایی هر یک از تصمیمات اتخاذشده در سطح اول برنامهریزی، در سطح دوم برنامهریزی مورد ارزیابی قرار میگیرد و در صورتی که سرمایهگذاریها در عمل توجیه اقتصادی نداشته باشند، از اجرای آنها جلوگیری میگردد. از طرفی، تصمیمات اتخاذشده برای هر یک از اقدامات پیشگیرانه و اضطراری در سطح دوم برنامهریزی تابعی از تصمیمات اتخاذشده در سطح اول خواهند بود. با توجه به این که وقوع طوفان گرد و غبار از چند ساعت قبل قابل پیشبینی است، در مدل پیشنهادی، اقدامات حوزه بهرهبرداری به دو دسته اقدامات پیشگیرانه قبل از رخداد طوفان 
و اقدامات اضطراری در حین و بعد از آن 
تقسیم شده است. اقدامات پیشگیرانه شامل بازآرایی شبکه و تنظیم ژنراتورها و اقدامات اضطراری شامل بازآرایی شبکه، بازتوزیع ژنراتورها، حذف بار و تعمیر خطوط آسیبدیده با هدف کاهش هزینههای خاموشی میباشد.
4- مدلسازی ریاضی و روش حل مسأله
در این بخش پس از بیان فرضیات مسأله، مدل پیشنهادی در قالب یک مدل برنامهریزی تصادفی آمیخته با عدد صحیح ارائه شده است. از این رو در مدلسازی مسأله فرض شده که 1) سیستم توزیع میتواند از قبل در برخی نقاط دارای کلیدهای جداکننده و منابع تولید پراکنده باشد [22]، 2) در ایزولاسیون خطوط شبکه از مقرههای سرامیکی استفاده شده است،3) مشخصه آسیبپذیری بوشینگ ترانسفرماتورها و کاتاوت فیوزها در نقاط بار مشابه مقرههای خطوط در نظر گرفته شده است، 4) در سرمایهگذاری برای بهبود تابآوری شبکه محدودیت بودجه وجود دارد [17] تا [19] و [27]، 5) ژنراتورهای اضطراری که در این مدل با هدف افزایش تابآوری در نقاط بحرانی نصب میشوند متعلق به بهرهبردار سیستم بوده و از هزینه بهرهبرداری آنها در مقابل هزینههای حذف بار چشمپوشی شده است [15] تا [19] و [21]، 6) در بهرهبرداری از ژنراتورهای اضطراری، محدودیتهای عملیاتی همچون نرخ افزایش و کاهش توان وجود دارد و به کارگیری آنها پس از بازیابی کامل شبکه غیر اقتصادی است [13]، 7) تغییرات بار شبکه در تمام نقاط از یک الگوی همگن پیروی میکند و برای نقاط بار، ضرایب اهمیت متفاوت در نظر گرفته شده است [22]، 8) متغیرهای تصادفی مسأله شامل تغییرات بار، رطوبت ماندگار در هوا، میزان ESDD برای هر یک از مقرههای شبکه و زمان تعمیر خطوط آسیبدیده است و 9) خطوط شبکه پس از وقوع اولین تخلیه الکتریکی در مقرهها از مدار خارج شده و تا پایان فرایند تعویض مقره آسیبدیده و شستشوی کل مقرههای خط وارد مدار نمیشوند.
4-1 توابع هدف در سطوح اول و دوم برنامهریزی
4-1-1 تابع هدف سطح اول (حوزه برنامهریزی)
همان طور که قبلاً بیان شد در سطح اول مدل پیشنهادی، هدف کاهش هزینههای سرمایهگذاری برای بهبود تابآوری سیستم توزیع در مقابل طوفانهای گرد و غبار شدید است. از این رو در (1) جملات اول تا سوم بیانگر هزینههای سرمایهگذاری وابسته به متغیرهای تصمیم سطح اول برنامهریزی هستند. از آنجا که مقرههای سرامیکی که در خطوط منتخب با نوع سیلیکونی جایگزین میشوند سالم و در سایر مناطق با احتمال خرابی کمتر قابل استفادهاند، درصدی از هزینههای سرمایهگذاری در این بخش بازیافت میگردد. این ضرایب برای سرمایهگذاری نصب کلیدهای اتوماتیک و ژنراتورهای اضطراری نیز چون میتوانند در سایر روزهای