فهرست مطالب

مهندسی و مدیریت انرژی - سال یازدهم شماره 4 (پیاپی 42، زمستان 1400)

فصلنامه مهندسی و مدیریت انرژی
سال یازدهم شماره 4 (پیاپی 42، زمستان 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/12/18
  • تعداد عناوین: 7
|
  • علیرضا فرجی*، مرضیه احمدی صفحات 2-9

    این مقاله یک کنترل کننده مد لغزشی سلسله مراتبی ترکیبی تطبیقی بهینه ​​(OACHSMC)   را برای یک مدل جرثقیل با بار متغیر بازمان در حضور عدم قطعیت طراحی می کند. کنترل کننده مبتنی بر مد لغزشی (SMC) طراحی شده زیرا دارای رفتار پایداری و عملکرد مقاوم در حضور انواع عدم قطعیت مانند دینامیک های مدل نشده و نیروهای اصطکاک است که به ترتیب به صورت جمع شونده و ضرب شونده مدل شده اند. مدل جرثقیل زیر تحریک دارای دو زیرسیستم ارابه و بار است. بنابراین می توان آن را با استفاده از یک کنترل کننده مد لغزشی سلسله مراتبی ترکیبی (CHSMC) و منیفولد لغزشی دو لایه و فقط یک سیگنال کنترلی به طور دقیق کنترل کرد. جرم بار و طول کابل جرثقیل در حین انتقال بار متغیر بازمان در نظر گرفته شده، لذا مدل جرثقیل متغیر بازمان بوده و کنترل کننده با ضریب متغیر بازمان منیفولد لغزشی لایه دوم تطبیقی طراحی می شود. برای صرفه جویی در مصرف انرژی سیگنال ورودی، پارامتر منیفولد لغزشی لایه اول کنترل کننده با دو راهکار هوشمند الگوریتم ژنتیک (GA) و بهینه سازی ازدحام ذرات (PSO) بهینه سازی شده که نتایج یکسان داشته است. نتایج شبیه سازی پایداری و عملکرد مقاوم کنترل کننده بهینه شده پیشنهادی را نشان می دهد.

    کلیدواژگان: مدل جرثقیل متغیر بازمان، مدل سازی عدم قطعیت، کنترل تطبیقی، کنترل مد لغزشی سلسله مراتبی ترکیبی، الگوریتم ژنتیک، بهینه سازی ازدحام ذرات
  • حسین شریف زاده*، آتنا طالبی صفحات 10-19

    درحالی که مدل های فعلی شبکه های تجمیع شده برق-گاز معمولا از پتانسیل برنامه های پاسخ گویی بار در جایگاه یک ابزار بهره برداری موثر صرف نظر می کنند، این مقاله یک برنامه پاسخ گویی بار توام جدید برای توسعه مرزهای بهره برداری شبکه تجمیع شده پیشنهاد می کند. همچنین به منظور ایجاد یک مدل دقیق تر برای نمایش شبکه تجمیع شده در مقایسه با تحقیقات پیشین، مدل پیشنهادی محدودیت های عملی کمپرسورها و لوله ها را نیز لحاظ می کند. برای ارزیابی روش پیشنهادی، مجموعه ای از سناریوها که نشان دهنده یک شبکه تحت فشار هستند برای شبیه سازی عوامل اصلی محدودکننده تامین کامل بار در نظر گرفته می شوند. نتایج آزمایش های صورت گرفته در نمونه مطالعاتی حاکی از آن است که برنامه پاسخ گویی بار توام پیشنهادی می تواند مرزهای بهره برداری شبکه تجمیع شده را تا 8، 28 و 62% بسته به نوع سناریوی درنظرگرفته شده توسعه دهد. به خصوص نتایج شبیه سازی نشان می دهد که مدل پیشنهادی با طرح های پاسخ گویی بار توام می تواند به جواب های بهینه تری در مقایسه با مدل های سنتی که فاقد ابزار پاسخ گوی بار هستند منجر شود.

    کلیدواژگان: شبکه های تجمیع شده برق- گاز، برنامه های پاسخ گویی بار توام، محدودیت سوخت، ظرفیت لوله ها، توسعه مرزهای بهره برداری مجاز
  • محمدرضا ده بزرگی، محمد رستگار* صفحات 20-29

    شبکه های هوشمند به عنوان راه حلی برای چالش های سیستم توزیع انرژی الکتریکی معرفی شده اند. در سیستم های قدرت سنتی در زمان وقوع خاموشی، تیم تعمیر و نگهداری سعی می کند علت خاموشی را یافته و آن را برطرف کند. پس از آن، مجموعه ای از اطلاعات در مجموعه داده ای تحت عنوان مجموعه داده خاموشی مکتوب می شود. اگر تیم تعمیرات بتواند علت خاموشی را قبل از جست وجوی آن حدس بزند، زمان بازیابی شبکه کاهش خواهد یافت. در راستای بهره برداری از اصول شبکه هوشمند، در این مقاله روشی بر پایه قواعد انجمنی جهت یافتن علت خاموشی ارایه شده است. برای اجرای این کار ابتدا مجموعه داده های خاموشی، بار، آب و هوا  با هم ترکیب و خصیصه هایی استخراج شده اند. سپس برای هر علت خاموشی رکورد ها به صورت کلاس اصلی و دیگران برچسب خورده اند. قواعد انجمنی نیز در ادامه استخراج و ارزیابی می شوند. با استفاده از این قواعد می توان تشخیص داد که آیا خاموشی به علت خطا در یک تجهیز خاص اتفاق افتاده است یا خیر. ممکن است اجرای این کار به همراه استفاده از ادوات هوشمند منجر به افزایش قابلیت اطمینان شود.

    کلیدواژگان: خاموشی در سیستم توزیع، استخراج قواعد انجمنی، قابلیت اطمینان سیستم های توزیع، مدیریت اتوماتیک خطا
  • محمد شهرآئینی*، پانائیوتیس کوتزانی کولاو صفحات 30-39

    سیستم های اندازه گیری ناحیه گسترده (WAMS) با ترکیب دستگاه های اندازه گیری دیجیتال، سیستم های ارتباطی و کنترل، نظارت و کنترل زمان واقعی شبکه های هوشمند را امکان پذیر می کند. از آنجا که WAMS متشکل از زیرساخت های مختلف است، وابستگی های پیچیده ای بین سیستم های زیربنایی و اجزای مختلف آن وجود دارد که شامل وابستگی های سایبری، فیزیکی و جغرافیایی هستند. اگرچه پژوهش های متعددی در این زمینه تحقیقاتی خاص وجود دارد که به بررسی وابستگی های سایبری می پردازد، اما انواع دیگر وابستگی ها مانند وابستگی های جغرافیایی مورد مطالعه قرار نگرفته است. افزون بر این، تاکنون روش های مدل سازی وابستگی که قابلیت مدل سازی هم زمان انواع مختلف وابستگی را برای WAMS دارا باشد پیشنهاد نشده است. هدف اصلی این مقاله مدل سازی همزمان وابستگی های جغرافیایی و فیزیکی زیرساخت های WAMS بر اساس قوانین ساده و کاملا مشخص است. ما یک تابع چگالی احتمال را برای کمی کردن وابستگی ها تعریف کرده ایم. چنین رویکرد یکپارچه ای می تواند طراحی زیرساخت های WAMS را به گونه ای انجام دهد که ذاتا در برابر اختلالات ناشی از انواع رویدادهای ناخواسته (که ممکن است بر اجزای وابسته به جغرافیای WAMS تاثیر بگذارند) مقاوم تر باشند. از طریق شبیه سازی، کاربرد روش پیشنهادی نشان داده شده است.

    کلیدواژگان: سیستم اندازه گیری ناحیه گسترده، وابستگی زیرساختی، وابستگی فیزیکی، وابستگی جغرافیایی، معیارهای میانگی گراف
  • امیرحسین اکبری شریف*، حسین کاظمی کارگر، سامان اسماعیل بیگی صفحات 40-47

    در سال های اخیر ریزشبکه ها نقش مهمی را در شبکه های توزیع ایفا کرده اند. ریزشبکه های  DCبه دلیل مزایای خود به یکی از موضوعات محبوب محققان تبدیل شده اند. یکی از چالش های اساسی در مسیر توسعه ریزشبکه های DC مسایل مربوط به حفاظت آن هاست. در نتیجه در این مقاله یک روش حفاظتی برای تشخیص وقوع خطا و مکان آن در ریزشبکه های DC ارایه شده است. با توجه به پیشرفت های صورت گرفته در زمینه هوش مصنوعی و عملکرد خوب روش های حفاظتی هوشمند در ریزشبکه های AC، در این مقاله از شبکه های عصبی بازگشتی برای تعییین مکان خطا استفاده شده است. در این مقاله از سنجش جریان فیدرهای بار و ولتاژ شینه اصلی برای تشخیص وقوع خطا و تعیین مکان آن استفاده می شود. همچنین عملکرد روش حفاظتی ارایه شده در هر دو حالت متصل به شبکه و جزیره ای بررسی شده و نتایج حاصل، عملکرد مناسب روش حفاظتی ارایه شده را تایید می کنند. در این مقاله از نرم افزار MATLAB برای آموزش و تست الگوریتم های یادگیری ماشین و شبکه بازگشتی و از نرم افزار DIgSILENT برای شبیه سازی ریزشبکه DC مورد مطالعه استفاده می شود.

    کلیدواژگان: ریز شبکه های DC، حفاظت، تشخیص وقوع خطا، تعیین مکان خطا، شبکه عصبی بازگشتی، یادگیری ماشین، دسته بند مبتنی بر درخت تصمیم گیری
  • زهرا مروج*، پوریا بوستانی، مهرداد قهرمانی صفحات 48-59

    در این مقاله، یک روش مکان یابی خطا با استفاده از محل خطای یک طرفه بر پایه فرکانس امواج سیار ناشی از عملکرد مدارشکن ارایه شده است. روش پیشنهادی با استفاده از تبدیل فوریه سریع و تبدیل موجک، اطلاعات مورد نیاز را از امواج سیار ولتاژ دریافت کرده و به کمک شبکه عصبی مصنوعی به تشخیص خطا و مکان یابی آن می پردازد. روش پیشنهادی توسط پارامترهای مختلفی از جمله مقاومت خطا، زاویه شروع خطا، محل خطا، وجود نویز در امواج، فرکانس نمونه برداری و ساختارهای مختلف شبکه برق در نرم افزار PSCAD/EMTDV مورد آزمایش قرار گرفته است. همچنین با استفاده از ماتریس مربوط به سیگنال های ولتاژ، آموزش شبکه عصبی در روش پیشنهادی، در نرم افزار MATLAB پیاده سازی شده است. نتایج به دست آمده از روش پیشنهادی بیانگر دقت قابل قبولی در طبقه بندی خطا و تعیین محل خطا در مقایسه با روش های دیگر است. حداکثر خطای روش پیشنهادی 29/1% می باشد، همچنین کارایی روش پیشنهادی نسبت به سایر روش ها در وضعیت های مختلف که می تواند در روند تشخیص خطا اثرگذار باشد، بیشتر است.

    کلیدواژگان: مکان یابی خطا، طبقه بندی خطا، فرکانس امواج سیار، تبدیل فوریه سریع، شبکه عصبی مصنوعی
  • علی خلیل پور، مظفر علی مهرابیان، عقیل ایرانمنش* صفحات 60-73

    امروزه انرژی های نو به دلیل نازک شدن لایه اوزون، افزایش قیمت سوخت های فسیلی و سازگاری آن با محیط از اهمیت ویژه ای برخوردار است. انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع عظیم انرژی است که به آسانی در دسترس است و کاربرد گسترده ای در روشنایی، گرمایش، سرمایش و... دارد. در این پژوهش، عملکرد گرمایی سیکل سردسازی اجکتور خورشیدی با سیال های کاری مختلف ارزیابی خواهد شد. همچنین اثرات شرایط کاری مختلف از قبیل دماهای ژنراتور، کندانسور و اواپراتور بر عملکرد سیستم مورد بررسی قرار خواهد گرفت. شایان ذکر است که عملکرد سیستم سردسازی اجکتور برای شرایط آبوهوایی مختلف و ماه های مختلف سال مورد مطالعه قرار خواهد گرفت. نتایج حاصل از پژوهش نشان می دهند که شرایط کاری نقش تعیین کننده ای بر عملکرد سیکل خواهند داشت. با توجه به نتایج به دست آمده، افزایش دمای خروجی ژنراتور، سبب افزایش ضریب عملکرد سیکل خواهد شد. نتایج شبیه سازی همچنین نشان داد که نرخ افزایش ضریب عملکرد برای دماهای اواپراتور در محدوده 1315 و 79 درجه سلسیوس، به ترتیب برابر با 8% و 6% بود. در ضمن برای مناطق آب وهوایی گرم تر، سطح کلکتور بیشتری مورد نیاز خواهد بود.

    کلیدواژگان: اجکتور، انرژی خورشیدی، سیکل تبرید، کلکتور خورشیدی
|
  • Alireza Faraji*, Marzieh Ahmadi Pages 2-9

    This paper designs an Optimized Adaptive Combined Hierarchical Sliding Mode Controller (OACHSMC) for a time-varying crane model in presence of uncertainties. Uncertainties have always been one of the most important challenges in designing control systems, which include unknown parameters or un-modeled dynamics in systems. Sliding mode controller (SMC) is able to compensate the system in the presence of uncertainties due to un-modeled dynamics and is used for robust stability and performance behavior in the presence of additive un-modeled dynamics of system and multiplicative friction forces. This under-actuated crane has two sub-systems: trolley and payload. Therefore, it can be controlled by a single input signal with combined hierarchical sliding mode controller (CHSMC) using a two-layer-sliding manifold accurately. Payload mass and cable length are time-variant variables through load transferring. Due to the Time-varying models and the inefficiency of most controllers, the use of an adaptive controller can help improve system performance. This controller is adapted by considering a time-varying coefficient of the second layer sliding manifold. For energy saving of the input signal, the parameter of the first layer sliding manifold of ACHSMC is optimized by two intelligent strategies: genetic algorithm (GA) and particle swarm optimization (PSO) method. The simulation results show robust stability and performance of the proposed optimized controller.

    Keywords: Time-varying crane model, Uncertainty modelling, Adaptive Control, Combined Hierarchical Sliding Mode Control, Genetic algorithm, Particle Swarm Optimization
  • Hossein Sharifzadeh*, Atena Talebi Pages 10-19

    While current integrated gas-electric models usually ignore the potentials of demand response programs (DRPs) as an effective operation tool, this paper proposes a novel joint DRP to extend the feasibility of the integrated network operation. Moreover, the presented model considers the practical constraints of compressors and pipelines to construct a more accurate representation of the integrated network compared with the previous models available in the literature. To evaluate the proposed method, a set of scenarios representing a stressed integrated network is considered to simulate the main factors which limit the complete satisfaction of load requirements. The results of the conducted experiments in the considered case study suggest that the joint DRP can extend the boundaries of the feasible regions of the integrated system up to 8%, 28%, and 62% depending on the adopted scenario types. Especially, the simulation results indicate that the proposed model with joint DRP schemes can lead to more optimal solutions than the traditional ones which neglect DRPs.

    Keywords: Integrated gas-electric networks, Joint demand response programs, Fuel constraints, Gaspipeline capacity, Extending boundaries of the feasible operations
  • MohammadReza Dehbozorgi, Mohammad Rastegar* Pages 20-29

    Smart grids have been introduced to address power distribution system challenges. In conventional power distribution systems, when a power outage happens, the maintenance team tries to find the outage cause and mitigate it. After this, some information is documented in a dataset called the outage dataset. If the team can estimate the outage cause before searching for it, the restoration time will be reduced. In line with smart grid concepts, an association rule-based method is presented in this paper to find the outage cause. To do this, we have first combined outage, load, and weather datasets and extracted features. Then, for every cause, the records are labelled main class or others. The association rules are extracted and evaluated. Through these rules, one can determine whether the outage has happened because of a fault in a certain piece of equipment or not. Doing so alongside using smart devices may lead to reliability enhancement.

    Keywords: Power distribution outage, Association rule mining, Distribution systems reliability, Automatic fault management
  • Mohammad Shahraeini*, Panayiotis Kotzanikolaou Pages 30-39

    Wide Area Measurement Systems (WAMS) enable both real time monitoring and the control of smart grids by combining digital measurement devices, communication, and control systems. As WAMS consist of various infrastructures, they imply complex dependencies among their underlying systems and components of different types such as cyber, physical, and geographical dependencies. Although several works exist in the literature that studies cyber dependencies, other types of dependencies such as geographical dependencies have not yet been studied. In addition, there is a lack of dependency modeling methodologies that simultaneously capture different dependency types for WAMS. The main goal of this paper is a simultaneous modeling of the geographical and physical dependencies of WAMS infrastructures based on simple and well-defined rules. We define a probability density function to quantify these dependencies. Such a unified approach may support the design of WAMS infrastructures that are more resilient inherently to disruptions caused by different kinds of the unwanted events that may affect geographically dependent WAMS components. Through simulations, we demonstrate the applicability of the proposed methodology.

    Keywords: Wide Area Monitoring Systems, Infrastructure dependency, Physical dependency, Geographical dependency, Graph centrality metrics
  • Amirhossein Akbari Sharif*, Hossein Kazemi Karegar, Saman Esmaeilbeigi Pages 40-47

    Microgrids have played an important role in distribution networks during recent years. DC microgrids are very popular among researchers because of their benefits. However, protection is one of the significant challenges in the way of these microgrids progress. As a result, in this paper, a fault detection and location scheme for DC microgrids is proposed. Due to advances in Artificial Intelligence (AI) and the suitable performance of smart protection methods in AC microgrids, Recurrent Neural Networks (RNNs) are used in the proposed method to locate faults in DC microgrids. In this method, fault detection and location are done by measuring feeders current and main bus voltage. Furthermore, the performance of the proposed method is assessed in grid-connected and the islanded operation modes of the microgrid. The result has confirmed the efficiency of the proposed scheme . In this paper, MATLAB and DIgSILENT are used to design RNNs and DC microgrid simulation respectively.

    Keywords: DC Microgrids, Protection, Fault Detection, Fault Location, RNN, Machine Learning, Decision Tree Classifier
  • Zahra Moravej*, Pouriya Boostani, Mehrdad Ghahremani Pages 48-59

    In this paper, a single-ended fault location method is presented based on a circuit breaker operation using the frequencies of traveling waves. The proposed method receives the required data from voltage traveling waves with the aid of Fast Fourier Transform (FFT) and Wavelet Transform. Then, the Artificial Neural Network (ANN) identifies the fault type and determines its location. For the evaluation of the proposed method, numerous simulations were done by varying parameters including fault resistance, fault inception angle, fault location, the presence of noise in waves, different sampling frequencies, and different structures of the power system in PSCAD/EMTDC software. Then, by using the matrix data obtained from voltage signals, the training process of the proposed algorithm is implemented in MATLAB software. The given results show the acceptable accuracy of the proposed technique in the classification of fault type and in the determination of fault location comparing with the previous studies. Also, the maximum error of the proposed method is 1.29 percent. It stands for the robustness of the proposed scheme and is higher than those of the previous studies in the situations that may affect fault identification process.

    Keywords: Fault location, Fault classification, Frequency of traveling waves, Fast Fourier Transform, Artificial Neural Network
  • Ali Khalilpour, Mozaffarali Mehrabian, Aghil Iranmanesh* Pages 60-73

    Today, renewable energies are of more interest due to the depletion of the ozone layer, an increase in the cost of fossil fuels, and their friendliness with the environment. The sun is a great source of energy which is readily accessible. It has many applications in lighting, heating, and cooling. In this study the thermal performance of a solar ejector cooling cycle is evaluated using several different working fluids. The effect of operating conditions-- namely the generator, condenser, and evaporator temperatures-- on the system performance is also investigated. Based on weather conditions in different regions, the performance of ejector cooling cycle in several months of the year is also determined. The results show that the operating conditions have a determinant effect on cycle performance. It is observed that an increase in the generator exit temperature results in an increase in cycle coefficient of performance. It is also deduced that the rates of COP increase for the evaporator temperature ranges of 13-15°C and 7-9°C are about 8 and 6% respectively. It is also concluded that a larger collector area is required in warmer weather conditions.

    Keywords: Ejector, Refrigeration, Solar collector, Solar energy