مقدمه

شرکتهاي برق در بسیاري از نقاط جهان در سالهاي اخیر با مفاهیم تجدید ساختار، خصوصیسازي و دسترسی آزاد به شبکه روبهرو شدهاند. در ساختار جدید، منابع تولیدي در انحصار دولت نبوده و امکان انجام فعالیتهاي اقتصادي به گونهاي مناسب براي تولیدکنندگان انرژي الکتریکی فراهم میشود. مصرفکنندگان نیز گزینههاي بیشتري را براي انتخاب پیش روي دارند و میتوانند انرژي مورد نیاز خود را از تولیدکننده مطلوب نظر خود خریداري کنند. از طرفی، شبکههاي انتقال به عنوان عنصر اصلی و ارتباطی در شبکههاي قدرت، نقش بسیار پررنگی در تأمین نیاز مصرفکنندگان دارند. اتصال شبکهها و نواحی مختلف از سالها پیش در بسیاري از نقاط دنیا شروع شده است. در محیط بازار برق، تبادل توان بین نواحی مختلف نه تنها با حدود فنی و امنیتی محدود میگردد، بلکه از الگوي تبادل اقتصادي در بازار برق نیز تأثیر میپذیرد. یکی از شاخصهایی که در تبادلات بین نواحی به منظور حفظ امنیت سیستم قدرت بیان میشود، قابلیت در دسترس انتقال (ATC)1 است. در محیط رقابتی برق،

این مقاله در تاریخ ۲۵ اردیبهشت ماه ۱۳۹۲ دریافت و در تاریخ ۳۰ آذر ماه ۱۳۹۲ بازنگري شد.
علی کریمی ورکانی، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، .(email: ali.karimi@modares.ac.ir)

حسین سیفی، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تربیت مدرس، تهران،

.(email: seifi_ho@modares.ac.ir)

محمدکاظم شیخالاسلامی، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، .(email: aleslam@modares.ac.ir)

۱٫ Available Transmission Capacity

سعی بر فراهمنمودن امکان دسترسی آزاد تمام بازیگران بازار به شبکه انتقال است، به طوري که هر ناحیه بتواند براي تأمین نیاز خود از منابع ارزانتر انرژي موجود در سایر نواحی بهرهمند شود .[۱]
یکی از مسایل مهمی که امروزه در شبکههاي قدرت مدرن، خصوصاً کشورهاي اروپایی مطرح شده، کوپلینگ بازارهاي برق است [۲] و .[۳] بر اساس تعریف EMCC2، با حراج ضمنی۳ تبادلات توان در دو یا چند ناحیه، کوپلینگ بازار به وجود میآید [۴] و پیادهسازي این کوپلینگ میتواند از روشهاي مختلفی انجام گیرد. به عنوان نمونه، یک نهاد میتواند تبادلات بین دو ناحیه که با قیمتهاي مجزایی بهرهبرداري میشوند را مدیریت نماید. با کوپلینگ بازارهاي برق که البته درجههاي متفاوتی دارد، مسایل مختلفی براي بهرهبرداران بازار و شبکههاي انتقال به وجود میآید. برخی از این مسایل عبارتند از نحوه انجام معاملات بینناحیهاي و مرزي، مدیریت بازار و هماهنگی بین بازارهاي انرژي و انتقال با وجود نواحی مختلف کنترلی و استراتژي پیشنهاددهی بازیگران در بازارهاي همجوار. از این رو یکی از مهمترین و جدیدترین موضوعات مرتبط با سیستمهاي چندناحیهاي، طراحی ساختار بازار برق و هماهنگی بهرهبرداري اقتصادي از این نوع شبکهها است. در ادامه، تحقیقات اخیر در مورد سیستمهاي چندناحیهاي و چندبازاري مرور میگردد.

برخی از مقالات مشارکت واحدهاي نیروگاهی، توزیع اقتصادي توان و هماهنگی تبادلات شبکههاي چندناحیهاي را بررسی کردهاند. در [۵] چارچوب کلی مسأله MA – UCED4 ارائه شده است. در این مسأله، انواع قراردادهاي سلف، حقوق خرید و فروش و اجباراً در مدار مدلسازي شده است. در [۶] و [۷] مسأله مشارکت واحدهاي تولیدي در سیستمهاي چندناحیهاي با در نظر گرفتن قراردادهاي دوجانبه پیشنهاد شده و مسأله با روش برنامهریزي دینامیکی حل شده است. در [۸] یک روش بهرهبرداري غیرمتمرکز براي هماهنگسازي تبادلات بین شرکت هاي مختلف برق (مناطق مختلف یا کشورهاي مختلف) پیشنهاد شده است.

در بازارهاي روزفروش که به صورت مرکزي براي یک سیستم سازماندهی میشوند، فرایند حراج به منظور تسویه انرژي و خدمات جانبی سیستم، به دو روش غیر همزمان (ابتدا انرژي تسویه شده و سپس خدمات جانبی مورد نظر، مانند ذخیره بهرهبرداري تسویه میگردد) و همزمان انجام میشود. مرجع [۹] جزء اولین مقالاتی است که توزیع اقتصادي انرژي و ذخیره بهرهبرداري را به صورت همزمان در بازار رقابتی چندناحیهاي به صورت برنامهریزي خطی پیادهسازي نموده است. در [۱۰] روش جستجوي مستقیم ترکیبی به منظور توزیع اقتصادي همزمان انرژي و ذخیره در یک سیستم چندمنطقهاي پیشنهاد شده و در [۱۱] مدل ذخیره منطقهاي براي بازار زمان- حقیقی ISO New England پیشنهاد شده

۲٫ European Market Coupling Company 3. Implicit 4. Multi – Area Unit Commitment and Economic Dispatch

۰۱۱ نشریه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران، الف- مهندسی برق، سال ۱۲، شماره ۲، پاییز ۱۳۹۳

شکل :۱ ساختار کلی بازارهاي چندگانه در سیستم چندناحیهاي.

است. در این مدل، انرژي و ذخیره به صورت همزمان بهینه میشوند و انواع ذخیرهها شامل ذخیره گردان ۱۰ دقیقهاي، ذخیره غیر گردان ۱۰ دقیقهاي و ذخیره بهرهبرداري ۳۰ دقیقهاي در نظر گرفته شده است. در [۱۲] مدلی براي تسویه بازار راکتیو در یک سیستم چندناحیهاي پیشنهاد شده است. اکثر روشهایی که براي تسویه سیستمهاي چندناحیهاي ارائه شدهاند، بر مبناي مدل قیمتگذاري گرهاي یا منطقهاي هستند که به صورت یکنواخت براي بار و تولید هر منطقه در نظر گرفته میشوند. این روشها نمیتوانند در سیستمهایی که قواعد قیمتگذاري پیچدهتري دارند (قیمتهاي عرضه و تقاضا در یک ناحیه متفاوت باشد) مورد استفاده قرار گیرند. در [۱۳] یک روش ریاضی براي حل مسأله تسویه بازار انرژي (ذخیره سیستم مدلسازي نشده که معادل غیر همزمان بودن تسویه است) در سیستمهاي چندناحیهاي که در آن قواعد قیمتگذاري به گونهاي است که در هر ناحیه قیمت عرضه و تقاضا متفاوت میباشد، ارائه گردیده است. مبناي اصلی این مقاله معرفی دو مفهوم قیمت حدي و قیمت ضمنی در شرایطی که بازارها با هم کوپل شدهاند، در یک سیستم چندناحیهاي است. قیمتهاي حدي مستقیماً از پیشنهاد شرکتکنندگان در بازار مشخص میگردند، اما قیمتهاي ضمنی به صورت توابعی از قیمتهاي حدي هستند. در [۱۴] مدل مقاله [۱۳] توسعه داده شده است به طوري که با اضافهنمودن مسأله تسویه ذخیره هاي تنظیم و بهرهبرداري، همزمان با تسویه انرژي، مدل کاملتر شده است.

با کوپلشدن بازارهاي مختلف، تعامل بهرهبرداران بازار و بهرهبرداران شبکه انتقال TSO)1 ها) در تسویه بازار اهمیت دارد و این تعاملات بستگی به هماهنگی هر یک از این نهادها در نواحی مختلف دارد. کیفیت کوپلینگ بازارها ممکن است در محدوده وسیعی تغییر کند [۳] و .[۱۵] در [۱۶] و [۱۷] ارزیابی اولیه به منظور ایجاد کوپلینگ بازار بین دانمارك شرقی و آلمان و ارزیابی سازوکارهاي حراج انجام شده و در [۱۸] نیز نحوه اتصال بازار در شرق دانمارك و آلمان (Kontek Cable) مورد بررسی قرار گرفته است. در [۱۹] اهمیت هماهنگسازي قیمتها در بازارهاي کوپلشده بررسی گردیده و در [۲۰] مسأله مدیریت تراکم در شرایط کوپل بازارها در یک سیستم ساده شششینه انجام شده است. در [۲۱] مسأله معاملات مرزي بین نواحی با توجه به درجه هماهنگی بین بازارهاي انرژي و انتقال و TSO هاي مختلف تحلیل شده است. در [۲۲] و [۲۳] امکان پیشنهاددهی شرکتکنندگان در بازارهاي برق مختلف بررسی و تخصیص انرژي و شبکه انتقال بین بازارها انجام شده است. در [۲۴]، مدلی غیر متمرکز براي مدیریت تراکم تبادلهاي چندجانبه۲ در بازار سلف

۱٫ Transmission System Operator 2. Multilateral Transactions

پیشنهاد شده و در [۲۵] نیز در مورد تخصیص حقوق مالی و فیزیکی شبکه انتقال مرزي۳ در بلندمدت بحث شده است.
با توجه به مقالات بررسیشده، ساختار بازارهاي چندگانه و موضوع مدیریت تراکم در آنها و تبادل انرژي و ذخیره در سیستمهاي چندناحیهاي از جمله مسایل مهم در شبکههاي قدرت مدرن است. در این مقاله، یک چارچوب جدید براي تعامل بازارهاي برق چندگانه مطرح شده که در این چارچوب، بازارهاي مختلفی که هر کدام ممکن است مسئول تسویه بازار در یک ناحیه یا بخشی از یک ناحیه و یا حتی چند ناحیه باشند به صورت کاملاً مستقل در نظر گرفته شدهاند. براي این که بتوان تبادلات اقتصادي را بین نواحی مختلف داشت، امکان این که یک بازیگر بتواند در بازارهاي مختلف شرکت کند برقرار شده و بدین منظور، یک نهاد هماهنگکننده براي تخصیص شبکه انتقال (مدیریت تراکم) با هماهنگی بهرهبرداران شبکه انتقال پیشنهاد شده است. هر بازار به صورت محرمانه و با توابع هدف خود میتواند چیدمان انرژي و ذخیره را اجرا و نتایج آن را به هماهنگکننده ارسال کند. در صورت اضافهبار در شبکه، هماهنگکننده، شبکه انتقال را به صورت سهم- محور به هر بازار تخصیص میدهد و این روش به صورت تکراري تا رسیدن به نقطه تعادل ادامه مییابد. همچنین سه روش براي تسویه همزمان انرژي و ذخیره پیشنهاد و امکان پیادهسازي آنها در شرایط بازارهاي چندگانه بحث شده است. براي نشاندادن کارایی چارچوب پیشنهادي، آزمایش بر روي یک سیستم سهناحیهاي ۱۵شینه و سیستم استاندارد IEEE RTS -96 در شرایط سهبازاري انجام و مزیت آن نسبت به روش هاي دیگر تشریح شده است.

-۲ شرح مدل

۱-۲ ساختار چندبازاري

ساختار کلی بازارهاي چندگانه که در یک سیستم چندناحیهاي فعال هستند، در شکل ۱ آمده که یک سیستم سهناحیهاي فرض شده که بهرهبرداران شبکه انتقال آنها TSO1، TSO2 و TSO3 میباشند (مسئول برقراري امنیت سیستم). سه بهرهبردار بازار A (MO)4، B و C در این سیستم مسئول تسویه بازارهاي انرژي و ذخیره هستند و تولیدکنندگان و مصرفکنندگان در هر ناحیه میتوانند به بازارهاي مختلف پیشنهاد قیمت و تولید یا مصرف بدهند. به طور مثال در معاملات بازار A (که در شکل به صورت دایره مشخص شده) بازیگران در هر سه ناحیه ۱، ۲ و ۳ فعال هستند. اطلاعات هر بازار محرمانه است و میتواند قواعد مخصوص به خود را در تسویه داشته باشد. TSO ها اطلاعات شبکه انتقال را دارند و باید به صورت عادلانه شبکه انتقال را مدیریت نمایند.

ساختار چندبازاري فوق براي صنعت برق در آینده نزدیک میتواند کاربردي باشد. مثلاً در کشورهاي اروپایی ایدههاي اولیه آن پیادهسازي شده [۲] تا [۴] و یا در برخی از کشورهاي عربی در آینده، پیشبینی فروش انرژي به صورت بینالمللی مطرح شده است [۲۶] و .[۲۷]

۲-۲ راهکارهاي تسویه بازارهاي چندگانه

۱-۲-۲ راهکارهاي اولیه

یکی از راهکارهایی که براي تسویه سیستمهاي چندناحیهاي و کوپلینگ آنها در بسیاري از مقالات مطرح شده، تسویه سیستم به صورت

۳٫ Cross – Border 4. Market Operator

کریمی ورکانی و همکاران: چارچوبی براي مدیریت تراکم و تسویه انرژي و ذخیره در بازارهاي برق چندگانه ۱۱۱

شکل :۲ تعامل هماهنگکننده و بازارهاي چندگانه براي مدیریت تراکم.

یکپارچه است به طوري که قیود ناحیهاي برآورده شوند. از جمله مشکلات این روش، بالارفتن هزینههاي برخی از بازارها نسبت به حالت ایزوله کامل و مستقلنبودن فعالیتهاي آنها و مزیت این روش نیز بیشینهشدن رفاه اجتماعی کل سیستم است. در این روش معمولاً قیود انتقال همزمان با تسویه انرژي لحاظ میشود.

یکی دیگر از روشهایی که میتوان براي تبادلات بینناحیهاي در شرایط چندبازاري مطرح نمود، ایزولهبودن بازارها از هم و تبادل انرژي از طریق قراردادهاي دوجانبه است. در این روش، اولاً از ظرفیت شبکه بینناحیهاي استفاده بهینه نمیشود و بازیگران فرصت کسب درآمد بیشتر را از دست میدهند. ثانیاً در صورتی که شبکه انتقال بین ناحیهاي از مشهاي زیادي برخوردار باشد، مدیریت تراکم شبکه مشکل خواهد بود.
۲-۲-۲ راهکار پیشنهادي

راهکار پیشنهادي براي بازارهاي چندگانه در این مقاله به گونهاي است که نهاد هماهنگکننده براي مدیریت تراکم شبکه چندناحیهاي ایجاد میگردد. البته این نهاد هماهنگکننده با همکاري TSO ها، دسترسی به اطلاعات شبکه انتقال دارد و در تعامل با بازارهاي مختلف، امنیت شبکه را حفظ می کند. هر بهرهبردار بازار یا MO به صورت کاملاً مستقل و محرمانه، بدون در نظر گرفتن محدودیتهاي شبکه، بازار انرژي و ذخیره را تسویه میکند و نتایج آن (توان تزریقی به شینهاي شبکه) را به صورت همزمان با سایر بازارها براي هماهنگکننده ارسال میکند. هماهنگکننده امنیت سیستم را بررسی کرده و در صورتی که در شاخهاي از شبکه (خطوط، ترانسفورماتورها و سایر عناصر سري سیستم) اضافهبار رخ دهد، آن شاخه را به صورت عادلانه (به نسبت سهم هر بازار از آن شاخه) بین بازارها تقسیم میکند تا اضافهبار حل شود. تخصیص ظرفیت شاخههاي داراي اضافهبار از طریق اعمال قیود اضافه به بازارها اعلام میگردد. به این ترتیب، دوباره بازارها بر اساس تخصیص ظرفیت معینشده، اجرا شده و نتیجه را به هماهنگکننده ارسال میکنند که این بازي تا رسیدن به نقطه تعادل ادامه مییابد (روندنماي راهکار پیشنهادي در شکل ۲ آمده است).

۳-۲ مدلسازي بازارهاي چندگانه

هر یک از بازارها براي خود توابع هدف و قیودي دارند که ممکن است با هم متفاوت باشد. در حالت کلی، مسئول اجراي هر یک از بازارها را

میتوان MO، PX1 (که مثلاً در اروپا فعال است)، یک کارگزار بازار۲ و یا حتی یک TSO که وظایف بازاري نیز دارد، بسته به قوانین فرض کرد. در این مقاله، مسئول اجراي بازار را MO مینامیم و هماهنگکننده نیز مسئول هماهنگی بازارها براي حفظ امنیت سیستم است. با توجه به این که در این مقاله، هدف ارائه چارچوب کلی بازارهاي چندگانه است، از مدل پخش بار DC استفاده میشود و بنابراین هماهنگکننده تنها قیود
بارگذاري شبکه را چک میکند. روابط (۱) تا (۷) مدلسازي بازار m
(MOm ) را که به عنوان نمونه با تابع هدف کمینهسازي هزینه بازار
(بیشینهسازي رفاه اجتماعی)، تسویه انرژي و ذخیره بهرهبرداري را انجام میدهد، نشان می دهند
(۱) m ∑{∑{ci ,mu .pg i ,mu  γi,mu .rgi,mu } − βim . plim } mmmin
u i pli pg i ,u ,rg i ,u ,

(۲) ∑∑pgi ,mu  ∑plim
i u i
(3) 0 ≤ pgi,mu ≤ pg i , umax,m
(4) 0 ≤ rgi,mu ≤ rg i , umax,m
(5) 0 ≤ pgi,mu  rg i ,mu ≤ pg i , umax,m
(6) 0 ≤ plim ≤ plimax,m
(7) ∑∑ rgi,mu  Rm
u i
در روابط بیانشده i اندیس شینهاي شبکه، u اندیس واحد ژنراتوري
بر روي شین i ، c و γ به ترتیب قیمت پیشنهادي فروش انرژي و
ذخیره بهرهبرداري ژنراتورها، β قیمت پیشنهادي خرید انرژي توسط
بارها و pg ، rg و pl به ترتیب توان تولیدي واحد ژنراتوري، ذخیره
بهرهبرداري واحد ژنراتوري و توان بار هستند که به عنوان متغیرهاي تصمیمگیري هر یک از بازارها مد نظر میباشند. Rm نیز ذخیره مورد نیاز هر بازار است که البته در مورد مقدار آن در بخش ۳، روشهایی پیشنهاد
میشود. pgi, umax,m (یا ( plimax,m مقدار بیشینه پیشنهادي توان تولیدي در
شین i ام (یا مصرفی) به بازار m و rgi,umax,m نیز مقدار بیشینه پیشنهادي
ذخیره ژنراتورها در شین i ام به بازار m ام است.
توان تزریقشده (np ) به شین i ام توسط بازار m به صورت (۸)
بیان میشود
(۸) npim  ∑pg i ,mu − plim
u

رابطه فوق را میتوان به صورت برداري npm  pg m − pl m نیز بیان کرد (اندازه بردار به اندازه تعداد شینهاي شبکه است) و کل توان تزریقشده به شینهاي شبکه توسط همه بازارها را میتوان به صورت بردار (۹) بیان کرد
(۹) np  ∑ npm  ∑( pg m − plm )
m m

براي تعیین همزمان فلوي شاخههاي سیستم و قیمت محلی هر بازار در هر یک از شین هاي شبکه، میتوان از مفهوم ماتریس تلاقی (IM ) 3 شین و شاخههاي سیستم استفاده نمود. درایههاي ماتریس تلاقی میتواند ۱، ۰ و -۱ باشد و تعداد سطرها و ستونهاي آن به ترتیب تعداد شینهاي

۱٫ Power Exchange 2. Broker 3. Incidence Matrix

۲۱۱ نشریه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران، الف- مهندسی برق، سال ۱۲، شماره ۲، پاییز ۱۳۹۳

شکل :۳ مثالی براي نشاندادن فلوي خلاف جهت بارگذاري.

شبکه و تعداد شاخههاي شبکه است. درایههاي ماتریس تلاقی در صورتی که یک شاخه از شین خارج شود، ۱، به شین وارد شود -۱ و اگر ارتباطی با شین نداشته باشد صفر است. فلوي شاخهها ( ( fbm و قیمت شینهاي شبکه ( ( iLMP m توسط بازار m ام با (۱۰) و (۱۱) مشخص میگردد. b اندیس شاخههاي شبکه، f m بردار فلوي شاخههاي شبکه توسط بازار m ام، xb راکتانس شاخه b ام و θm بردار زاویه شینهاي شبکه است (زاویه شین اسلک صفر است)

(۱۰) iLMPm npm  IM × f m ⊥
(۱۱) IM × θm  ∑ xb × fbm
b

۴-۲ نقش هماهنگکننده در مدیریت تراکم

با توجه به این که در فرایند تسویه هر بازار، بازیگران نواحی مختلف حضور دارند، مدیریت تراکم شبکه اهمیت زیادي دارد. در صورتی که بازار m بخواهد قیود محدودیت بارگذاري را لحاظ کند، (۱۲) به مسأله اضافه میشود (به (۱) تا f max .((7) بردار محدودیت بارگذاري شاخههاي شبکه و m− نشاندهنده سایر بازارها به جز m است
(۱۲) − f max ≤ f m  ∑ f m− ≤ f max
m−
در این شرایط، بازار m باید بر اساس نتایج اعلامشده توسط بازارهاي دیگر در تکرارهاي قبلی، بهینهسازي جدید را انجام دهد. هرچه تعداد بازیگران از نواحی مختلف بیشتر باشد و یا شبکه چندناحیهاي داراي مشهاي بیشتري باشد، این استراتژي ناکارآمدتر خواهد بود و در واقع تعداد تکرارهاي حل مسأله به شدت افزایش مییابد. همان طور که قبلاً در بخش ۱-۲-۲ اشاره شد، روش دیگر این است که یک هماهنگکننده بر اساس توافق TSO هاي نواحی ایجاد گردد و مسئول بهینهسازي کل بازارها با حفظ قیود ناحیهاي گردد (کوپلینگ یکپارچه) و در واقع هماهنگکننده (۱۳) را حل نماید
(۱۳) min ∑(obj.fun.)m
m pg ,rg , pl

subject to : total system constraints

روش کوپلینگ یکپارچه گرچه از دید کل سیستم مطلوب است و رفاه اجتماعی کل سیستم را بیشینه می کند اما برخی از بازارها فرصت رفاه اجتماعی بیشتر را از دست میدهند و ممکن است همواره به این شرایط راضی نشوند.

بر اساس توضیحات فوق و ضرورت استقلال بازارها و محرمانهبودن اطلاعات بازارها، نقش هماهنگکننده تنها براي مدیریت امنیت سیستم و نه براي مشارکت در تسویه بازارها قابل توجه است. چارچوب پیشنهادي براي بازارهاي چندگانه در این مقاله به این شکل است که ابتدا هر بازار بر اساس توابع هدف و قیود خود تسویه انرژي و ذخیره را انجام میدهد و نتایج را در قالب توان تزریقشده به هر شین به هماهنگکننده اعلام میکند (همه بازارها به صورت همزمان). هماهنگکننده بر اساس توان