دانشكده مهندسی صنايع
بهينه‌سازي مصرف انرژي در خانه‌هاي هوشمند با استفاده از رويكرد برنامه‌ريزي رياضي
دانشجو:
آرمين دهناد
پايان‌نامه براي دريافت درجه کارشناسی ارشد
در رشته مهندسی صنايع گرايش سيستم‌هاي اقتصادي اجتماعي
استاد راهنما:دکتر حامد شكوری
استاد مشاور: دکتر حاج علی بزرگی
شهريورماه 1391
چکیده
امروزه مديريت مصرف انرژي در كانون توجه دولتمردان در سراسر جهان قرار گرفته است. مصرف بالاي انرژي در ساختمان‌هاي مسكوني يكي از عمده‌ترين دلايل مصرف بي‌رويه انرژي است كه هزينه‌هاي بالايي را در بلندمدت براي مصرف‌كنندگان و نيز در سطح ملي به دنبال دارد. از اينرو در اين پژوهش سعي شده است كه با اصلاح الگوي مصرف و ارائه يك برنامه پيشنهادي، مصرف‌كننده بتواند ضمن حفظ رفاه خود از تاثيرات مثبت اقتصادي نيز بهره ببرد.
در اين پژوهش ابتدا پيشينه‌اي از بهينه‌سازي مصرف انرژي در مقالات و تحقيقات موجود ارائه و سپس يك مدلسازي از دستگاه‌هاي خانگي مطرح شده است. در ادامه اين پژوهش، در يك مطالعه موردي، فهرستي از دستگاه‌هاي مورد استفاده توسط يك مصرف‌كننده داوطلب دريافت شده و مدل براي آن به اجرا درآمده است. سه سناريوي مختلف به عنوان اهداف اين پژوهش بررسي و با هم مقايسه شده اند. اين سه سناريو شامل موارد زير است:
سناريوي 1: مي‌نيمم‌سازي پيك انرژي مصرفي (مديريت اضافه‌بار)
سناريوي 2: مي‌نيمم‌سازي هزينه انرژي مصرفي
سناريوي 3: تلفيق سناريوهاي 1و2
بررسي همزمان هر دو سناريوي 1و2 در سناريوي 3، اين پژوهش را از ساير پژوهش‌هاي مرتبط متمايز مي‌كند، زيرا در كارهاي مرتبط پيشين معمولا يكي از اهداف مورد بررسي در سناريوهاي 1 و 2، مورد بحث قرار گرفته‌اند. در پايان اين پژوهش سعي شده است با بررسي نمودارهاي توزيع انرژي دستگاه‌هاي خانگي و مقايسه سناريوهاي مطرح شده، بهترين برنامه زمان‌بندي براي بارها ارائه شود كه بطور همزمان هم پيك انرژي مصرفي را مي‌نيمم كند و هم به مي‌نيمم‌سازي هزينه برق مصرفي منجر شود.
واژه های کلیدی: مديريت مصرف انرژي، بهينه‌سازی مصرف انرژي، خانه‌هاي هوشمند، اتوماسيون ساختمان
فهرست مطالب
عنوانصفحهفصل1مقدمه7
1-1.مقدمه8
1-2.ساختمانهوشمندچيست؟8
1-2-1. سيستم‌هايمديريتواتوماسيونساختمان9
1-2-2. تعاملبينساكنانوساختمانهوشمند9
1-2-3. سيستم‌هايمدرنمديرتساختمان10
1-3.نگاهاينپژوهش10
1-3-1. شبكههوشمند11
1-3-2. تكنيكپاسخبهتقاضا (DR)12
1-3-3. انواعبرنامه‌هايپاسخبهتقاضا (DR)12
1-3-4. تعاملبينمصرف‌كنندهوبرنامه‌هايپاسخبهتقاضا (DR)13
1-3-5. مقايساتیبيناينپژوهشوپژوهش‌هايانجامشده14
1-4.فصل‌بندي16
فصل2مروريبرمنابعمطالعاتي18
2-1.مقدمه19
2-2.مسألهتغييرزمانبار19
2-2-1. سيستممديريتمصرفانرژيدرخانه‌هايمسكوني20
2-2-1-1. ارائهمسألهبرنامه‌ريزي21
2-2-1-2. استخراجاطلاعاتبارهايخانگي21
2-3.رويكرديازتغييرزمانبارها22
2-3-1. اعمالفرضياتگوناگون23
2-4.مديريتطرفتقاضا (DSM)23
2-5.رويكردDSMدراينپژوهش24
2-6.بررسيتفصيلياولينپژوهشمرتبط25
2-6-1. چارچوبمدل25
2-6-1-1. فازهايكاري26
2-6-1-2. مقايسهپژوهشموردمطالعهبااينپژوهش26
2-6-2. فرمول‌بنديمدل26
2-6-3. انتقاداتيبرپژوهشموردمطالعه29
2-7.بررسيتفصيليدومينپژوهشمرتبط30
2-7-1. سناريوي 1: مديريتاضافه‌باردرحوزهخانه30
2-7-2. سناريوي 2: بهينه‌سازيصرفه‌جويياقتصادي30
2-7-3. سناريوي3: مديريتطرفتقاضا (DSM)31
2-7-4. چارچوبمدل32
2-7-4-1. معماريسيستم32
2-7-4-2. مدلسازيبارهايخانگي34
2-7-4-3. مدلسازيانرژيمصرفيدستگاه‌ها35
2-7-5. فرمول‌بنديمسألهكنترلرهوشمندخانگي37
2-7-5-1. تعاملبينمصرف‌كنندهودستگاه‌هايهوشمندخانگي37
2-7-5-2. رفتارSHCدربرابرسيگنال‌هايDSM39
2-7-5-3. ارائهمدلرياضيازMدستگاهخانگي40
2-7-5-4. مسألهبرنامه‌ريزيSHC42
2-7-5-5. حلمسألهبرنامه‌ريزيSHC43
فصل3مدل‌پيشنهاديكنترلرهوشمند47
3-1.دياگرامكليمسأله48
3-1-1. دياگرامسيستممديريتبارهايخانگي48
3-1-2. تقسيم‌بنديبارهايخانگي49
3-1-3. توسعهسيستممديريتبار50
3-1-4. نيازمندي‌هايارتباطيسيستم (پروتكلارتباطيزيگبي)51
3-2.تشريحمسألهوفرضيات52
3-2-1. ادبياتمدل52
3-2-2. فرموله‌سازيواعمالفرضيات53
فصل4الگوريتمحلمسألهبرنامه‌ريزي59
4-1.مقدمه60
4-2.برنامه‌ريزيخطيعددصحيحمختلط60
4-3.برنامه‌ريزيآرماني63
فصل5مطالعهمورديوتفسيرنتايج66
5-1.مقدمه67
5-2.دريافتاطلاعاتازمصرف‌كننده68
5-3.مدلسازيدستگاه‌هايخانگيدرمطالعهموردي70
5-4.بررسيسناريوهايمختلف78
5-4-1. سناريوي 1: مي‌نيمم‌سازيپيكانرژيمصرفي79
5-4-1-1. نمودارتوزيعانرژيدستگاه‌هايخانگي79
5-4-1-2. بررسيكلانرژيمصرفي85
5-4-1-3. بررسيهزينهكلانرژيمصرفي87
5-4-2. سناريوي 2: مي‌نيمم‌سازيهزينهانرژيمصرفي89
5-4-2-1. نمودارتوزيعانرژيدستگاه‌هايخانگي90
5-4-2-2. بررسيكلانرژيمصرفي96
5-4-2-3. بررسيهزينهكلانرژيمصرفي98
5-4-3. سناريو 3: تلفيقسناريوهاي 1و2100
5-4-3-1. بررسيكلانرژيمصرفي100
5-4-3-2. بررسيهزينهكلانرژيمصرفي102
فصل6نتيجه‌گيريوپيشنهادات104
فهرست اشکال
عنوانصفحهفصل1مقدمه7
شکل1-1.بخش‌هايمختلفيكساختمانهوشمند10
فصل2مروريبرمنابعمطالعاتي18
شکل2-1.تعرفهقيمتانرژيالكتريكيبرايشهرنيويورك، 15 ماهفوريه 2011 (NYISO)24
شکل2-2.معماريسيستم33
شکل2-3.تعاملبينمصرف‌كنندهودستگاه38
شکل2-4.منطقكاركردسيستمكنترلرهوشمند39
فصل3مدل‌پيشنهاديكنترلرهوشمند47
شکل3-1.دياگرامسيستممديريتبار48
شکل3-2.تقسيم‌بنديبارهايخانگي50
فصل4الگوريتمحلمسألهبرنامه‌ريزي59
فصل5مطالعهمورديوتفسيرنتايج66
شکل5-1.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 1 (تهويهمطبوع)79
شکل5-2.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 2 (يخچال)79
شکل5-3.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 3 (اجاقبرقي)80
شکل5-4.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 4 (سيستمصوتيتصويري)81
شکل5-5.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 5 (اتومبيلشارژي)81
شکل5-6.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 6 (پمپآبی)82
شکل5-7.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 7 (ماشينلباسشويي)83
شکل5-8.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 8 (ماشينظرفشويي)84
شکل5-9.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 9 (اتويبرقي)84
شکل5-10.نمودارتوزيعانرژي 9 دستگاهدريكشكل86
شکل5-11.كلمصرفانرژيالكتريكيدرساعاتشبانه‌روز86
شکل5-12.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 5 (اتومبيلشارژي) باپيكانرژي 5/2 كيلوات‌ساعت90
شکل5-13.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 5 (اتومبيلشارژي) باپيكانرژي 5 كيلوات‌ساعت90
شکل5-14.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 6 (پمپآبي) باپيكانرژي 5/2 كيلوات‌ساعت92
شکل5-15.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 6 (پمپآبي) باپيكانرژي 5 كيلوات‌ساعت92
شکل5-16.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 7 (ماشينلباسشويي) باپيكانرژي 5/2 كيلوات‌ساعت93
شکل5-17.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 7 (ماشينلباسشويي) باپيكانرژي 5 كيلوات‌ساعت93
شکل5-18.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 8 (ماشينظرفشويي) باپيكانرژي 5/2 كيلوات‌ساعت94
شکل5-19.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 8 (ماشينظرفشويي) باپيكانرژي 5 كيلوات‌ساعت94
شکل5-20.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 9 (اتويبرقي) باپيكانرژي 5/2 كيلوات‌ساعت95
شکل5-21.نمودارتوزيعانرژيدستگاهشماره 9 (اتويبرقي) باپيكانرژي 5 كيلوات‌ساعت95
شکل5-22.نمودارتوزيعانرژي 9 دستگاهدريكشكلبرايپيك 5/2 كيلوواتساعت96
شکل5-23.كلمصرفانرژيالكتريكيدرساعاتشبانه‌روزبرايپيك 5/2 كيلوواتساعت96
شکل5-24.نمودارتوزيعانرژي 9 دستگاهدريكشكلبرايپيك 5 كيلوواتساعت97
شکل5-25.كلمصرفانرژيالكتريكيدرساعاتشبانه‌روزبرايپيك 5/2 كيلوواتساعت97
شکل5-26.نمودارتوزيعانرژي 9 دستگاهدريكشكلتلفيقسناريو 1و2101
شکل5-27.نموداركلمصرفانرژيالكتريكيدرساعاتشبانه‌روزتلفيقسناريو 1و2101
فصل6نتيجه‌گيريوپيشنهادات104
فهرست جداول
عنوانصفحهفصل1مقدمه7
فصل2مروريبرمنابعمطالعاتي18
جدول2-1.معرفيپارامترهايمدل40
فصل3مدل‌پيشنهاديكنترلرهوشمند47
جدول3-1.جدولتعرفهمتغيربازمانبرايانرژيالكتريكي56
فصل4الگوريتمحلمسألهبرنامه‌ريزي59
فصل5مطالعهمورديوتفسيرنتايج66
جدول5-1.جدولترجيحاتمصرف‌كنندهومشخصاتدستگاه‌ها69
جدول5-2.تعرفهقيمتبرقدرساعاتشبانه‌روز88
فصل6نتيجه‌گيريوپيشنهادات104
مقدمه
مقدمه
اگر توجه داشته باشيم كه منابع تامين انرژي محدود است و به همين علت بهاي انرژي مصرفي بالاست مي‌توان معناي واقعي مديريت مصرف انرژي را درك كرد. متاسفانه در کشور ما فرهنگ صحیح استفاده از انرژی هنوز هم جایگاه مناسب خود را به دست نیاورده است؛ بگونه‌ای که آمار و ارقام1 موجود در این زمینه حاکی از مصرف بی‌رویه انرژی حتی تا چندین برابر استانداردهای جهانی می‌باشد. با توجه به اینکه در کشور ما بیش از 90% انرژی‌ها2 از منابع زیرزمینی و فسیلی تهیه می‌شود که منابعی محدود و پایان پذیر می‌باشند این مسأله از درجه اهمیت بالاتری برخوردار است لذا هوشمندسازی ساختمان در کشور ما یک امر بسیار مهم به شمار می‌آید که باید به یک عزم ملی تبدیل شود تا از این طریق هم به خودمان و هم به نسل‌های بعدی خدمت کنیم. راهكاري كه در اين پژوهش ارائه شده است، می‌تواند گامی جهت توسعه هوشمندسازي خانه‌ها باشد.
ساختمان هوشمند چيست؟
يك ساختمان هوشمند بنا به تعريف انستيتو ساختمان‌هاي هوشمند، بنايي است كه با استفاده بهينه از چند عنصر پايه شامل: سازه و سيستم و خدمات مديريت و روابط دروني آنها، محيطي مناسب و داراي صرفه اقتصادي ايجاد مي‌نمايد. در ساختمان هوشمند بسياري از اعمالي كه ساكنان از روي عادت و بصورت غيرارادي انجام مي‌دهند توسط سيستم‌هاي هوشمند انجام مي‌گردد كه باعث صرفه جويي در زمان و هزينه نيروي انساني مي‌گردد.
سيستم‌هاي مديريت و اتوماسيون ساختمان
امروزه عملكرد سيستم‌هاي مديريت و اتوماسيون ساختمان در جهت كاهش هزينه‌هاي صنعت ساختمان و استفاده بهينه از تكنولوژي و بكارگيري فناوري ارتباطات و رايانه رو به رشد هستند كه در مجموع صرفه‌جويي انرژي را در بر خواهد داشت، بطوريكه صرفه‌جويي‌هاي ناشي از بكارگيري اين سيستم‌ها در مدت زمان كوتاهي موجب جبران هزينه‌هاي مربوطه مي‌شود. سيستم‌هاي كنترل هوشمند داراي انعطاف بالايي هستند و مي‌توان براحتي آنها را با نيازهاي مختلف منطبق نمود. همچنين در هنگام بهره‌برداري براحتي مي‌توان عمليات تغيير و بهينه‌سازي براي راهبری بهتر و كاهش هزينه‌هاي انرژي را انجام داد.
با بكارگيري انواع و اقسام سنسورهاي حسي در داخل و خارج ساختمان و با بكارگيري يك شبكه و سيستم واحد مي‌توان بلادرنگ اطلاعات دما، فشار، رطوبت، دبي هوا، ميزان اكسيژن و دي اكسيدكربن را در اختيار داشت و از آنها در جهت رسيدن به شرايط ايده‌آل استفاده كرد. دريك ساختمان هوشمند كه با امكانات نرم‌افزاري بوجود آمده مي‌توان نمودارهاي مختلفي را بر حسب زمان در اختيار داشت و از آنها در جهت بهبود كيفي شرايط زيستي براي ساكنين استفاده كرد.
تعامل بين ساكنان و ساختمان هوشمند
در زمان كاركرد سيستم هوشمند ساكنان در جهت صرفه‌جويي مصرف انرژي حق بازكردن پنجره‌ها را نخواهند داشت و در ساختمانهاي اداري قبل از اتمام ساعت كار، اين سيستم بصورت اتوماتيك و متناوب شروع به خاموش كردن سيستم‌هاي تهويه مطبوع می‌كند. در يك ساختمان هوشمند با امكانات بوجود آمده مي‌توان در هر زمان ميزان مصرف انرژي سوخت و برق را بدست آورد و از آن در جهت كاهش مصرف انرژي و بهينه‌سازي مصرف سوخت در ساختمان بهره برد.
بخش‌هاي مختلف يك ساختمان هوشمند
سيستم‌هاي مدرن مديرت ساختمان
سيستم‌هاي مدرن مديريت ساختمان امروزه بر پايه وب3 نگاشته مي‌شوند كه بزرگترين مزيت آن در بكارگيري امتيازات شبكه جهاني اينترنت و كنترل ساختمان از راه دور توسط سيستم‌هاي ارتباطي متداول در دنيا است. به اينصورت كه با راه‌اندازي سايت ساختمان مورد نظر و با وارد كردن شناسه كاربري و رمز عبور مي‌توان از هر مكاني بر ساختمان احاطه داشت. در اينگونه ساختمان‌ها مي‌توان با نصب تابلوهاي نمايشگر الكترونيكي در مكانهاي خاص ساختمان و نمايش دادن اطلاعات مختلف از سيستم‌هاي كنترلي ساختمان زندگي را براي ساكنين لذت بخش كرد.
نگاه اين پژوهش
در اين پژوهش بيشتر توان خود را صرف مديريت مصرف انرژی الكتريكي مي‌كنيم وبا نگاهي دقيق‌تر درمي‌يابيم كهمصرف انرژی الكتريكي بين ساعت‌های مختلف از روز، بين روزهای مختلف در هفته، و در بين فصل‌های مختلف از سال متفاوت است كه در آن بيشترين تقاضای انرژی الكتريكی به طور معمول زمانی رخ مي‌دهد كه دمای خارج افزايش مي‌يابد. در سال‌های اخير پيك انرژي مصرفي تغييرات زيادی كرده است و همين امر نگراني‌هاي ناشي از تعادل بين تقاضا و توليد نيرو را افزايش داده است. در آينده‌اي نزديك به دلايل زيست محيطي و اقتصادی،‌ نياز به شركت‌هاي توزيع با توانايي در نظر گرفتن سناريوهاي پيچيده‌ترِ تعادل نيرو4 احساس می‌شود؛ اين سناريوها بايد مبتنی بر معرفي منابع تجديدپذير توليد انرژی الكتريكي5 در مقياس بزرگ، وسايل نقليه الكتريكي شخصي6 و توزيع توليد انرژی الكتريكي در مناطق مسكوني (توليد پراكنده) باشد.
شبكه هوشمند
خيلي‌ها معتقدند كه يك تكامل اساسي در سيستم انرژي الكتريكي نياز است. از جمله اهداف اين تكامل اساسي؛ شبكه‌هاي توليد برق نسل جديد سازگار با محيط‌ زيست، قابل اعتماد و داراي سيستم هوشمند است، كه به طور كلی به عنوان شبكه هوشمند7 شناخته مي‌شود. در شبكه هوشمند، تكنولوژی‌هاي پيشرفته بازدهي توليد و انتقال انبوه در شبكه را بهبود مي‌دهند. تكنولوژیاطلاعات و ارتباطات8 به طور گسترده در شبكه‌ها براي افزايش بازدهي، اعتمادسازي و انعطاف‌پذيري به خدمت گرفته مي‌شوند[1] و [2]. در نهايت، مصرف كنندگان با مديريت فعالانه مصرف انرژي مي‌توانند از دريافت قبوض مصرفي با هزينه كمتر بهره ببرند. در حال حاضر شبكه هوشمند به يك موضوع تحقيقاتي جذاب تبديل شده است و محور اصلی پژوهش‌ها، طراحی زيرساخت‌هاي كاربردي ICT و برنامه‌هاي كاربردي مديريت انرژي مانند: مديريت منابع توزيع انرژي، مديريت وسايل خانگي (بارهاي خانگي)9 و تكنيك‌هاي پاسخ به تقاضا10 است كه به تفصيل در[3]تا [10] بحث شده است. در اصل شبكه هوشمند (SG) به عنوان يك تكنولوژي جديد امكان ارتباط دو طرفه و انتقال جريان بين كاربران نهايي و تسهيلات زندگي را فراهم مي‌كند. سه پيامد اصلي تحقق شبكه‌هاي هوشمند شامل: قابليت اطمينان شبكه‌هاي توزيع، بهره‌برداري از منابع انرژي پايدار و بهره‌وري انرژي هستند[11]. در زمينه بهره‌وري انرژي، پاسخ به تقاضا (DR) يك برنامه اساسي در سطح توزيع شناخته مي‌شود. مصرف‌كنندگان كه به طور سنتي به پرداخت نرخ ثابت براي انرژي الكتريكي عادت كرده اند، اكنون مي‌توانند تا مصرف انرژي الكتريكي خود را با توجه به تعرفه‌هاي متغير به طور عمده مديريت كنند[12] و [13].
تكنيك پاسخ به تقاضا (DR)
تكنيك پاسخ به تقاضا (DR) يك برنامه اختياری و داوطلبانه براي هر مصرف‌كننده است و به او فرصت نظارت، كاهش و يا تغيير مصارف را به گونه‌اي مي‌دهد كه صرفه‌جويي قابل ملاحظه‌اي در صورت‌حساب برق مصرفي دستگاه‌هاي خانگی خود داشته باشد[14]. موانع عمده در اجراي برنامه‌هاي پاسخ به تقاضا (DR‌) عدم دانش مصرف‌كنندگان در رابطه با چگونگی رفتار با تعرفه‌هاي متغير با زمان است و نيز تصميم‌گيري در شرايط مختلفي كه به عنوان طرح‌هاي تشويقي در نظر گرفته شده است. (براي مثال استفاده از دستگاه‌هاي پر مصرف در زمانی كه پيك مصرف پايين است؛ معمولا ساعات ابتدايي روز صورت مي‌گيرد). افزايش پياده‌سازي شبكه‌هاي هوشمند (SG) گامي مثبت در جهت به كارگيري برنامه‌هاي پاسخ به تقاضا (DR‌) است. در شبكه‌هاي هوشمند خانگی، هر مصرف‌كننده سيگنال‌هاي كنترلي را توسط سيستم دريافت مي‌كند و سيستم مي‌تواند كنترل دستگاه‌هاي خانگی را در جهت می‌نيمم‌سازي صورت‌حساب برق، در دست گيرد.
انواع برنامه‌هاي پاسخ به تقاضا (DR)
برنامه‌هاي پاسخ به تقاضا (DR) انواع مختلفي دارند كه هر كدام براي شرايط مختلف كاربرد دارند. دو دسته اصلي از اين برنامه‌ها، برنامه‌هاي مبتني بر زمان11 و برنامه‌هاي مبتني بر طرح‌هاي تشويقي- تنبيهي (مديريت طرف تقاضا12) هستند. برنامه‌هاي زمان محور بر پايه متفاوت بودن تعرفه قيمت انرژي الكتريكي در طول روز استوار است و تاثير آنها از طريق ترغيب مصرف‌كننده به مصرف برق بيشتر در ساعات كم‌باري كه انرژي الكتريكي قيمت كمتري دارد، محقق مي‌شود. برنامه‌هاي مبتنی بر طرح‌هاي مديريت طرف تقاضا (DSM) بر پايه پرداخت مبلغي به عنوان تشويق، يا جريمه مبلغي به عنوان، تنبيه به ترتيب در برابر كاهش ميزان مصرف در ساعات اوج بار يا افزايش ميزان مصرف در ساعات اوج بار، طراحي شده‌اند.
تعامل بين مصرف‌كننده و برنامه‌هاي پاسخ به تقاضا (DR)
اجراي موفق برنامه‌هاي پاسخ به تقاضا (در اينجا برنامه هايي كه زمان‌محور هستند) وابسته به انتخاب مصرف‌كننده‌ها براي كاهش مصرف برق در ساعاتي از شبانه‌روز است كه قيمت انرژي الكتريكي گرانتر است. بنابراين موفقيت‌آميز بودن برنامه‌هاي DR‌ به شدت وابسته به شرايط اقتصادي، فرهنگي و اجتماعي كشور و منطقه خواهد بود. به عبارت ديگر اجراي موفق برنامه‌هاي زمان محور، نيازمند وجود مصرف‌كنندگاني فعال و علاقه‌مند است كه با كم‌كردن مصرف خود در زمان‌هاي اوج بار (تعرفه قيمت برق بالا) و انتقال مصرف خود به ساعات كم باري به برنامه‌هاي DR پاسخ دهند.
براي بررسي كردن اين رفتار بايد شرايط زير را در نظر بگيريم؛ كه با زياد شدن تعرفه قيمت برق در يك بازه زماني،‌ مشتريان دو واكنش را بروز خواهند داد[15]:
بخشي از بار، قابل انتقال نيست و مشتركين فقط مي‌توانند در آن بازه زماني مصرف خود را كاهش دهند. به اين بخش از بار، بارهاي غيرقابل انتقال13می‌گوييم. بارهاي روشنايي، تهويه مطبوع و سيستم‌هاي صوتي و تصويري از اين دسته بارها هستند.
بخش ديگري از بار اين قابليت را دارد كه به بازه‌هاي زماني ديگري از شبانه روز منتقل شوند كه به اين بخش از بار، بارهاي قابل انتقال14 مي‌گوييم. بارهايي نظير ماشين لباسشويي، ماشين ظرفشويي از اين دسته بارها هستند. البته در ادامه در جدولي كه براي مطالعه موردي در نظر گرفته شده است دسته سومي از بارها هستند كه اگرچه زير مجموعه بارهاي قابل انتقال هستند اما انرژي مصرفي آنها هم مي‌تواند متغير باشد و با تامين نياز شارژ روزانه، دستگاه آماده به كار مي‌شود. براي مثال بعضي از دستگاه‌هاي شارژي داراي شارژهاي هوشمندي هستند كه مي‌توانند در يك بازه انرژیمتغير و مخصوص به خود، انرژی مصرف كنند و لذا با مديرت مصرف انرژي مي‌توان آنها را به گونه‌اي برنامه‌ريزي كرد كه در ساعات اوج بار انرژي كمتري مصرف كنند و در زماني كه تعرفه قيمت برق پايين است انرژي بيشتري مصرف كنند. براي مثال دستگاه‌هاي نقليه الكتريكي شخصي (PEVs) از جمله اين بارهاي خانگی محسوب مي‌شوند.
واكنش اول از طرف مشتركين، مستلزم كم كردن مصرف و در نتيجه فدا كردن بخشي از رفاه اجتماعي از طرف مصرف‌كنندگان است و واكنش دوم نيز مستلزم انجام كارهاي روزمره در زمانهاي غيرمطلوب و در نتيجه از دست رفتن بخش ديگري از رفاه اجتماعي توسط مردم است. پس به عبارتي پاسخ به برنامه‌هاي زمان‌محور توسط مردم، با از دست رفتن بخشي از رفاه اجتماعي همراه خواهد بود كه باعث كمتر شدن همراهي مشتركين با برنامه‌هاي زمان‌محور DR خواهد شد چرا كه مشتركين نمي‌خواهند به سادگي بخشي از رفاه خود را از دست بدهند.
مقايساتی بين اين پژوهش و پژوهش‌هاي انجام شده
در راستاي تحقيقاتي مرتبط با مديريت مصرف انرژي در اروپا، اهدافي از قبيل اختصاص 20% از سهم توليد انرژي الكتريكي از ژنراتورهای تجديدپذير و 20% صرفه جويي در انرژی الكتريكي، در نظر گرفته شده‌اند تا در سال 2020 محقق شوند[16]. در[3] از تكنيك بهينه‌سازي محدب براي برنامه‌ريزي انرژي مصرفي هر كدام از دستگاه‌هاي خانگي استفاده شده است كه در آن هم روش‌هاي متمركز بهينه‌سازي بر مبناي برنامه‌ريزي خطي و هم روش‌هاي غيرمتمركز بر پايه تئوري بازي‌ها پيشنهاد شده است. با اين حال، چارچوب بهينه‌سازي ارائه شده در[3]، در عمل براي تمامي دستگاه‌هاي خانگي مناسب نمي‌باشد. دليل آن اينست كه برخي از دستگاه‌هاي خانگي الگوي انرژي مصرفي ثابتي را دارند به اين معني كه وقتي اين دستگاه روشن مي‌شود تا زماني كه كار خود را به اتمام برساند، بر اساس الگوي انرژي مصرفي خود انرژي مصرف مي‌كند. در اين مورد، ما مي‌توانيم فقط زمان شروع به كار دستگاه‌ را بهينه كنيم و انرژي مصرفي آن دستگاه‌ در حين عمليات تحت بهينه‌سازي قرار نمي‌گيرد و بنابراين پارامتر بهينه‌سازي محسوب نمي‌شود. در اين پژوهش، ما مايل به معرفي ويژگي‌اي هستيم كه در آن برخي از دستگاه‌هاي خانگي مشخص مانند ماشين لباسشويي يا ماشين ظرفشويي براي بهترين زمان شروع به كار برنامه‌ريزي مي‌شوند و بايد به آنها اجازه داده شود تا بدون وقفه براساس الگوي انرژي مصرفي خود، عملياتشان را به پايان برسانند.
در اين پژوهش سعي شده است كه تمركز اصلي بر روي برنامه‌ريزي انرژي مصرفي باشد كه به عنوان مديريت طرف تقاضا15 شناخته می‌شود. در اين پژوهش با الهام گرفتن از مكانيسم برنامه‌ريزي[3]، با استفاده از تكنيك برنامه‌ريزي خطي عدد صحيح يك متد مديريت تقاضا پيشنهاد شده است. مكانيسم پيشنهادي در اولين گام خود به عنوان هدف اوليه وظيفه می‌نيمم كردن پيك انرژي مصرفي در ساعات شبانه روز را بر عهده دارد. اين مكانيسم هم ترجيحات كاربر و هم مشخصات خاص هر يك از دستگاه‌هاي خانگی را به طور توأمان در نظر مي‌گيرد و مي‌تواند در دستگاه‌هاي مديريت مصرف انرژي در خانه يا كنترلرهاي هوشمند خانگی16 به كار رود. اين دستگاه‌ها به طور كلي به عنوان كنترل‌كننده بارهاي خانگي در شبكه‌هاي خانگي17 شناخته مي‌شوند. در ادامه اين پژوهش با تغييراتي كه در مدل رياضي ارائه مي‌شود با به خدمت گرفتن تعرفه قيمت انرژي الكتريكيِ متغير با زمان، بهينه‌سازي‌اي در جهت مي‌نيمم كردن هزينه انرژي مصرفي نيز ارائه مي‌شود. در نهايت هم براي تكميل كردن پژوهش، هر دوي اين اهداف را توأمان در نظر گرفته و ميبينيم آيا مي‌شود با مديريت پيك مصرف انرژي دستگاه‌ها را از آسيب‌پذيري در امان داشت و به طور همزمان به كاهش هزينه‌هاي برق مصرفي فكر كرد؟! همه اين نتايج و بيشتر از آن، در قالب نمودارهايي پس از حل مدل ارائه مي‌شودو نتايج با هم مورد مقايسه قرار مي‌گيرند.
[17] تا [19]، مديريتي از مصرف انرژي را بر اساس تعرفه قيمت انرژي الكتريكي متغير با زمان ارائه داده‌اند كه مخصوصا در كاهش پيك انرژي مصرفي هم تاثير دارند اما با اين وجود توازن برقرار كردن در بين بارهاي خانگی فقط در اينصورت امكانپذير است كه مصرف كنندگان هم بتوانند و هم مشتاق باشند تا از اطلاعات تعرفه‌ها بهره جويند. براي مثال خيلي دور از ذهن است كه از بيشتر مصرف‌كنندگان توقع داشت كه بهترين عملكرد اقتصادي دستگاه‌هاي خانگی خود را تحت تعرفه‌هاي متغير با زمان شناسايي كنند به طوري كه منجر به بروز اضافه بار هم نشود! به همين علت وجود يك سيستم تصميم‌گيري خودكار كه به طور مستقيم عملكرد دستگاه‌هاي خانگي را بر عهده بگيرد و توصيه‌هاي لازم را به مصرف‌كننده بكند، بسيار مطلوب است. در نظر گرفتن اين دو هدف اصلی در مديريت انرژيمصرفی شامل؛مي‌نيمم كردن پيك انرژي مصرفي در ساعات روز و مي‌نيمم كردن هزينه برق مصرفي در طول روز، اين پژوهش را از ساير پژوهش‌هاي مرتبط متمايز می‌كند. چراكه در كارهاي مرتبط پيشين معمولا يكي از اهداف مورد بررسي در اين پژوهش، مورد بحث قرار گرفته اند. كه در مرور ادبيات به تفصيل به آنها خواهيم پرداخت.
فصل‌بندي
پيشتر در باره اهداف اين پژوهش توضيح داديم؛‌ اما در فصل 2 به تفصيل به بررسي مقالات و پژوهش‌هاي انجام شده در رابطه با تغيير زمان بارهاي خانگی در جهت كاهش هزينه‌هاي انرژي و مي‌نيمم كردن پيك انرژي مصرفي مي‌پردازيم و براي فهم بهتر موضوع، 2 تا از مرتبط‌ترين مقالات به موضوع بحث را با بيان مدل‌ها و ساختار مسأله شرح مي‌دهيم؛ لازم به توضيح است كه هر كدام از مدل‌هاي ارايه شده در مرور ادبيات نيز به طور كامل بر روي يك مطالعه موردي پياده شده و مورد حل قرار گرفته‌اند و جواب‌هاي آنها با مقالات مقايسه شده‌اند كه در اين گزارش،‌ فقط به ارائه مدل‌ها در مرور ادبيات بسنده كرده‌ايم.
در فصل 3، با ارائه دسته‌بندي خاصي از دستگاه‌هاي خانگی و بررسي نيازمندي‌هاي مربوط به هركدام از آنها، مدلي از مصرف انرژي در دستگاه‌هاي خانگي را ارائه مي‌دهيم. براي جامع بودن و در جهت پياده‌سازي عملي اين پژوهش سعي شده است همه پارامترهاي مورد نياز براي مصرف‌كننده در مدل لحاظ شود از اينرو اين مدل مي‌تواند شامل متغيرهايي باشد كه نقشي را در حل مساله برنامه‌ريزي خطي ايفا نكنند اما بودن آنها و مدل كردن آنها، جهت بررسي كل انرژي مصرفی روزانه و مقايسه پيك مصرف انرژي بسيار حائز اهميت است.
در فصل 4، به معرفي الگوريتم برنامه‌ريزي عدد صحيح مختلط مي‌پردازيم و در ادامه هم به يكي از روش‌هاي برنامه‌ريزي آرماني18نگاهي مي‌اندازيم و از آن براي حل مدل برنامه‌ريزي خطي با اهداف چندگانه بهره مي‌جوييم.
در فصل 5، جهت پياده‌سازي يك مطالعه موردي، ضمن پرسش از يك مصرف‌كننده داوطلب جدولي از ترجيحات او تهيه شده است. اين جدول شامل ترجيحات مصرف‌كننده در ارتباط با زمان استفاده از دستگاه‌هاي خانگي است و با توجه به مشخصاتي كه از هركدام از دستگاه‌ها در جدول ارائه شده است گام‌هاي مدلسازي مسأله پله پله طي شده و در نهايت مدل جامعي ارائه شده است. در ادامه با پياده‌سازي سناريوهاي مختلف بر روي مدل، نتايج آن‌ها مورد تحليل قرار گرفته و با هم مقايسه شده‌اند.
در فصل 6، جمع‌بندي مختصري از فصل‌هاي قبل ارائه شده است و سپس پيشنهاداتي در راستاي ارتقاي فرآيند برنامه‌ريزي به منظور كاهش پيك انرژي مصرفي و كاهش هزينه انرژي مصرفي، ارائه شده است.
مروري بر منابع مطالعاتي
مقدمه
در سالهاي اخير مسأله تغيير زمان بارها19 توجه تحقيقات مختلف و زمينه‌هاي كاري گوناگون را به خود جلب كرده است؛ در ميان ملاك‌هاي مختلفي كه براي تغيير زمان بارها به كار مي‌رود براي مثال مي‌توان: مديريت پيك انرژي مصرفي، می‌نيمم‌سازي هزينه انرژي الكتريكي مصرفي وقتي تعرفه‌ها و DSM بكار برده شوند، ماكزيمم‌سازي آسايش مصرف‌كنندگان، را نام برد.
مسألهتغيير زمان بار
توجه به تعرفه‌هاي زمان استفاده20 تا آنجا مورد استقبال قرار گرفت كه در[20] از الگوريتم شبكه‌هاي عصبي براي تغيير زمان بار در يك كارخانه پتروشيمي و نيز در[21] از منطق فازي براي تغيير زمان بار در حيطه يك سيلندر آب گرم استفاده كردند، بيشتر اين روش‌هاي استفاده شده رويكرد بهينه‌سازي داشتند. در[22] و [23] نويسندگان، پيشنهاد يك رويكرد بهينه‌سازي را با بررسي دو مطالعه موردي به ترتيب بر روي يك آسياب آردي معمولي و نيز كوره‌هاي قوس الكتريكي در هند را دادند: در همه اين مطالعات توجه ويژه‌اي به محدوديت‌هاي فني واحدهاي مورد مطالعه شده است. اشكال اصلي همه اين مطالعات مبتني بر چارچوب بهينه‌سازي، ناتواني آنها در مديريت اختلالات خارجي و يا نادقيقي مدل است كه در[24] شرح داده شده است؛ تكرار بهينه‌سازي در آنها در جهت جبران كمبودها لحاظ نشده است و لذا يك كنترل فعال براي پروسه انتقال‌بار وجود ندارد. در[25] مساله تغيير زمان بار به عنوان يك مساله كنترل بهينه گسسته پيشامد مدل شده است و با استفاده از تكنيك‌هاي استاندارد بهينه‌سازي حل شده است؛ مطالعه موردي انجام شده توسط يك معدن ذغال سنگ در آفريقاي جنوبي است، هدف در اين مطالعه كنترل گروهي از نوار نقاله‌ها با ميزان انرژي مصرفي ثابت است؛ زماني كه انرژي مصرفي با وجود تعدادي از محدوديت‌هاي فني مي‌نيمم شود. نوار نقاله‌ها در مسير حمل، ذغال سنگ با كيفيت را به سيلو انتقال مي‌دهند. سيلو به عنوان پايگاه مركزي براي بارگذاري قطار محسوب مي‌شود و محصول را به يك ترمينال نهايي انتقال مي‌دهد. يك بهينه‌سازي جديد هر زمان كه قطار مي‌رسد، با دخيل كردن رفتار محيط توسط كنترلر انجام مي‌شود.

سيستم مديريت مصرف انرژي در خانه‌هاي مسكوني
با تمركز بيشتر در بخش مسكوني، مي‌توان بعضي از پژوهش‌هاي پيشگام را در ادبيات مربوطه يافت كه يا به بررسي جنبه‌هاي تكنولوژيكي يا جنبه‌هاي رياضي‌گونه مساله مي‌پردازند؛ اولين ملاحظات مربوط به چگونگي رفتار سيستم مديريت مصرف انرژي در محدوده خانه‌هاي مسكوني در اوايل دهه 1990 مطرح شد[26] و [27]. با توجه به موارد ذكر شده در بالا، اخيرا نياز به مديريت تقاضاي رو به رشد انرژي الكتريكي و مديريت بازدهي انرژي‌هاي تجديدپذير، پژوهش‌هاي اين حوزه را سرعت بخشيده‌اند. در[28] يك طبقه‌بندي از دستگاه‌هاي خانگی ارائه شده است و در ادامه معماري شبكه‌اي با امكان پياده‌سازي عمومي از برنامه‌هاي كاربردي صرفه‌جويي انرژي براي محيط خانه توصيف شده است؛ اين سيستم پيرامون يك گره گذرگاهی21 ساخته شده است كه ارتباط كم هزينه دستگاه‌ها را براي ارتباطات كاربر در داخل و خارج از شبكه خانگي فراهم می‌كند. اين گذرگاه يك واحد مركزي براي ميزباني سرويس‌هاي منطقي صرفه‌جويي انرژي است اين سرويس‌ها شامل مانيتورينگ انرژي و عملكردهاي كنترلي سيستم است.‌ در[29] پس از يك بررسي مقدماتي در مورد همه انواع دستگاه‌هاي خانگي موجود در منازل مسكوني، فهرستي از راهنمايي‌هايي با هدف استانداردسازي مديريت بارها و انرژي در منازل مجهز به شبكه، پيشنهاد شده است.
ارائه مسأله برنامه‌ريزي
در[30] و [31]مسأله مصرف خانگي به عنوان يك مسأله برنامه‌ريزي تحت محدوديت انرژي الكتريكي بيان شده است كه اين محدوديت توسط ارائه دهنده انرژي بوجود آمده است؛ منفعت اصلي بيان اين مسأله به عنوان يك مسأله برنامه‌ريزي امكان استفاده از نتايج بدست آمده در اين زمينه پژوهشي است. در[30]، محدوديت منابع در مسأله برنامه‌ريزي بر روي يك سيستم گرمايش الكتريكي بررسي شده است. روش ديگر كه در[31] از آن استفاده شده است، مسأله برنامه‌ريزي مشخصي براي تجهيزات است كه بوسيله گراف مدل شده است و در نهايت با استفاده از الگوريتم بلمن فورد22 حل شده است. در هر دوي اين پژوهش‌ها می‌نيمم سازي هزينه انرژي مصرفي به عنوان هدف در سيستم كنترلي در نظر گرفته نشده است و توجه اصلي بر روي ماكزيمم سازي راحتي مصرف‌كننده از نقطه نظر حرارتي بوده است.
استخراج اطلاعات بارهاي خانگي
در[32] يك مدل شبيه‌سازي براي استخراج اطلاعات بارهاي خانگي تحت تعرفه ثابت انرژي الكتريكي پيشنهاد شده است و تغييرات در اين اطلاعات، وقتي اهالي خانه با دستگاه‌هاي خانگي هوشمند و تعرفه‌هاي متغير با زمان مجهز شده‌اند، شبيه‌سازي شده است. اين مسأله، يك مسأله بهينه سازي با هدف ارزيابي تغييرات كلي مشخصات روزانه بارها بدون در نظر گرفتن؛ تعامل مصرف‌كننده در زمان، مديريت پيك مصرف و امكان جابه‌جايي بارها است.
رويكردي ازتغيير زمان بارها
در نهايت ساختار جالب و رويكردهاي مختلف براي جابه‌جايي بارها در سري پژوهش‌هاي[33] تا [35] پيشنهاد شده است. به طور مشخص در[33] يك سيستم برنامه‌ريزي توزيعي مبتني بر شبكه‌هاي‌ عصبي مصنوعي23(ANNs) كه با الگوريتم ژنتيك24(GAs) تنظيم شده است، پيشنهاد شده است و هدف آن مازيمم‌سازي خود مصرفي25 در بخش مسكوني است؛ اين سيستم از چندين ANNs واقع در انواع مختلف دستگاه‌هاي خانگي در خانه تشكيل شده است كه قادر به توليد انرژي فوتوولتاييك26 هستند. دستگاه‌هاي خانگي برنامه‌پذير در هنگام توزيع برنامه‌ريزي مي‌شوند و سپس يك هماهنگ‌كننده27 خروجي را به گونه‌اي تنظيم مي‌كند تا با ارائه يك برنامه تغيير زمان بار شدني، خود مصرفي در روز بعد بهبود يابد. به طور كلي، روش به مصرف‌كننده اين امكان را مي‌دهد تا با توجه به نيازهاي خود امكان تغيير زمان بار را با هدف بهره‌وري انرژي داشته باشد، اما اين روش نمي‌تواند يك چارچوب زمان واقعي را براي مصرف‌كننده فراهم كند چراكه كاربر بايد فهرستي از دستگاه‌هاي مورد استفاده در 24 ساعت آينده را تهيه كند. علاوه بر اين، ديد كامل ماژولار از آن بدست نمي‌آيد؛ تعداد كارهاي لازم بايد مشخص باشد، زيرا اين امر برروي ساختار ANN هماهنگ‌كننده اثر مي‌گذارد و نويسندگان ANNs با يك ساختار تعريف نشده نمي‌توانند مشخصات GA اشاره شده در پژوهش را استنتاج كنند. اشكالات ديگر مربوط به اطلاعات انرژي مصرفي براي بارهاي به تاخيرانداختني28 است كه در كل مدت زمان اجراي فرآيند براي آنها يك انرژي مصرفي ثابت در نظر گرفته مي‌شود و براي بارهاي غير قابل تاخير29، آنها به طور صريح در فرموله‌سازي مسأله به كار نمي‌روند؛ درنهايت در ارزيابي بعد از گرفتن نتايج نويسندگان اظهار مي‌كنند در 15 درصد از موارد اختلافاتي در فواصل زماني تعيين شده توسط مصرف‌كننده براي بارها شناسايي شدند كه مي‌تواند رضايت مصرف‌كننده را مختل كنند.
اعمال فرضيات گوناگون
مرجع [34]، استفاده از برنامه ريزي خطي را در مديريت انرژي الكتريكي مصرفي توسط يك مصرف‌كننده صنعتي براي توليد محصول را، شرح مي‌دهد.[35]، فرمول‌هاي تحليلي و استراتژي‌هاي برنامه‌ريزي را براي يك مصرف‌كننده صنعتي، تحت فرضيات گوناگون و محدوديت‌هاي مختلف مدل نشان مي‌دهد. يك دانش تقويتي مبتني بر چارچوب برنامه‌ريزي دستگاه‌هاي خانگي براي مصرف‌كنندگان خانگي در[36] معرفي شده است، با اين فرض كه هم تعرفه و هم درخواست مصرف‌كننده براي عمليات دستگاه‌هاي خانگي از الگوي تصميم‌گيري ماركوف30 تبعيت مي‌كند.
مديريت طرف تقاضا (DSM)31
اما بعد از بررسي نمونه پژوهش‌هاي مرتبط با تغيير زمان بارها و نيز بحث برنامه‌ريزي دستگاه‌هاي خانگي بهتر استپژوهش‌هاي مرتبط با مديريت طرف تقاضا (DSM) را هم مورد بررسي قرار دهيم. در پژوهش‌هاي نظري و آزمايشات عملي جنبه‌هاي مختلفي از DSM مورد بررسي قرار گرفته است. انبوه زيادي از اين پژوهش‌ها بر مزاياي DSM تمركز كرده اند. در[37] تمركز اصلي بر روي تاثير استفاده از DSM‌براي توانمندسازي استفاده از سهم بزرگي از سيستم‌هاي خورشيدي فوتوولتائيك است.[38]، مزاياي DSM را براي تعادل عرضه و تقاضا در سيستم‌هايي كه سهم بالايي از ژنراتورهاي متناوب تجديدپذير را به خود اختصاص داداند، بيان مي‌كند. اين سيستم‌ها شامل تركيبي از نيروگاه‌هاي حرارتي و توليد برق است. مديريت طرف تقاضا مي‌تواند هزينه توليدات را با موازنه قدرت و جايگزيني نيروگاه‌هاي گران‌قيمت گازي كه فقط چند ساعت در طول سال استفاده مي‌شوند، كاهش دهد. علاوه براين DSM سرمايه‌گذاري در بخش انتقال و توزيع را از طرق افزايش بهره برداري‌ها، بهبود مي‌بخشد.[39]، مزاياي نصب و راه‌اندازي سيستم‌هايي با تكنولوژي DSM‌ را پيشنهاد مي‌دهد مانند اندازه‌گيرهاي هوشمند32 كه مديريت دقيق‌تر صورت‌حساب و اطلاعات جزيي مربوط به مشتري را اعلام مي‌كند و آگاهي از مصرف انرژي الكتريكي را افزايش مي‌دهد.
رويكرد DSMدر اين پژوهش
ما در اين پژوهش بر روي تعرفه‌هاي متغير با زمان بصورت ساعتي 33ToU به عنوان مشوق‌هاي DSM تمركز كرده‌ايم. با وجود چنين تعرفه‌هايي مصرف‌كنندگان طي ساعت‌هاي مختلف مبالغ متفاوتي را براي انرژي الكتريكي پرداخت مي‌كنند. نمودار 1، اطلاعات تعرفه‌هاي برق را كه به طور اختصار به آن RTP34 هم مي‌گويند در اختيار مصرف‌كننده قرار مي‌دهد. (اين نمودار از[40]، تهيه شده است.) از جمله تكنيك‌هاي DSM كنترلتغيير زمان بار است كه به تفصيل دربالا بررسي شد.
تعرفه قيمت انرژي الكتريكي براي شهر نيويورك، 15 ماه فوريه 2011 (NYISO)
بررسي تفصيلي اولين پژوهش مرتبط
يكي از پژوهش‌هايي را كه در اينجا به تفصيل به بررسي آن مي‌پردازيم[41] است. اين پژوهش بسيار به پژوهش ما نزديك است. در[41]، نويسنده،مسأله برنامه‌ريزي دستگاه‌هاي خانگي را در نظر گرفته است و بر خلاف[42]، چارچوب مسأله، يك مسأله برنامه‌ريزي قطعي و محاسبه هزينه بر اساس تعرفه، و به طور معمول در 24 ساعت در نظر گرفته شده است. علاوه بر اين، پژوهش مورد مطالعه سعي كرده است تا آنجا كه ممكن است با هدف مدل كردن مسأله تصميم‌گيري مشابه با آنچه در واقعيت است پيش رود. از اين رو، برنامه‌ريزي خطي و تحليلي ساده شده كه مبتني بر ابزارهاي تحليلي است براي هدف پژوهش مورد مطالعه كافي نبوده است. در پژوهش مورد مطالعه يك مدلسازي از انرژي مصرفي با استفاده از برنامه‌ريزي تركيبي عدد صحيح35 يا به اصطلاح برنامه‌ريزي عدد صحيح مختلط ارائه شده است. برنامه طراحي شده در 24 ساعت شبانه‌روز است و اغلب نيازمند برنامه‌هاي تنظيم زمان واقعي توسط اهالي خانه است. لذا پژوهش مورد مطالعه يك مطالعه عددي است و يك سناريوي برنامه‌ريزي معمولي را نشان مي‌دهد، براي برنامه‌هاي نزديك به بهينه مي‌توان از نتايج حل MILP‌ با تعداد تكرارهاي كمتر بهره جست. در همان زمان، با ارائه اين راهكار مي‌توان زمان حل را به طور چشمگيري كاهش داد و حتي نشان داد كه براي برنامه‌هاي زمان واقعي خانواده پايدار است.
چارچوب مدل
در پژوهش مورد مطالعه و چارچوب مدل ارائه شده، براي عمليات يك دستگاه‌ خانگي، ترتيبي از فازهاي كاري دخيل است كه ما نيز در پژوهش خود اين ترتيب را در نظر مي‌گيريم. مدلبندي مسأله با در نظر گرفتن محدوديت‌هاي موجود براي دستگاه‌ها و ميزان مصارف آنها انجام مي‌شود اما پيش از آن بهتر است توضيحاتي در مورد فازهاي كاري داده شود.
فازهاي كاري
در اصل يك فاز كاري يك زير مجموعه‌اي از عمليات آن دستگاه‌ است كه بدون خلل در يك بازه زماني انجام مي‌شود و ميزان مشخصي انرژي مصرف مي‌كند. دستگاه در آن فاز كاري بطور مداوم به كار خود ادامه مي‌دهد تا به اتمام برسد و لذا فاز كاري بعدي تا زمان اتمام فاز كاري قبلي شروع نمي‌شود. (براي مثال چرخش ماشين لباسشويي شروع نمي‌شود تا زمان كه محفظه داخلي از آب پر شود.)
مقايسه پژوهش مورد مطالعه با اين پژوهش
در پژوهش مورد مطالعه نوع خاصي از محدوديت‌ها در نظر گرفته شده‌اند نشان مي‌دهند يك دستگاه‌ مشخص نمي‌تواند قبل از اتمام عمليات بعضي از دستگاه‌هاي ديگر شروع به كار كند. در پژوهش ما اين محدوديت به اين شكل در نظر گرفته نشده است و همانطور كه در ادامه توضيح خواهيم داد مصرف‌كننده مطابق جدول ترجيحاتي كه به ما داده است مشخص كرده كه چه دستگاهي‌ در چه زماني نياز به روشن شدن دارد و مي‌توان با در نظر گرفتن محدوديت‌هايي در بازه‌هاي زماني خاص از پيچيدگي پژوهش مورد مطالعه كاست. پژوهش مورد مطالعه پيك انرژي مصرفي را هم تا حدودي در نظر گرفته است اما جامعيت ترجيحات كاربر را به اندازه ما در مسأله دخيل نكرده است و علاوه بر اين هدف مورد نظر خود را فقط می‌نيمم كردن هزينه در نظر گرفته در حالي كه اين هدف مي‌تواند مي‌نيمم كردن پيك انرژي نيز باشد كه در پژوهش ما مورد بررسي قرار گرفته است.
فرمول‌بندي مدل
مدل MILP پيشنهادي در پژوهش مورد مطالعه به شرح زير است:

min┬(p,x,s,t)⁡∑_(k=1)^m▒〖c^k (∑_(i=1)^N▒∑_(j=1)^(n_i)▒p_ij^k ) 〗
Subject to:
∑_(k=1)^m▒p_ij^k =E_ij ∀i,j
▁P_ij^k x_ij^k≤p_ij^k≤¯P_ij^k x_ij^k ∀i,j,k
∑_(i=1)^N▒∑_(j=1)^(n_i)▒p_ij^k ≤PEAK^k, ∀k
▁T_ij≤∑_(k=1)^m▒x_ij^k ≤¯T_ij, ∀i,j
{■(x_ij^k≤1-s_ij^k ∀i,j,[email protected]_ij^(k-1)-x_ij^k≤s_ij^k ∀i,j,∀k=2,3,…,[email protected]_ij^(k-1)≤s_ij^k ∀i,j,∀k=2,3,…,m)┤
x_ij^k≤s_i(j-1)^k, ∀i,k,∀j=2,3,…,n_i
x_il^k≤s_(i ̃n_i ̃ )^k, ∀k
t_ij^k=s_i(j-1)^k-(x_ij^k+s_(ij )^k) ∀i,k,∀j=2,3,…,n_i
▁D_ij≤∑_(k=1)^m▒t_ij^k ≤¯D_ij ∀i,∀j=2,3,…,n_i
x_ij^k≤TP_(i )^k, ∀i,j,k
■(■(■(p_ij^k∈R ∀i,j,[email protected]_ij^k∈{0,1}, ∀i,j,k )@s_ij^k∈{0,1}, ∀i,j,k )@t_ij^k∈{0,1}, ∀i,k,∀j=2,3,…,n_i )
در فرمول‌بندي بالاp_ij^k نشان دهنده فاز j ام از عمليات دستگاه‌i ام در kامين بازه زماني است (انديس زمان نمونه‌برداري) و واحد آن هم كيلووات ساعت مي‌باشد. براي مثال p_13^5، مشخص مي‌كند كه دستگاه 1 در 3 امين فاز عملياتي خود در 5 امين زمان نمونه‌برداري چه مقدار انرژي مصرف مي‌كند.x_ij^k متغيرهاي تصميم دودويي هستند كه اگر x_ij^k=1 يعني دستگاه‌i در j امين فاز عمليات خود در بازه زماني kام است. دو تا ديگر متغير تصميم دودويي هستند كه در پژوهش مورد مطالعه در نظر گرفته شده‌اند اما در پژوهش ما با وجود جدول ترجيحات كاربر نيازي به آنها احساس نمی‌شود. s_ij^k كه نشان مي‌دهد اگر يك شود دستگاه‌i ام در j امين فاز عملياتي در kامين بازه زماني، كار خود را به پايان رسانده است.t_ij^k متغير تصميم دودويي است كه نشان مي‌دهد آيا دستگاه‌i ام در kامين بازه زماني از فاز عملياتي j-1 به فاز عملياتي jمی‌رود يا نه؟! كه انديس j تعداد كل فازهاي عملياتي دستگاه‌i را نشان مي‌دهد كه از 2 تا n_i قابل تغيير است.
c^k تعرفه قيمت انرژي الكتريكي در در k امين بازه زماني است. مصرف كامل انرژي الكتريكي توسط كل دستگاه‌هاي خانگی برابر فرمول (2-1) است كه هدف آن مي‌نيمم‌سازي هزينه كل انرژي مصرفي است.
محدوديت (2-2)، محدودتي است كه از فراهم كردن انرژي مورد نياز هر دستگاه در فازهاي كاري خود، اطمينان حاصل مي‌كند. E_ij نيازمندي انرژي براي فاز j ام عمليات دستگاه‌i ام مي‌باشد. كه همانطور كه در پژوهش مورد مطالعه گفته شده در مشخصات هر دستگاه‌ به آن اشاره شده است.
محدوديت (2-3) به عنوان محدوده فازهاي كاري است كه در آن ▁P_ij^k و ¯P_ij^k محدوده بالايي و پاييني براي اختصاص فازهاي كاري به هر دستگاه‌ مي‌باشد و جزء ويژگي‌هاي آن دستگاه‌ است.
محدوديت (2-4) براي امنيت انرژي مصرفي لحاظ شده است و PEAK^k به عنوان پيك انرژي مصرفي (رنج بالايي در كل بازه انرژي) در بازه زماني ‌k است. در پژوهش مورد مطالعه اين پارامتر را به عنوان يك پارامتر خروجي از تامين كننده انرژي برق گرفته‌اند و حل مساله را با اين فرض به جلو برده‌اند در حالي كه در پژوهش ما يكي از اهداف، همين مي‌نيمم سازي پيك انرژي مصرفي در طول شبانه روز است.
محدويت (2-5) مربوط به محدوده عمليات هر فاز كاري است كه ▁T_ij و ¯T_ij به ترتيب محدوده بالا و پايين از تعداد بازه‌هاي زماني براي فاز كاريj ام در دستگاه‌i ام است كه بايد پردازش شود.
محدوديت‌هاي (2-6) متعلق به محدوديت‌هاي غيرقابل وقفه است. از آنجايي كه در پژوهش ما اين نوع متغيرها استفاده نشده و به نوعي اضافي تلقي مي‌شود لذا به همين توضيح بسنده مي‌كنيم در صورت نياز به اطلاعات بيشتر به[41] رجوع كنيد.محدوديت (2-7) مربوط به پردازش‌هاي ترتيبي است و نشان ميدهد هرفاز كاري براي يك دستگاه‌ جهتِ گذار به فاز ديگر بايد عمليات خود را به اتمام برساند كه در پژوهش ما اين ويژگي به صورت ساده‌تر به عنوان يك محدوديت بيان شده است. به همين ترتيب براي نشان دادن پردازش‌هاي ترتيبي بين دستگاه‌هاي خانگي ديگر از محدوديت (2-8) استفاده شده است كه در آن i ̃ انديس دستگاهي است كه قبل از شروع كار دستگاه‌i ام بايد كارش به اتمام برسد.
به همين ترتيب محدوديت‌هاي (2-9)، (2-10)، (2-11) و (2-12) مشخص مي‌شوند كه در آنها ▁D_ij و ¯D_ijبهترتيب محدوده بالايي و پاييني براي تاخير بين فازهاي كاري را نشان مي‌دهد و به عنوان مشخصات دستگاه‌ بايد در اختيار باشد. TP_(i )^k ترجيح تاخير زماني توسط مصرف‌كننده را نشان مي‌دهد در اصل محدوديت (2-11) تنها محدوديتي است كه به نوعي ترجيحات مصرف‌كننده را در مدل مسأله در نظر مي‌گيرد و از اين جهت شايد در ارضاي نيازهاي مصرف‌كننده ناتوان باشد. براي مثال TP_(i )^k=0 زماني اتفاق می‌افتد اگر و فقط اگر هيچكدام از فازهاي كاريدستگاه‌i ام در بازه زماني k اتفاق نيفتد. (مصرف‌كننده اينطور بخواهد)
انتقاداتي بر پژوهش مورد مطالعه
اگرچه در مورد[41] به طور خلاصه صحبت كرديم و مدل ارائه شده در آن پژوهش را به اختصار شرح داديم اما مهمترين ايرادي كه از ديد ما در اين پژوهش وجود دارد تاكيد بيشتر بر روي مشخصات دستگاه‌هاي خانگي و كمرنگ كردن ترجيحات مصرف‌كننده است. در پژوهش ما تاكيد اصلي بر روي ترجيحات مصرف‌كننده است و مطالعه موردي بر روي جدولي است كه توسط مصرف‌كننده به ما داده شده است در اين جدول مصرف‌كننده مشخص مي‌كند كه تمايل دارد از دستگاه‌هاي خانگي در چه زمان‌هاي استفاده كند و حل مسأله پيشنهاد‌هايي با توجه به ترجيحات مصرف‌كننده به او مي‌دهد كه به طور همزمان در راستاي بهينه كردن اهداف مورد بررسي نيز، است.
بررسي تفصيلي دومين پژوهش مرتبط
مرجع ديگري كه به تفصيل در مورد آن صحبت می‌كنيم[43] است. در ايننويسندگان سناريوهاي خاصي را براي بررسي در نظر گرفته‌اند كه براي پژوهش ما حائز اهميت است.
سناريوي 1: مديريت اضافه‌بار در حوزه خانه
در اين سناريو سيستم كنترل و برنامه‌ريزي بايد استفاده از دستگاه‌هاي خانگي را به گونه‌اي مديريت كند تا از اضافه‌بار در حوزه خانه جلوگيري شود. راهكاري كه پژوهش مورد مطالعه در نظر گرفته است استفاده از تعرفه قيمت‌هاي ثابت در طول روز و ثابت نگه داشتن آستانه انرژي مصرفي است. اين روزها به طور تجربي بسيار اتفاق مي‌افتد كه استفاده همزمان از دستگاه‌هاي خانگي منجر به اضافه‌بار مي‌شود، و لذا مصرف‌كننده مجبور است كه بنا به تجربه خود دستگاه‌ها را مرتب كند. اتوماسيون به عنوان يك راه حل مفيد زماني كه انتخاب خوب اقتصادي از لحاظ پايين بودن آستانه انرژي مصرفي مهم است، پيشنهاد مي‌شود و مي‌تواند انرژي الكتريكي مصرفي را در زمان‌هاي مشخصي از شبانه‌روز متمركز كند.
سناريوي 2: بهينه‌سازي صرفه‌جويي اقتصادي
عنوان مناسب و دقيق‌تر اين سناريو، بهينه‌سازي صرفه‌جويي اقتصادي با در نظر گرفتن تعرفه‌هاي متغير با زمان يا تعرفه هاي زمان استفاده (ToU Tariff)، است. در اين سناريو سيستم كنترل و برنامه‌ريزي بايد استفاده از دستگاه‌ها را با هدف مي‌نيمم كردن هزينه انرژي الكتريكي مصرفي،‌ بهينه كند. همانطور كه نويسندگان در پژوهش مورد مطالعه شرح داده‌اند اين بهينه‌سازي با در نظر گرفتن تعرفه‌هاي متغير با زمان است به گونه‌اي كه از عدم وجود اضافه بار هم اطمينان حاصل شود.
تحقيقات غيرمتمركز از سيستم الكتريكي و استقرار تاسيسات الكتريكي در بسياري از كشورها، نشان داده است قيمت انرژي اساساً نتيجه تجارت بين بازيگران واجد شرايط است، كه عمده آنها كمپاني‌هاي توليدكننده هستند و خرده‌فروشانيكه به آنها وابسته مي‌باشند. از آنجا كه هزينه توليد وابسته به شرايط عملياتي نيروگاه‌ها است، به طور معمول توسط متخصصين پذيرفته مي‌شود كه ارزش انرژي بايد با زمان تغيير كند. اين دليل نشان مي‌دهد كه چرا قاعده مبتني بر تعرفه متغير با زمان يك روند معني‌دار و پايدار و عمليات مقرون به صرفه را براي سيستم الكتريكي آينده تشكيل مي‌دهد. معمولا تعرفه‌هاي متغير با زمان



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه ها

پاسخ دهید