دانلود پایان نامه
تساویگرایان
مطابق با این دیدگاه، مطلوبیت کل جامعه به صورت مساوی بین اعضای جامعه تقسیم می شود. در این رویکرد، بخشی از مطلوبیت حاصله توسط عضو قوی، به عضو ضعیف داده می شود، به نحوی که مطلوبیت کل اعضا با یکدیگر مساوی شود. در یک جامعه با اعضای غیریکسان (ویژگی ها و مشخصات مختلف)، استفاده از این تخصیص می تواند کلیه اعضای جامعه را از افزایش در مطلوبیتشان بی میل کند و در اثر آن، کارایی جامعه کاهش خواهد یافت [9].
رالزین
تابع رفاه اجتماعی در این مکتب، تابع رفاه اجتماعی مینیماکس یا رالزین است که در زیر نشان داده شده است.
‏1–3
این تابع رفاه، بیانکننده آن است که رفاه اجتماعی یک تخصیص، فقط به رفاه فردِ دارای حداقلِ مطلوبیت بستگی دارد و معتقد است که مطلوبیت کل جامعه فقط در صورتی افزایش می یابد که مطلوبیت فردِ (افرادِ) دارای حداقلِ مطلوبیت افزایش یابد [9]. تخصیص ناشی از این تابع رفاه اجتماعی می تواند منجر به کاهش مطلوبیت اعضای قوی در جامعه شده و در نتیجه کارایی نیز کاهش یابد.
مکاتب اقتصادی فوق می توانند آثار متفاوتی، بسته به جامعه مورد بررسی، داشته باشند. جامعه مورد مطالعه در این پایاننامه، مجموعه ای از مصرف کنندگان انرژی الکتریکی دارای اندازه، ویژگی ها و مشخصاتِ متفاوتِ متصل به یک شبکه توزیع برق محلی است. وجود این عدم یکسانی و تأثیرگذاریِ قیود شبکه الکتریکی بر مطلوبیتِ هر یک از بارها، برقراری توأم کارایی و برابری را دشوارتر و پیچیدهتر می سازد.
مروری بر ساختارهای مدیریت انرژی الکتریکی
مقالات منتشر شده در حوزه مدیریت انرژی الکتریکی از منظر ساختار مدیریت به سه دسته ساختار مدیریت انرژی متمرکز، غیرمتمرکز و ترکیبی تقسیم بندی شده که در ادامه به مرور آن ها پرداخته می شود.
ساختار مدیریت انرژی متمرکز
در مدیریت انرژی متمرکز، تخصیص انرژی مصرفی به مصرف کنندگان از سوی یک نهاد مرکزی (عموماً بهره بردار شبکه) صورت می پذیرد. مدیریت انرژی متمرکز در شبکه به دو صورت امکانپذیر است. در روش اول، مدیریت انرژی با استفاده از ابزار تشویق بارها از طریق تعیین تعرفه های تشویقی و یا تخصیص جریمه/پاداش به بارها در صورت نقض/عمل به تعهدات انجام می پذیرد [12]. تعیین چگونگی سیاست های تشویقی پیشنهادی به مشترکان به منظور جذب آن ها به مشارکت در قطع یا تأخیر در مصرف کار دشواری است. برای این منظور، در [13] به طراحی سازوکار قطع بار بهینه بدون اطلاع از هزینه های قطع بار مشترکان پرداخته شده که هدف از این سازوکار حداکثرسازی سود شرکت برق محلی و جبرانسازی هزینه های بار ناشی از مشارکت داوطلبانه است.
در روش دوم، بار مصرفی مشترکان به طور مستقیم توسط نهادی متمرکز (برای مثال بهرهبردار محلی شبکه توزیع یا بهرهبردار مستقل سیستم) کنترل می شود. این برنامه مدیریت مستقیم بار برای بارهای مسکونی، بر مبنای توافق بین شرکت برق محلی و مشترکان انجام می پذیرد [14و15].
در [16] به ارائه یک مفهوم کلی از واحد ارائهدهنده خدمات پاسخ تقاضا به مشترکانِ تحت پوشش در یک شبکه توزیع، با هدف حداکثرسازی سود و مدیریت بار پرداخته شده است. در [21]-[17] نیز به توزیع انرژی در بین اعضای شبکه با هدف حداکثرسازی رفاه اجتماعی پرداخته شده است.
تابع هدف بهینهسازی در کلیه مراجع مورد اشاره در این بخش، حداکثرسازی تابع رفاه اجتماعی کلاسیک و یا به عبارت دیگر، حداکثرسازی کارایی است و به بحث برابری و عدالت پرداخته نشده است.
ساختار مدیریت انرژی غیرمتمرکز
در این ساختار اغلب تکیه بر این است که تغییرات لحظهای قیمت برق در اختیار بارها قرار گرفته و آن ها با استفاده از ابزارهای تصمیمگیری خود، به صورت خودگردان اقدام کنند. از لوازم اساسی و ضروری در این ساختار، وجود زیرساخت تبادل اطلاعات دوطرفه و تجهیز مشترکان به یک برنامهریز مصرف انرژی خودگردان و اندازهگیر هوشمند است. ابزارهای تحلیل رفتار بارها در این تحقیقات، عموماً تئوری بازی و شبیهسازی عامل محور بوده است [24]-[22]. در این مسائل برای ترغیب مشترکین به شرکت در بازی از مشوق هایی نیز استفاده می شود [12].
کارهای اولیه انجام گرفته در این ساختار مدیریت انرژی، عموماً بر چگونگی هماهنگی عملکرد واحدهای برنامه ریزِ مصرف انرژی، به منظور دستیابی به اهداف مختلف و گسترده سیستم (مثل حداقلسازی هزینه تولید و یا نسبت پیک به متوسط بار شبکه) تمرکز دارد [25]. سازوکار استفاده شده در اکثر این پژوهشها، توجهی به مشارکت و عدم مشارکت مصرف کنندگان در بازی و بحث عدالت و برابری نمیکند؛ زیرا هزینه پرداختی توسط هر مصرف کننده، تنها متناسب با کل بار مصرفی مصرف کننده است. به عنوان مثال، سازوکار صدور صورت حساب برای هر کاربر در [22] با هدف حداقل کردن هزینه کل سیستم انجام شده و به شکل دقیقِ پروفیل بار هر کاربر توجهی نمیکند. در این شرایط، ممکن است کاربرانی که در بازی مشارکت نداشته اند، به طور ناعادلانهای از مشارکتِ سایر کاربرانی که در کاهش هزینه سیستم نقش داشته اند مطلوبیت کسب کنند.
برای غلبه بر مشکل عدم وجود برابری و عدالت در این ساختار، تلاش هایی در [26و27] انجام شده است. در این شرایط از یک سازوکار صدور صورت حساب جایگزین استفاده شده است که در آن نه تنها کل بار مصرفی کاربر در نظر گرفته می شود، بلکه شکل دقیق پروفیل بار مصرفی نیز مدنظر قرار میگیرد. بنابراین، [26و27] با استفاده از سازوکار صدور صورت حساب برحسب مصرف ساعت به ساعت (به جای کل بار مصرفی در دوره زمانی موردنظر) و توجه به انعطاف پذیری بار هر کاربر، میتوانند سبب بهبود عدالت و برابری شود.
ساختار مدیریت انرژی ترکیبی
این ساختار مدیریت انرژی در سال 2013 در [28] مطرح شده است. بر این اساس، برای مدیریت انرژیِ دسته ای از بارها که امکان پاسخ گویی به قیمت دارند و در یک همسایگی قرار می گیرند (به عنوان مثال واحدهای صنعتی در یک شهرک صنعتی)، استفاده از یک سیستم مدیریت انرژی متمرکز به صورتی متفاوت با روش های متمرکز قبلی پیشنهاد شده است. این دسته از بارها که از طریق یک شبکه برق محلی به یکدیگر متصل هستند، به عنوان «خوشه ای از بارهای متصل به همِ پاسخ گو به قیمت» (CIPRD) نامیده می شوند. سیستم مدیریت انرژی متمرکز وظیفه دارد که پس از جمع آوری اطلاعات لازم از اعضای CIPRD (نظیر مطلوبیت، ترجیحات مصرف و حداقل انرژی مورد نیاز در دوره تصمیم گیری)، انرژی مصرفی هر مشترک را به صورتی بهینه تعیین کرده و به مشترک تخصیص دهد. مدیریت انرژی بین مجموعهای از CIPRD ها، با استفاده از یک ساختار مدیریت انرژی غیرمتمرکز انجام می گیرد. این ساختارِ مدیریت انرژی در عمل ساختاری بینابینِ ساختارهای متمرکز و غیرمتمرکزِ مرسوم در تحقیقات قبلی ایجاد می نماید. شمای کلی این ساختار در شکل ‏11 نشان داده شده است.
شکل ‏11 ساختار مدیریت انرژی ترکیبی
در [28]، به عنوان تحقیق اولیه، مسأله بهینه سازی مدیریت انرژی متمرکز بین اعضای خوشه با تابع هدفِ حداکثرسازیِ تابع رفاه اجتماعی کلاسیک و در نظر گرفتن قیود اعضا و قیود سیستم الکتریکی محلی مدل می شود. در این مدل، انرژی تخصیصی به هر بار در حالت بهینه از قیود شبکه و محل قرارگیری بار ها در شبکه الکتریکی متأثر می شوند؛ زیرا وجود قیودِ تزویج کننده (مثل قیود پخش توان) در مسأله بهینه سازی، باعث می شود که بهینه سازیِ تابع حاصل جمع (رابطه ‏1–1)، جوابی متفاوت با حاصل جمع پاسخ بهینه سازی هر یک از توابع به تنهایی داشته باشد [29]. چنین موضوعی می تواند برابری و عدالت در تخصیص را خدشه دار کند [9].
اهداف و نوآوریهای پایاننامه
در این پایاننامه، هدف ارائه روشی مناسب برای برقراری برابری در ساختار مدیریت انرژی ترکیبی است. روش هایی که تاکنون به منظور برقراری برابری ارائه شده اند، نتوانسته اند به ارائه تعاریف منطقی (توجه توأم به کارایی و برابری) و مناسبی به منظور برقراری برابری، به ویژه در سیستم های مدیریت انرژی بپردازند. در برخی از این روش ها، با ارائه تعاریف سخت گیرانه برای برابری (مثل رالزین)، سبب کاهش شدید کارایی می شوند و برخی دیگر از این روش ها منجر به بی میلی اعضای جامعه (مثل تساویگرایان) به افزایش مطلوبیتشان می شوند.
در این پایان نامه، برای غلبه بر ابهام برابری در استفاده از پرکاربردترین تابع هدف رفاه اجتماعی، یعنی تابع رفاه اجتماعی کلاسیک در مدیریت انرژی ترکیبی از رویکردی دیگر در بهینه سازی استفاده می شود. در این رویکرد ایده اصلی این است که در کنار هم قرار دادن اعضای یک CIPRD و مدیریت انرژی متمرکز آن ها زمانی مطلوب خواهد بود که مطلوبیت اعضای خوشه از کنار هم بودن، بیش از عملکردِ مستقل آن ها باشد. به عبارت دیگر در این رویکرد، تعامل بین اعضای خوشه به صورت یک بازی همکارانه است. در بازی همکارانه، مشارکتکنندگان در بازی، تصمیمات خود را به گونه ای بهینه میکنند که کل مطلوبیت حاصله برای کل مشارکتکنندگان در بازی حداکثر شود. این همان فرایندی است که وقتی اعضای CIPRD در یک شبکه الکتریکی محلی میتوانند برای افزایش برابری در تخصیص استفاده کنند. نقاط تعادل بازی همکارانه از طریق مدلسازی به صورت یک مسأله بهینه سازی چندهدفه مقید به قیود بارها (شامل توابع مطلوبیت، حداقل مصرف انرژی روزانه، حداقل و حداکثر مقدار بار و نرخ افزایش و کاهش آن در ساعات مختلف شبانه روز) و قیود شبکه الکتریکی (شامل قیود پخش توان، حداکثر توان عبوری از خطوط و حداکثر توان دریافتی از شبکه اصلی) مدل می شود. پاسخ حاصل از حل این مسأله بهینه سازی جبهه پارتویی خواهد بود که هر نقطه از آن نمایش دهنده یک نقطه تعادل بازی همکارانه خواهد بود.
هدف اصلی، در ادامه، انتخاب نقطه تعادلی است که به طور همزمان بتواند مصالحهای قابل قبول بین کارایی و برابری ایجاد کند. لذا بر اساس اصول پذیرفته شده در اقتصاد خرد در مبحث برابری، سه تعریف مختلف برای هدف مذکور ارائه میشود. تعریف ارائه شده در هر روش، در چارچوب یک تابع هدف برای مسأله بهینه سازی مدل می شود. مسأله بهینهسازی به صورت یک مسأله بهینه سازی دوسطحی مدل میشود که در سطح بالای مسأله بهینهسازی یافتن نقطه تعادل مدل میشود و مسأله سطح پایین نیز بر اساس بهینهسازی چندهدفه، مجموعه نقاط تعادل ممکن را به دست میدهد. حل مسأله بهینهسازی بر اساس هر تعریف، به انتخاب نقطه تعادل مناسب (از منظر تعریف برابری) از بین مجموعه نقاط تعادل CIPRD منجر میشود.
برای حل این مسأله، مسأله بهینه سازی دوسطحی به مسأله بهینه سازی یک سطحی تبدیل میشود. از دو راهکار زیر برای این منظور استفاده شده است.