دانلود پایان نامه
PF
Surplus Reduction Percentage
SRP
Summation of Surplus Percentages
SSP
چکیده
ازجمله اصول اساسی در هر سیستم مدیریت انرژی، برقراری کارایی و برابری در تخصیص منابع است. در روش کلاسیک تخصیص منابع، با حداکثر کردن مجموع مازاد مشترکین به برقراری حداکثر کارایی ممکن پرداخته می شود. این روش از منظر برابری دارای ابهام می باشد. در این پایان نامه، هدف ارائه رویکردی است که بتوان از طریق آن به تخصیصی از منابع دست یافت که ضمن حصول حداکثر کارایی ممکن، به برقراری برابری نیز منجر شود. بر این اساس، تخصیص انرژی مصرفی برای خوشه ای از بارهای پاسخگو به قیمت (گروهی از بارهای مصرفی که در یک ناحیه جغرافیایی به کمک یک شبکه الکتریکی محلی به یکدیگر و به شبکه اصلی متصل شده اند) در یک سیستم مدیریت انرژی متمرکز تحت بررسی قرار می گیرد. در کنار هم قرار گرفتن اعضای یک خوشه و مدیریت انرژی متمرکز آن ها زمانی مطلوب خواهد بود که منفعت حاصله از کنار هم بودن برای اعضای خوشه، بیش از عملکرد مستقل آن ها از یکدیگر باشد. بنابراین مسأله مدیریت انرژی خوشه، ذاتاً یک بازی همکارانه است. بنابراین در این پایاننامه، مسأله مدیریت خوشه به صورت یک بازی همکارانه مدل میشود. نقاط تعادل بازی همکارانه از طریق یک مسأله بهینه سازی چندهدفه مقید به قیود بارها و قیود شبکه الکتریکی محلی به دست میآید. پاسخ حاصل از حل این مسأله بهینه سازی جبهه پارتویی خواهد بود که هر نقطه از این جبهه نمایش دهنده یک نقطه تعادل از بازی همکارانه است. در ادامه، با تعریف سه معیار حداقل فاصله (MD)، حداقل مجموع نسبت ها (MND) و حداقل مجموع تفاضل نسبت ها (MDND)، به انتخاب نقطه تعادل با هدف دستیابی به تخصیص برابر پرداخته می شود. برای این منظور، مسأله به صورت یک مسأله بهینهسازی دوسطحی مدل میشود که در سطح اول مسأله بهینهسازی انتخاب نقطه تعادل و در سطح دوم مسأله بهینهسازی چندهدفه دستیابی به کل نقاط تعادل ممکن انجام میشود. بر این اساس، تخصیص انرژی مصرفی به بارها توسط سیستم مدیریت انرژی متمرکز به صورت کارا و برابر ممکن خواهد بود. مدل ارائه شده بر روی یک شبکه نمونه پیاده سازی شده و نتایج بهدست آمده گویای مزیت های مدل ارائه شده برای مدیریت انرژی متمرکز خوشه ای از بارهای پاسخگو به قیمت می باشد.
کلمات کلیدی: 1- مدیریت انرژی 2- برابری در تخصیص 3- بازی همکارانه 4- بهینهسازی چندهدفه 5- بهینهسازی دوسطحی
فصل اول: مقدمه
پیشگفتار
افزایش جمعیت و صنعتیشدن جوامع بشری، منجر به افزایش روز افزون تقاضای انرژی در جهان شده است. رشد تقاضای انرژی در بخش های مختلف صنعتی، کشاورزی و خانگی، اجتنابناپذیری تولید بیشتر را سبب شده است. تولید انرژی بیشتر منجر به افزایش هزینه ها (ازجمله سرمایه گذاری و تعمیر و نگهداری) شده است. ازآنجاکه در دهه های گذشته، بخش عمده انرژی مورد نیاز از منابع سوخت فسیلی تأمین شده است، پاسخ به افزایش تقاضای انرژی، منجر به بروز مشکلات زیستمحیطی شده که نگرانی های عمده را در کشورهای مختلف ایجاد کرده است [1]. مدیریت انرژی به عنوان راهبردی که از طریق مصرف صحیح انرژی می تواند به حل هر دو مشکل (تأمین انرژی و کاهش آلودگی های زیستمحیطی) کمک کند مطرح شده است [2].
اگرچه مفهوم مدیریت انرژی از سالیان دور مورد توجه نهاد ها و جوامع بشری بوده است، لکن در دهه اخیر و در پی افزایش توجه به تغییرات اقلیمی و فناوری پاک، اهمیت مدیریت انرژی افزایش یافته است. تاکنون برای واژه مدیریت انرژی تعریف های گوناگونی ارائه شده است. بر مبنای تعریف ارائه شده در [3]، به استفاده عادلانه و مؤثر از انرژی به منظور «حداکثرکردن سود (حداقلکردن هزینه ها) و بهبود جایگاه رقابتی»، مدیریت انرژی گفته می شود. تعریف جامع دیگری نیز در [4] ارائه شده است. بر این اساس، به راهبرد «تنظیم و بهینهسازی انرژی با استفاده از سیستم ها و روندها به منظور کاهش انرژی مورد نیاز به ازای هر واحد تولید، به نحوی که کل هزینه این سیستم ها (شامل هزینههای مستقیم تولید به علاوه هزینه ایجاد تغییر در سیستمها و روندها) ثابت مانده و یا کاهش یابد»، مدیریت انرژی اطلاق می شود.
مدیریت انرژی در دو بازه زمانی کوتاه مدت و بلندمدت قابل طرح است. در بازه زمانی کوتاه مدت، مدیریت انرژی به بهینه سازی مصرف انرژی تأسیسات موجود می پردازد، اما در بلندمدت موضوع جایگزینی تجهیزات و سرمایه گذاری های جدید نیز می تواند جزء تصمیمات قابل اخذ در نظر گرفته شود [5]. تعیین زمان و کمیت مصرف انرژی برای هر یک از مصرف کننده ها به قسمی است که هدف مدیریت انرژی (به طور مثال، افزایش سود) محقق شود [6]. از لوازم مدیریت انرژی، اطلاع بارها از قیمت های تأمین انرژی الکتریکی و تجهیز آن ها به ابرازهای تصمیمگیری بهینه است. با توجه به حرکت قیمت گذاری انرژی الکتریکی به سمت قیمت های لحظهای، این اطلاع از قیمت ها باید به صورت لحظه ای امکان پذیر باشد. اطلاع بارها از قیمت های لحظهای با توسعه فناوری های زیرمجموعه شبکه هوشمند ایجاد خواهد شد [7].
ازجمله چالش های اساسی در حوزه مدیریت انرژی، رعایت برابری و کارایی در تخصیص انرژی مصرفی به مصرف کنندگان است. در واقع همان طور که در تعریف مدیریت انرژی بیان شد، برابری و کارایی از اصول اساسی در هر راهبرد مدیریت انرژی است. به منظور روشنتر شدن مفهوم این دو اصل لازم است تا در ابتدا به تعریف هر یک از آن ها به شرح زیر بپردازیم.
کارایی: استفاده حداکثری یک جامعه از منابع موجود را کارایی می نامند. به عبارت دیگر، اگر تخصیص منابع در بین اعضای یک جامعه سود یا مازاد کل جامعه را حداکثر کند، تخصیص انجام گرفته را کارا گویند. به عنوان مثال اگر کل منافع اقتصادی جامعه را یک سیب در نظر بگیریم، هدف از کارایی حداکثرکردن اندازه ممکن این سیب است [8]!
برابری: توزیع عادلانه منافع حاصل از منابع جامعه در میان اعضای آن جامعه را برابری گویند [8]. به عبارت دیگر تخصیصی عادلانه و برابر است که در آن هیچ عضوی از جامعه سود یا مازاد دیگری را بر سود یا مازاد خود ترجیح ندهد [9]. بنابراین هدف از برابری تقسیم عادلانه سیب در بین اعضای جامعه است!
با توجه به اینکه اعضای یک جامعه در ازای منابع یکسان به سود یا مازاد غیریکسانی می رسند (بهلحاظ ویژگی ها و مشخصات متفاوت اعضای جامعه)، تلاش برای حصول برابری، منجر به کاهش کارایی در آن جامعه خواهد شد. بنابراین رسیدن به یک تخصیص عادلانه و برابر، مستلزم پرداخت هزینه (کاهش سود یا مازاد کل جامعه) خواهد بود. با توجه به این مسأله، رسیدن توأم به هریک از دو اصل کارایی و برابری به صورت مطلق در یک تخصیص امکانپذیر نبوده و برقراری مصالحه بین آن ها ضروری است. به عبارت دیگر، تقسیم سیب به قطعات عادلانه و برابر منجر به کوچک شدن اندازه سیب خواهد شد! [8 و10]
در این پایاننامه قصد داریم تا با توجه به چالش فوق، به نقد روش کلاسیک تخصیص منابع و بررسی توجه به اصل برابری در این روش بپردازیم و سپس به منظور اعمال اصل برابری، راهحل هایی را با رعایت کارایی پیشنهاد خواهیم کرد.
در ادامه این فصل، در ابتدا، به معرفی انواع توابع اصلی رفاه اجتماعی و تحلیل آن از منظر کارایی و برابری پرداخته و سپس به معرفی رویکردهای موجود در حوزه مدیریت انرژی و پژوهش های انجامگرفته خواهیم پرداخت. در ادامه، اهداف و نوآوری های پایاننامه ذکر شده و در انتها مروری بر فصل های پایاننامه خواهیم داشت.
توابع رفاه اجتماعی و مدیریت انرژی
از منظر علم اقتصاد، هرگاه تخصیص منابع بین اعضای یک جامعه مطرح می شود (که مدیریت انرژی را نیز شامل می شود)، بحث رفاه اجتماعی نیز مطرح است. لذا، پرداختن به مبحث مدیریت انرژی بدون توجه به مبحث رفاه اجتماعی و نگاه های متفاوت به آن که از فلسفه متفاوت اقتصاد دانان به برابری و کارایی نشأت می گیرد، ممکن نخواهد بود. تابع رفاه اجتماعی، ضابطه یا روشی است که به وسیله آن می توان ترجیحات تمام اعضای جامعه را در قالب یک ترجیح اجتماعی جمع و یا به عبارت بهتر ترکیب کرد. یعنی اگر بدانیم که تمام اعضا چگونه تخصیص های متفاوت را رتبهبندی می کنند، می توانیم با استفاده از این تابع، این اطلاعات را برای رتبهبندی اجتماعی تخصیص های متفاوت استفاده کنیم [11]. مکاتب اقتصادی مختلف از توابع متفاوتی به منظور تعریف تابع رفاه اجتماعی استفاده کردهاند. این مکاتب اقتصادی به مطلوبیت گرایان کلاسیک، تساوی گرایان و رالزین قابل تقسیم بندی هستند که در ادامه به توضیح آن ها پرداخته شده است [9].
مطلوبیتگرایان کلاسیک
در این مکتب، تابع رفاه اجتماعی برابر با حاصلجمع توابع مطلوبیت اعضای جامعه می باشد که به صورت زیر نمایش داده می شود [9].
‏1–1
در رابطه ‏1–1، تابع رفاه اجتماعی است و برابر با تابع مطلوبیت عضو ام جامعه از یک تخصیص مانند می باشد و تعداد افراد جامعه است. شکل کلیتر این تابع، تابع رفاه جمعوزنی مطلوبیت ها است که در آن وزن ها اعدادی هستند که نشان می دهند تا چه اندازه مطلوبیت هر فردی در رفاه اجتماعی کلی مهم است. این تابع به صورت زیر نمایش داده می شود [9].
‏1–2
در رابطه ‏1–2، برابر با ضریب وزنی عضو ام جامعه از یک تخصیص مانند می باشد. این تابع با عنوان تابع رفاه بنت هامیت یا مطلوبیتگرایان کلاسیک شناخته می شود. این رویکرد، تفاوتی بین انتقال رفاه از عضو ضعیف به قوی و برعکس قائل نیست و مادا می که مجموع مطلوبیت اعضای جامعه افزایش یابد، هر نوع توزیع درآمد/ثروتی قابل قبول می باشد. در این دیدگاه، در صورتی که کاهش منابع تخصیصیافته به عضو ضعیف و تخصیص آن به عضو قوی باعث افزایش مطلوبیت عضو قوی شود، به شکلی که کاهش مطلوبیت عضو ضعیف را جبران کند، این انتقال مطلوبیت می تواند انجام شود؛ زیرا در این رویکرد مجموع مطلوبیت مورد اهمیت بوده و در اثر این انتقال، چنانچه افزایش مطلوبیت نزد عضو قوی به اندازهای باشد که کاهش آن را نزد عضو ضعیف خنثی کند، مجموع مطلوبیت جامعه افزایش می یابد. بنابراین این تابع رفاه اجتماعی صرفاً به دنبال افزایش کارایی در جامعه بوده و اهمیتی به برابری نمی دهد.