فهرست مطالب
نشریه هوش محاسباتی در مهندسی برق
سال پانزدهم شماره 2 (تابستان 1403)
- تاریخ انتشار: 1403/04/01
- تعداد عناوین: 8
-
-
صفحات 1-14شبکه های دسترسی رادیویی ابری (C-RAN) دارای بهره وری انرژی و طیفی بالا هستند. در C-RAN تمام پردازش محاسباتی در استخر مرکزی واحد باند پایه (BBU) و عملیات رادیویی در راس های رادیویی راه دور (RRH) صورت می گیرد. استخر مرکزی BBU توسط خطوط روبنا به RRHها متصل است. با جداسازی بخش پردازش BBU و توسعه RRHهای پراکنده، ساختار خوشه بندی RRHها را سازگار با تغییرات شبکه می توان طراحی کرد. در این مقاله برای کاهش پیچیدگی در C RAN فراچگال، خوشه بندی به صورت کاربرمحور و تخصیص منابع آموزش کانال متناسب با آن استفاده می شود. همچنین، برای کاهش سربار آموزش، مدل اطلاعات جزئی حالت کانال استفاده می شود. سپس مسئله طراحی بردارهای شکل دهی پرتو با هدف حداکثرسازی نرخ مجموع وزن دهی شده (WSR) با محدودیت حداکثر توان RRHها و ظرفیت خطوط روبنا و ظرفیت محاسباتی منابع استخر BBU ارائه می شود. به دلیل NP-hard بودن مسئله اصلی، سه زیرمسئله برای حل آن پیشنهاد می شود. ابتدا مسئله طراحی بردار شکل دهی پرتو برای بیشینه سازی WSR و محدودیت توان RRHها و سپس مسئله تخصیص پویای منابع محاسباتی و درنهایت، اعمال محدودیت ظرفیت خطوط روبنا با هدف کمترین تاثیر بر WSR حل می شوند. تخصیص هم زمان منابع رادیویی و محاسباتی با هدف کاهش پیچیدگی محاسباتی و تعداد پایلوت مورد نیاز برای آموزش کانال با کمترین تعداد BBU صورت می گیرد.کلیدواژگان: اطلاعات جزئی حالت کانال، تخصیص همکارانه منابع رادیویی و محاسباتی، راس رادیویی راه دور، شبکه دسترسی رادیویی ابری، شبکه های فراچگال
-
صفحات 15-32با ادغام سیستم قدرت و گاز طبیعی (IPGS)، این دو سیستم با اشتراک انرژی بین یکدیگر، قادر به ارائه توان الکتریکی و همچنین گازی هستند. با وجود این، اختلال ایجادشده در یک سیستم، به ایجاد اختلال در عملکرد مطلوب دیگر سیستم منجر می شود؛ بنابراین، ارزیابی قابلیت اعتماد IPGS، امری اجتناب ناپذیر است. در این مقاله، یک مدل ارزیابی قابلیت اعتماد مبتنی بر الگوریتم های یادگیری ماشین در حضور منابع ذخیره انرژی گازی با در نظر گرفتن عدم قطعیت های موجود در نرخ شکست المان های IPGS ارائه شده است. در این راستا، از شبیه سازی مونت کارلو پیاپی (SMCS) و یک برنامه حذف بار بهینه برای محاسبه شاخص های قابلیت اعتماد سیستم استفاده می شود. سپس برای رده بندی المان ها براساس اهمیت آنها در قابلیت اعتماد کل سیستم، الگوریتم جنگل تصادفی (RF) پیشنهاد شده است. مدل پیشنهادی روی سیستم 14 باس IEEE و سیستم گاز طبیعی 10 گره گازی در نرم افزارهای MATLAB، GAMS و Python انجام شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهند با در نظر گرفتن منابع ذخیره گازی، بهبود قابلیت اعتماد سیستم قدرت و گاز طبیعی به ترتیب به میزان 12/2 و 3/8 درصد و به طور کلی قابلیت اعتماد IPGS به میزان 25/5 درصد ارتقا می یابد. همچنین، اولویت بندی این منابع در IPGS تعیین شده است.کلیدواژگان: ارزیابی قابلیت اعتماد، سیستم قدرت و گاز طبیعی یکپارچه، یادگیری ماشین، جنگل تصادفی، شبیه سازی مونت کارلو پیاپی
-
صفحات 33-50شناسایی مکان خطا در خطوط انتقال و رفع آن در سریع ترین زمان ممکن به منظور کاهش خاموشی و افزایش قابلیت اطمینان شبکه از اهمیت ویژه ای برخوردار است. یکی از روش های مکان یابی خطا، روش مبتنی بر امپدانس است. مقادیر دقیق پارامترهای خطوط انتقال و امپدانس تونن شبکه به دلیل مسائل مختلفی از جمله تغییر دما و ساختار شبکه نامعلوم هستند که می توانند بر دقت روش مذکور در مکان یابی خطا در خطوط انتقال جبران نشده و جبران شده تاثیر بگذارند؛ بنابراین در این مقاله، یک روش فراابتکاری مبتنی بر روش امپدانسی با استفاده از الگوریتم جست وجوی همسایگی متغیر با در نظر گرفتن عدم قطعیت در پارامترهای خط و امپدانس تونن شبکه برای مکان یابی خطاهای تک فاز به زمین پیشنهاد می شود. در روش پیشنهادی، برای تخمین محل خطا از اطلاعات جریان یک پایانه حین خطا استفاده می شود که سبب عدم نیاز به بستر مخابراتی و افزایش قابلیت اطمینان روش مکان یابی می شود. نتایج شبیه سازی حاکی از آن است که روش پیشنهادی دارای دقت مطلوبی در مکان یابی خطای تک فاز به زمین در خطوط انتقال جبران نشده و جبران شده سری باوجود معلوم نبودن پارامترهای خط و امپدانس تونن شبکه است. همچنین مقاومت، زاویه و محل وقوع خطا و میزان جبران سازی بر دقت مکان یابی تاثیر چشمگیری ندارد.کلیدواژگان: الگوریتم جست وجوی همسایگی متغیر، خط انتقال، عدم قطعیت، مکان یابی خطا
-
صفحات 51-68
سیستم های ذخیره سازی انرژی، تاثیر مهمی در افزایش انعطاف پذیری شبکه های قدرت دارند و برای دستیابی به اهداف شبکه های هوشمند ضروری اند. تا کنون، بسیاری از تحقیقات در زمینه بهره برداری بهینه از باتری ها انجام شده است؛ اما بیشتر آنها تاثیرات باتری ها را تنها در سمت شبکه انتقال یا توزیع مطالعه کرده اند. در مطالعه حاضر، تاثیر نصب و بهره برداری بهینه سیستم های ذخیره سازی انرژی در هر دو سمت شبکه انتقال و توزیع بررسی شده است. این مقاله یک مدل بهینه سازی دو سطحی برای مدیریت یکپارچه انرژی در شبکه های هوشمند انتقال و توزیع همراه با مسائل مدیریت تقاضا ارائه می دهد. با توجه به اینکه هر دو مدل پیشنهادی یک مدل برنامه ریزی خطی عدد صحیح مرکب اند، حل آنها با روش های مستقیم دشوار است؛ بنابراین، روشی بر مبنای تغییر متغیرها و معادلات KKT برای حل این مسائل ارائه می شود و جواب های بهینه سراسری این مسائل تضمین می شوند. تعدادی سیستم یکپارچه شامل شبکه های انتقال و توزیع برای ارزیابی مدل و روش پیشنهادی در نظر گرفته شده اند. نتایج نشان می دهند مدل پیشنهادی کارآمدی دارد و تاثیر مثبت مدل سازی سیستم های ذخیره سازی انرژی در هر دو سمت شبکه را نمایان می سازد.
کلیدواژگان: شبکه توزیع، شبکه انتقال، بهینه سازی، منابع تجدیدپذیر، سیستم ذخیره انرژی، مدیریت سمت تقاضا -
صفحات 69-84
به کارگیری سیستم کنترل محرکه کارآمد در موتورهای القایی شش فاز با هدف بهره مندی از مزایایی مانند کاهش ریپل گشتاور، کاهش هارمونیک جریان، کاهش دامنه جریان در هر فاز و بهبود قابلیت اطمینان بسیار اهمیت دارد. در این راستا، دو طرح کنترلی مبتنی بر روش کنترل پیش بین مدل گشتاور در این مقاله پیشنهاد می شود. در هر دو طرح گفتهشده، از کنترل کننده مبتنی بر منطق فازی در حلقه کنترل سرعت بهره گرفته می شود. همچنین، در طرح کنترل اول، در هر دوره کلیدزنی، ترکیبی شامل یک بردار کلیدزنی فعال و یک بردار کلیدزنی غیرفعال به اینورتر اعمال می شود؛ به طوری که زمان وظیفه اعمال بردار کلیدزنی فعال به طور بهینه تعیین می شود. در طرح کنترل دوم، در هر دوره کلیدزنی، یک بردار ولتاژ مجازی متشکل از یک بردار کلیدزنی بزرگ و یک بردار کلیدزنی نسبتا بزرگ با زمان های وظیفه مشخص به صورتی به موتور اعمال می شود که اثر بردارهای کلیدزنی در زیرفضای مدل کننده تلفات برابر صفر شود. عملکرد طرح های پیشنهادی با شبیه سازی در محیط نرم افزار MATLAB/Simulink ارزیابی می شود. نتایج، کارایی روش های پیشنهادی را اثبات می کنند. استفاده موثر از ولتاژ لینک DC و کاهش ریپل گشتاور از مزایای روش اول و کاهش موثر ریپل جریان و بهبود بازدهی موتور مزایای روش دوم هستند.
کلیدواژگان: بردارهای ولتاژ مجازی، کنترل پیش بین مدل گشتاور، کنترل زمان وظیفه بهینه، موتور القایی شش فاز -
صفحات 85-96سیستم های اویلر - لاگرانژ دسته ای وسیع از سیستم های دینامیکی را در بر می گیرد و می تواند شامل سیستم های الکتریکی، مکانیکی، رباتیکی و... باشد. در این مقاله، یک روش کنترلی مبتنی بر رویتگر اغتشاش برای یک شبکه چند عاملی شامل تعدادی عامل اویلر - لاگرانژی توسعه داده می شود. هدف کنترلی، رسیدن کلیه عوامل به موقعیت یکسان در دو حالت بدون رهبر و دارای رهبر است. در روش کنترلی مبتنی بر رویتگر اغتشاش، اغتشاش خارجی سیستم که در اثر عدم قطعیت دینامیکی سیستم یا اغتشاش خارجی است، تخمین زده و از مقدار تخمین زده شده در قانون کنترل استفاده می شود. مزیت اصلی روش پیشنهادی آن است که برخلاف روش های کنترل تطبیقی مرسوم، بدون نیاز به اطلاعات ساختار دینامیکی سیستم می تواند بر عدم قطعیت دینامیکی غلبه کند. تحلیل پایداری کنترل کننده پیشنهادی با استفاده از تئوری لیاپانوف ارائه می شود و صحت سنجی آن ازطریق شبیه سازی انجام می شود.کلیدواژگان: دینامیک اویلر - لاگرانژ، رویتگر اغتشاش، سیستم های چند عاملی، کنترل همگام سازی
-
صفحات 97-114امروزه یکی از عوامل مرگ ومیر در دنیا وقوع رویدادهای شریانی است که به شکل آنفارکتوس قلبی، سکته مغزی، غش و غیره رخ می دهند و باعث از کارافتادگی قلب و مرگ زودرس می شوند؛ بنابراین، ضروری است قبل از وقوع حوادث ناگوار برای پیشگیری و هشدار شرایط غیرعادی به افراد اطلاع رسانی شود. در این مقاله، از یک رویکرد یادگیری عمیق برای پیش بینی رویدادهای شریانی طی چند هفته / ماه قبل از رویداد با 5 دقیقه ثبت سیگنال های قلبی (ECG) و استخراج ویژگی های زمانی و فرکانسی استفاده شده است. برای این منظور، از شبکه عصبی LSTM به دلیل امکان یادگیری وابستگی های بلندمدت برای شناسایی و پیشگیری هرچه سریع تر این نوع رویدادها بهره گرفته شد. همچنین، از یک شبکه باور عمیق (DBN) برای بازنمایی و استخراج ویژگی های بهنیه و موثر از مجموعه داده های جمع آوری شده استفاده شد. این رویکرد به اختصار LSTM-DBN نامیده می شود. برای ارزیابی رویکرد پیشنهادی از 4 مجموعه داده در دسترس عموم در حوزه مراقبت های بهداشتی استفاده شد. این داده ها از حسگرهای پوشیدنی مربوط به ثبت سیگنال های ECG همراه با ویژگی های جمعیت شناختی جمع آوری شده اند. نتایج حاصل از پیش بینی شبکه LSTM-DBN با میانگین صحت 42/88 درصد در مقایسه با سایر رویکردهای یادگیری عمیق و طبقه بندی سنتی نشان دهنده برتری رویکرد پیشنهادی اند.کلیدواژگان: پیشبینی رویدادهای قلبی، حسگرهای پوشیدنی، بازنمایی ویژگی ها، یادگیری عمیق، LSTM، DBN، ثبت سیگنال های ECG
-
صفحات 115-134
بازآرایی همراه با تخصیص بهینه منابع تولید پراکنده و واحدهای DSTATCOM در شبکه های توزیع برق، از اقدامات تاثیرگذار برای بهبود شاخص های کیفیت توان در شبکه های توزیع است که به عنوان یک سناریوی ترکیبی غیرخطی با پیچیدگی بالا در پژوهش ها کمتر به آن پرداخته شده است. این مسئله، یک چالش با ماهیت گسسته-پیوسته در حوزه مهندسی برق قدرت است که حل آن نیازمند تکنیک های قدرتمند در حوزه بهینه سازی است. برای حل مسئله پیشنهادی مذکور، الگوریتم ترکیبی جدیدی به نام ([i]GA-[ii]HOA) در این مقاله معرفی شده است. از منطق فازی نیز برای یافتن بهینه ترین جواب در میان جواب های پارتو به دست آمده استفاده شده است. با در نظر گرفتن یک تابع هدف چندمنظوره دربرگیرنده شاخص های مهم کیفیت توان شامل کاهش تلفات، بهبود پایداری ولتاژ، بهبود قابلیت اطمینان و همچنین، هزینه های بهره برداری حل سناریوی پیشنهادی به همراه چهار سناریوی دیگر با استفاده از الگوریتم ترکیبی جدید و تعدادی از الگوریتم های بهینه سازی مطرح بر یک شبکه توزیع 70 شینه ارزیابی شده است. همچنین، سناریوهای مختلف بر دو شبکه توزیع 33 و 84 شینه نیز با هدف کاهش تلفات توان اکتیو، پیاده سازی و با خروجی های حاصل از روش های دیگر در مقالات مختلف مقایسه شده است. نتایج به دست آمده نشان دهنده موفقیت الگوریتم ترکیبی جدید در حل سناریوی پیچیده پیشنهادی همراه با ارائه توپولوژی جدیدی برای سوئیچ ها، مکان ها و ظرفیت های بهینه برای منابع تولید پراکنده و واحدهای DSTATCOM همراه با تلفات کمتر، ولتاژ پایدارتر، قابلیت اطمینان بیشتر و هزینه بهره برداری مناسب تر برای شبکه توزیع آزمون شده است. همچنین، نتایج به دست آمده حاکی از برتری نسبی الگوریتم ترکیبی پیشنهادی در یافتن راه حل بهینه، قدرت و زمان همگرایی نسبت به سایر روش های مقایسه شده است.
کلیدواژگان: الگوریتم ترکیبی GA-HOA، بازآرایی، D-STATCOM، شبکه توزیع، قابلیت اطمینان، پایداری ولتاژ، منابع تولید پراکنده
-
Pages 1-14In C-RAN architecture, all computational processing is performed in the central baseband unit (BBU) pool, while radio operations are carried out in the remote radio heads (RRHs). The central BBU pool is connected to the RRHs by fronthaul links. Therefore, by separating the processing unit and the radio units, the clustering structure of RRHs can be designed to adapt to network changes. This paper deals with the problem of radio and computation resource allocation to maximize weighted sum rate. To reduce complexity, we use user-centric clustering and appropriate training resources allocation. Additionally, to lessen channel training overhead, an incomplete model of channel state information is considered, in which only intra-cluster channel state information is estimated. By replacing a sticky lower bound of user data rate in the main problem, the beamforming vectors under the constraints of computational and radio resources are designed in three steps. In the first step, the weighted sum rate maximization problem is solved under maximum radio transmitted power constraints by weighted minimum mean square error method. Then, in the second step, using a proposed greedy algorithm to allocate computational resources to users. In the third step, fronthaul capacity constraints are applied by another greedy algorithm.Keywords: Cloud Radio Access Network, Remote Radio Head, Joint Radio, Computing Resources Allocation, Channel State Information, Ultra-Dense Networks
-
Pages 15-32By integrating the power and natural gas systems (IPGS), these two systems can synergistically provide electric and gas power through mutual energy sharing. However, disruptions occurring in one system can have detrimental effects on the optimal performance of the other system. Hence, the assessment of IPGS reliability becomes imperative. In this article, a reliability evaluation model is proposed that utilizes machine learning algorithms to tackle uncertainties associated with the failure rate of IPGS components in the presence of gas storage resources. To calculate system reliability indices, we employ Sequential Monte Carlo Simulation (SMCS) and an optimal load-shedding program. Moreover, a random forest (RF) algorithm is adopted to classify elements based on their importance in upholding the overall system's reliability. The proposed model is implemented using MATLAB, GAMS, and Python software, with the IEEE 14-bus system and the 10-node natural gas system as case studies. The simulation results illustrate that by considering the gas storage resources, the reliability of the power system and natural gas can be improved by 2.12 and 8.3%, respectively, and the overall reliability of IPGS is improved by 5.25%. Also, the prioritization of these resources is determined in IPGS.Keywords: Reliability Evaluation, Integrated Power-Gas System, Machine Learning, Random Forest, Sequential Monte Carlo Simulation
-
Pages 33-50Identifying the fault location in the transmission lines and fixing the problem in the shortest possible time is of particular importance to reduce blackouts and increase the reliability of the network. One of these fault location methods is the impedance-based method. The precise values of transmission line parameters and the Thevenin impedance of the network are unknown due to various issues such as temperature change and network structure, which can affect the accuracy of this method in locating the fault in both uncompensated and compensated transmission lines. Therefore, in this article, the proposed method is an intelligent impedance-based method using the variable neighborhood search algorithm, regarding the uncertainty in the line parameters and the Thevenin impedance of the network in locating single-phase-to-ground faults. In the proposed method, only one-end-current data is used to estimate the location of the fault, which does not require a telecommunication platform and results in increasing the reliability of the location method. The simulation results show that the method has high accuracy in fault location in transmission lines even though the line parameters and Thevenin impedance of the network are unknown. Moreover, the resistance, the angle and the location of the fault, and the level of compensation do not have a significant effect on the accuracy of the fault location.Keywords: Fault Location, Transmission Line, Variable Neighborhood Search Algorithm, Uncertainty
-
Pages 51-68
Energy storage systems have an important effect on increasing the flexibility of power grids and are necessary to achieve the goals of smart grids. So far, many researches have been conducted in the field of optimal utilization of batteries, but most of them have studied the effects of batteries only on the side of the transmission or distribution network. In the present study, the effect of the installation and optimal operation of energy storage systems on both sides of the transmission and distribution network has been investigated. This paper presents a bi-level optimization model for integrated energy management in transmission and distribution smart grids along with demand management issues. Considering that both proposed models are mixed integer linear programming models, it is difficult to solve them by direct methods. Therefore, a method based on the change of variables and KKT equations is presented to solve these problems, and globally optimal solutions to these problems are guaranteed. Several integrated systems that include transmission and distribution networks are considered to evaluate the proposed model and method, and the results show that the proposed model is efficient and shows the positive effect of modeling energy storage systems on both sides of the network.
Keywords: Distribution Network, Transmission Network, Optimization, Renewable Resources, Energy Storage System, Demand Side Management -
Pages 69-84
It is essential to implement a high-performance drive control system in a six-phase induction motor (6PIM) to benefit from the advantages of reduced torque ripple, reduced harmonic current, reduced current amplitude per phase, and improved reliability. In this regard, two control schemes based on the model predictive torque control (MPTC) method are proposed in this paper. In addition, a fuzzy logic controller (FLC) is used in the speed control loop. Furthermore, in the first control scheme, during each switching period, a combination of an active switching vector and a null switching vector is applied to the inverter; so that the duty cycle of the active switching vector is optimally calculated. In the second control scheme, a virtual voltage (VV) vector composed of a large switching vector and a relatively large switching vector with certain duty cycles is applied to the 6PIM so that related switching vectors’ effects in the x-y subspace which models the motor losses lead to zero. The proposed methods are evaluated by simulation using the MATLAB/Simulink software. The results prove the effectiveness of the presented methods. The advantages of the first method consist of fully exploiting the DC link voltage and reducing the torque ripple. In addition, the advantages of the second method include reducing the current ripple and improving efficiency.
Keywords: Six Phase Induction Motor, Model Predictive Torque Control, Optimal Duty Cycle Control, Virtual Voltage Vectors -
Pages 85-96Euler-Lagrange systems include a wide class of dynamic systems such as electrical, mechanical and robotic systems. In this paper, a disturbance observer-based control methodology is developed for a multi-agent network including several agents with Euler-Lagrange motion dynamics. The control objective is to reach the same position by all agents in both leader-less or leader-follower situations. The proposed control scheme estimates the disturbance term due to the dynamic uncertainties, and the estimated value is utilized in the control law as a feedforward term. In contrast to the existing adaptive control methodologies for handling uncertainties, the proposed scheme guarantees satisfactory performance in the presence of uncertainty without the need for a dynamic structure of the system. Stability analysis of the proposed scheme is done using the Lyapunov theory. The effectiveness of the proposed method is validated by simulation studies for regulation and tracking objectives in leader-follower cases and consensus objectives in leaderless scenarios.Keywords: Euler-Lagrange Dynamics, Disturbance Observer, Multi-Agent Systems, Synchronization Control
-
Pages 97-114One of the leading causes of death in today’s world is arterial events, which can occur in the form of myocardial infarction, stroke, fainting, etc., leading to heart failure and premature death. Hence, it is essential to inform people before the occurrence of unpleasant events to prevent and warn of abnormal conditions. In this paper, we used a deep learning approach to predict arterial events during the weeks/ months before the event using 5 minutes of ECG signals recording by extracting the temporal and frequency characteristics. For this purpose, the long short-term memory (LSTM) neural network was used due to the possibility of learning long-term dependencies to quickly identify and prevent these types of events. A deep belief network (DBN) was also used to represent and select more effective and efficient features of the recorded dataset. This approach is briefly called LSTM-DBN. Four publicly-available datasets in the field of health care were used to evaluate the proposed approach. These data were collected from ECG signal recording wearable sensors along with demographic characteristics. The prediction results of the LSTM-DBN network with 88.42% mean accuracy compared to other deep learning approaches and traditional classifications indicate the superiority of the proposed approach.Keywords: Cardiovascular Events Prediction, Wearable Sensors, Feature Representation, Deep Learning, LSTM, DBN, ECG Signal Recording
-
Pages 115-134
Reconfiguration along with the optimal allocation of DG resources and DSTATCOM units in power distribution networks is one of the effective tasks to improve power quality indicators in distribution networks, that as a non-linear combination scenario with high complexity, has been less discussed in research. This problem is a challenge with a discrete-continuous nature in the field of electrical power engineering, the solution of which requires powerful techniques in the field of optimization. To solve the proposed problem, a new hybrid algorithm named (GA-HOA) is introduced in this article. Fuzzy logic has also been used to find the most optimal solution among the obtained Pareto solutions. Considering a multi-purpose objective function including reducing losses, improving voltage stability, reliability, as well as operating costs, solving the proposed scenario along with four other scenarios using a new combined algorithm and a number of the proposed optimization algorithms has been evaluated on a distribution network with 70 buses. Also, different scenarios have been implemented on two distribution networks with 33 and 84 buses to reduce active power losses and compared with the outputs obtained from other methods in various articles. The obtained results show the success of the new hybrid algorithm in solving the proposed complex scenario along with providing a new topology for switches, locations, and optimal capacities for DG and DSTATCOM units with lower losses, more stable voltage, more reliability, and suitable operating cost. Also, the obtained results indicate the relative superiority of the proposed hybrid algorithm in finding the optimal solution and proper convergence time compared to other compared methods.
Keywords: Hybrid GA-HOA Algorithm, Reconfiguration, D-STATCOM, Distribution Network, Reliability, Voltage Stability, Distributed Generation Resources