استفاده از فیلمها و تصاویری با قدرت تفکیکپذیری بالا، در اکثر کاربردهای الکترونیکی مورد نیاز است. تمایل برای استفاده از تصاویری با وضوح بالا از دو زمینه اصلی نشات میگیرد: بهبود اطلاعات تصویری برای تفسیر انسان؛ و کمک به درک دستگاههای خودکار. وضوح تصویر، جزئیات موجود در تصویر را توصیف میکند. در وضوح بالاتر، جزئیات تصویر بیشتر است. وضوح یک تصویر دیجیتال را میتوان در بسیاری از زمینه های مختلف طبقه بندی کرد: وضوح پیکسلی، وضوح فضایی، وضوح طیفی، وضوح زمانی و وضوح رادیومتری [1]. در این پایاننامه، مباحث در حوزهی وضوح فضایی مطرح میشود.
وضوح فضایی: یک تصویر دیجیتال از عناصر تصویر کوچکی به نام پیکسل ساخته شده است. وضوح فضایی، به تراکم پیکسلها در یک تصویر اشاره دارد و معیار سنجش آن پیکسل در واحد سطح است.
شکل 1-1 آزمون کلاسیک برای تعیین وضوح فضایی یک سیستم تصویربرداری را نشان میدهد. وضوح فضایی تصویر ابتدا توسط حسگرهای تصویربرداری و یا دستگاه اکتساب تصویر محدود میشود. در دوربین دیجیتال، تصویربرداری بر روی فیلم صورت نمی‌گیرد بلکه توسط یک حسگر حساس (دستگاه جفت‌کنندهی بار (CCD) [1] یا نیم‌رسانای اکسید فلزی مکمل (CMOS) [2] ) انجام می‌پذیرد. این حسگرها معمولاً در یک آرایه دو بعدی، برای گرفتن سیگنال تصویر دو بعدی مرتب شدهاند. در وهله اول، اندازه حسگر و یا به طور معادل تعداد عناصر حسگر به ازای هر واحد سطح، وضوح فضایی تصویر را تعیین میکند. حسگرها با تراکم بالاتر، وضوح فضایی بیشتری را برای سیستم تصویربرداری ممکن میسازد. سیستم تصویربرداری با آشکارسازهای ناکافی، تصاویری کم وضوح با اثرات بلوکی ایجاد میکند که ناشی از فرکانس پایین نمونه برداری فضایی است. تلاش‌های بسیاری جهت افزایش وضوح تصاویر دیجیتالی صورت گرفته است، که به دو بخش کلی نرم‌افزاری و سخت‌افزاری قابل تقسیم بندی می‌باشند.
در بخش سخت‌افزاری با هرچه غنیتر نمودن تعداد پیکسل‌های موجود بر روی حسگرهای دوربین‌های دیجیتالی در واحد سطح، میتوان درجه تفکیک تصویر را افزایش داد. بعلاوه، با هرچه کوچکتر نمودن سلول‌های حسگرهای دوربین‌های دیجیتالی، مقدار نور مؤثر دریافت شده توسط هر سلول، کاهش می‌یابد؛ البته میتوان با ایجاد شبکه‌ای از عدسی‌های محدب بر روی لایه فوقانی سلول‌های حسگر، مقدار نور مؤثر دریافتی توسط هر سلول حسگر را افرایش داد. لیکن به دلیل وجود تعداد بسیار زیاد سلول‌های حسگر، نویز ضربه ای ناشی از قطع و وصل جریان در درون این شبکه سلولی، همچنان وجود داشته و عامل مؤثری جهت کاهش کیفیت تصویر نهایی میگردد[2].
در حالی که وضوح فضایی تصویر توسط حسگرهای تصویر محدود میشود، جزئیات تصویر (باندهای فرکانس بالا) نیز به دلیل تاری لنز (مرتبط با تابع نقطه گستر حسگر)، اثرات انحراف لنز، انکسار روزنه و تاری نوری با توجه به حرکت، محدود میشوند. بنابراین روش سخت‌افزاری جهت رسیدن به تصاویری با کیفیت و وضوح بالاتر، بسیار پرهزینه و عملاً تا حدی غیر ممکن میباشد و معمولاً نمی‌توان از حد معینی، بدلیل محدودیتهای تکنیکی موجود در تکنولوژی ساخت مدارات مجتمع، فراتر رفت. علاوه بر هزینه، وضوح یک دوربین نظارتی نیز به علت سرعت دوربین و سخت افزار ذخیره سازی محدود شده است. در بعضی موارد دیگر مانند تصاویر ماهوارهای، استفاده از حسگرهای وضوح بالا به دلیل محدودیتهای فیزیکی آن دشوار است.
استفاده از روش نرم‌افزاری، جهت پذیرش خرابیهای تصویر و استفاده از پردازش سیگنال در پس پردازش عکسهای گرفته شده، به منظور تعامل بین هزینههای محاسباتی با هزینههای سخت افزاری، مطرح میگردد. روشهای نرم افزاری از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه میباشد و امکان تولید تصویری با وضوح بالاتر توسط همان دوربین‌های تصویربرداری دیجیتالی کم وضوح را فراهم میآورد.
یکی از تکنیکهای مطرح شده در بعد نرم‌افزاری، جهت افزایش کیفیت تصویر چه از لحاظ تعداد پیکسلها و چه از لحاظ کاهش مقدار نویز، تکنیک فراتفکیک پذیری (SR)میباشد. این تکنیک از لحاظ نامگذاری بدلیل آنکه قادر خواهیم بود از محدوده توانایی سیستم تصویر برداری فراتر رویم، فرا تفکیک پذیری نامیده میشود، و عمدتا به دو گروه روشهای مبتنی بر یادگیری و روشهای مبتنی بر بازسازی چند فریمی تقسیم میشوند [4]. در روشهای مبتنی بر یادگیری، تنها از یک تصویر کم وضوح (LR) برای ایجاد تصویری با وضوح بالا (HR) استفاده میشود. این رویکرد، زیر گروهی از روش های یادگیری ماشین است. برخی از روشهای پیشنهادی در این حوزه در [10-4] آورده شده است. گروه بعدی، روشهای مبتنی بر بازسازی چندفریمی است که تمرکز ما در این پایان نامه بر روی این دسته از تکنیکها میباشد.
در تکنیکهای فراتفکیکپذیری چند فریمی، تلفیق چندین تصویر با وضوح پائینتر باعث تولید تصویر نهایی با وضوح بالاتر میگردد. این فرآیند موجب بازسازی اجزای فرکانس بالا و حذف خرابیهایی که به علت تصویربرداری با دوربین کم وضوح ایجاد شده است، میشود. ایده اصلی در تکنیکهای فراتفکیک پذیری چند فریمی، ترکیب اطلاعات غیر زائد موجود در فریم‌های کم وضوح برای تولید یک تصویر با وضوح بالا است [3]. روشی که به طور تنگاتنگ باSR مرتبط است رویکرد درون‌یابی تصویر میباشد، که می‌تواند برای افزایش اندازه تصویر مورد استفاده قرار گیرد. اما، از آنجا که هیچ اطلاعات اضافی ایجاد نمیشود، کیفیت درون‌یابی تک تصویر با توجه به ماهیت بدحالت[4] مسئله، بسیار محدود است، و اجزای فرکانسی از دست رفته را نمیتواند بازیابی کند. اما در زمینه SR، مشاهدات متعدد کم وضوح برای بازسازی در دسترس هستند. اطلاعات غیر زائد موجود در این تصاویرکم وضوح، به طور معمول توسط جابجاییهای در حد کسری از واحد پیکسل، که بین این تصاویر اتفاق میافتد، ایجاد میشود. این جابجاییهای در حد کسری از واحد پیکسل ممکن است به دلیل حرکات غیر کنترل شده بین سیستم تصویربرداری و صحنه رخ دهد، به عنوان مثال، حرکت شی؛ و یا بعلت حرکات کنترل شده، مانند سیستم تصویربرداری ماهواره ای در مدار زمین که با سرعت و مسیر از پیش تعریف شده در حال حرکت است.
هر فریم کم وضوح، مشاهده اعوجاجی از صحنه واقعی است. فراتفکیکپذیری تنها در صورتی که حرکت در حد کسری از واحد پیکسل بین این فریم وضوح پایین وجود داشته باشد، امکان پذیر است. شکل 1-2 نمودار سادهای از توصیف ایده اولیه بازسازی SR را نشان میدهد. در فرآیند تصویربرداری، دوربین چندین فریم LR را از صحنهHR ضبط میکند. این تصاویر LR، نسبت به یکدیگر شیفتهای حد کسری از واحد پیکسل دارند و همچنین با نرخ پایین نمونهبرداری شدهاند. ساخت و ساز تکنیکهای SR چند فریمی، معکوس این فرآیند است؛ همترازی مشاهدات LR در دقت کسری از پیکسل، و ترکیب آنها به یک شبکه تصویر HR (درون‌یابی) که حاصل آن غلبه بر محدودیتهای تصویربرداری دوربین است.
اصول اولیه الگوریتم فراتفکیکپذیری مبتنی بر حرکت را با آزمایش بسیار سادهای که در شکل 1-3 نشان داده شده، توضیح میدهیم. مطابق شکل 1-3(الف)، صحنه متشکل از چهار پیکسل با وضوح بالا است. دوربین خیالی با حرکت کسری از پیکسل کنترل شده، متشکل از تنها یک پیکسل، قطاری از تصاویر را از این صحنه را ایجاد میکند. شکلهای 1-3(ب)-(ه)، چگونگی ایجاد این تصاویر را نشان میدهد. البته هیچ کدام از این تصاویر با کیفیت پایین نمیتواند جزئیات تصویر زمینهای را نشان دهد. با فرض این که تابع نقطه گستر (PSF)[1] دوربین خیالی (که پدیدهی ماتی نوری در یک دوربین را مدل میکند) یک تابع خطی شناخته شده است، و سطح خاکستری تمام پیکسل های مرزی صفر است، معادلات زیر، تصاویر کم وضوح تار شده را با نوع وضوح بالا مربوط با میسازد.
که و ، تصاویر کم وضوح ، X مقادیر سطح خاکستری پیکسل در تصویر با وضوح بالا،H عناصرPSF مشخص و v نویز تصادفی اضافه شده ازCCD به فریم‌های کیفیت پایین است. در مواردی که نویز اضافه شده کوچک باشد، با حل مجموعه معادلات خطی فوق، میتوان مقادیر پیکسل وضوح بالا را بدست آورد. متأسفانه، همان‌طور که در بخش بعد خواهیم دید، فرض ساده مطرح شده در بالا به ندرت در شرایط واقعی معتبر خواهد بود.
فراتفکیک پذیری در بسیاری از زمینه‌ها مطرح میشود، مانند:
– ویدیو نظارتی [12،13] : بزرگ نمایی منطقه مورد نظر (ROI) در ویدئو برای درک انسان (به عنوان مثال دیدن پلاک خودرو در ویدئو)، افزایش وضوح تشخیص هدف اتوماتیک (به عنوان مثال سعی به تشخیص چهره جنایتکار) .
– سنجش از راه دور [14] : چند عکس از یک منطقه گرفته میشود، و یک تصویر با وضوح بهبود یافته را میتوان یافت.
– تصویربرداری پزشکی (CT، MRI، اولتراسوند و غیره) [18-15] : چند تصویر با وضوح محدود را میتوان به دست آورد، و روش SR می‌تواند به منظور افزایش وضوح استفاده شود.
– تبدیل استانداردهای ویدئویی، به عنوان مثال تبدیل سیگنال ویدیویی NTSC به سیگنال HDTV.
با این حال، خواهیم دید که فراتفکیکپذیری، مسئلهای با محاسبات پیچیده و بدحالت است. تمامی این موارد فراتفکیکپذیری را به یکی از جذاب‌ترین زمینه های تحقیقاتی در پردازش تصویر تبدیل کردهاست.
1-1- فراتفکیک پذیری به عنوان یک مسئله معکوس
الگوریتم‌های فراتفکیک پذیری در تلاشند تا تصویری با وضوح بالا را که توسط محدودیتهای یک سیستم تصویربرداری نوری خراب شده است، بازسازی کنند. این نوع مسئله یک مثال از مسئله معکوسی است، که در آن منبع اطلاعات (تصویر با وضوح بالا) از دادههای مشاهده شده (وضوح تصویر کم و یا تصاویر) تخمین زده میشود. به طور کلی، در حل مسئلهی معکوس نیاز به ساخت یک مدل رو به جلو است. رایج‌ترین مدل رو به جلو برای حل مسئله فراتفکیک پذیری، خطی و به صورت زیر فرموله میشود.
که در آن تصویر و یا مجموعه ای از تصاویر کم وضوح، تصویر مجهول با وضوح بالا و نویز تصادفی ذاتی در سیستم تصویربرداری است. در این رابطه تصاویر ورودی و خروجی سیستم را بصورت برداری در نظر گرفته و از نماد و برای تاکید بر برداری بودن تصویر خروجی و ورودی استفاده میکنیم. در این فرمول، تصاویر به صورت بردار از جاروب تصاویر دو بعدی در امتداد سطرها بدست آمدهاند. ماتریس M در مدل مستقیم فوق نشان دهنده سیستم تصویربرداری، متشکل از فرآیندهای متعددی است که بر کیفیت تصاویر تخمین زده شده اثر میگذارد. ساده‌ترین شکل ماتریس M همانی است، که ساده‌ترین نوع این مسئله و بعنوان یک مسئله حذف نویز ساده در نظر گرفته میشود. مسائل جالب توجه تر (و سخت‌تر برای حل) را میتوان با توجه به مدل‌های پیچیده تر برای M تعریف کرد. به عنوان مثال، برای تعریف مسئله فراتفکیکپذیری در مقیاس خاکستری، یک سیستم تصویربرداری که شامل ماتی، تاری، و نمونه برداری با نرخ پایین از دادهها است را در نظر گرفتیم (در فصل 2 و 3 تعریف شده است). علاوه بر این، اضافه کردن فرآیند فیلتر کردن رنگ به مدل قبل، ما را قادر به حل مسئله موزائیک زدایی[1] چند قابی که در فصل 4 تعریف شده، میسازد.
[1] Demosaic
[1] Point Spread Function
[1] Super-Resolution
[2] Low Resolution
[3] High Resolution
[4] یک مسئله زمانی بدحالت (ill-posed) است که، الف) بینهایت جواب داشته باشد. ب) جواب منحصر بفرد نداشته باشد. ج) تغییر مقدار اولیه روی جواب نهایی بیتاثیر باشد.
[1] Charge Coupled Device
[2] Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
خرابیهای یك موتور قفس سنجابی را می توان به دو دسته الكتریكی و مكانیكی تقسیم كرد.هر كدام از این خرابیها در اثر عوامل و تنش های متعددی ایجاد می گردند. این تنشها در حالت كلی بصورت حرارتی، مغناطیسی، دینامیكی، مكانیكی و یا محیطی می باشند كه در قسمت های مختلف ماشین مانند محور، بلبرینگ، سیم پیچی استاتور ، ورقه های هسته روتور واستاتور و قفسه روتور خرابی ایجاد میكنند. اكثر این خرابیها در اثر عدم بكارگیری ماشین مناسب در شرایط كاری مورد نظر، عدم هماهنگی بین طراح و كاربر و استفاده نامناسب از ماشین پدید میآید. در این قسمت سعی گردیده است ابتدا انواع تنشهای وارده بر ماشین، عوامل پدید آمدن و اثرات آنها بررسی گردد.
قبل از بررسی انواع تنشهای وارده بر ماشین القایی بایستی موارد زیر در نظر گرفته شود:
1- با مشخص كردن شرایط كار ماشین می توان تنشهای حرارتی، مكانیكی و دینامیكی را پیش بینی نمود و ماشین مناسب با آن شرایط را انتخاب كرد. به عنوان مثال ، سیكل كاری ماشین و نوع بار آن ، تعداد دفعات خاموش و روشن كردن و فاصله زمانی بین آنها ، از عواملی
هستند كه تاثیر مستقیم در پدید آمدن تنشهای وارده بر ماشین خواهند داشت.
2- وضعیت شبكه تغذیه ماشین از لحاظ افت ولتاژ در حالت دائمی و شرایط راه اندازی و میزان هارمونیكهای شبكه هم در پدید آمدن نوع تنش و در نتیجه پدید آمدن خرابی در ماشین موثر خواهند بود.
2-1- بررسی انواع تنشهای وارد شونده بر ماشین القایی:
1-2-1- تنشهای موثر در خرابی استاتور:
الف ـ تنشهای گرمایی :این نوع از تنشها را می توان ناشی از عوامل زیر دانست:
– سیكل راه اندازی: افزایش حرارت در موتورهای القایی بیشتر هنگام راه اندازی و توقف ایجاد میشود. یك موتور در طول راه اندازی، پنج تا هشت برابر جریان نامی از شبكه جریان می كشد تا تحت شرایط بار كامل راه بیفتد. بنابراین اگر تعداد راه اندازی های یك موتور در پریود كوتاهی از زمان زیاد گردد دمای سیم پیچی به سرعت افزایش می یابد در حالی كه یك موتور القایی یك حد مجاز برای گرم شدن دارد و هرگاه این حد در نظر گرفته نشود آمادگی موتور برای بروز خطا افزایش می یابد. تنشهایی كه بر اثر توقف ناگهانی موتور بوجود می آیند به مراتب تاثیر گذارتر از بقیه تنشها هستند.
– اضافه بار گرمایی: بر اثر تغییرات ولتاژ و همچنین ولتاژهای نامتعادل دمای سیم پیچی افزایش می یابد.
بنابر یك قاعده تجربی بازای هر %2/1-3 ولتاژ فاز نامتعادل دمای سیم پیچی فاز با حداكثر جریان خود، 25% افزایش پیدا می كند.
– فرسودگی گرمایی: طبق قانون تجربی با ºc10 افزایش دمای سیم پیچی استاتور عمر عایقی آن نصف می شود. بنابراین اثر معمولی فرسودگی گرمایی ، آسیب پذیری سیستم عایقی است.
ب ـ تنشهای ناشی از كیفیت نامناسب محیط كار : عواملی كه باعث ایجاد این تنشهامی شود به صورت زیر است:
– رطوبت
– شیمیایی
– خراش ( سائیدگی)[1]
– ذرات کوچک خارجی
ج ـ تنشهای مكانیكی: عواملی كه باعث ایجاد این تنشها می شوند به صورت زیر می باشند:
– ضربات روتور: برخورد روتور به استاتور باعث می شود كه ورقه های استاتور عایق كلاف را از بین ببرد و اگر این تماس ادامه داشته باشد نتیجه این است كه كلاف در شیار استاتور خیلی زود زمین میشود و این به دلیل گرمای بیش از حد تولید شده در نقطه تماس می باشند.
– جابجایی كلاف: نیرویی كه بر كلافها وارد می شود ناشی از جریان سیم پیچی است كه این نیرو متناسب با مجذور جریان می باشد ( F∝ ). این نیرو هنگام راه اندازی ماكزیمم مقدار خودش را دارد و باعث ارتعاش كلافها با دو برابر فركانس شبكه و جابجایی آنها در هر دو جهت شعاعی و مماسی میگردد.
Abrasion -1
موتورهای القایی به دلیل سادگی و استحکام ساختمان، ارزانی، محدوده وسیع سرعت و پاره‌ای مزایای دیگر کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده‌اند. به همین دلیل پایش وضعیت این نوع موتورها جهت شناسایی خطاها در مراحل اولیه پیدایش آنها، به ویژه در توان‌های زیاد، اهمیت زیادی دارد. بنابراین تشخیص خطای اتصال حلقه در زمان‌های اولیه وقوع آن می‌تواند مزیت‌های زیر را در بر داشته باشد:
– جلوگیری از آسیب عمده به موتور و تعمیرات زمان‌بر و پر هزینه آن.
– جلوگیری از توقف غیر منتظره خط تولید.
– کاهش تلفات.
حصول مزیت‌های فوق مستلزم اطلاع به هنگام از شدت و موقعیت (فاز) خطای اتصال حلقه موتور است. این امر معمولا از طریق آشکارسازی بعضی آثار مترتب بر رفتار موتور در اثر بروز خطا میسر است. معایب موتورهای القایی را میتوان به سه گروه اصلی: مکانیکی، روتور و استاتور تقسیم کرد. هر کدام از این خطاها ریشه در عوامل متفاوتی دارند و آثار مختلفی بر عملکرد موتور می‌گذارند. حتی بعضی از خطاها ممکن است خود منشا بروز خطاهای دیگر شوند.
خطاهای مکانیکی عمدتاٌ از خطای یاتاقان‌ها (بلبرینگ‌ها) ناشی میشوند ]1و2 [. بعضی عوامل ایجاد خطای یاتاقان عبارتند از : روغن کاری نامناسب یا ناکافی، تنشهای شعاعی و محوری سنگین بدلیل انحراف محور ومونتاژ، تنظیم یا فونداسیون ضعیف. این عوامل سبب تسریع در سایش و فرسایش یاتاقان ها میشوند. معمولا خطای یاتاقان‌ها بروز خطای نا هم‌محوری روتور و استاتور را نیز در پی دارند. تشدید خطای اخیر می‌تواند منجر به تماس سطوح روتور و استاتور شده و معایب روتور و استاتور را پدید آورد.
شکستن میله‌های روتور، شکستن حلقه انتهایی روتور و انواع نا هم‌محوری (استاتیکی، دینامیکی و مرکب) از جمله خطاهای روتور هستند ]3[. دلایل اصلی بروز این خطاها به شرح زیرند :
1. اضافه بار حرارتی که می‌تواند حین شتابگیری، کارکرد دایم و یا توقف روتور حاصل شود.
2. عدم تعادل حرارتی یا اختلاف دما در میله‌های روتور که از راه اندازی‌های مکرر، پدیده پوستی، انتقال حرارت غیر یکنواخت هسته و میله‌های روتور و بعضی عوامل دیگر ناشی میشود.
3. اثرات مغناطیسی که منجر به وارد شدن نیروهای الکترودینامیکی شعاعی بر میله‌ها میشوند. این نیروها که از تاثیر متقابل شار مغناطیسی و جریان میله‌ها حاصل میشوند، با مربع جریان میله‌ها متناسب بوده و سبب لرزش و خمش میله‌ها در امتداد شعاعی شده و سرانجام ممکن است منجر به شکستن میله‌های روتور شوند.
4. غیر یکنواختی ذاتی در امتداد طولی فاصله هوایی (نا هم‌محوری ذاتی) که از ایده‌آل نبودن فناوری ساخت و مونتاژ موتور ناشی میشود، باعث کشش مغناطیسی نامتقارن در سطوح مجاور روتور و استاتور میشود. زیرا روتور در سمتی که فاصله هوایی کوچکتر است تحت نیروهای کششی بزرگتری قرار میگیرد. این امر سبب خم شدن روتور، تشدید خطای نا هم‌محوری و در نهایت منجر به برخورد روتور با استاتور میشود. در نتیجه ممکن است به ساختار روتور و استاتور آسیب جدی وارد شود.
5. افزایش تنشهای وارد بر میله‌های روتور در اثر اضافه بار دایم یا نوسانی در طول زمان می‌تواند منجر به شکستن میله‌های روتور شود.
6. افزایش نیروهای گریز از مرکز در اثر افزایش سرعت موتور به بیش از سرعت اسمی می‌تواند منجر به بروز تنشهایی در حلقه‌های انتهایی و شکستن اتصال بین میله‌های روتور و حلقه‌های انتهایی گردد.
استاتور موتورهای القایی نیز همانند بلبرینگ‌ها و روتور می‌تواند تحت تاثیر عوامل مختلفی دچار خطا شود]3[ . پنج نوع خطا برای سیم پیچ‌های استاتور گزارش شدهاند که همه آنها ریشه در خرابی عایق سیم‌پیچ‌ها دارند ]4[ این خطاها عبارتند از:
1- خطای حلقه به حلقه در یک کلاف که در آن دو نقطه از یک یا چند حلقه از یک کلاف به همدیگر اتصال پیدا می‌کنند (خطای اتصال حلقه).
2- خطای کلاف به کلاف در یک فاز که در آن یک نقطه از یک کلاف به یک نقطه از کلاف دیگر سیم‌پیچی همان فاز اتصال پیدا میکند.
3- خطای فاز به فاز که در آن نقطه‌ای از سیم‌پیچ یک فاز به نقطه‌ای از سیم‌پیچ یک فاز دیگر اتصال پیدا میکند.
4- خطای مدار باز که در آن به دلیل قطع شدگی سیم، یک فاز یا بخشی از یک فاز مدار باز میشود.
5- خطای کلاف به زمین که در آن نقطه‌ای از سیم‌پیچ یک فاز به زمین (بدنه) اتصال پیدا میکند.
شکل (1-1) انواع خطای سیم‌پیچ استاتور را نشان داده است. یک موتور معیوب ممکن است دارای ترکیبی از خطاهای سه گانه فوق باشد. به عنوان مثال، در یک موتور ممکن است محور موتور خمیدگی پیدا کند و این امر سبب ایجاد لرزش و آسیب در بلبرینگ‌ها شده، منجر به تماس روتور با استاتور شود. با ادامه کارکرد موتور در این وضعیت گرمای بیش از حد تولید شده ممکن است میله‌های آلومینیمی روتور ذوب شوند. پخش شدن آلومینیم مذاب روی سیم‌پیچ استاتور خطای سیم‌پیچ را به دنبال میآورد.
حدود 75 درصد از کل خرابیهای موتورهای القایی قفس سنجابی مربوط به خطاهای استاتور و یاتاقان است خرابی بلبرینگ‌ها (خطاهای مکانیکی) 40 تا 50 درصد، خرابی عایق استاتور (خطای استاتور) 30 تا 40 درصد و خرابی قفسه روتور (خطای روتور) 5 تا 10 درصد گزارش شده است ]6[. اگر از پیشرفت خرابی های حلقه به حلقه جلوگیری نشود، موارد مذکور منجر به خطا فاز به زمین یا فاز به فاز میگردد، که البته خطا فاز به زمین محتمل‌تر است. نتایج مطالعات جامع‌تر که بر پایه یک روش آماری و برای موتورهایی با قدرت‌ها و سرعت‌های مختلف صورت گرفته نیز موید درصد‌های فوق الذکر است ]2و7و8[. بنابراین خطاهای سیم‌پیچ استاتور درصد قابل توجهی از کل معایب موتور القایی را به خود اختصاص میدهد. لذا این پایاننامه بر روی خطای سیم‌پیچ استاتور تمرکز دارد.
انواع خطای سیم‌پیچ استاتور معمولا با اتصال کوتاه چند حلقه مجاور سیم‌پیچ فاز (خطای اتصال حلقه) شروع میشود. به این ترتیب که جریان گردشی در حلقه‌های اتصال کوتاه موجب تولید گرما و افزایش دما در ناحیه معیوب سیم‌پیچ شده و با تخریب بیشتر عایق در آن محل، منجر به خطاهای شدیدتر یعنی خطای کلاف به کلاف، خطای فاز به فاز و یا خطای فاز به زمین میگردد. . اگرچه اطلاعات تجربی از فاصله زمانی بین وقوع خطای اتصال حلقه تا شکست عایقی و تشدید کامل خطا وجود ندارد، ولی قدر مسلم آنست که این فرایند آنی و لحظه‌ای نیست و سرعت آن به شدت خطا، یعنی تعداد حلقه‌های اتصال کوتاه شده، وابسته است.
برای آشکارسازی خطای اتصال حلقه تاکنون شاخص‌های متعددی معرفی شده و روشهای مختلفی هم برای اندازه گیری آنها و نتیجه‌گیری در خصوص وقوع خطا ارائه شده است که در ادامه مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
2-1- عوامل پدید آورنده خطاهای سیم‌پیچ:
همه انواع خطای سیم‌پیچ استاتور ریشه در خرابی عایق سیم‌پیچ دارند. تنشهای مختلفی در ساختار موتور و به ویژه استاتور ممکن است منجر به خرابی عایق سیم‌پیچ و بروز خطا شوند. این تنشها در قالب تنشهای حرارتی، الکتریکی، مکانیکی و محیطی قابل دسته‌بندی هستند ]3و4[:
1-2-1- تنش های حرارتی
تنشهای حرارتی بر اثر افزایش دمای سیم‌پیچ ها بوجود آمده و سبب کاهش طول عمر یا تخریب عایق سیم‌پیچ‌ها میشوند. آزمایش‌های استاندارد نشان می‌دهند که به ازای هر 10 درجه سانتیگراد افزایش دمای سیم‌پیچ از حداکثر مقدار مجاز، طول عمر عایق آن به نصف تقلیل می‌یابد]4[. عوامل افزایش ایجاد تنش حرارتی عبارتند از:
– اضافه ولتاژ : افزایش دامنه ولتاژ موجب افزایش دامنه شار ماشین، افزایش تلفات هسته، افزایش دما و ایجاد تنش حرارتی میشود.
– عدم تعادل ولتاژهای سه فاز : درصد اندکی عدم تعادلی در ولتاژهای سه فاز، موجب افزایش قابل توجه دامنه جریان سیم‌پیچ فازها شده و افزایش تلفات مسی ناشی از آن، افزایش دمای شدیدی را در سیم‌پیچ‌ها پدید میآورد. برای مثال فقط 5/3 درصد عدم تعادلی ولتاژها سبب 25 درصد افزایش دما در سیم‌پیچ‌ها خواهد شد]4[ .
– توقف و راه اندازی‌های مکرر : در حین راه اندازی، جریان موتور بین 5 تا 8 برابر جریان بار کامل است. بنابراین در زمان راه اندازی تلفات اهمی قابل توجهی در سیم‌پیچ‌ها ایجاد میشود. حال اگر یک موتور در فواصل زمانی کوتاه بطور متناوب در معرض راه اندازی‌های مکرر قرار گیرد، تجمیع حرارت ناشی از افزایش تلفات اهمی موجب افزایش دمای سیم‌پیچ و بروز تنش حرارتی خواهد شد.
– اضافه بار : دمای سیم پیچ بطور تقریب متناسب با توان دوم بار موتور است. به عبارت دیگر دمای سیم‌پیچ با مربع افزایش گشتاور صعود میکند. بعنوان مثال اگر در دمای محیط 40 درجه سانتیگراد یک موتور 100 اسب بخار در دمای 64 درجه سانتیگراد کار کند، با 15 درصد افزایش بار دمای آن به 85 درجه سانتیگراد خواهد رسید. بنابراین طول عمر موتور از 1000000 ساعت مفروض به 1147000 ساعت کاهش خواهد یافت ]4[.
– دمای محیط : موتورهای استاندارد معمولا برای کار در حداکثر دمای محیط معین (معمولا 40 درجه سانتیگراد) طراحی میشوند. هر دمای محیطی فراتر از این مقدار، افزایش مشابهی را در دمای کار موتور پدید آورده باعث بروز تنش حرارتی میگردد.
2-2-1- تنش های الکتریکی
تنشهای ولتاژ الکتریکی سبب تخریب موضعی عایق الکتریکی و یا کاهش عمر عایق و در نهایت بروز خطاهای سیم‌پیچ از نوع اتصال کوتاه میشوند. بنابراین رابطه مستقیمی بین عمر عایق و تنشهای ولتاژ اعمال شده به سیم‌پیچ‌ها وجود دارد ]9[. انواع تنشهای الکتریکی موثر در این زمینه عبارتند از:
– پدیده تخریب عایق : در صورتی که در موتورهای با ولتاژ بیش از 600 ولت سیستم الکتریکی موتور از محیط بیرون ایزوله نشده باشد، این پدیده رخ میدهد. فرآیند این نوع تخریب عایق بدین ترتیب است که ابتدا حفره‌های کوچک با جریان نشتی بین مس سیم و محیط آزاد ایجاد میشود که کاهش امپدانس بین سیم و زمین در اثر ترکیب رطوبت و مواد خارجی را به دنبال دارد. سپس با تخلیه الکتریکی جزیی به زمین و به وجود آمدن نقاط سوخته ریز در سیستم عایق الکتریکی فرآیند تخریب عایق کامل میشود.
– اضافه ولتاژهای لحظه‌ای : خطاهای اتصال کوتاه در سیم‌پیچ موتور می‌تواند در اثر اضافه ولتاژهای لحظه‌ای اعمال شده به سیم‌پیچ‌ها رخ دهد. منشا اینگونه اضافه ولتاژها عبارتند از ]9[:
1- در فاز یا خط شبکه تغذیه گاهی اضافه ولتاژهایی تا 5/3 برابر ولتاژ اسمی با زمان خیزش بسیار کم به وجود می‌آیند. این اضافه ولتاژها در صورت رسیدن به سیم‌پیچ‌های موتور، به عایق آنها آسیب وارد می‌کنند.
2- اضافه ولتاژهای ناشی از محدود کننده‌های جریان : زمانی که محدود کننده جریان، مثل (فیوز)، در لحظه‌ای که انرژی در میدان مغناطیسی سیم‌پیچ‌ها ذخیره شده عمل میکند، سبب ایجاد نوسان یا تشدید ولتاژ میشود. این امر با اضافه ولتاژهای لحظه‌ای همراه است و سبب آسیب به عایق سیم‌پیچ میشود.
3- اضافه ولتاژهای ناشی از عملکرد در درایوهای فرکانس متغیر و در لحظات راه اندازی، توقف و نیز در تغییر سیکل‌های کاری امکان وقوع دارند. این اضافه ولتاژها با دامنه 2 تا 5 برابر ولتاژ اسمی و زمان خیزش از 1/0 تا میلی ثانیه می‌توانند به وجود آیند و تهدیدی برای عایق سیم‌پیچ‌ها به حساب می‌آیند.
:
ریزشبکهها شبکه‌هایی با مقیاس های کوچک در سطح ولتاژ فشار ضعیف هستند که برای تامین بارهای گرمایی و الکتریکی مکان های کوچک و مکان هایی که قابلیت دسترسی به شبکه اصلی برق را ندارند، به کار می‌روند. ریزشبکهها برای تامین انرژی انواع مصرف‌کننده‌ها همچون خانگی، صنعتی و کشاورزی مورد استفاده قرار می‌گیرند و برآورد هزینه آنها بر اساس سیاستهای قیمت گذاری در بازار برق صورت میگیرد. مناطق دور افتاده، معمولاً با مشکل عدم ارتباط با شبکه اصلی برق مواجه هستند. ریز شبکه‌ها می‌تواند یک راهکار مناسب برای تولید انرژی با در نظر گرفتن مسائل زیست‌محیطی و اقتصادی برای این مناطق باشند. در این پایاننامه تعیین سایز بهینه یک سیستم ترکیبی مستقل از شبکه، مورد بررسی قرار میگیرد. سیستم ترکیبی مورد مطالعه متشکل از توربین‌های بادی، آرایه‌های خورشیدی، سلول‌های سوختی با ذخیره ساز هیدروژنی و دیزل ژنراتور میباشد. اهداف این پایاننامه کمینه‌سازی هزینه سیستم و کاهش آلودگی زیست‌محیطی در دوره مورد مطالعه میباشد. هزینههای سیستم شامل هزینههای سرمایه‌گذاری اولیه، هزینه جایگزینی و هزینه تعمیر و نگهداری سالیانه اجزای سیستم و هزینه مصرف سوخت دیزل‌ژنراتور میباشد. در این پایاننامه از نرم‌افزار GAMS که یکی از قوی‌ترین نرم‌افزارهای تجاری بهینه‌سازی است، استفاده شده‌است.
فصل اول: پیشگفتار
1-1- پیشگفتار
با پیشرفت جوامع بشری نیاز به انرژی افزایش چشم‌گیری یافته است. این نیاز جوامع بشری را به سمت منابعی جدید و پر بازده‌تر سوق میدهد. در ضمن صنعتی شدن و افزایش مصرف خانگی منجر به افزایش غیر قابل پیش‌بینی تقاضا برای انرژی برق شده است. همه این موارد باعث تولید روز افزون گازهای آلوده کننده محیط زیست میشوند[1].
منابع انرژی تجدیدپذیر[1] در دهه‌های اخیر با افزایش هزینه سوخت های فسیلی و با هدف تولید انرژی پاک، بسیار مورد توجه کشورهای صنعتی قرار گرفته است. این امر موجب پیشرفت های بسیاری در بهره برداری از این منابع گردیده است؛ ولی منابع انرژی تجدید پذیر دارای رفتاری متغیر می‌باشند و در نتیجه نمی‌توان تولید را به درستی پیش بینی کرد. به منظور افزایش قابلیت اطمینان سیستم، بكارگیری از دیزل ژنراتورها[2] برای پاسخ گویی به تقاضای بار در سیستم های مستقل از شبكه به طور گسترده ای رایج می باشد[2]. اما خطر كمبود و پایان پذیری منابع انرژیهای فسیلی، رشد روز افزون قیمت سوخت های فسیلی و حاد شدن مسایل زیست محیطی به دلیل افزایش غیر طبیعی انواع مختلف تركیبات زیان‌آور از جمله گازهای گلخانه‌ای نیز از دلائل بالا رفتن انگیزه كشورها در استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر میباشد.
استفاده از منابع تجدید پذیر با در نظر گرفتن همه مزایا و معایب، شاخه ای در صنعت برق به وجود آورده است؛ که به بررسی محدودیت های بهره برداری سیستم های ترکیبی[3] ، بهینه‌سازی بهره برداری[4] سیستم، کاهش آلودگی‌های زیست‌محیطی، بهبود هزینه تمام شده سیستم و به طور کلی بهره‌برداری بهینه از ریزشبکهها[5] و شبکه‌های هوشمند[6] می‌پردازد.
ریزشبکهها، شبکه‌هایی با مقیاس های کوچک هستند؛ در سطح ولتاژ فشار ضعیف که با استفاده از تکنولوژی CHP[7] ، برای تامین بارهای گرمایی و الکتریکی مکان های کوچک و مکان هایی که قابلیت دسترسی به شبکه اصلی برق را ندارند، به کار می‌روند. به عبارت دیگر ریزشبکه ها در اصل یک شبکه توزیع فعال می باشند که از سیستم های DG[8] با بارهای متفاوت در سطوح ولتاژ توزیع تشکیل شده است[3].
ریزشبکهها برای تامین انرژی انواع مصرف‌کننده‌ها همچون خانگی، صنعتی و کشاورزی مورد استفاده قرار می‌گیرند و برآورد هزینه آنها بر اساس سیاست های قیمت‌گذاری در بازار برق صورت میگیرد. استفاده از ریز شبکه ها موجب ارائه توان با کیفیت بالاتر[4]، افزایش قابلیت اطمینان[9] سیستم و کاهش هزینه‌ها، تلفات و آلودگی در شبکه توزیع میشود. با توجه به استفاده از فنآوریهای جدید مانند توربین‌های بادی[10] و سلول‌های خورشیدی[11] در ریزشبکهها و نیز ماهیت تصادفی منابع تجدیدپذیری مانند باد و خورشید، مدیریت و بهره برداری بهینه و ایمن از این شبکه ها به یکی از اولویت های تحقیقاتی پژوهشگران در این زمینه تبدیل شده است[5].
2-1- تعریف مسئله
ریزشبکهها برای تامین انرژی انواع مصرف کنندهها همچون خانگی، صنعتی و کشاورزی مورد استفاده قرار می‌گیرند و برآورد هزینه آنها بر اساس سیاستهای قیمت گذاری در بازار برق صورت میگیرد. مناطق دور افتاده، معمولاً با مشکل عدم ارتباط با شبکه اصلی برق مواجه هستند. ریز شبکه‌ها می‌تواند یک راهکار مناسب برای تولید انرژی با در نظر گرفتن مسائل زیست محیطی و اقتصادی برای این مناطق باشند. در این پایان نامه تعیین سایز بهینه یک سیستم ترکیبی مستقل از شبکه، مورد بررسی قرار میگیرد. سیستم ترکیبی مورد مطالعه متشکل از توربین‌های بادی،آرایه خورشیدی، سلول‌های سوختی با ذخیره ساز هیدروژنی و دیزل ژنراتور میباشد. اهداف این مقاله کمینه سازی هزینه سیستم و کاهش آلودگی زیست محیطی در دوره مورد مطالعه میباشد. هزینههای سیستم شامل هزینههای سرمایه‌گذاری اولیه، هزینه جایگزینی و هزینه تعمیر و نگهداری سالیانه اجزای سیستم و هزینه مصرف سوخت دیزل‌ژنراتور میباشد. در این پایاننامه از نرم‌افزار GAMS که یکی از قوی‌ترین نرم‌افزارهای تجاری بهینه‌سازی است، استفاده شده‌است.
ریزشبکه در نظر گرفته شده انرژی مورد نظر خود را از توربین بادی، آرایه های خورشیدی، سلول سوختی و دیزل ژنراتور بدست میآورد. ذخیره ساز هیدروژنی شامل الکترولایزر میباشد که اضافه توان تولیدی را به عنوان منبع تامین کننده در هنگام نقصان تولید توان، ذخیره میکند. دیزل ژنراتور به عنوان یک منبع پشتیبان عمل میکند. درساعاتی از روز كه توربین‌های بادی و آرایه های خورشیدی به تنهایی قادر به تامین بار نمی باشند، سیستم ذخیره ساز با تولید برق در تامین بار مصرفی سهیم می‌گردند. همچنین بسیاری از سیستمهای مختلط برای پاسخ گویی به پیك بار در زمان‌های كوتاهی‌كه انرژی تولید شده از منابع انرژی موجود، قادر به تامین تقاضا نمی‌باشند به دیزل ژنراتور مجهز شده اند.
در فصل دوم پایان نامه به بررسی اجزای تشکیل دهنده ریز شبکه ها و بر تحقیقات انجام شده خواهیم پرداخت.
در فصل سوم پایان نامه الگوریتم شبیه سازی به همراه قیود و توابع هدف در پایان نامه مورد بررسی قرار خواهند گرفت. در فصل چهارم نتایج شبیه‌سازی آورده شده است و مورد بحث قرار میگیرد. در فصل پنجم نتیجه‌گیری و پیشنهادات ادامه کار آورده شده است.
فصل دوم: معرفی اجزای ریزشبکه و پیشینه تحقیق
1-2- معرفی ریزشبکه ها
ریزشبکهها به صورت مجموعه‌ای از منابع كوچك تولید انرژی می‌باشند كه به شبكه اصلی متصل می‌گردند. ریزشبکهها به صورت سیستمهای تولید همزمان گرما و الكتریسیته (CHP) در مقیاس‌های كوچك و ولتاژهای كم [1](LV) طراحی شدهاند كه بارهای گرمایی و الكتریكی تعداد محدودی از مشتركین را فراهم می‌نمایند. با اتصال چند ریزشبکهها به یكدیگر میتوان نیازهای گرمایی و الكتریكی مشتركین بیشتری را فراهم نمود. بهره‌برداری مؤثر از گرمای تلف شده در سیستمهای CHP یكی از مهم‌ترین مزایای ریزشبکهها به شمار می‌رود. منابع تولید پراكنده مورد استفاده در ریزشبکهها می‌توانند شامل انواع مختلف تكنولوژی‌های تولید با انتشار ناچیز كربن در هوا باشند. به طور معمول ریزشبکهها در دو حالت بهره‌برداری میشوند: متصل به شبكه و جزیره‌ای[2] در هر دو حالت بهره‌برداری، ریزشبکهها تأثیراتی را بر مشتركین و همچنین شبكه اصلی خواهند داشت. در این فصل منابع انرژی تولید پراکنده مورد استفاده در ریزشبکهها، سیستم ذخیره ساز انرژی و تأثیرات فنی، اقتصادی و زیست محیطی ریزشبکهها مورد بررسی قرار میگیرد.
در شکل 1.2 یک ریزشبکه متشکل از از منابع انرژی تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر به همراه ذخیره‌ساز باطری و متصل به شبکه برق آمده‌است.
ریزشبکهها تأثیرات قابل توجهی را بر بازارهای گاز و برق در آینده خواهند داشت. برای استفاده از مزایای ریزشبکهها می‌بایست مشاركت آنها را در بازارهای گاز و برق توسعه داد. برای دستیابی به این امر می‌بایست اصلاحات مناسب در بازار انجام شود و همچنین انگیزه‌های مالی برای سرمایه‌گذاری افراد در زمینه ریزشبکهها فراهم گردد[6].
اخیراً تغییرات عمده‌ای در بازار برق برخی كشورها در حال انجام است. مشاركت ریزشبکهها در بازار سبب افزایش كیفیت توان سرویس در شبكه اصلی خواهد شد. ریزشبکهها می‌توانند سرویس‌های جانبی مهمی نظیر تنظیم ولتاژ از طریق تأمین توان راكتیو یا ذخیره توان را برای شبكه اصلی فراهم نمایند.
با افزایش نگرانی‌های مربوط به گرم شدن كره زمین و آلودگی‌های زیست محیطی، بسیاری از كشورها بر اساس معاهده كیوتو سعی در كاهش انتشار كربن نموده‌اند. طبق این معاهده می‌بایست انتشار كربن به میزان 50 درصد تا سال 2050 كاهش یابد. از این رو توجه بسیاری از كشورها به استفاده از منابع سازگار با طبیعت شامل ژنراتورهای با انتشار كم كربن معطوف شده است. استفاده از این گونه منابع در ریزشبکهها تأثیرات بسزایی را در كاهش آلودگی‌های زیست محیطی خواهند داشت. عملكرد این منابع به نحوی است كه پس از ارزیابی سطح آلودگی منتشر شده در محیط، اطلاعات لازم را برای منابع تولید پراكنده ارسال كنند. احتمالاً در آینده قوانین و مقرراتی مبنی بر كاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و همچنین ذرات معلق موجود در هوا وضع گردد[7].
در ادامه منابع انرژی تولید پراکنده تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر بکاررفته در ریزشبکهها را مورد بررسی قرار داده و با سیستم ذخیره‌ساز هیدروژنی آشنا خواهیم شد.
[1] Low Voltage
[2] Isolated
[1] Renewable Sources.
[2] Diesel Generator.
[3] Hybrid System
[4] Operation Optimization
[5] Micro grid
[6] Smart grid
[7] Combined Heat and Power
[8] Distributed Generation
[9] Reliability
[10] Wind Turbines
[11] Solar Cells
1-1- اهمیت پیش بینی بار در سیستم های قدرت
صنعت برق از صنایع زیر بنائی یك كشور و ركنی بسیار مهم در رشد و پیشرفت جوامع امروزی محسوب می شود. با توجه به اینكه از یك طرف پروژه های صنعت برق نیاز به سرمایه گذاری كلان و زمان های طولانی دارد واز طرف دیگر با تكنولوژی موجود هنوز نمی توان ذخیره این انرژی را در ابعاد بزرگ امكان پذیر نمود. بنابراین برنامه ریزی تولید باید به گونه ای صورت گیرد كه پاسخگوی تقاضای انرژی الكتریكی باشد. بدین جهت پیش بینی بار به عنوان عاملی مهم در طرح توسعه و بهره برداری از سیستم های قدرت تلقی می شود و در واقع وسیله ای است كه به كمك آن می توان در جهت بهبود تصمیم گیری اقدام نمود. برآورد روند تخصیص منابع برای توسعه شبكه برق رسانی الزامی است.
در برنامه ریزی توسعه آینده یك سیستم قدرت برآورد بار از اهمیت زیادی برخوردار است و اساس و مبنای مطالعات برنامه ریزی را تشكیل می دهد میزان خطاهای پیش بینی بار دارای اهمیت خاص است.
مشكلات تصمیم گیری در این مورد موقعی بیشتر می شود كه با بودجه محدود و هدف حداقل كردن هزینه از یك طرف و فشار متخصصین ومهندسین بخش قدرت برای خرید تجهیزات پیشرفته وگران قیمت از طرف دیگر و نیز گسترش بی رویه در استفاده از انرژی الكتریكی مواجه شود. اگر میزان بار پیش بینی شده كمتر از بار واقعی باشد ضریب اطمینان و در نتیجه كیفیت خدمات كاهش می یابد واین امر ممكن است حتی به خاموش های اجباری بیانجامد. خود این مساله تا حدی كار مسئولین تجزیه وتحلیل قابلیت اطمینان سیستم را مشكل می سازد واز طرف دیگر اگر بار آینده پیش از مقدار مورد نیاز پیش بینی گردد سرمایه گذاری زیادی هدر شده وبه نیاز مالی منجر می گردد.
عدم امكان ذخیره سازی انرژی الكتریكی از یك طرف وهمچنین صرف هزینه های هنگفت اقتصادی جهت ایجاد نیروگاه های جدید از طرف دیگر سیاست های كلی تولید انرژی الكتریكی را به سمت وسوئی جدید در ارتباط با مدیریت انرژی الكتریكی سوق داده است. واقعیت اینست كه مصرف انرژی الكتریكی ثابت نبوده و همواره بصورت تابعی غیر خطی از پارامترهای مختلف زمانی،محیطی، اقتصادی و در نوسان می باشد. تغییرات مصرف بار الكتریكی شركت های تولید كننده برق را موظف كرده است در زمانبندیهای مختلف اطلاعات مورد نیاز را جهت مدیریت بهتر انرژی در سیستمهای قدرت پیش بینی كنند [9] و [13].
افزایش قابلیت اطمینان وكارائی در صنعت برق، كاهش هزینه ها وهزینه معاملات در صنعت برق، تامین
گزینه های بیشتری برای مصرف كنندگان و… به عنوان انگیزه های اقتصادی، اجتماعی، سیاسی مدیریت صنعت برق را به ناچار دچار تحول و دگرگونی كرد كه ازآن به عنوان تجدید ساختار صنعت برق نامبرده
می شود. در محیط سنتی، سیستمهای تولید، انتقال و توزیع انرژی الكتریكی به صورت انحصاری تحت كنترل دولت ویا یك نهاد انحصاری است كه وظیفه نظارت بر بازار انحصاری و حتی قیمتهای انحصاری را نیز دارا می باشد. در سیستمهای قدرت تجدید ساختار نشده، مصرف كننده ها شركت های توزیع منحصر به فرد بودند كه انرژی را به صورت عمده و بر حسب قواعد خاص از تولید كننده های انحصاری دریافت می كردند. این مصرف كننده ها فقط تحت قیمت های از پیش تعیین شده توسط اپراتورسیستم انرژی خود را دریافت می كردند تولید كنندگان نیز فقط تحت قیمت هایی كه توسط اپراتور سیستم وتحت قرار دادها وتعرفه كمی سنتی مشخص می شد انرژی مورد نیاز شبكه قدرت را تولید می كردند. در این نوع اقتصاد تلفات شبكه بسیار زیاد وجود از اینرو هزینه های زیادی تلف می شد.
با شروع تجدید ساختار صنعت برق و ورود بازارهای رقابتی انرژی الكتریكی قسمت های تولید، انتقال و توزیع اكثرا به قسمت های خصوصی واگذار شدند.
هر چند كه در سطح انتقال این واگذاری به ندرت انجام گرفته است مصرف كنندگان در این نوع ساختار به سیستم انتقال دسترسی مستقیمی دارند و می توانند تولید كننده خود را نیز انتخاب كنند. بازارها از انحصار دولت خارج شده اند و بطور مستقل و همچنین هماهنگ با اپراتور مستقل بازار فعالیت می كنند.
در بخش توزیع نیز با فراهم كردن زمینه برای مشاركت بخش خصوصی و احداث نیروگاه توسط سرمایه گذاران داخلی و خارجی و همچنین واگذاری ظرفیت های نصب شده موجود و فراهم آوردن زمینه رقابت با افزایش تولید كنندگان سعی در جایگزین فضای رقابتی بجای شرایط انحصار گردیده كه در بسیاری از كشورها این امر موفقیت آمیز بوده است.
بخش انتقال با توجه به ماهیتی كه دارد و این واقعیت كه نمی توان دو یا چند شبكه موازی در كنار هم تاسیس كرد تا برای انتقال برق با هم رقابت نمایند تقریبا هنوز به شكل انحصاری اداره شده و تحت عنوان شبكه ملی باقی مانده است.
در بخش توزیع نیز كلیه فعالیت های از نقطه دریافت برق از شبكه انتقال تا تحویل به مصرف كننده نهایی انحصاری است، ابتدا بخش خطوط از بخش مشتركین تفكیك شده پس این بخش خطوط از بخش مشتركین تفكیك شده، پس این بخش كه مشابه به بخش انتقال است یا در تملك دولت باقی مانده ویا در برخی كشورها با رویكردهای اجرائی متفاوت به بخش خصوصی واگذار شده اند در بخش خدمات مشتركین نیز كلیه امور از درخواست و وصول مطالبات و… توسط شركت های خرده فروش انجام می گیرد. از آنجایی كه این بخش از شرایطی متفاوت با بخشهای انتقال و توزیع برخوردار می باشد فعالیت های این بخش از فعالیت انحصاری برخوردار نبوده و بنابراین شركت های خرده فروش همزمان می توانند رضایت مشتری با هم رقابت نمایند كه به بهبود كیفیت و كاهش هزینه های منتهی خواهند شد. لذا واگذاری این امور به بخش خصوصی و ایجاد زمینه مناسب برای رقابتی كردن این بخش نتایج قابل توجهی به همراه داشته است.
در اقتصاد برق، شركت های تولید كننده برق موظفند، مصرف كننده های خود را قابلیت اطمینان زیاد، با كیفیتی بالا و قیمت مناسب با توجه به محدودیت های از جمله حفظ محیط زیست، قرار داد با دیگر شركا در سیستم های به هم پیوسته وبا در نظر گرفتن قیودی نظیر توان و نوع نیروگاه های موجود میزان ذخیره سوخت مورد نیاز نیروگاه های حرارتی، میزان آب موجود در مخزن ها برای استفاده نیروگاه های آبی، و غیره تغذیه نماید.
برای نیل به این اهداف باید از طرفی، تجهیزات مورد نظر نیروگاه ها و شبكه های انتقال و توزیع، به نحو بهینه مورد استفاده و بهره برداری قرار گیرند ( حداقل سرمایه گذاری دراز مدت ) و از طرفی دیگر، انرژی های اولیه موجود برای تولید برق (انواع سوخت ها و آب و…. ) به طرز بهینه، مورد مصرف واقع شوند ]12[.
1-1-1-بررسی اهمیت پیش بینی بارازلحاظ فنی
ضرورت پیش بینی كوتاه مدت باراز لحاظ فنی را می توان به صورت زیر خلاصه نمود:
1- تنظیم برنامه جهت استفاده از نیروگاه های موجود، بدین صورت كه حتی الامكان از نیروگاه ها بخار بعنوان بار پایه واز نیروگاه های آبی جهت كنترل فركانس واز نیروگاه های گازی جهت رفع كمبود تولید در ساعات پیك استفاده نمود.
2- تهیه برنامه جهت ذخیره چرخان وغیر چرخان شبكه ومیزان خاموشی ها در صورت كمبود
3- تهیه برنامه خروج از واحدها خطوط انتقال ترانسفورماتورهای شبكه توزیع
4- رعایت میزان انرژی تعیین شده واحد های آبی كه در این خصوص با توجه به متفاوت بودن میزان بار در ساعات مختلف روز می توان با آگاهی از میزان ذخیره آب در پشت سدها در ماه های مختلف از این نیروگاه ها حداكثر راندمان را با كمترین هزینه بدست آورد.
2-2-1- بررسی اهمیت پیش بینی بارازلحاظ اقتصادی
یکی از وظایف آتی شرکتهای توزیع پس از راه اندازی بازار خرده فروشی خرید انرژی الکتریکی مورد نیاز محدوده خود از بازار عمده فروشی یا برق منطقه ای است. انرژی الکتریکی مورد نیاز هر شرکت باید از بازار برق خریداری شود و خریدار بابت خرید برق باید هزینه های مربوطه که عبارتند از قدرت درخواستی، انرژی مصرفی و جریمه آزمون ناموفق مصرف را پرداخت نماید. پروسه خرید بدین صورت است که خریداران برق مورد نیاز خود را روز قبل از مصرف پیش بینی نموده و برای بازار برق ارسال می نمایند. روش های بسیاری برای پیش بینی نیاز مصرف وجود دارد که در ادامه به آنها اشاره خواهیم کرد. پیش بینی نادرست نیاز مصرف باعث افزایش هزینه خرید انرژی الکتریکی می گردد. دقت در پیش بینی نیاز مصرف منجر به کاهش جریمه آزمون ناموفق مصرف و هزینه های قدرت درخواستی خواهد شد. ابتدا بایستی بازه مجاز و بهینه خطا را شناسایی نموده و با توجه به این بازه، پیش بینی اولیه را به گونه ای تصحیح نمود که احتمال افزایش متوسط قدر مطلق خطا از حد مجاز کاهش یابد.
قبل از ایجاد تجدید ساختار در صنعت برق کشور، پیش بینی بار برای کل کشور انجام شده و سپس با توجه به نتایج بدست آمده از این پیش بینی، شبکه مورد بهره برداری قرار می گرفت. در ساختار سنتی پیش بینی نادرست عواقب زیر را به دنبال دارد:
1- پیش بینی بیشتر از نیاز مصرف منجر به زیاد شدن ذخیره چرخان و در نتیجه هزینه های مرتبط با آن
می گردد.
2- پیش بینی کمتر از نیاز مصرف منجر به افت فرکانس، ناپایداری شبکه و در مدار قرار دادن واحدهای خاموش و هزینه های مرتبط با آن می گردد.
پس از تجدید ساختار در صنعت برق کشور، پیش بینی نیاز مصرف ساعتی توسط شرکت های برق منطقه ای انجام شده و به تبع شفاف سازی هزینه ها، پیش بینی نادرست نیاز مصرف باعث می شود که شرکت های برق منطقه ای جریمه گردند. امروزه با راه اندازی بازار خرده فروشی پیش بینی نیاز مصرف توسط شرکت های توزیع انجام می گیرد و عواقب پیش بینی نادرست متوجه این شرکت ها خواهد بود. روش های متفاوتی برای پیش بینی کوتاه مدت بار وجود دارد، روش های ابتدایی عموما بر پایه روش های آماری و با توجه به منحنی بار روزانه استوار است اما در سال های اخیر پیش بینی کوتاه مدت بار، بیشتر با روش های هوش مصنوعی انجام شده که از جمله آنها می توان به شبکه عصبی، فازی-عصبی، عصبی تطبیقی و عصبی – فازی اشاره نمود.
در نگاه اول ممکن است تصور شود که پیش بینی نیاز مصرف با خطای کم، هزینه خرید برق را حداقل می نماید اما قوانین حاکم بر بازار برق ایران به گونه ای تدوین شده که پیش بینی با خطای کم تنها پارامتر کاهش هزینه های خرید برق نمی باشد. به عبارت دیگر مطابق قوانین بازار برق ایران پیش بینی کمتر یا بیشتر از نیاز مصرف به خریداران هزینه های متفاوتی را تحمیل می نماید.
