بهره برداری بهینه از سیستم تأمین آب-انرژی یک ریزشبکه جزیره‌ای با چند حامل انرژی با هدف ارتقاء تاب‌آوری در مقابل حملات سایبری

کریمی سعید آبادی, علیرضا; مظفری, سیدبابک; سلیمانی, سودابه; محمدنژاد شورکائی, حسین

بهره برداری بهینه از سیستم تأمین آب-انرژی یک ریزشبکه جزیره‌ای با چند حامل انرژی با هدف ارتقاء تاب‌آوری در مقابل حملات سایبری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشجوی دکتری گروه مهندسی برق، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

² دانشیار گروه مهندسی برق، دانشکده مکانیک، برق و کامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

³ استاد گروه مهندسی برق، دانشکده مکانیک، برق و کامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

⁴ استادیار گروه مهندسی برق، دانشکده مکانیک، برق و کامپیوتر،دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

چکیده

ریزشبکه‌های دارای چندین حامل انرژی با تکیه بر امکانات تبدیل انرژی، ساختاری انعطاف‌پذیر و بسیار کارامد را برای تأمین انرژی مصرفی و آب آشامیدنی فراهم می‌کنند. افزایش تقاضا برای مصرف انرژی به همراه کمبود آب آشامیدنی، از مسائل چالش‌برانگیز در زندگی امروزی به حساب می‌آیند. ازآنجاکه زیرساخت‌های تأمین آب آشامیدنی برای بهره‌برداری به انرژی الکتریکی قابل‌توجهی نیاز دارند، این امر منجر به ایجاد وابستگی بین سیستمهای تأمین آب و انرژی می‌شود. در این مقاله، یک رویکرد مدیریت بهینه آب-انرژی یکپارچه برای یک ریزشبکه جزیره‌ای شده به‌منظور تأمین تقاضاهای الکتریکی، گرمایش، سرمایش و آب آشامیدنی، با صرف کمترین هزینه ممکن، پیشنهاد شده است. ریزشبکه پیشنهادی به منابع تولید هم‌زمان برق و گرمایش، چیلر جذبی، بویلرهای الکتریکی و گازی، توربین بادی، واحد آب‌شیرین‌کن و انواع سیستم‌های ذخیرهساز انرژی مجهز است. تابع هدف به‌صورت یک مسئله برنامهریزی صحیح خطی آمیخته با اعداد صحیح بیان میشود. مدل‌سازی عدم قطعیت‌های مربوط به تقاضاهای انرژی و توان تولیدی توربین‌های بادی نیز بر اساس برنامه‌ریزی تصادفی مبتنی بر سناریو میباشد. همچنین به‌منظور در نظر گرفتن حملات سایبری به توربین‌های بادی در مدل برنامه‌ریزی پیشنهادی، از تئوری تصمیم‌گیری مبتنی بر شکاف اطلاعاتی استفاده می‌شود که بهرهبردار را قادر میسازد با متحمل شدن یک هزینه قابل‌قبول، برنامه‌ریزی تأمین انرژی و آب آشامیدنی را در برابر حملات سایبری به توربین‌های بادی، استوار سازد. در نظر گرفتن نقش حاملهای انرژی به‌غیراز برق و آب به همراه استفاده از مفهوم تابآوری در بهرهبرداری بهینه از سیستم تأمین آب-انرژی در یک ریزشبکه جزیرهای، از نوآوریهای مدل پیشنهاد شده هستند. در پایان نتایج عددی نشان می‌دهند که بهره‌بردار می‌تواند اثر حملات سایبری بر هزینه بهرهبرداری را بدون حضور سیستم‌های ذخیرهساز آب-انرژی به میزان 1/5 درصد و در حضور این منابع به میزان 10 درصد کاهش دهد که منجر به افزایش تاب‌آوری سیستم در برابر چنین حملاتی خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.20086849.1401.13.4.1.0

عنوان مقاله [English]

Optimal Operation of the Water-Energy Supply System in an Islanded Microgrid with Several Energy Carriers to Improve Resilience Against Cyber Attacks

نویسندگان [English]

Alireza Karimi Saiedabadi ¹
Babak Mozafari ²
Soodabeh Soleymani ³
Hosein Mohammadnezhad Shourkaei ⁴

¹ Department of Electrical and Computer Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

² Department of Electrical and Computer Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

³ Department of Electrical and Computer Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

⁴ Department of Electrical and Computer Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Multi-energy microgrids, rely on energy conversion facilities, supply a flexible and highly efficient framework to meet a variety of water and energy needs. The increase in the energy demand and the shortage of potable water are major concerns in today's world. As water infrastructure requires significant energy to operate, This resulting in increased interdependence between water and energy systems. This paper provides an integrated water-energy management solution for an islanded microgrid to meet the demands of electricity, heating, cooling, and potable water with minimum cost. The proposed microgrid is equipped with combined power and heat units, absorption chillers, electric and gas boilers, wind turbines, desalination units, and various energy storage devices. The cost function is expressed as a mixed integer programming problem. Scenario-based stochastic programming is used to model uncertainties related to energy demand and wind power generation. In addition, to account for cyber attacks on wind turbines, the suggested scheduling model utilizes information-based decision theory, which allows the operator to make his schedule robust against cyber attacks on wind turbines at an acceptable cost. Considering the energy carriers other than electricity and water along with the Utilization of the concept of resilience to optimally operate the water-energy supply system in an islanded microgrid is the innovation of the proposed model. Numerical results show that the operator can reduce the effect of cyber attacks on the operation cost without the presence of water-energy storage systems by 1.5% and in the presence of these resources by 10%, which will increase the system's resilience against such attacks.

کلیدواژه‌ها [English]

Islanded Microgrid
Water-Energy Management
Energy Storage Systems
Multicarreir Energy Systems
Desalination Unit

مراجع

[1] Li, Y. Zou, Y. Tan, Y. Cao, X. Liu, M. Shahidehpour, et al., "Optimal stochastic operation of integrated low-carbon electric power, natural gas, and heat delivery system," IEEE Transactions on Sustainable Energy, vol. 9, pp. 273-283, 2017.
[2] Guelpa, G.Mutani, V.Todeschi, and V.Verda, "Reduction of CO2 emissions in urban areas through optimal expansion of existing district heating networks," Journal of Cleaner Production, vol. 204, pp. 117-129, 2018.
[3] MansourSaatloo,M.A.Mirzaei,B.MohammadiIvatloo,anK. Zare, "A risk-averse hybrid approach for optimal participation of power-to-hydrogen technology-based multi-energy microgrid in multi-energy markets," Sustainable Cities and Society, vol. 63, p. 102421, 2020.
[4] Jalilian, M. A. Mirzaei, K. Zare, B. Mohammadi-Ivatloo,M. Marzband, and A. Anvari-Moghaddam, "Multi-energy microgrids: An optimal despatch model for water-energy nexus," Sustainable Cities and Society, vol. 77, p. 103573, 2022.
[5] Sui, F. Wei, X. Lin, and Z. Li, "Optimal energy management of a renewable microgrid integrating water supply systems," International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 125, p. 106445, 2021.
[6] Nojavan and K. Jermsittiparsert, "Risk-Based Performance of Combined Heat and Power Based Microgrid Using Information Gap Decision Theory," IEEE Access, vol. 8, pp. 93123-93132, 2020.
[7] H. Aghdam, N. T. Kalantari, and B. Mohammadi-Ivatloo, "A stochastic optimal scheduling of multi-microgrid systems considering emissions: A chance constrained model," Journal of Cleaner Production, vol. 275, p. 122965, 2020.
[8] Nazari-Heris, B. Mohammadi-ivatloo, and D. Nazarpour, "Network constrained economic dispatch of renewable energy and CHP based microgrids," International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 110, pp. 144-160, 2019.
[9] Nazari-Heris, S. Abapour, and B. Mohammadi-Ivatloo, "Optimal economic dispatch of FC-CHP based heat and power micro-grids," Applied Thermal Engineering, vol. 114, pp. 756-769, 2017.
Shahinzadeh, J. Moradi, G. B. Gharehpetian, M. Abedi, and S. H. Hosseinian, "Multi-Objective Scheduling of CHP-Based Microgrids with Cooperation of Thermal and Electrical Storage Units in Restructured Environment," in 2018 Smart Grid Conference (SGC), pp. 1-10, 2018.
Amir and M. Azimian, "Dynamic Multi-Carrier Microgrid Deployment Under Uncertainty," Applied Energy, vol. 260, p. 114293, 2020.
Pourghasem, F. Sohrabi, M. Abapour, and B. Mohammadi-Ivatloo, "Stochastic multi-objective dynamic dispatch of renewable and CHP-based islanded microgrids," Electric Power Systems Research, vol. 173, pp. 193-201, 2019.
Moazeni and J. Khazaei, "Optimal operation of water-energy microgrids; a mixed integer linear programming formulation," Journal of Cleaner Production, vol. 275, p. 122776, 2020.
Moazeni and J. Khazaei, "Dynamic economic dispatch of islanded water-energy microgrids with smart building thermal energy management system," Applied Energy, vol. 276, p. 115422, 2020.
A. Mohamed, A. Almalaq, E. M. Awwad, M. A. El-Meligy, M. Sharaf, and Z. M. Ali, "An Effective Energy Management Approach within a Smart Island Considering Water-Energy Hub," IEEE Transactions on Industry Applications, 2020.
Najafi, A. Peiravi, A. Anvari-Moghaddam, and J. M. Guerrero, "Resilience improvement planning of power-water distribution systems with multiple microgrids against hurricanes using clean strategies," Journal of cleaner production, vol. 223, pp. 109-126, 2019.
Roustaei, T. Niknam, S. Salari, H. Chabok, M. Sheikh, A. Kavousi-Fard, et al., "A scenario-based approach for the design of Smart Energy and Water Hub," Energy, vol. 195, p. 116931, 2020.
J. V. Pakdel, F. Sohrabi, and B. Mohammadi-Ivatloo, "Multi-objective optimization of energy and water management in networked hubs considering transactive energy," Journal of Cleaner Production, p. 121936, 2020.
M. F. Fard and M. Hajiaghaei-Keshteli, "A bi-objective partial interdiction problem considering different defensive systems with capacity expansion of facilities under imminent attacks," Applied Soft Computing, vol. 68, pp. 343-359, 2018.
Davarikia and M. Barati, "A tri-level programming model for attack-resilient control of power grids," Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, vol. 6, pp. 918-929, 2018.
Yan, Y. He, M. Shahidehpour, X. Ai, Z. Li, and J. Wen, "Coordinated regional-district operation of integrated energy systems for resilience enhancement in natural disasters," IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 10, pp. 4881-4892, 2018.
Panteli, D. N. Trakas, P. Mancarella, and N. D. Hatziargyriou, "Power systems resilience assessment: Hardening and smart operational enhancement strategies," Proceedings of the IEEE, vol. 105, pp. 1202-1213, 2017.
He, C. Dai, L. Wu, and T. Liu, "Robust network hardening strategy for enhancing resilience of integrated electricity and natural gas distribution systems against natural disasters," IEEE Transactions on Power Systems, vol. 33, pp. 5787-5798, 2018.
A. Mirzaei, M. Nazari-Heris, B. Mohammadi-Ivatloo, K. Zare, M. Marzband, and S. A. Pourmousavi, "Robust Flexible Unit Commitment in Network-Constrained Multicarrier Energy Systems," IEEE Systems Journal, 2020.
Hemmati, B. Mohammadi-Ivatloo, S. Ghasemzadeh, and E. Reihani, "Risk-based optimal scheduling of reconfigurable smart renewable energy based microgrids," International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 101, pp. 415-428, 2018.
Hemmati, B. Mohammadi-Ivatloo, M. Abapour, and Anvari-Moghaddam, "Optimal chance-constrained scheduling of reconfigurable microgrids considering islanding operation constraints," IEEE Systems Journal, vol. 14, pp. 5340-5349, 2020.
[27] Jadidbonab, B. Mohammadi-Ivatloo, M. Marzband, and P. Siano, "Short-term self-scheduling of virtual energy hub plant within thermal energy market," IEEE Transactions on industrial electronics, vol. 68, pp. 3124-3136, 2020.