विद्युत शक्ति प्रणाली अनुकरण

विद्युत शक्ति प्रणाली अनुकरण में अभिकल्पना/ऑफ़लाइन या वास्तविक समय डेटा का उपयोग करके विद्युत शक्ति प्रणाली का विश्लेषण करने के लिए शक्ति प्रणाली मॉडलिंग और संजाल अनुकरण सम्मिलित है। शक्ति प्रणाली अनुकरण प्रक्रिया सामग्री संगणक अनुकरण योजना का एक वर्ग है जो विद्युत शक्ति प्रणालियों के संचालन पर ध्यान केंद्रित करता है। इस प्रकार के संगणक योजना का उपयोग वैद्युत शक्ति प्रणाली के लिए विस्तृत योजना और परिचालन स्थितियों में किया जाता है।

शक्ति प्रणाली अनुकरण के अनुप्रयोगों में सम्मिलित हैं: दीर्घकालिक उत्पादन और संचरण विस्तार योजना, अल्पकालिक परिचालन अनुकरण और बाजार विश्लेषण (जैसे मूल्य पूर्वानुमान)। ये योजना विशिष्ट रूप पर गणितीय अनुकूलन तकनीकों जैसे रैखिक क्रमादेशन, द्विघात क्रमादेशन और मिश्रित पूर्णांक क्रमादेशन का उपयोग करते हैं।

शक्ति प्रणाली के कई तत्वों को मॉडल किया जा सकता है। एक शक्ति-प्रवाह अध्ययन, संचरण लाइन पर भारण की गणना करता है और उत्पादन स्टेशनों पर उत्पन्न होने वाली आवश्यक शक्ति, सेवा के लिए आवश्यक भार दिया जाता है। एक लघुपथित अध्ययन या भ्रंश विश्लेषण संभावित लघुपथित विद्युत प्रवाह की गणना करता है, जो चरणों के बीच या सक्रिय तारों से जमीन तक लघुपथित के लिए अध्ययन के तहत प्रणाली में रुचि के विभिन्न बिंदुओं पर प्रवाहित होगा। एक समन्वय अध्ययन सुरक्षात्मक रिले  के चयन और समुच्चयन की अनुमति देता है और बाकी बिजली व्यवस्था पर प्रभाव को कम करते हुए लघुपथित गलती को तेजी से दूर करने के लिए फ़्यूज़ करता है। क्षणिक या गतिशील स्थिरता अध्ययन प्रणाली में जनक के तुल्यकालिक पर अचानक भार परिवर्तन, लघुपथित, या भार के आकस्मिक वियोग जैसी घटनाओं के प्रभाव को दिखाते हैं। गुणावृत्ति या बिजली की गुणवत्ता के अध्ययन अरैखिक भार के प्रभाव को दिखाते हैं जैसे कि बिजली व्यवस्था के तरंग पर प्रकाश व्यवस्था, और तीर्व  विकृति को कम करने के लिए अनुरोध करने की अनुमति देता है। एक इष्टतम शक्ति-प्रवाह अध्ययन किसी दिए गए भार की आवश्यकता को पूरा करने के लिए उत्पादन संयंत्र उत्पादन का सबसे अच्छा संयोजन स्थापित करता है, ताकि वांछित स्थिरता और विश्वसनीयता बनाए रखते हुए उत्पादन लागत को कम किया जा सके; आर्थिक प्रेषण  प्राप्त करने के लिए सबसे कम लागत वाले तरीके पर प्रणाली संचालक को मार्गदर्शन की अनुमति देने के लिए ऐसे मॉडल लगभग वास्तविक समय में अद्यतन किए जा सकते हैं।

वाणिज्यिक और गैर-वाणिज्यिक रूपों में कई शक्ति अनुकरण प्रक्रिया सामग्री संकुल हैं जो उपयोगिता-मापक प्रक्रिया सामग्री से लेकर अध्ययन औज़ार तक हैं।

भार प्रवाह की गणना
भार-प्रवाह गणना परिचालन और रणनीतिक योजना के दायरे में अबाधित और विक्षुब्ध संजाल की जांच के लिए सबसे सामान्य संजाल विश्लेषण उपकरण है।

संजाल सांस्थिति, संचरण प्रणाली प्राचल, परिणामित्र प्राचल, जनक स्थान और सीमाएं, और भार अवस्थिति और मुआवजे का उपयोग करके, भार-प्रवाह गणना सभी निस्पंद के लिए वोल्टेज परिमाण और कोण प्रदान कर सकती है और केबल और परिणामित्र जैसे संजाल घटकों को भार कर सकती है। इस जानकारी के साथ, वोल्टता परास और अधिकतम भार द्वारा निर्धारित संचालन की सीमाओं के अनुपालन की जांच की जा सकती है। उदाहरण के लिए, यह भूमिगत केबलों की संचरण क्षमता का निर्धारण करने के लिए महत्वपूर्ण है, जहाँ प्रत्येक केबल की भार क्षमता पर केबल बंडलिंग के प्रभाव को भी ध्यान में रखा जाना चाहिए।

घाटे और प्रतिक्रियाशील-शक्ति आवंटन को निर्धारित करने की क्षमता के कारण, भार-प्रवाह गणना संजाल के सबसे अल्पव्ययी संचालन प्रणाली की जांच में योजना अभियंता का भी समर्थन करती है।

एकल और/या बहु-चरण इनफीड लो-वोल्टेज जालीनुमा संजाल से अलग-थलग संजाल में बदलते समय, परिचालन और आर्थिक कारणों से भार-प्रवाह गणना आवश्यक है। भार-प्रवाह गणना आगे के सभी संजाल अध्ययनों का आधार भी है, जैसे मोटर स्टार्ट-अप या बहिरंश अनुकरण के अंतर्गत उपकरण के अनुसूचित या अनिर्धारित बहिरंश की जांच।

विशेषतः जब मोटर स्टार्ट-अप की जांच कर रहे हों, भार-प्रवाह गणना के परिणाम सहायक संकेत देते हैं, उदाहरण के लिए, स्टार्ट-अप करंट के कारण वोल्टेज गिरावट के द्वेष मोटर को चालू किया जा सकता है या नहीं।

लघुपथित विश्लेषण
लघुपथित विश्लेषण शक्ति संजाल में भ्रंश होने के बाद शक्ति प्रवाह का विश्लेषण करता है। भ्रंश तीन-चरण लघुपथित, एक-चरण भूसंपर्कित, दो-चरण लघुपथित, दो-चरण भूसंपर्कित, एक-चरण विराम, दो-चरण विराम या जटिल भ्रंश हो सकते हैं। इस तरह के विश्लेषण के परिणाम निम्नलिखित निर्धारित करने में सहायता कर सकते हैं:
 * 1) भ्रंश करंट का परिमाण
 * 2) परिपथ तोड़ने की क्षमता
 * 3) भूमि भ्रंश के कारण एकलरेखीय में वोल्टेज में वृद्धि
 * 4) अवशिष्ट वोल्टेज और रिले समायोजन
 * 5) बिजली लाइन के कारण व्यवधान।

क्षणिक स्थिरता का अनुकरण
बिजली प्रणालियों के क्षणिक स्थिरता अनुकरण का उद्देश्य एक बिजली प्रणाली की स्थिरता का विश्लेषण उप-सेकंड से लेकर कई दसियों सेकंड तक करना है। इस पहलू में स्थिरता एक विघ्न के संपर्क में आने के बाद प्रणाली की एक स्थिर परिचालन स्थिति में जल्दी से वापस लौटने की क्षमता है, उदाहरण के लिए एक ओवरहेड लाइन पर गिरने वाला पेड़ जिसके परिणामस्वरूप उस लाइन की सुरक्षा प्रणालियों द्वारा स्वत: वियोग होता है। अभियांत्रिकी के संदर्भ में, एक शक्ति प्रणाली को स्थिर माना जाता है यदि उपकेंद्र वोल्टेज का स्तर और मोटर्स और जनक की घूर्णात्मक गति अपने सामान्य मूल्यों पर त्वरित और निरंतर तरीके से वापस आती है। मॉडल सामान्यतः निम्नलिखित निवेश का उपयोग करते हैं:


 * किसी भी उपलब्ध यांत्रिक, विद्युत और नियंत्रण (आधिनियंत्रक, वोल्टेज विनियमन, आदि) मापदंडों के साथ जनक की संख्या, आकार और प्रकार,
 * प्रत्येक बस में आवासीय, वाणिज्यिक और औद्योगिक भार का मिश्रण,
 * टैप-परिवर्ती परिणामित्र, स्विच्ड उपमार्ग प्रतिपूरण, स्थैतिक वर क्षतिपूर्तिकर्ता, नम्य एसी संचरण प्रणाली, आदि जैसे वितरित नियंत्रण उपकरणों के लिए स्थान और विनिर्देश।
 * सुरक्षा उपकरणों जैसे रिले और बिजली के नियनतरण के लिए स्थान और विनिर्देश, और
 * किसी अन्य प्रासंगिक नियंत्रण और/या सुरक्षा उपकरणों का स्थान और विनिर्देश।

ग्रिड वोल्टेज को उनके इच्छित स्तर पर लौटने में लगने वाले समय की स्वीकार्य मात्रा वोल्टेज गड़बड़ी की भयावहता पर निर्भर करती है, और सबसे सामान्य मानक चित्र में CBEMA वक्र द्वारा निर्दिष्ट किया गया है। 1. यह वक्र इलेक्ट्रॉनिक उपकरण अभिकल्पना और ग्रिड स्थिरता डेटा रिपोर्टिंग दोनों को सूचित करता है।

इकाई की प्रतिबद्धता
इकाई प्रतिबद्धता की समस्या में विद्युत भार को पूरा करने के लिए उपलब्ध उत्पादन संसाधनों के कम से कम लागत वाले प्रेषण को सम्मिलित करना सम्मिलित है।

संसाधन उत्पन्न करने में कई प्रकार के प्रकार सम्मिलित हो सकते हैं:


 * 1) परमाणु शक्ति
 * 2) ताप विद्युत केंद्र (कोयला, गैस, अन्य जीवाश्म ईंधन या जैवभार का उपयोग करके)
 * 3) नवीकरणीय (हाइड्रो, पवन, तरंग-शक्ति और सौर सहित)

संगणक योजना द्वारा निश्चित किए गए प्रमुख निर्णय चर हैं:


 * 1) उत्पादन स्तर (मेगावाट में)
 * 2) उत्पादन इकाइयों की संख्या पर

बाद के निर्णय द्विआधारी {0,1} हैं, जिसका अर्थ है कि गणितीय समस्या निरंतर नहीं है।

इसके अलावा, उत्पादन संयंत्र कई जटिल तकनीकी बाधाओं के अधीन हैं, जिनमें निम्न सम्मिलित हैं:


 * 1) न्यूनतम स्थिर परिचालन स्तर
 * 2) ऊपर या नीचे अपेक्षाओं की अधिकतम दर
 * 3) इकाई के ऊपर और/या नीचे होने की न्यूनतम समय अवधि

इन बाधाओं के कई अलग-अलग रूप हैं; यह सब गणितीय अनुकूलन समस्याओं के एक बड़े वर्ग को जन्म देता है।

इष्टतम शक्ति प्रवाह
किरचॉफ के नियम के अनुसार एसी संजाल के माध्यम से बिजली प्रवाहित होती है। संचरण लाइनें तापीय सीमा (प्रवाह पर सरल मेगावाट सीमा), साथ ही वोल्टेज और विद्युत स्थिरता बाधाओं के अधीन हैं।

अनुकारक को एसी संजाल में प्रवाह की गणना करनी चाहिए जो इकाई प्रतिबद्धता और जनक मेगावाट प्रेषण के किसी भी संयोजन से उत्पन्न होती है, और यह सुनिश्चित करती है कि एसी लाइन प्रवाह तापीय सीमा और वोल्टेज और स्थिरता बाधाओं दोनों के भीतर हो। इसमें आकस्मिकताएं सम्मिलित हो सकती हैं जैसे किसी एक संचरण या उत्पादन तत्व की हानि - एक तथाकथित सुरक्षा-बाधित इष्टतम शक्ति प्रवाह (एससीओपीएफ), और यदि इकाई प्रतिबद्धता इस ढांचे के भीतर अनुकूलित है, तो हमारे पास सुरक्षा-विवश इकाई प्रतिबद्धता (एससीयूसी) है।

इष्टतम शक्ति प्रवाह (ओपीएफ) में सामान्यीकृत अदिश उद्देश्य को कम से कम किया जाता है:


 * $$ f(u_0, x_0) $$

जहां u नियंत्रण चर की एक प्रवृति है, x स्वतंत्र चर की एक प्रवृति है, और पादांक 0 इंगित करता है कि चर पूर्व-आकस्मिक शक्ति प्रणाली को संदर्भित करता है।

एससीओपीएफ समानता और असमानता की सीमाओं से बंधा है। समानता बाधा सीमाएँ पूर्व और पश्च आकस्मिकता शक्ति-प्रवाह समीकरणों द्वारा दी गई हैं, जहाँ k, k वें आकस्मिक मामले को संदर्भित करता है:


 * $$ g^k(u^k, x^k)=0 \qquad\text{for }k=1,2,\ldots,n \, $$

निम्नलिखित असमानताओं द्वारा उपकरण और संचालन सीमाएं दी गई हैं:


 * $$ U^k_{\min} \le U^k \le U^k_{\max} \, $$ नियंत्रणों पर कठिन बाधाओं का प्रतिनिधित्व करते हैं


 * $$ h^k_{\min} \le X^k \le X^k_{\max} \, $$ चर पर कठोर/नरम बाधाओं का प्रतिनिधित्व करता है


 * $$ h^k(u^k, x^k) \le 0 \text{ for } k=0,1,\ldots,n \, $$ प्रतिक्रियाशील आरक्षित सीमा जैसी अन्य बाधाओं का प्रतिनिधित्व करता है

ओपीएफ में उद्देश्य कार्य सक्रिय या प्रतिक्रियाशील शक्ति मात्रा से संबंधित विभिन्न रूपों को ले सकता है जिन्हें हम कम या अधिकतम करना चाहते हैं। उदाहरण के लिए, हम संचरणनुकसान को कम करना चाहते हैं या बिजली संजाल पर वास्तविक बिजली उत्पादन लागत को कम करना चाहते हैं।

प्रसंभाव्य अनुकूलीकरण जैसे अन्य शक्ति प्रवाह समाधान विधियों में कुछ चरों के संभाव्यता वितरण का उपयोग करके मॉडलिंग शक्ति प्रणाली में अनिश्चितता सम्मिलित है जिनके सटीक मान ज्ञात नहीं हैं। जब बाधाओं में अनिश्चितता उपस्थित होती है, जैसे गतिशील रेखा मूल्य के लिए, मौका बाधित अनुकूलन का उपयोग किया जा सकता है जहां बाधा का उल्लंघन करने की संभावना एक निश्चित मूल्य तक सीमित होती है। मॉडल परिवर्तनशीलता के लिए एक अन्य तकनीक मोंटे कार्लो विधि है, जिसमें निवेश और परिणामी निर्गम के विभिन्न संयोजनों को वास्तविक दुनिया में उनकी घटना की संभावना के आधार पर माना जाता है। इस पद्धति को प्रणाली सुरक्षा और इकाई प्रतिबद्धता विपत्ति के लिए अनुकरण पर अनुप्रयुक्त किया जा सकता है, और इसका अक्षय और/या वितरित उत्पादन के साथ संभाव्य भार प्रवाह को मॉडल करने के लिए तेजी से उपयोग किया जा रहा है।

प्रतिस्पर्धी व्यवहार के मॉडल
विद्युत ऊर्जा का एक मेगावाट उत्पादन करने की लागत का एक कार्य है:
 * 1) ईंधन की कीमत
 * 2) उत्पादन दक्षता (वह दर जिस पर ईंधन में संभावित ऊर्जा विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित होती है)
 * 3) संचालन और रखरखाव लागत

इसके अलावा, उत्पादन संयंत्र में निश्चित लागतें सम्मिलित हैं:
 * 1) संयंत्र निर्माण लागत, और
 * 2) तय संचालन और रखरखाव लागत

सही प्रतिस्पर्धा मानते हुए, बिजली की बाजार आधारित कीमत विशुद्ध रूप से अगले मेगावाट बिजली के उत्पादन की लागत पर आधारित होगी, तथाकथित अल्पकालिक सीमांत लागत (एसआरएमसी)। तथापि यह कीमत उत्पादन की निश्चित लागत को आवरण करने के लिए पर्याप्त नहीं हो सकती है, और इस प्रकार बिजली बाजार की कीमतें शायद ही कभी पूरी तरह से एसआरएमसी मूल्य निर्धारण दिखाती हैं। अधिकांश स्थापित बिजली बाजारों में, जनक अपनी पसंद की कीमतों पर अपनी उत्पादन क्षमता की प्रदान करने के लिए स्वतंत्र हैं। प्रतिस्पर्धा और वित्तीय अनुबंधों का उपयोग इन कीमतों को एसआरएमसी के करीब रखता है, लेकिन अनिवार्य रूप से एसआरएमसी से ऊपर की कीमतों की प्रदान होती है (उदाहरण के लिए 2001 के कैलिफोर्निया ऊर्जा संकट के दौरान)।

विद्युत प्रणाली अनुकरण के संदर्भ में, विद्युत ऊर्जा बाजारों में अपूर्ण प्रतिस्पर्धा का अनुकरण करने के लिए कई तकनीकों को अनुप्रयुक्त किया गया है:
 * 1) कौरनॉट प्रतियोगिता
 * 2) बर्ट्रेंड प्रतियोगिता
 * 3) आपूर्ति समारोह संतुलन
 * 4) अवशिष्ट आपूर्ति सूचकांक विश्लेषण

इस समस्या पर विभिन्न अनुमान भी अनुप्रयुक्त किए गए हैं। इसका उद्देश्य पूर्वानुमान आपूर्ति-मांग की स्थिति को देखते हुए बिजली बाजार की कीमतों का यथार्थवादी पूर्वानुमान प्रदान करना है।

दीर्घकालिक अनुकूलन
शक्ति प्रणाली दीर्घकालिक अनुकूलन उत्पादन, पारेषण और वितरण सुविधाओं के लिए बहु-वर्षीय विस्तार और सेवानिवृत्ति योजना को अनुकूलित करने पर केंद्रित है। अनुकूलन समस्या सामान्यतः लंबी अवधि के निवेश नकदी प्रवाह और ओपीएफ / यूसी (इकाई प्रतिबद्धता) के सरलीकृत संस्करण पर विचार करेगी, यह सुनिश्चित करने के लिए कि बिजली व्यवस्था सुरक्षित और आर्थिक तरीके से संचालित होती है। इस क्षेत्र को इस प्रकार वर्गीकृत किया जा सकता है:


 * 1) पीढ़ी विस्तार अनुकूलन
 * 2) संचरणविस्तार अनुकूलन
 * 3) पीढ़ी-संचरणविस्तार सह-अनुकूलन
 * 4) वितरण संजाल अनुकूलन

अध्ययन विनिर्देश
किसी भी परियोजना की सफलता के लिए एक अच्छी तरह से परिभाषित शक्ति प्रणाली अध्ययन की आवश्यकता महत्वपूर्ण है क्योंकि यह योग्य सेवा प्रदाता और सही विश्लेषण प्रक्रिया सामग्री के चयन की चुनौती को कम करेगा। प्रणाली अध्ययन विनिर्देश परियोजना के क्षेत्र, विश्लेषण प्रकार और आवश्यक परिदेय का वर्णन करता है। अध्ययन विनिर्देश विशिष्ट परियोजना और उद्योग की आवश्यकताओं से जोड़ा जाना चाहिए और विश्लेषण के प्रकार के आधार पर भिन्न होगा।

शक्ति प्रणाली अनुकरण प्रक्रिया सामग्री
जनरल वैद्युत का एमएपीएस (बहु-क्षेत्रीय उत्पादन अनुकरण) एफईआरसी-विनियमित में प्रस्तावित विद्युत संचरण और उत्पादन सुविधाओं के आर्थिक प्रभाव की योजना बनाने के लिए संयुक्त राज्य अमेरिका में विभिन्न क्षेत्रीय संचरणसंगठन (उत्तरी अमेरिका) और स्वतंत्र प्रणाली संचालक द्वारा उपयोग किया जाने वाला एक उत्पादन अनुकरण मॉडल है। बिजली के थोक बाजार।    आरटीओ और आईएसओ क्षेत्रों के लिए थोक बिजली बाजारों के संचालन में मॉडल के अंशों का उपयोग प्रतिबद्धता और प्रेषण चरण (5 मिनट के अंतराल पर अद्यतन) के लिए भी किया जा सकता है। एबीबी के PROMOD एक ऐसा ही प्रक्रिया सामग्री पैकज है। ये आईएसओ और आरटीओ क्षेत्र MARS (बहु-क्षेत्र विश्वसनीयता अनुकरण) नामक जीई प्रक्रिया सामग्री पैकेज का भी उपयोग करते हैं ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि शक्ति प्रणाली विश्वसनीयता मानदंड (प्रति वर्ष 0.1 दिनों से अधिक नहीं की भार अपेक्षा (LOLE) की हानि) को पूरा करता है। इसके अलावा, पीएसएलएफ (सकारात्मक अनुक्रम भार प्रवाह) नामक एक जीई प्रक्रिया सामग्री पैकेज, पीएसएसई (अभियांत्रिकीके लिए शक्ति प्रणाली अनुकरण) नामक सीमेंस प्रक्रिया सामग्री पैकेज के साथ-साथ पीएसएस सिंकल (सीमेंस संजाल परिकलक), और संचालन प्रौद्योगिकी इंक. द्वारा विद्युत क्षणिक विश्लेषक कार्यक्रम  (ईटीएपी). आरटीओ और आईएसओ द्वारा प्रारंभिक योजना अध्ययन के दौरान लघुपथित और स्थिरता के लिए विद्युत प्रणाली पर भार प्रवाह का विश्लेषण करता है।