كنترل هوشمند شبكه گاز طبيعي ساختار متغير

در پايان‎نامه حاضر بطور كلي به سه محور كليدي شبيه‎سازي، بهينه‎سازي و كنترل شبكه‎هاي گاز طبيعي در حالت گذرا پرداخته شده است. لازمه ورود به بحث بهينه‎سازي و كنترل شبكه گاز، شبيه‎سازي رفتار شبكه مي‎باشد. از آنجائيكه در يك شبكه گاز در اغلب موارد نيازهاي مصرف‎كنندگان تابعي از زمان مي‎باشد، لذا شبيه‎سازي رفتار شبكه در حالت گذرا ضروري بنظر مي‎رسد. معادلات حاكم بر جريان درون لوله‎ها در حالت گذرا از دسته معادلات با مشتقات جزئي و غيرخطي مي‎باشند. در اين پايان‎نامه با بررسي انواع روش‎هاي حل اين معادلات، روش تفاضل محدود ضمني بواسطه پايداري بودن جواب مستقل از شرائط اوليه، انتخاب گرديد. بمنظور تهسيل در فرآيند حل اين معادلات روشي نوين بر مبناي الگوريتم‎هاي فراشهودي ارائه گرديد. اين روش علاوه بر فراهم كردن امكان خطي‎سازي معادلات، امكان حل مستقلانه معادلات جريان را براي لوله‎هاي يك شبكه مهيا مي‎كند. استفاده از اين روش، فرآيند شبيه‎سازي گذراي معادلات جريان را تا سه برابر سرعت مي‎بخشد. مي‎دانيم كه با بهبود عملكرد شبكه گاز حتي به ميزان اندك، صرفه جويي فراواني در هزينه‎ها خواهد شد. لذا در ادامه اين پايان‎نامه به بهينه‎سازي انرژي مصرفي ايستگاه‎هاي افزايش فشار كه عمده هزينه عملكردي شبكه گاز را شامل مي‎شود، پرداخته مي‎شود. تابع هزينه بهينه‎سازي در حالت گذرا عبارتي پيچيده از متغيرهاي تصميم‎گيري است كه در معرض قيود خطي و غيرخطي بسياري قرار دارد. همچنين اگر وضعيت باز و بسته شيرها نيز بعنوان متغير بهينه‎سازي در نظر گرفته شود، مسئله از نوع تركيبي-صحيح مي‎شود. براي حل اين مسئله پيچيده مي-بايست روش بهينه‎سازي مناسبي انتخاب شود كه متغيرهاي تصميم كه شامل دور كمپرسورها و وضعيت شير در شبكه است را طوري تعيين كند كه علاوه بر ارضاي تمامي قيود عملكردي شبكه، نياز متغير با زمان مشتري در فشار مطلوب تامين بشود. لذا در اين پايان‎نامه روشي نوين بر مبناي استفاده از الگوريتم‎هاي فراشهودي ارائه گرديده است كه ضرورت يافتن عبارتي صريح براي تابع هدف بر حسب متغيرهاي بهينه‎سازي و نيز مشتق‎گيري از اين تابع را رفع مي‎كند و بعلاوه امكان مديريت مسئله تركيبي-صحيح نيز فراهم مي‎شود. در بهينه‎سازي گذرا نمودار مصرف متقاضيان عموما از ميانگين بلند مدت آن تعيين مي‎شود. در عمل ممكن است كه اين نمودار مصرف در بعضي دوره‎هاي زماني از اين ميانگين فاصله بگيرد. در اين حالت يك راه، حل مجدد مسئله بهينه‎سازي است كه فرآيندي زمان‎بر است. در اين پايان‎نامه يك روش نوين جايگزين بر مبناي استفاده از راهكار كنترلي پيش‎بين ارائه شده است كه در فرآيندي بسيار سريع‎تر رفتار نزديك به بهينه‎كمپرسورها را بنحوي تعيين مي‎كند كه نياز جديد مصرف‎كنندگان تامين بشود. بدين منظور كنترل‎كننده بايد فشار بهينه بدست آمده از فاز بهينه‎سازي را دنبال نمايد. در اين پايان‎نامه نشان داده مي‎شود كه بواسطه رفتار بسيار غيرخطي شبكه گاز و نيز ثابت زماني بزرگ سيستم كه موجب مي‎شود تغييرات در ورودي بلافاصله در خروجي شبكه مشاهده نشود، پياده‎سازي روش‎هاي كنترلي سنتي از جمله پي‎آي‎دي منجر به نتايج مطلوب نخواهد شد. بدين منظور از راهكار كنترل‎ پيش‎بين مدل بر مبناي استفاده از شبكه‎هاي عصبي استفاده مي‎شود. در اين راهكار شبكه‎هاي عصبي به منظور انجام عمل پيش‎بيني و كنترل استفاده مي‎شوند. الگوريتم آموزش شبكه عصبي از نوع گراديان نزولي مي‎باشد. يك مشكل اساسي در اين الگوريتم آموزش، تعيين نرخ بهينه آموزش است تا همگرايي به خطاي كمينه تضمين شود. براي حل اين مشكل در اين پايان‎نامه يك الگوريتم تطبيقي تنطيم نرخ يادگيري ارائه شده است كه همگرايي خطاي شبكه‎هاي عصبي پيش‎بين و كنترل‎كننده را به مقدار كمينه تضمين مي‎كند. همچنين بمنظور بررسي مقاومت اين راهكار كنترلي، سناريوهاي مختلفي براي تغيرات دبي خروجي در نظر گرفته مي‎شود و نتايج شبيه‎سازي تاييد كننده صحت عملكرد كنترل‎كننده است.

192574

دانشگاه علم و صنعت ايران

دكتر اسماعيل خان ميرزا

كنترل و ارتعاشات

دكتر رضا معدوليت