١- مقدمه
مديريت سمت تقاضا و ساختارهاي تعرفه برق در سيستم قـدرت مورد مطالعه گسترده و بخش اصلي تمرکز براي شرکت هاي بـرق بوده است و بـه عنـوان يـک پـارامتر تعيـين کننـده در مـديريت مصرف به شمار مي رود. هزينه هاي عمدهفروشي برق بطـور قابـل ملاحظـه اي در طـول زمـان متفـاوت اسـت ، در حـالي کـه اکثـر مشترکان نرخ ثـابتي از هزينـه را پرداخـت مـي کننـد. ايـن مهـم شرکت هاي برق را مجبور مي کند تا تمام ريسکهـاي مـرتبط بـا نوسانات قيمتي مربوط به حفظ قيمت هاي ثابت مشترک را جذب کند. بنابراين مشترکان انگيزه مـالي کمـي بـراي کـاهش ميـزان مصرفشان دارند، مخصوصـاً زمـاني کـه هزينـه
هـاي بـرق عمـده فروشي بالا باشد. بر اين اساس اگر بارشان را همزمـان بـا اوج بـار سيستم کاهش ندهند، منجر به صورت حسـابهـاي خيلـي بـالا مي شود [١]. ساختار قيمت گذاري پويا که بخـوبي طراحـي شـده، منعکس کننده تفاوت در هزينه هاي برق در طول دورههاي زمـاني است ، که نرخهاي قيمتي مناسب تـري از نـرخهـاي اسـتاتيک بـه مشترکان مـي دهـد. چنانچـه مشـترکان در قيمـت گـذاري پويـا بتوانند، مصرفشان را به اندازه کافي از ساعات پيک پر هزينه تر به ساعات غير پيک با قيمت پايين تر شيفت دهند، سود مالي خـوبي نصيبشان مي گردد. ساختارهاي تعرفه زماني پيشنهاد شـدهانـد و به مرحله اجرا در آمده اند و منجر به بهبودهاي وسيعي در طيفـي از اهداف اجتماعي از جمله هزينه برق، قابليـت اطمينـان عرضـه ، سود شرکت توزيع و منافع مصرفکننده شده است [١-٣].
برنامه هاي پاسخگويي بار مبتني بـر قيمـت ، شـامل سـه سـاختار است ؛ ١) نرخهاي زمان استفاده(TOU)، که بـه طـور وسـيعي در اکثر کشورها استفاده شده است و بـه عنـوان يکـي از روشهـاي مهم مديريت سمت تقاضا در نظر گرفته مي شود. اين تعرفه ها سه قيمت مختلف بر اساس زمـان در يـک روز، کـه دوره پيـک، دوره ميانه بار و دوره غير پيک است ، ارائه مي کنند. ٢) نـرخهـاي زمـان واقعي (RTP)، که طرح قيمت گذاري ايـدهآلـي اسـت ، امـا اجـراي کامل آن بدليل محدوديت هاي فني سمت تقاضا مشکل است . ٣) نرخهاي زمان پيک بحراني (CPP)، کـه داراي يـک قيمـت خيلـي زياد در پيک و يک قيمت پايين در غيـر پيـک اسـت ، معمـولاً در روزهاي خاصي از سال که پيک بار شديد است ، اجـرا مـي گـردد.
سناريوهاي تشويقي شامل شش ساختار است که در اين مقالـه از ساختار کنترل مستقيم بار(DLC) استفاده مي شود [١-٥].
مؤلفان در مرجع [١]، يک الگوريتم جديد براي پيدا کردن قيمت گذاري زمان استفاده بهينه برق در بازارهاي برق انحصاري؛ تعاريف و روابط بين عرضه و تقاضا و همچنين هزينه هاي مختلف اجزا ارائه کردهاند. بعلاوه آنکه استراتژي قيمت گذاري بهينه توسعه داده شده است تا اينکه سود جامعه در هنگام اجراي يک استراتژي پاسخگويي تقاضا به حداکثر برسد. در نهايت ، اثر پاسخگويي بار در قيمت هاي برق با استفاده از يک مطالعه موردي شبيه سازي شده است . در مرجع [٢]، برنامه TOU بر اساس مدلهاي اقتصادي پاسخگويي بار و با استفاده از کشش قيمت تقاضا و تابع سود مشتري فرمولبندي شده است . مؤلفان [٣]، پاسخگويي بار را با توجه به هر دو روش زمان استفاده و برنامه – هاي پاسخگويي بار اضطراري(EDRP)، به طور همزمان، با استفاده از مدلهاي بار تک و چند پريودي، بر اساس مفهوم کشش بار مدل کردهاند. مدل پيشنهادي در بار پيک شبکه برق ايران و قيمت هاي بهينه براي برنامه TOU و تشويقي هاي مناسب براي ترکيب برنامه TOU و EDRP مشخص اجرا شده است . در
[٤] يک روش بهينه سازي بار براي قيمت برق زمان استفاده براي مديريت سمت تقاضا (در سه نوع بار تجاري، صنعتي و خانگي ) به منظور صرفه جويي در هزينه هاي انرژي به صورت مطلوب ارائه شده است . محققان در مرجع [٦] تغييرات رفتار بار مصرفي را تحت سناريوهاي قيمت مختلف تجزيه و تحليل کرده و نتايج مطلوبي بر اين اساس بدست آوردهاند. در مقاله [٧] يک مدل کنترل پيش گويانه (MPC) براي کنترل ساختمانهاي مسکوني با بارهاي گرمايشي .سرمايشي ، آب گرمکن هاي الکتريکي (EWH)، فتوولتائيک(PV) به همراه ذخيرهسازي باتري در يک محيط قيمت برق متغير با زمان پيشنهاد مي کند، عملکرد ساختمان
تحت سه سناريو قيمت هاي مختلف مورد بررسي قرار مي گيرد: (١)تعرفه روز.شب ساده، (٢)تعرفه پويا روز پيش رو، منعکس – کننده هزينه هاي حاشيه اي بازار عمدهفروشي و (٣)تعرفه هاي پويا زمان واقعي (RTP). مؤلفان در [٨] بر روي يک استراتژي کنترل در حال توسعه براي بارهاي HVAC بمنظور پاسخگويي به قيمت هاي زمان واقعي براي کاهش پيک بار تحقيقات قابل توجهي انجام داده اند. مرجع [٩] يک نمونه آماري بزرگ از مشترکين برق خانگي در کلمبيا تحت سياست هاي قيمت گذاري زمان مختلف و دستگاههاي کنترل بار از راه دور براي ٤ ماه فصل زمستان از نوامبر ٢٠٠٧ تا فوريه ٢٠٠٨، براي تخمين اثر کشش جانشيني تقاضاي برق در ساعات پيک با تقاضاي ساعات کم باري، استفاده کرده است . در ميان برنامه هاي پاسخ به تقاضا، روش هاي قيمت گذاري در ساعات مختلف در [١٠] آمده است ، که از راهکارهاي مناسب جهت پيکسايي و انتقال بار به حساب مي آيد.
با توجه به اينکه مصرفکنندگان خانگي نمي توانند بر روي کل بار خود مانور دهند و زمان مصرف آن را به زماني غير پيک تغيير دهند، از اين رو بار خانگي را به دو بخش انعطافپذير و ثابت تقسيم مي کنيم و پاسخگويي مصرفکننده را در تغيير زمان مصرف بار انعطاف پذير با سناريوهاي ثابت ، تعرفه زماني (زمان استفاده ، زمان واقعي ) و ترکيبي (زمان استفاده و کنترل مستقيم بار) بررسي مي کنيم . در اين مطالعه بار انعطافپذير را يک بار گرمايشي در نظر مي گيريم و با مدلسازي آن، هزينه هاي صورت حساب مشترکين را با اعمال برنامه هاي پاسخگويي بار، با تابع هدف مربوطه و با استفاده از الگوريتم ژتيک بهينه سازي مي کنيم .
در اين مقاله علاوه بر اعمال دانش بدست آمده از تحقيقات انجام گرفته و اجراي چند سناريوي پاسخگويي بار و مقايسه اثرگذاريشان بر مديريت مصرف بخش انعطاف پذير بار خانگي ، اثر انرژي خورشيدي را بر بار انعطافپذير که در اينجا بار گرمايشي است ، نيز در نظر گرفته مي شود تا طرح پيشنهادي به حالت واقعي خود نزديک تر گردد. اثر اين پارامتر اضافه شده بر موضوع مورد مطالعه مورد بررسي واقع مي گردد. در نهايت نتايج بدست آمده را با قيمت گذاري ثابت مقايسه مي کنيم .

٢- مدلسازي مسئله
٢-١- مدل سازي مصرف کننده و شبکه برق
هدف از اجراي سناريوهاي تعرفه زمـاني کـاهش هزينـه صـورت حساب مشترکين و کاهش پيک بار کل مصرفي مي باشد. در اين مقاله مصرفکننده به صورت يک مصرفکننده بخش خـانگي در نظر گرفته شده است . ميزان بار مصرفي مصرفکننده فوق در هـر ساعت به دو قسمت بار انعطافپذير و غير قابل انعطـاف يـا ثابـت تقسيم شده است . بار ثابت که حدود ٨٠ درصد مقدار کـل بـار را تشکيل مي دهد، معرف ميزان باري است که مصرفکننده در هـر ساعت به ناچار مجبور به مصرف آن اسـت . بخـش ديگـر بـار کـه حدود ٢٠ درصد از کل بار را تشکيل مي دهد معـرف بـاري اسـت که مصرفکننده مي تواند بدون از دست دادن مطلوبيـت خـود آن را از ساعتي به ساعت ديگر منتقل کند. در اين مقاله بـار انعطـاف پذير به صورت يک بار گرمايشي در نظر گرفتـه شـده اسـت
که هدف از به کار گیری ان حفظ دمای اتاق در طول شبانه روز در یک بازه زمانی مطلوب ( ۲۱ تا ۲۴ درجه سانتیگراد ) است . مدل فوق مطابق مدل معرفي شده در [١١] است . تابع هـدف مصـرف کننده که به شکل هزينه نوشته شـده و بايـد حـداقل گـردد بـه صورت زير مي باشد:

که در آن، افق بهينه سازي است که بمـدت يک روز، يعني ٢٤ ساعت در نظرگرفته شـده اسـت . قيمـت هـاي برق بصورت ضرايب هزينه . به مسئله بهينه سازي وارد مـي کنيم . توان مصرفي بار گرمايشي را با u نشان مي دهيم و فرض مي کنيم مصرفکننده بتواند آن را بين دو مقدار صـفر تـا ١٠٠ وات تغييـر دهد، همچنين ميزان تغييرات مجاز آن را صـفر تـا ١٠٠ در نظـر مــي گيــريم . اگــر بــازه دمــايي مطلــوب را بــين ٢١ و ٢٤ درجــه سانتيگراد در نظر بگيريم ، ν ميزان انحراف از اين بازه مطلوب را نشان مي دهد، که اگـر دمـاي اتـاق در ايـن بـازه نباشـد، ميـزان انحراف در ضريب جريمه ρ ضرب خواهد شد و بـه تـابع هـدف اضافه میشود . در اینجا فرض شده است در حقیقت ابتدا بار گرمایشی را با استفاده از فضاي حالت مدل کرده و معادلات بدست آمده براي متغيرهاي حالت را به عنوان قيود بـار حرارتي در نظر مـي گيـرد، يعنـي اسـت ، که Tr دماي اتاق، Tf دمـاي کـف اتـاق و Tw دمـاي آب درون لوله هاي سيستم حرارتي است . متغير کنترلشده y همـان دمـاي اتاق Tr است . اغتشاشـات مسـئله دمـاي محـيط بيـرون و تـوان تابشي خورشيد اسـت ، کـه بصـورت نمـايش داده مي شود. ماتريس ضرايب با استفاده از دادههاي [١١, ١٢] بصورت زير بدست مي آيند:

مديريت شبکه برق نيز با ارسال سـيگنالهـاي قيمتـي و ايجـاد انگيزه در مصرفکنندگان جهت انتقال بـار، بـه دنبـال مـديريت سمت تقاضا، کاهش هزينه هاي توليد برق، کاهش انتشار گازهاي گلخانه اي، پايداري شبکه و حداکثرسازي سود خود است . شـبکه برق با در نظر گرفتن هزينه دريافتي از مصرفکننده بـه عنـوان درآمد و ميزان پرداخت شده بـه توليـدکننـده انـرژي بـه عنـوان هزينه ، به محاسبه سود خود با استفاده از رابطه زير مي پردازد: