طراحی و بهره‌برداری بهینه بر مبنای اعتمادپذیری از مخازن سدهای برقابی پیاپی با احتساب اثرات متقابل هیدرولیکی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد /مهندسی آب، دانشکده عمران و محیط زیست دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 استاد /دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

بهینه‌سازی طراحی و بهره‌برداری از مخازن سدهای برقابی پیاپی همراه با کنترل اعتمادپذیری تولید انرژی یک مسئله‌ی بهینه‌سازی پیچیده از منظر فرمول‌بندی و روش حل آن می‌باشد. در این مطالعه بهینه‌سازی بر مبنای اعتمادپذیری طراحی و بهره‌برداری از سدهای برقابی پیاپی با احتساب تأثیرات هیدرولیکی سراب مخزن پایین‌دست بر تراز پایاب نیروگاه بالادست مورد توجه قرار گرفت. فرمول‌بندی مدل بهینه‌سازی فوق از نوع برنامه‌ریزی غیرخطی غیرمحدب (NLP) می‌باشد که در شرایط اعمال کنترل بر روی قید اعتمادپذیری تولید انرژی و همچنین مدل‌سازی تأثیرات متقابل هیدرولیکی، متغیرهای دو مقداره نیز به ساختار مدل اضافه شده و مدلی از نوع برنامه‌ریزی غیرخطی غیرمحدب عدد صحیح (MINLP) نتیجه شد. حل این مدل‌ که در زمره مسائل NP-hard می‌باشد، توسط روش‌های بهینه‌سازی کلاسیک و تکاملی مدنظر قرارگرفت و عملکرد این روش ها در مسئله‌ی طراحی و بهره‌برداری از سیستم برقابی کارون2- کارون3 آزمایش گردید. با توجه به تعداد زیاد متغیرهای گسسته و دومقداره در ساختار مدل بهینه‌سازی و نامحدب بودن بخش غیرخطی آن، امکان حل مدل با روش‌های بهینه‌سازی کلاسیک میسر نشد. علیرغم آن الگوریتم بهینه‌سازی اجتماع ذرات (PSO)، همراه با ملاحظات تولید جواب‌های شدنی مرحله به مرحله یا نموی (incremental) و همچنین استفاده از ساختار مسئله در تشخیص دوره‌های شکست و موفقیت در تأمین نیاز انرژی پایدار سیستم، به جواب‌های قابل قبول و نه ضرورتاً بهینه سراسری منتهی گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Reliability-based Optimal Design and Operation of Cascade Hydraulically-Coupled Hydropower Reservoir Systems

نویسندگان [English]

  • N. Afsharian Zadeh 1
  • S.J. Mousavi 2
1 Former MSc. Student of Water Engineering, Department of Civil and Environmental Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran.
2 Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Optimal design and operation of a cascade hydropower reservoir system accounting for the reliability level of the system’s firm energy is a complex, difficult-to-solve problem in terms of both the problem formulation and its solution approach. This study deals with the reliability-based optimal design and operation of cascade hydropower reservoirs considering hydraulic coupling between the tail-race of the upstream powerplant and the water elevation at downstream reservoir. The formulation of the resulting optimization model is a nonlinear, nonconvex program (NLP) that becomes a mixed integer NLP (MINLP) to account for the reliability level of energy production and the hydraulic coupling. The resulted MINLP, which is an NP-hard (nonpolynomial deterministic-hard) problem, was solved by both classical and evolutionary optimization algorithms, and their performances were tested in Karoon2-Karoon3 cascade hydropower system as a real case study. Since the number of binary variables is large and the nonlinear part of the MINLP is nonconvex, classical gradient-based algorithms were not able to solve the problem. However, particle swarm optimization (PSO) algorithm, a metaheuristic optimization algorithm, was able to find near optimal good solutions to the problem. This was made possible by the help of generating feasible solutions incrementally, which satisfy the equality constraints of balance equations, and the system operation characteristics during low-flow periods.

کلیدواژه‌ها [English]

  • optimization
  • Cascade hydropower systems
  • PSO algorithm
  • Hydraulic coupling