विद्युत ऊर्जा उत्पादन में यूनिट प्रतिबद्धता समस्या

विद्युत ऊर्जा उत्पादन में इकाई प्रतिबद्धता समस्या (यूसी) गणितीय अनुकूलन समस्याओं का बड़ा वर्ग है जहां कुछ सामान्य लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए विद्युत जनरेटर के समुच्चय का उत्पादन समन्वित किया जाता है, प्रायः या तो न्यूनतम लागत पर ऊर्जा की मांग का मिलान किया जाता है या बिजली उत्पादन से राजस्व को अधिकतम किया जाता है। यह आवश्यक है क्योंकि विद्युत ऊर्जा को सामान्य खपत के तुलनीय पैमाने पर संग्रहित करना कठिन है इसलिए, खपत में प्रत्येक (पर्याप्त) भिन्नता का मिलान उत्पादन के अनुरूप भिन्नता से होना चाहिए।

उत्पादन इकाइयों का समन्वयन कई कारणों से कठिन कार्य है-


 * इकाइयों की संख्या बड़ी (सैकड़ों या हजारों) हो सकती है
 * कई प्रकार की इकाइयाँ हैं, जिनमें काफी भिन्न ऊर्जा उत्पादन लागतें और बाधाएँ हैं कि कैसे बिजली का उत्पादन किया जा सकता है
 * उत्पादन विशाल भौगोलिक क्षेत्र (उदाहरण के लिए, एक देश) में वितरित किया जाता है, और इसलिए विद्युत ग्रिड की प्रतिक्रिया, जो स्वयं अत्यधिक जटिल प्रणाली है, को ध्यान में रखा जाना चाहिए- भले ही सभी इकाइयों के उत्पादन स्तर ज्ञात हों, यह जाँचने के लिए कि क्या लोड को बनाए रखा जा सकता है और क्या हानि हो सकती हैं, इसके लिए अत्यधिक जटिल शक्ति प्रवाह संगणना की आवश्यकता होती है।

क्योंकि विद्युत प्रणाली के प्रासंगिक विवरण दुनिया भर में बहुत भिन्न होते हैं, यूसी (UC) समस्या के कई प्रकार होते हैं, जिन्हें हल करना प्रायः बहुत कठिन होता है। ऐसा इसलिए भी है, क्योंकि कुछ इकाइयों को प्रारम्भ करने या बंद करने में काफी लंबा समय (कई घंटे) लगता है, इसलिए निर्णय पहले (प्रायः, एक दिन पहले) ही लिए जाने चाहिए, जिसका तात्पर्य है कि इन समस्याओं को दृढ़ समय सीमा (कई मिनटों से लेकर कुछ घंटों) के भीतर हल किया जाना है। इसलिए यूसी बिजली व्यवस्था प्रबंधन और अनुकरण में मूलभूत समस्याओं में से एक है। यह कई वर्षों से अध्ययन किया गया है,  और अभी भी सबसे महत्वपूर्ण ऊर्जा अनुकूलन समस्याओं में से एक है। इस विषय पर हाल के सर्वेक्षणों  में समस्या के प्रति समर्पित सैकड़ों वैज्ञानिक लेखों की गणना की गई है। इसके अलावा, कई व्यावसायिक उत्पादों में यूसी को हल करने के लिए विशिष्ट मॉड्यूल सम्मिलित हैं, जैसे कि एमएओएन (MAON) और पीएलईएक्सओएस (PLEXOS), या यहां तक कि इसके समाधान के लिए पूरी तरह से समर्पित हैं।

इकाई प्रतिबद्धता समस्याओं के तत्व
कई अलग-अलग यूसी समस्याएं हैं, क्योंकि विद्युत प्रणाली को दुनिया भर में अलग-अलग तरीके से संरचित और संचालित किया जाता है। सामान्य तत्व हैं-


 * समय क्षितिज जिसके साथ निर्णय समय की सीमित संख्या में नमूने के रूप में लिए जाने चाहिए। यह आम तौर पर एक या दो दिन, एक सप्ताह तक होता है, जहां तुरंत प्रायः घंटे या आधे घंटे कम बार-बार, 15 या 5 मिनट होते हैं। इसलिए, समय तत्काल 24 और लगभग 2000 के बीच होता है।
 * संबंधित ऊर्जा उत्पादन लागत और/या उत्सर्जन वक्र, और (जटिल) तकनीकी बाधाओं के साथ उत्पादन इकाइयों का एक समुच्चय है।
 * ग्रिड नेटवर्क के महत्वपूर्ण भाग का प्रतिनिधित्व।
 * संतुष्ट होने के लिए (पूर्वानुमानित) लोड प्रोफ़ाइल, अर्थात्, ग्रिड नेटवर्क के प्रत्येक नोड को प्रत्येक समय तत्काल वितरित की जाने वाली ऊर्जा की शुद्ध मात्रा।
 * संभवतः, विश्वसनीयता बाधाओं का एक समुच्चय यह सुनिश्चित करता है कि कुछ अप्रत्याशित घटनाएं होने पर भी मांग संतुष्ट होगी।
 * संभवतः, वित्तीय और/या नियामक स्थितियां (ऊर्जा राजस्व, बाजार संचालन बाधाएं, वित्तीय साधन, ...)।

प्रायः लिए जाने वाले निर्णयों में सम्मिलित हैं-


 * प्रतिबद्धता निर्णय- क्या कोई इकाई किसी भी समय तत्काल ऊर्जा का उत्पादन कर रही है
 * उत्पादन निर्णय- एक इकाई किसी भी समय कितनी ऊर्जा का उत्पादन कर रही है
 * नेटवर्क निर्णय- किसी भी समय तत्काल संचरण और/या वितरण ग्रिड की प्रत्येक शाखा पर कितनी ऊर्जा (और किस दिशा में) प्रवाहित हो रही है।

जबकि उपरोक्त विशेषताएं प्रायः उपस्थित होती हैं, कई संयोजन और कई अलग-अलग स्थितियां होती हैं। इनमें हम उल्लेख करते हैं-
 * क्या इकाइयां और ग्रिड सभी एकाधिकार ऑपरेटर (एमओ) द्वारा नियंत्रित किए जाते हैं, या एक अलग ट्रांसमिशन सिस्टम ऑपरेटर ट्रांसमिशन सिस्टम ऑपरेटर (TSO) उन उत्पादक कंपनियों (GenCos) को निष्पक्ष और भेदभावपूर्ण पहुँच प्रदान करने वाले ग्रिड का प्रबंधन करता है जो (या, सबसे अधिक बार, कई परस्पर जुड़े हुए) ऊर्जा बाज़ार (ओं) पर उत्पादन को संतुष्ट करने के लिए प्रतिस्पर्धा करते हैं
 * विभिन्न प्रकार की ऊर्जा उत्पादन इकाइयां, जैसे ऊष्मीय/परमाणु वाले, जल-विद्युत वाले, और नवीकरणीय स्रोत (पवन, सौर, ...)
 * किन इकाइयों को संशोधित किया जा सकता है, अर्थात्, उनकी उत्पादित ऊर्जा ऑपरेटर (यद्यपि इकाई की तकनीकी बाधाओं के अधीन) द्वारा तय की जा सकती है, इसके विपरीत मौसम की स्थिति जैसे बाहरी कारकों द्वारा पूरी तरह से निर्धारित किया जा रहा है
 * विवरण का वह स्तर जिस पर विद्युत ग्रिड के कार्यकरण पर विचार किया जाना चाहिए, मूल रूप से इसे अनदेखा करने से लेकर ग्रिड पर ऊर्जा रूटिंग को इष्टतम रूप से बदलने के लिए एक रेखा को गतिशील रूप से खोलने (बाधित करने) की संभावना पर विचार करने के लिए।

प्रबंधन के उद्देश्य
यूसी के उद्देश्य कर्ता के उद्देश्यों पर निर्भर करते हैं जिसके लिए इसे हल किया जाता है। एमओ (MO) के लिए, यह मूल रूप से मांग को पूरा करते हुए ऊर्जा उत्पादन लागत को कम करना है विश्वसनीयता और उत्सर्जन को प्रायः बाधाओं के रूप में माना जाता है। मुक्त-बाजार व्यवस्था में, उद्देश्य ऊर्जा उत्पादन लाभ को अधिकतम करना है, अर्थात, राजस्व (ऊर्जा बेचने के कारण) और लागत (इसके उत्पादन के कारण) के बीच का अंतर। यदि जेनको एक मूल्य निर्माता है, अर्थात, बाजार की कीमतों को प्रभावित करने के लिए इसका पर्याप्त आकार है, तो यह सैद्धांतिक रूप से अपने मुनाफे में सुधार के लिए रणनीतिक बोली लगा सकता है। इसका अर्थ है कि इसके उत्पादन के लिए उच्च लागत पर बोली लगाना ताकि बाजार मूल्य को बढ़ाया जा सके, बाजार हिस्सेदारी को कम किया जा सके लेकिन कुछ को बनाए रखा जा सके, क्योंकि अनिवार्य रूप से पर्याप्त उत्पादन क्षमता नहीं है। कुछ क्षेत्रों के लिए यह इस तथ्य के कारण हो सकता है कि पास के क्षेत्रों से उपलब्ध उत्पादन क्षमता के साथ ऊर्जा आयात करने के लिए पर्याप्त ग्रिड नेटवर्क क्षमता नहीं है। जबकि अन्य बातों के अलावा, इस तरह के व्यवहार को खत्म करने के लिए बिजली के बाजारों को अत्यधिक विनियमित किया जाता है, बड़े उत्पादक अभी भी बाजार की कीमतों पर उनके संयुक्त प्रभाव को ध्यान में रखते हुए अपनी सभी इकाइयों की बोलियों को एक साथ अनुकूलित करने से लाभान्वित हो सकते हैं। इसके विपरीत, मूल्य लेने वाले प्रत्येक जनरेटर को स्वतंत्र रूप से अनुकूलित कर सकते हैं, क्योंकि कीमतों पर कोई महत्वपूर्ण प्रभाव नहीं होने के कारण, संबंधित निर्णय सहसंबद्ध नहीं होते हैं।

उत्पादन इकाइयों के प्रकार
यूसी के संदर्भ में, उत्पादन इकाइयों को प्रायः इस प्रकार वर्गीकृत किया जाता है-


 * तापीय इकाइयाँ, जिनमें परमाणु सम्मिलित हैं, जो बिजली पैदा करने के लिए किसी प्रकार के ईंधन को जलाती हैं। वे कई जटिल तकनीकी बाधाओं के अधीन हैं, जिनमें से हम न्यूनतम ऊपर / नीचे समय, रैंप ऊपर / नीचे दर, मॉडुलन/स्थिरता (इकाई अपने उत्पादन स्तर को कई बार नहीं बदल सकते हैं ), और स्टार्ट-अप/शट-डाउन रैंप दर (प्रारम्भ/बंद करते समय, इकाई को विशिष्ट शक्ति वक्र का पालन करना चाहिए जो इस बात पर निर्भर हो सकता है कि संयंत्र कितने समय तक ऑफ़लाइन/ऑनलाइन रहा है ) का उल्लेख करते हैं। इसलिए, एक भी इकाई का अनुकूलन सिद्धांत रूप में पहले से ही जटिल समस्या है जिसके लिए विशिष्ट तकनीकों की आवश्यकता होती है।
 * जलविद्युत इकाइयाँ, जो जल संभावित ऊर्जा का संचयन करके ऊर्जा उत्पन्न करती हैं, प्रायः जल घाटियों नामक जुड़े जलाशयों की प्रणालियों में व्यवस्थित होती हैं। क्योंकि ऊर्ध्वप्रवाह जलाशय द्वारा छोड़ा गया पानी नीचे की ओर (कुछ समय बाद) पहुंचता है, और इसलिए वहां ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए उपलब्ध हो जाता है, सर्वोत्कृष्ट उत्पादन पर निर्णय सभी इकाइयों के लिए एक साथ लिया जाना चाहिए, जो समस्या को कठिन बना देता है, भले ही कोई (या थोड़ा) तापीय उत्पादन सम्मिलित न हो, और भी अधिक यदि संपूर्ण विद्युत प्रणाली पर विचार किया जाए। हाइड्रो इकाइयों में ऊर्जा संग्रहण इकाइयाँ सम्मिलित हो सकती हैं, जहाँ पानी को ऊपर की ओर पंप करने के लिए ऊर्जा खर्च की जा सकती है। यह एकमात्र मौजूदा तकनीक है जो यूसी समस्या के विशिष्ट स्तर पर महत्वपूर्ण होने के लिए पर्याप्त (संभावित) ऊर्जा भंडारण करने में सक्षम है। जलविद्युत इकाइयाँ जटिल तकनीकी बाधाओं के अधीन हैं। जल की कुछ मात्रा को टर्बाइन करने से उत्पन्न ऊर्जा की मात्रा स्थिर नहीं होती है, लेकिन यह जल के शीर्ष पर निर्भर करती है जो बदले में पिछले निर्णयों पर निर्भर करती है। संबंध गैर-रैखिक और गैर-उत्तल है, जिससे समस्या को हल करना विशेष रूप से कठिन हो जाता है।
 * नवीकरणीय उत्पादन इकाइयाँ, जैसे पवन फार्म, सौर संयंत्र, रन-ऑफ-रिवर हाइड्रो इकाइयाँ (बिना समर्पित जलाशय के, और इसलिए जिनका उत्पादन बहते पानी से तय होता है), और भूतापीय इकाइयाँ। इनमें से अधिकांश को संशोधित नहीं किया जा सकता है, और कई रुक-रुक कर भी होते हैं, अर्थात, उनके उत्पादन का पहले से ही सटीक पूर्वानुमान लगाना कठिन है। यूसी में, ये इकाइयाँ वास्तव में निर्णयों के अनुरूप नहीं होती हैं, क्योंकि इन्हें प्रभावित नहीं किया जा सकता है। बल्कि, उनका उत्पादन निश्चित माना जाता है और अन्य स्रोतों में जोड़ा जाता है। हाल के वर्षों में आंतरायिक नवीकरणीय उत्पादन की पर्याप्त वृद्धि ने शुद्ध भार (मांग घटाकर उत्पादन जो संशोधित नहीं किया जा सकता) में अनिश्चितता को काफी बढ़ा दिया है, जिसने पारंपरिक दृष्टिकोण को चुनौती दी है कि यूसी में पूर्वानुमानित भार काफी सटीक है।

विद्युत ग्रिड मॉडल
तीन अलग-अलग तरीके हैं जिनमें ऊर्जा ग्रिड को यूसी के भीतर दर्शाया जाता है-


 * एकल बस सन्निकटन में ग्रिड को नजरअंदाज कर दिया जाता है- जब भी कुल उत्पादन कुल मांग के बराबर होता है, चाहे उनकी भौगोलिक स्थिति कुछ भी हो, मांग को संतुष्ट माना जाता है।
 * डीसी (DC) सन्निकटन में केवल किरचॉफ का विद्युत नियम प्रतिरूपित है यह प्रतिक्रियाशील शक्ति प्रवाह की उपेक्षा के अनुरूप है, वोल्टेज कोणों के अंतर को छोटा माना जाता है, और कोण वोल्टेज प्रोफ़ाइल को स्थिर माना जाता है
 * पूर्ण एसी (AC) मॉडल में पूर्ण किरचॉफ नियमों का उपयोग किया जाता है- इसके परिणामस्वरूप मॉडल में अत्यधिक गैर-रेखीय और गैर-उत्तल बाधाएं होती हैं।

जब पूर्ण एसी मॉडल का उपयोग किया जाता है, तो यूसी वास्तव में सर्वोत्कृष्ट विद्युत प्रवाह की समस्या को सम्मिलित करता है, जो पहले से ही एक गैर-उत्तल गैर-रैखिक समस्या है।

हाल ही में, यूसी में ऊर्जा ग्रिड के पारंपरिक "निष्क्रिय" दृष्टिकोण को चुनौती दी गई है। निश्चित विद्युत नेटवर्क धाराओं में रूट नहीं किया जा सकता है, उनका व्यवहार पूरी तरह से नोडल विद्युत इंजेक्शन द्वारा निर्धारित किया जा रहा है- इसलिए नेटवर्क भार को संशोधित करने का एकमात्र तरीका नोडल मांग या उत्पादन को बदलना है, जिसके लिए सीमित क्षेत्र है। हालांकि, किरचॉफ नियमों का कुछ हद तक प्रति-सहज ज्ञान युक्त परिणाम यह है कि एक लाइन (संभवतः संकुलित भी) को बाधित करना विद्युत ऊर्जा के वैश्विक पुन: मार्ग का कारण बनता है और इसलिए ग्रिड प्रदर्शन में सुधार कर सकता है। इसने सर्वोत्कृष्ट संचरण स्विचिंग समस्या को परिभाषित करने के लिए प्रेरित किया है, जिससे ग्रिड की कुछ पंक्तियों को गतिशील रूप से खोला जा सकता है और समय क्षितिज पर बंद किया जा सकता है। यूसी समस्या में इस सुविधा को सम्मिलित करने से डीसी सन्निकटन के साथ भी, पूर्ण एसी मॉडल के साथ तो और भी इसे हल करना कठिन हो जाता है।

इकाई प्रतिबद्धता समस्याओं में अनिश्चितता
इस तथ्य का एक परेशान करने वाला परिणाम है कि यूसी को वास्तविक संचालन से पहले अच्छी तरह से हल करने की आवश्यकता है, यह है कि प्रणाली की भविष्य की स्थिति ठीक से ज्ञात नहीं है, और इसलिए अनुमान लगाया जाना चाहिए। यह एक अपेक्षाकृत साधारण समस्या हुआ करती थी जब प्रणाली में अनिश्चितता केवल उपयोगकर्ताओं की मांग में भिन्नता के कारण होती थी, जिसका समग्र रूप से काफी प्रभावी ढंग से पूर्वानुमान लगाया जा सकता था, और लाइनों या जनरेटर की खराबी की घटना जिसे अच्छी तरह से स्थापित नियमों (प्रचक्रण रिज़र्व) द्वारा निपटाया जा सकता था। हालांकि, हाल के वर्षों में आंतरायिक नवीकरणीय उत्पादन स्रोतों से उत्पादन में काफी वृद्धि हुई है। बदले में, इसने प्रणाली में अनिश्चितता के प्रभाव को बहुत महत्वपूर्ण रूप से बढ़ा दिया है, जिससे कि इसे अनदेखा करना (जैसा कि परंपरागत रूप से औसत अंक अनुमान लेकर किया जाता है) महत्वपूर्ण लागत में वृद्धि का जोखिम उठाता है। इसने अनिश्चितता को ठीक से ध्यान में रखने के लिए उपयुक्त गणितीय मॉडलिंग तकनीकों का सहारा लेना आवश्यक बना दिया था, जैसे-


 * दृढ़ अनुकूलन दृष्टिकोण
 * परिदृश्य अनुकूलन दृष्टिकोण
 * संभावना-विवश अनुकूलन दृष्टिकोण।

अनिश्चितता के कई (पुराने और) नए रूपों के साथ यूसी समस्याओं के (पहले से ही, कई) पारंपरिक रूपों का संयोजन अनिश्चित इकाई प्रतिबद्धता (यूयूसी) समस्याओं के बड़े वर्ग को जन्म देता है, जो वर्तमान में अनुप्रयुक्त और पद्धतिगत अनुसंधान की सीमा पर हैं।

एकीकृत संचरण और वितरण मॉडल
वास्तविक समय इकाई प्रतिबद्धता समस्या के साथ प्रमुख मुद्दों में से एक तथ्य यह है कि संचरण नेटवर्क की बिजली की मांग को प्रायः प्रत्येक वितरण प्रणाली पर "भार बिंदु" के रूप में माना जाता है। हालाँकि, वास्तविकता यह है कि प्रत्येक भार बिंदु एक जटिल वितरण नेटवर्क है जिसके अपने स्वयं के उप-भार, जनरेटर और डीईआर (DERs) हैं। भार बिंदुओं में वितरण को सरल बनाने से पूरे विद्युत ग्रिड की अत्यधिक परिचालन संबंधी परेशानी हो सकती है। इस तरह की समस्याओं में विद्युत संचरण प्रणाली पर उच्च दबाव और वितरण प्रणाली से विद्युत संचरण प्रणाली की ओर उत्क्रम विद्युत प्रवाह सम्मिलित हैं। इकाई-प्रतिबद्धता की समस्या को अधिक प्रभावी ढंग से हल करने के लिए एक नया अपनाया गया दृष्टिकोण इसलिए एकीकृत संचरण और वितरण प्रणाली द्वारा उत्पन्न हुआ है। ऐसे मॉडलों में, संचरण प्रणाली की इकाई प्रतिबद्धता समस्या को प्रायः द्वि-स्तरीय प्रोग्रामिंग उपकरण के माध्यम से वितरण प्रणाली की नवीकरणीय प्रबंधन समस्या के साथ जोड़ दिया जाता है।

यह भी देखें

 * विद्युत बाजार

बाहरी संबंध

 * A description of the role of unit commitment problems in the overall context of power system management can be found in the Energy Optimization Wiki developed by the COST TD1207 project.