فهرست مطالب

فصلنامه هوش محاسباتی در مهندسی برق
سال یازدهم شماره 4 (زمستان 1399)

  • تاریخ انتشار: 1399/11/08
  • تعداد عناوین: 8
|
  • فرشته مقاتلی، سید عباس طاهر*، علی کریمی، محمد شاهیده پور صفحات 1-14

    یکی از مسایل مهم در مرحله برنامه ریزی برای شبکه های توزیع، طراحی بهینه ریزشبکه ها است. ازجمله اهداف مهم در طراحی ریزشبکه ها، تامین بار با بیشترین قابلیت اطمینان و کمترین هزینه است. ساخت ریزشبکه ها در سیستم توزیع، مزایای زیادی مانند راهبرد کنترل محلی به منظور به حداقل رساندن تقابل بین ریزشبکه ها، جلوگیری از پیشروی خطا و درنهایت افزایش قابلیت اطمینان برای مصرف کنندگان و شرکت های توزیع دارد؛ بنابراین، در این مقاله با هدف بهبود قابلیت اطمینان و هزینه، سه رویکرد متفاوت برای ایجاد سیستم های چندریزشبکه ای در شبکه توزیع فعال پیشنهاد و مقایسه شده است؛ بدین صورت که با تعیین مکان و ظرفیت سیستم های ذخیره ساز انرژی و همچنین محدوده ریزشبکه ها مبتنی بر اهداف ذکرشده و براساس الگوریتم های پیشنهادی بهینه سازی، در سناریوهای مختلف با استفاده از الگوریتم مونت کارلو و اعمال پخش بار پیشرو - پسرو، تابع هدف محاسبه می شود. سپس، با تکرار و پیشنهادهای مختلف صورت گرفته با الگوریتم بهینه سازی، مقدار بهینه تابع هدف به دست می آید و نتایج رویکردهای طراحی شده با هم مقایسه می شوند. برای شبیه سازی و بررسی کارایی روش پیشنهادی از سیستم توزیع 119 شینه استفاده شده است.

    کلیدواژگان: سیستم چند ریزشبکه ای، سیستم های ذخیره ساز انرژی، قابلیت اطمینان، مکان یابی و اندازه یابی
  • مرضیه حاجی زاده طحان، محمد قاسم زاده*، مهدی رضاییان صفحات 15-28
    پیش بینی طولانی مدت سری های زمانی یک مسیله، مهم و چالش برانگیز است. امروزه شبکه های عمیق به خصوص شبکه های حافظه طولانی کوتاه مدت  (LSTM)، با موفقیت در پیش بینی سری های زمانی به کار گرفته شده اند. شبکه های LSTM وابستگی های طولانی مدت را حفظ می کنند؛ اما توانایی آنها در اختصاص درجه های مختلف توجه به ویژگی های زیر پنجره در چند مرحله زمانی کافی نیست. همچنین، عملکرد این شبکه ها به شدت به مقادیر ابرپارامتر آنها بستگی دارد و اتخاذ یک روش کارآمد برای کسب مقادیر مطلوب، مهم است. در این پژوهش برای غلبه بر چالش های فوق، LSTM عمیق مبتنی بر توجه تکاملی برای پیش بینی سری های زمانی چندمتغیره توصیه می شود که به طور خودکار، یکی از بهترین ترکیب ها از مقادیر پارامترهای LSTM و وزن توجه به ویژگی ها را می یابد. راه حل پیشنهادی از الگوریتم ژنتیک برای تنظیم مناسب معماری شبکه LSTM عمیق بهره می گیرد. به منظور ارزیابی عملکرد الگوریتم پیشنهادی، از سه مجموعه داده در زمینه های انرژی و محیط زیست بهره گرفته شده است. نتایج آزمایشی نشان می دهند الگوریتم پیشنهادی، در مقایسه با سایر مدل های پایه، بهتر عمل می کند.
    کلیدواژگان: ابرپارامتر، الگوریتم تکاملی، سری های زمانی، چندمتغیره، شبکه حافظه طولانی کوتاه مدت، مکانیزم توجه
  • ماجد انجم شعاع، ملیحه مغفوری فرسنگی*، یاسین اسدی، محمد ملایی امامزاده صفحات 29-40

    در این مقاله، روش جدید طراحی کنترل کننده داده محور [i]، با استفاده از الگوریتم تقریبات تصادفی انحرافات هم زمان [ii] (SPSA) و آموزش شبکه عصبی ارایه شده است. در روش پیشنهادی، الگوریتم تقریبات تصادفی انحرافات هم زمان با استفاده از آموزش شبکه عصبی، مقداردهی می شود که این امر باعث افزایش سرعت همگرایی و همچنین بهبود عملکرد الگوریتم در برابر تغییرات سیگنال مرجع می شود. در SPSA فرض بر این است که کنترل کننده دارای ساختاری ثابت است. پارامتر های این کنترل کننده به صورت برخط تخمین زده می شوند. در این مقاله، کنترل کننده به کاررفته، کنترل کننده تناسبی، انتگرالی و مشتق گیر (PID) است. شبیه سازی های انجام شده روی پروسه توزیع اندازه ذرات سنگ زنی سیمان و کنترل زاویه پیچ هواپیما نشان دهنده موثربودن روش پیشنهادی در بهبود عملکرد سیستم است.

    کلیدواژگان: کنترل کننده داده محور، تقریبات تصادفی انحرافات هم زمان، PID کنترلر، کنترل کننده برخط، شبکه عصبی پرسپترون
  • غلامرضا بخشی، کمال شاه طالبی*، مهدی مومنی صفحات 41-50
    در این مقاله، روش پردازشی نوینی به منظور تجزیه طیفی مواد در تصاویر فراطیفی ارایه شده است. بیشتر روش های تجزیه طیفی موجود با فرض مدل خطی برای پدیده اختلاط طیفی، تلاش می کنند با ارایه الگوریتم هایی، امضای طیفی مواد موجود احتمالی را در تصویر فراطیفی مشاهده شده تخمین بزنند و صرفا با مقایسه آنها با امضاهای طیفی موجود در کتابخانه طیفی و بر مبنای مشابهت طیفی، به نوع ماده تشکیل دهنده تصویر پی ببرند؛ درحالی که کتابخانه طیفی، به منزله دانش قبلی و اتکاپذیر، اطلاعات ارزشمندی در اختیار ما قرار می دهد. گفتنی است در پایه ریزی الگوریتم های موجود، کمتر به این کتابخانه توجه شده است. استفاده مستقیم از اطلاعات کتابخانه طیفی، اساس روش پیشنهادی در این مقاله است. در روش پیشنهادی و با فرض مدل خطی برای پدیده اختلاط طیفی، مسئله تجزیه طیفی با یک مدل خطی و تغییرناپذیر با زمان و بدون هرگونه فرض آماری بر مجموعه ای از امضاهای طیفی موجود در کتابخانه طیفی، مدل سازی می شود. بردار وزن این مدل برای هر کدام از امضاهای طیفی حاضر در مجموعه انتخاب شده، با الگوریتم کمترین میانگین مربعات نرمالیزه شده (Normalized Least Mean Square: NLMS) تخمین زده می شود؛ به گونه ای که امضای طیفی هر ماده و بردار وزن متناظر با آن، یک زوج به شدت نامتعامد را تشکیل می دهند؛ درحالی که این بردار وزن بر امضای طیفی سایر مواد تقریبا عمود است. به منظور ارزیابی عملکرد الگوریتم پیشنهادی و مقایسه آن با الگوریتم های دیگر، از مجموعه داده فراطیفی و سنتزشده مبتنی بر فراکتال ها استفاده شده که برای همین منظور تهیه شده است. دو ویژگی مهم الگوریتم NLMS، یعنی مقاوم بودن و توانایی تشخیص سریع تغییرات پارامتر باعث می شود الگوریتم پیشنهادی نسبت به نویز و تغییرات طیفی، مقاوم و در مقایسه با الگوریتم های دیگر، عملکرد بهتری در نسبت های سیگنال به نویز (SNR) پایین داشته باشد.
    کلیدواژگان: اختلاط طیفی، الگوریتم NLMS، تجزیه طیفی، تصاویر فراطیفی، کتابخانه طیفی، مدل خطی
  • علی اکبر عبدوس*، محمدابراهیم موذن، علی عبادی صفحات 51-64

    ماشین های آهنربای دایم به دلیل ویژگی های برجسته خود به طور گسترده در حال استفاده در توربین های بادی اند. ژنراتورهای متصل به توربین های بادی بدون جعبه دنده به علت سرعت نامی پایین دارای حجم بالا و هزینه ساخت زیادند که با افزایش توان خروجی بر این معایب افزوده خواهد شد؛ درنتیجه، هدف از طراحی بهینه در این مقاله، کاهش هزینه ساخت سیستم توربین بادی با حفظ مشخصه راندمان بالا است؛ بنابراین، یک مدل مولتی فیزیک از مجموعه تولید انرژی در توربین بادی ارایه شده است که طراحی بهینه بر پایه آن استوار خواهد بود. از ویژگی های بارز این مطالعه، محاسبه دقیق تمامی هزینه های مربوط به تولید انرژی اعم از هزینه ساخت ژنراتور، مبدل الکترونیک قدرت، تجهیزات جانبی الکتریکی و برج توربین بادی است. به منظور یافتن جواب بهینه، از الگوریتم بهینه سازی ژنتیک با در نظر گرفتن یک محدوده مناسب از پیش تعیین شده برای متغیرهای طراحی استفاده می شود. مقایسه ژنراتور بهینه شده در این مطالعه با یک نمونه ژنراتور آهنربای دایم رتور داخلی، کارایی روش پیشنهادی و برتری آن را ازنظر حجم کلی، وزن و انرژی تحویلی سالیانه نشان می دهد. در انتها نیز صحت طراحی بهینه با تحلیل اجزای محدود تایید شده است.

    کلیدواژگان: توربین بادی، ژنراتور آهنربای دائم، طراحی بهینه، هزینه ساخت
  • حشمت الله نوری زاده، محسن نیاستی* صفحات 65-80
    به دلیل رشد و توسعه روزافزون بار و تغییرات زیاد ساختار شبکه های توزیع برق، مسایل مربوط به بهینه سازی این شبکه ها دارای چالش های متعددی است. جایابی و تعیین ظرفیت بهینه پست های توزیع و شبکه تغذیه کننده آنها ازجمله مسایل مهم بهینه سازی شبکه های توزیع از لحاظ فنی و اقتصادی است. در این مقاله، با در نظر گرفتن دو عامل مهم کاهش تلفات و بهبود قابلیت اطمینان شبکه های توزیع، یک تابع هدف چندمنظوره جدید برای جایابی مکان و ظرفیت بهینه پست های توزیع براساس حوزه تحت سرویس آنها ارایه شد. تابع هدف پیشنهادی شامل کلیه هزینه های احداث و بهره برداری تجهیزات، هزینه تلفات و نیز شاخص قابلیت اطمینان (انرژی تامین نشده) می شود. از الگوریتم کلونی زنبورعسل برای بهینه سازی تابع هدف پیشنهادی به منظور تعیین ظرفیت و جایابی بهینه پست های دو شبکه توزیع نمونه استفاده شد. مقایسه نتایج حاصل از بهینه سازی تابع هدف پیشنهادی با الگوریتم کلونی زنبورعسل با نتایج سایر الگوریتم ها در دو شبکه نمونه، کارایی و اثربخشی الگوریتم و تابع هدف پیشنهادی را به خوبی نشان می دهد.
    کلیدواژگان: الگوریتم کلونی زنبورعسل، پست های توزیع، جایابی بهینه، شبکه های توزیع، قابلیت اطمینان، کاهش تلفات
  • کامل صباحی*، مهدی توان، امین حاجی زاده صفحات 81-92
    در این مقاله، کنترل کننده تطبیقی T2FPID برای کنترل بار - فرکانس در یک سیستم قدرت تاخیردار - غیرخطی طراحی شده است. تاخیر متغیر با زمان در ورودی سیستم قدرت که عمدتا ناشی از کندی عملکرد عملگرها، فیلترکردن سیگنال، محاسبات مربوط به عملیات کنترلی و ازکارافتادگی خطوط مخابراتی است، در بیشتر موارد ناپایداری در سیستم قدرت را باعث می شود. کنترل کننده T2FPID طراحی شده دارای ساختاری غیرخطی و تطبیقی بوده و از تابع لیاپانوف - کراسوسکی برای بررسی پایداری حلقه بسته و به دست آوردن قوانین تطبیقی آن استفاده شده است. از یک سیستم قدرت دو ناحیه ای غیرخطی با تاخیر در ورودی (با چهار کمپانی تولید و توزیع)، برای شبیه سازی استفاده و نشان داده شد با اعمال کنترل کننده T2FPID پیشنهادی، اهداف مسئله کنترل بار - فرکانس (به صفر رساندن تغییرات فرکانس و توان انتقالی در نواحی) با کیفیت مناسبی محقق می شود و پارامترهای تطبیقی آن محدود باقی می مانند. همچنین، روش پیشنهادی با کنترل کننده مبتنی بر سیستم فازی نوع 1 مقایسه و کارایی آن در مواجهه با نامعینی ها و تاخیر زمانی های موجود در سیستم قدرت نشان داده شده است.
    کلیدواژگان: کنترل بار - فرکانس، سیستم تاخیردار و کنترل کننده T2FPID تطبیقی
  • شاپور حدادی پور، وحید امیر*، سعید جوادی آرانی صفحات 93-110
    در یک شبکه توزیع هوشمند، ریز شبکه ها می توانند با ارایه پیشنهاد خرید و فروش، هزینه خود را در بازار روز - قبل کاهش دهند. مسئله پیشنهاد خرید و فروش به علت عدم قطعیت های مختلف چالش برانگیز است. این مقاله یک استراتژی دو مرحله ای پیشنهاد میزان بهینه خرید و فروش برق را با وجود وابستگی قیمت برق و گاز در بازار روز - قبل و زمان - واقعی برای یک ریز شبکه چندحاملی ارایه می دهد. در این مدل، رفتار ریزشبکه روی میزان خرید/فروش انرژی برق و گاز، تاثیر همزمان قیمت برق و گاز، وابستگی حامل های انرژی به همدیگر بررسی شده است. در شبکه پیشنهادی خرید و فروش انرژی در یک ریز شبکه چندحاملی به صورت یک مدل دو مرحله ای ارایه شده است. در مرحله اول، ریزشبکه پیشنهادات خرید و فروش انرژی ساعتی را به بهره بردار سیستم توزیع، بدون در نظر گرفتن عدم قطعیت ارایه می دهد. سپس در مرحله دوم با در نظر گرفتن پیشنهادات روز - قبل تاییدشده، بهره بردار ریز شبکه در بازار لحظه ای به منظور متعادل کردن بار اقدام می کنند. این مسئله به صورت یک مدل خطی عدد صحیح آمیخته با نرم افزار GAMS و روش کاهش سناریو حل شده است. نتایج عددی، سودمندی مدل پیشنهادی را با مقایسه سناریوها در کاهش هزینه های بهره برداری ریزشبکه چندحاملی نشان می دهد.
    کلیدواژگان: بازار انرژی، بهره برداری، ریز شبکه چندحاملی، مدل دو مرحله ای، کاهش سناریو، عدم قطعیت
|
  • Fereshteh Moghateli, Seyed Abbas Taher *, Ali Karimi, Mohammad Shahidehpour Pages 1-14

    One of the major issues in the planning stage for distribution networks is the optimal design of microgrids (MGs). One of the important goals in the design of MGs is supplying the load with the highest reliability and the lowest cost. Construction of MGs in the distribution systems may have many benefits such as local control strategy in order to minimize the interaction between different MGs, prevent the fault propagation and finally, increase the reliability of the system for consumers and distribution companies. Therefore, in this paper, with the aim of improving reliability and cost, three different approaches to constructing multi-microgrid (MMG) systems in the active distribution network (ADN) are proposed and compared. In this way, by determining the location and capacity of energy storage systems (ESSs) as well as clustering of ADN based on the mentioned objectives and proposed optimization algorithms, in different scenarios, using the Monte Carlo (MC) algorithm and the Forward-backward load flow, the objective function is calculated. Then, with the repetition and various suggestions made by the optimization algorithm, the optimal value of the objective function is obtained and the results of the designed approaches are compared. To simulate and demonstrate the effectiveness of the proposed method, the 119-bus test distribution system is used.

    Keywords: multi-microgrid systems, energy storage systems, reliability, Active distribution network, siting, sizing
  • Marzieh Hajizadeh Tahan, Mohammad Ghasemzadeh *, Mahdi Rezaeian Pages 15-28
    Long-term prediction of time series is an important but challenging issue. Today, deep networks, especially Long short Term Memory (LSTM) networks, have been successfully used to predict time series. The LSTM network is capable of maintaining long-term dependencies, but its ability to assign varying degrees of attention to sub window features over multiple time steps is not sufficient. Also, the performance of these networks depends heavily on their hyper-parameters ​​and it is important to adopt an efficient method to ensure optimum values. In this study, to overcome the above challenges, an evolutionary attention-based deep LSTM for predicting multivariate time series is recommended that automatically finds one of the best combinations of LSTM parameter values and sub window features. The proposed algorithm uses a genetic algorithm to properly adjust the deep LSTM network architecture. In order to evaluate the performance of the proposed algorithm, three data sets in the fields of energy and environment have been used. The experimental results show that the proposed algorithm performs better than other basic models.
    Keywords: Hyper-parameter, Evolutionary algorithm, time series, multivariate, Long short-term memory network, Attention mechanism
  • Majed Anjomshoaa, Malihe Maghfoori Farsangi *, Yasin Asadi, Mohammad Molaei Pages 29-40

    In this paper, a new method of data-driven controller (DDC) design using Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation Algorithm (SPSA) and Neural Network (NN) training is presented. This method can be used to control a variety of linear and nonlinear systems. In the simultaneous perturbation stochastic approximation algorithm, the controller is assumed to have a fixed structure and its parameters must be estimated. In this paper, a Proportional, Integral, and Derivative controller (PID) is considered and the parameters that should be estimated by the proposed algorithm are proportional, integral and derivative terms of this controller. In the proposed method, the simultaneous perturbation stochastic approximation algorithm is quantified by using neural network training which increases the convergence speed and also improves the performance of the algorithm against system input changes. Simulations performed on cement grinding particle size distribution process and pitch angle control of aircraft show the high efficiency and potential of the proposed method.

    Keywords: Data-driven controller, Simultaneous perturbation stochastic approximation, (PID) controller, Online tuning, Perceptron neural network
  • Gholamreza Bakhshi, Kamal Shahtalebi *, Mehdi Momeni Pages 41-50
    In this paper, a novel adaptive algorithm for spectral unmixing in hyperspectral images (HSIs) is proposed. Many of the existing spectral unmixing algorithms, under the assumption of the linear model for the spectral mixing phenomenon, attempt to estimate the signatures of available materials in the observed HSI image. Then, based on the similarity between the estimated spectral signatures and the available spectral signatures in the spectral library, they identify the materials in the HSI and estimate their relative abundances. While the spectral library, as prior knowledge, has not been directly considered in the founding of existing algorithms, the proposed method is directly concentrated on the spectral signatures library. Assuming the linear spectral mixing model, the proposed method takes a set of spectral signatures which are probably present in the observed HSI. Then, based on a non-statistical approach, the normalized least mean square (NLMS) adaptive algorithm is engaged to estimate a weight vector for each spectral signature in the selected set in such a way that each weight vector and its corresponding spectral signature are non-orthogonal whereas the weight vector of each spectral signature is almost orthogonal to the other spectral signatures. A synthetic dataset of hyperspectral images is considered to evaluate the performance of the proposed method. The evaluation results show that the proposed method outperforms its counterparts in low signal to noise ratio (SNR).
    Keywords: Spectral Unmixing, hyperspectral images, Spectral Library, NLMS algorithm, Linear Spectral Mixing Model
  • Aliakbar Abdoos *, MohammadEbrahim Moazzen, Ali Ebadi Pages 51-64

    Permanent magnet machines are widely used in wind turbines due to theirs prominent characteristics. The direct-drive wind generators have large size and high manufacturing cost because of low operational speed so that these disadvantages deteriorate when the rated output power increases. Therefore, the main objective of the optimal design proposed in this paper is to minimize the wind turbine system cost maintaining the high efficiency characteristic. Thus, a multiphysics model of the wind generation system is firstly presented to be the basis of the optimal design. One of the paramount feature of the current studyis to precisely calculate all of the energy production costs, including the manufacturing cost of generator, power converter, electrical subsystem, and also wind turbine tower cost. In order to obtain the optimum solution, the Genetic Algorithm (GA) optimization method is implemented with consideration of a predetermined proper range for optimal variables. By comparing the optimal design results with those attained by the inner-rotor permanent magnet generator, the superiority of the proposed method is justified in terms of the total volume, weight, and annual output energy. Eventually, the finite element analysis has also been carried out to validate the outcomes obtained from the proposed optimal design.

    Keywords: Permanent Magnet Generator, Optimal Design, Manufacturing Cost, Wind Turbine
  • Heshmatallah Nourizadeh, Mohsen Niasati * Pages 65-80
    Due to the increasing load growth and expansion and significant changes in structure of electricity distribution networks, the issues related to the optimization of these networks face many challenges. Optimal placement and capacity of Distribution substations and their feeder networks are among the important issues of optimization of distribution networks from technical and economic viewpoints. In this paper, considering two important factors including loss reduction and improvement of reliability in distribution networks, a new multi-objective function was presented for optimal placement of location and capacity of Distribution substations based on their service area. The proposed objective function includes all construction and operation costs of equipment, loss costs, and reliability index (Energy Not Supplied). The Artificial Bee Colony (ABC) algorithm was applied to optimize the proposed objective function with the purpose of determining the optimal placement and capacity of substations of two sample distribution networks. A comparison of results obtained from optimization of the proposed objective function by the Artificial Bee Colony (ABC) algorithm with results of other algorithms in two sample networks indicates the efficiency and effectiveness of the proposed algorithm and objective function.
    Keywords: Artificial bee colony algorithm (ABC), Distribution substations, Distribution Network, optimal Placement, reliability, Reduce losses
  • Kamel Sabahi *, Mehdi Tavan, Amin Hajizadeh Pages 81-92
    In this paper, an adaptive T2FPID controller is designed for load frequency control (LFC) in a nonlinear, uncertain and time-delay power system. The time-varying delay at the input of the power system that is mainly due to the signal processing, filtering, calculations and breakdown in the communication channels in most cases may lead to system instability. The designed T2FPID controller is a nonlinear and adaptive controller and is able to handle the nonlinearities, uncertainties and time-varying delay at the input of the power system. An appropriate Lyapunov-Krasovskii functional has been used to examine the stability of the closed loop system and to obtain the adaptive rules for the T2FPID controller. Using this functional, it has been shown that the frequency deviations in the control areas have reached to zero and the adaptive parameters of the controller remain bounded. To demonstrate the efficiency of the proposed method, a two-area nonlinear input delayed power system (with four generation and distribution companies) is used for simulations and it is shown that the proposed control strategy outperforms other methods in terms of overshoot and settling time.
    Keywords: Load frequency control, Time-delay system, and Adaptive T2FPID controller
  • Shapour Haddadipour, Vahid Amir *, Saeed Javadi Arani Pages 93-110
    In a smart distribution network, micro-grids can reduce their bidding on the market the previous day. The issue of buying and selling is challenging due to various uncertainties. This paper proposes a two-stage strategy proposing the optimal purchase and sale of electricity, despite the dependence of the electricity and gas prices on the previous day's market and real-time for a multi-agent micro-grid. In this model we study the behavior of the grid on the amount of purchase / sale of electricity and gas, the simultaneous effect of the price of electricity and gas, the dependence of energy carriers on each other. In the proposed network, the purchase and sale of energy in a multi-agent micro-grid is presented as a two-stage model. In the first step, the grid offers the purchase and sale of hourly energy to the operator of the distribution system, regardless of uncertainty. In the second step, considering the bidding of the previous day, they are confirmed, the network operator exploits the moment in the market to balance the load. This problem has been solved in a linear model of integer with GAMS and scenario reduction method. Numerical results show the effectiveness of the model by comparing scenarios.
    Keywords: energy market, exploitation, Multi-agent micro-grid, Two-stage model, Scenario reduction, Uncertainty