Optimization Problems Constrained by other Optimization Problems

OPcOP

Pay Fines

PF

Surplus Reduction Percentage

SRP

Summation of Surplus Percentages

SSP

چکیده
ازجمله اصول اساسی در هر سیستم مدیریت انرژی، برقراری کارایی و برابری در تخصیص منابع است. در روش کلاسیک تخصیص منابع، با حداکثر‌کردن مجموع مازاد مشترکین به برقراری حداکثر کارایی ممکن پرداخته می‌شود. این روش از منظر برابری دارای ابهام می‌باشد. در این پایان‌نامه، هدف ارائه رویکردی است که بتوان از طریق آن به تخصیصی از منابع دست یافت که ضمن حصول حداکثر کارایی ممکن، به برقراری برابری نیز منجر شود. بر این اساس، تخصیص انرژی مصرفی برای خوشه‌ای از بارهای پاسخگو به قیمت (گروهی از بارهای مصرفی که در یک ناحیه جغرافیایی به کمک یک شبکه الکتریکی محلی به یکدیگر و به شبکه اصلی متصل شده‌اند) در یک سیستم مدیریت انرژی متمرکز تحت بررسی قرار می‌گیرد. در کنار هم قرار گرفتن اعضای یک خوشه و مدیریت انرژی متمرکز آن‌ها زمانی مطلوب خواهد بود که منفعت حاصله از کنار هم بودن برای اعضای خوشه، بیش از عملکرد مستقل آن‌ها از یکدیگر باشد. بنابراین مسأله مدیریت انرژی خوشه، ذاتاً یک بازی همکارانه است. بنابراین در این پایان نامه، مسأله مدیریت خوشه به‌صورت یک بازی همکارانه مدل می­ شود. نقاط تعادل بازی همکارانه از طریق یک مسأله بهینه‌سازی چندهدفه مقید به قیود بارها و قیود شبکه الکتریکی محلی به دست می ­آید. پاسخ حاصل از حل این مسأله بهینه‌سازی جبهه پارتویی خواهد بود که هر نقطه از این جبهه نمایش‌دهنده یک نقطه تعادل از بازی همکارانه است. در ادامه، با تعریف سه معیار حداقل فاصله (MD)، حداقل مجموع نسبت‌ها (MND) و حداقل مجموع تفاضل نسبت‌ها (MDND)، به انتخاب نقطه تعادل با هدف دستیابی به تخصیص برابر پرداخته می‌شود. برای این منظور، مسأله به‌صورت یک مسأله بهینه­سازی دوسطحی مدل می­ شود که در سطح اول مسأله بهینه­سازی انتخاب نقطه تعادل و در سطح دوم مسأله بهینه­سازی چندهدفه دستیابی به کل نقاط تعادل ممکن انجام می­ شود. بر این اساس، تخصیص انرژی مصرفی به بارها توسط سیستم مدیریت انرژی متمرکز به‌صورت کارا و برابر ممکن خواهد بود. مدل ارائه شده بر روی یک شبکه نمونه پیاده‌سازی شده و نتایج به­دست آمده گویای مزیت‌های مدل ارائه شده برای مدیریت انرژی متمرکز خوشه‌ای از بارهای پاسخگو به قیمت می‌باشد.

کلمات کلیدی: ۱- مدیریت انرژی ۲- برابری در تخصیص ۳- بازی همکارانه ۴- بهینه­سازی چندهدفه ۵- بهینه­سازی دوسطحی
فصل اول: مقدمه
پیشگفتار
افزایش جمعیت و صنعتی­شدن جوامع بشری، منجر به افزایش روز افزون تقاضای انرژی در جهان شده است. رشد تقاضای انرژی در بخش‌های مختلف صنعتی، کشاورزی و خانگی، اجتناب­ناپذیری تولید بیشتر را سبب شده است. تولید انرژی بیشتر منجر به افزایش هزینه‌ها (ازجمله سرمایه‌گذاری و تعمیر و نگهداری) شده است. ازآنجاکه در دهه‌ های گذشته، بخش عمده انرژی مورد نیاز از منابع سوخت فسیلی تأمین شده است، پاسخ به افزایش تقاضای انرژی، منجر به بروز مشکلات زیست­محیطی شده که نگرانی‌های عمده را در کشورهای مختلف ایجاد کرده است [۱]. مدیریت انرژی به‌عنوان راهبردی که از طریق مصرف صحیح انرژی می‌تواند به حل هر دو مشکل (تأمین انرژی و کاهش آلودگی‌های زیست­محیطی) کمک کند مطرح شده است [۲].
اگرچه مفهوم مدیریت انرژی از سالیان دور مورد توجه نهاد‌ها و جوامع بشری بوده است، لکن در دهه اخیر و در پی افزایش توجه به تغییرات اقلیمی ‌‌و فناوری پاک، اهمیت مدیریت انرژی افزایش یافته است. تاکنون برای واژه مدیریت انرژی تعریف‌های گوناگونی ارائه شده است. بر مبنای تعریف ارائه شده در [۳]، به استفاده عادلانه^[۱] و مؤثر^[۲] از انرژی به‌منظور «حداکثر­کردن سود (حداقل­کردن هزینه‌ها) و بهبود جایگاه‌ رقابتی^[۳]»، مدیریت انرژی گفته می‌شود. تعریف جامع دیگری نیز در [۴] ارائه شده است. بر این اساس، به راهبرد «تنظیم و بهینه­سازی انرژی با بهره گرفتن از سیستم‌ها و روندها به‌منظور کاهش انرژی مورد نیاز به ازای هر واحد تولید، به‌نحوی که کل هزینه‌ این سیستم‌ها (شامل هزینه­ های مستقیم تولید به‌علاوه هزینه ایجاد تغییر در سیستم­ها و روندها) ثابت مانده و یا کاهش یابد»، مدیریت انرژی اطلاق می‌شود.
مدیریت انرژی در دو بازه زمانی کوتاه‌مدت و بلندمدت قابل طرح است. در بازه زمانی کوتاه‌مدت، مدیریت انرژی به بهینه‌سازی مصرف انرژی تأسیسات موجود می‌پردازد، اما در بلندمدت موضوع جایگزینی تجهیزات و سرمایه‌گذاری‌های جدید نیز می‌تواند جزء تصمیمات قابل اخذ در نظر گرفته شود [۵]. تعیین زمان و کمیت مصرف انرژی برای هر یک از مصرف‌کننده‌ها به‌قسمی ‌است که هدف مدیریت انرژی (به‌طور مثال، افزایش سود) محقق شود [۶]. از لوازم مدیریت انرژی، اطلاع بارها از قیمت‌های تأمین انرژی الکتریکی و تجهیز آن‌ها به ابرازهای تصمیم ­گیری بهینه است. با توجه به حرکت قیمت‌گذاری انرژی الکتریکی به سمت قیمت‌های لحظه­ای، این اطلاع از قیمت‌ها باید به‌صورت لحظه‌ای امکان‌پذیر باشد. اطلاع بارها از قیمت‌های لحظه­ای با توسعه فناوری‌های زیرمجموعه شبکه هوشمند^[۴] ایجاد خواهد شد [۷].
ازجمله چالش‌های اساسی در حوزه مدیریت انرژی، رعایت برابری^[۵] و کارایی^[۶] در تخصیص^[۷] انرژی مصرفی به مصرف‌کنندگان است. در واقع همان‌طور که در تعریف مدیریت انرژی بیان شد، برابری و کارایی از اصول اساسی در هر راهبرد مدیریت انرژی­ است. به‌منظور روشن­تر شدن مفهوم این دو اصل لازم است تا در ابتدا به تعریف هر یک از آن‌ها به شرح زیر بپردازیم.
کارایی: استفاده حداکثری یک جامعه از منابع موجود را کارایی ‌می‌نامند. به‌عبارت‌دیگر، اگر تخصیص منابع^[۸] در بین اعضای یک جامعه سود یا مازاد^[۹] کل جامعه را حداکثر کند، تخصیص انجام ­گرفته را کارا گویند. به‌عنوان مثال اگر کل منافع اقتصادی جامعه را یک سیب در نظر بگیریم، هدف از کارایی حداکثر­کردن اندازه ممکن این سیب است [۸]!
برابری: توزیع عادلانه منافع حاصل از منابع جامعه در میان اعضای آن جامعه را برابری گویند [۸]. به‌عبارت‌دیگر تخصیصی عادلانه و برابر است که در آن هیچ عضوی از جامعه سود یا مازاد دیگری را بر سود یا مازاد خود ترجیح ندهد [۹]. بنابراین هدف از برابری تقسیم عادلانه سیب در بین اعضای جامعه است!
با توجه به اینکه اعضای یک جامعه در ازای منابع یکسان به سود یا مازاد غیریکسانی ‌می‌رسند (به­لحاظ ویژگی‌ها و مشخصات متفاوت اعضای جامعه)، تلاش برای حصول برابری، منجر به کاهش کارایی در آن جامعه خواهد شد. بنابراین رسیدن به یک تخصیص عادلانه و برابر، مستلزم پرداخت هزینه (کاهش سود یا مازاد کل جامعه) خواهد بود. با توجه به این مسأله، رسیدن توأم به هریک از دو اصل کارایی و برابری به‌صورت مطلق در یک تخصیص امکان­ پذیر نبوده و برقراری مصالحه^[۱۰] بین آن‌ها ضروری است. به‌عبارت‌دیگر، تقسیم سیب به قطعات عادلانه و برابر منجر به کوچک شدن اندازه سیب خواهد شد! [۸ و۱۰]
در این پایان نامه قصد داریم تا با توجه به چالش فوق، به نقد روش کلاسیک تخصیص منابع و بررسی توجه به اصل برابری در این روش بپردازیم و سپس به‌منظور اعمال اصل برابری، راه­حل‌هایی را با رعایت کارایی پیشنهاد خواهیم کرد^[۱۱].
در ادامه این فصل، در ابتدا، به معرفی انواع توابع اصلی رفاه اجتماعی و تحلیل آن از منظر کارایی و برابری پرداخته و سپس به معرفی رویکردهای موجود در حوزه مدیریت انرژی و پژوهش‌های انجام­گرفته خواهیم پرداخت. در ادامه، اهداف و نوآوری‌های پایان نامه ذکر شده و در انتها مروری بر فصل‌های پایان نامه خواهیم داشت.
توابع رفاه اجتماعی و مدیریت انرژی
از منظر علم اقتصاد، هرگاه تخصیص منابع بین اعضای یک جامعه مطرح می‌شود (که مدیریت انرژی را نیز شامل می‌شود)، بحث رفاه اجتماعی نیز مطرح است. لذا، پرداختن به مبحث مدیریت انرژی بدون توجه به مبحث رفاه اجتماعی و نگاه‌های متفاوت به آن که از فلسفه متفاوت اقتصاد‌دانان به برابری و کارایی نشأت می‌گیرد، ممکن نخواهد بود. تابع رفاه اجتماعی، ضابطه یا روشی است که به‌وسیله آن ‌می‌توان ترجیحات تمام اعضای جامعه را در قالب یک ترجیح اجتماعی جمع و یا به عبارت بهتر ترکیب کرد. یعنی اگر بدانیم که تمام اعضا چگونه تخصیص‌های متفاوت را رتبه ­بندی ‌می‌کنند، ‌می‌توانیم با بهره گرفتن از این تابع، این اطلاعات را برای رتبه ­بندی اجتماعی تخصیص‌های متفاوت استفاده کنیم [۱۱]. مکاتب اقتصادی مختلف از توابع متفاوتی به‌منظور تعریف تابع رفاه اجتماعی استفاده کرده ­اند. این مکاتب اقتصادی به مطلوبیت‌گرایان^[۱۲] کلاسیک، تساوی‌گرایان^[۱۳] و رالزین^[۱۴] قابل تقسیم‌بندی هستند که در ادامه به توضیح آن‌ها پرداخته شده است [۹].
مطلوبیت­گرایان کلاسیک
در این مکتب، تابع رفاه اجتماعی برابر با حاصل­جمع توابع مطلوبیت اعضای جامعه ‌می‌باشد که به‌صورت زیر نمایش داده می‌شود [۹].

‏۱–۱

در رابطه ‏۱–۱، تابع رفاه اجتماعی است و برابر با تابع مطلوبیت عضو ام جامعه از یک تخصیص مانند می‌باشد و تعداد افراد جامعه است. شکل کلی­تر این تابع، تابع رفاه جمع­وزنی مطلوبیت‌ها است که در آن وزن‌ها اعدادی هستند که نشان ‌می‌دهند تا چه اندازه مطلوبیت هر فردی در رفاه اجتماعی کلی مهم است. این تابع به صورت زیر نمایش داده می‌شود [۹].

‏۱–۲

در رابطه ‏۱–۲، برابر با ضریب وزنی عضو ام جامعه از یک تخصیص مانند می‌باشد. این تابع با عنوان تابع رفاه بنت‌هامیت^[۱۵] یا مطلوبیت­گرایان کلاسیک شناخته می‌شود. این رویکرد، تفاوتی بین انتقال رفاه از عضو ضعیف به قوی و برعکس قائل نیست و مادا‌می‌که مجموع مطلوبیت اعضای جامعه افزایش یابد، هر نوع توزیع درآمد/ثروتی قابل قبول ‌می‌باشد. در این دیدگاه، در صورتی که کاهش منابع تخصیص­­یافته به عضو ضعیف و تخصیص آن به عضو قوی باعث افزایش مطلوبیت عضو قوی شود، به شکلی که کاهش مطلوبیت عضو ضعیف را جبران کند، این انتقال مطلوبیت می‌تواند انجام شود؛ زیرا در این رویکرد مجموع مطلوبیت مورد اهمیت بوده و در اثر این انتقال، چنانچه افزایش مطلوبیت نزد عضو قوی به اندازه­ای باشد که کاهش آن را نزد عضو ضعیف خنثی کند، مجموع مطلوبیت جامعه افزایش می‌یابد. بنابراین این تابع رفاه اجتماعی صرفاً به دنبال افزایش کارایی در جامعه بوده و اهمیتی به برابری نمی‌دهد.
تساوی­گرایان
مطابق با این دیدگاه، مطلوبیت کل جامعه به‌صورت مساوی بین اعضای جامعه تقسیم می‌شود. در این رویکرد، بخشی از مطلوبیت حاصله توسط عضو قوی، به عضو ضعیف داده می‌شود، به‌نحوی که مطلوبیت کل اعضا با یکدیگر مساوی شود. در یک جامعه با اعضای غیریکسان (ویژگی‌ها و مشخصات مختلف)، استفاده از این تخصیص ‌می‌تواند کلیه اعضای جامعه را از افزایش در مطلوبیتشان بی‌میل کند و در اثر آن، کارایی جامعه کاهش خواهد یافت [۹].
رالزین
تابع رفاه اجتماعی در این مکتب، تابع رفاه اجتماعی مینی­ماکس^[۱۶] یا رالزین است که در زیر نشان داده شده است.