قیود امنیتی سیستم تحت تاثیرخروج تجهیزات سیستم برای تعمیر و نگهداری می­باشند. مشخص کردن دقیق روز و ساعت شروع تعمیر و نگهداری هر تجهیزی نیاز به دقت بالایی دارد. بنابراین پخش بار سیستم قدرت با توجه به زمان­بندی تعمیر و نگهداری و پیش ­بینی بار شبکه باید انجام پذیرد. این نوع مطالعه­ زمان­بندی تعمیر و نگهداری به نام تعمیر و نگهداری کوتاه­مدت شناخته می­ شود [۴].

۱-۵- تجدید ساختار^[۲۸] سیستم قدرت و ایجاد بازار برق^[۲۹]
شرکت­های برق به مدت چندین دهه به صورت انحصاری^[۳۰] عمل می­کردند. این شرکت­های انحصاری، کنترل کامل فروش برق را در محدوده­ خود در اختیار داشتند و هیچ شرکت دیگری در این محدوده با آن­ها رقابت نداشت. کنترل تجارت برق در مراحل تولید، انتقال و توزیع صورت می­گرفت. شکل (۱-۱) نشان­دهنده ساختار انحصاری می­باشد. در چنین ساختاری، یک شرکت برق [۱۰]:

• • مالکیت بیشتر واحدهای تولیدی و تجهیزات انتقال موجود در محدوده­ جغرافیایی خود را بر عهده دارد و مسئول کنترل آن­ها می­باشد.

• • انحصار فروش انرژی الکتریکی در محدوده­ جغرافیایی خود را در اختیار دارد.

• • وظیفه­ی تامین انرژی الکتریکی مشترکین بر عهده­ آن می­باشد.

• • دارای مالکیت عمومی^[۳۱] می­باشد که هدف آن کسب سود نمی ­باشد و تعرفه­های آن توسط سازمان­های نظارتی وضع می­شوند.

شکل ۱-۱: سیستم قدرت انحصاری (الف) با ساختار عمودی^[۳۲]، (ب) با ساختار مطابق قانون تنظیم مقررات شرکت­های عمومی برق^[۳۳] (PURPA) در سال ۱۹۷۸ [۱۰]
سیستم­های انحصاری با ساختار عمودی دارای کارایی مناسبی نمی­باشند. برخی از مهم ترین عوامل عدم­کارایی این سیستم­ها عبارتند از:

• • کاهش انگیزه برای بهره ­برداری بهینه از سیستم.

• • سرمایه ­گذاری­های غیر­ضروری.

• • عدم انعکاس قیمت تمام­شده تولید در قیمت فروش آن.

• • وابستگی بسیار زیاد صنعت برق به دولت.

• • محدودیت مصرف­ کنندگان در انتخاب تامین­کنندگان انرژی خود.

با توجه به این عوامل، بحث تجدید ساختار در صنعت برق مطرح گردید. هدف اصلی از تجدید ساختار، فراهم آوردن شرایطی است که بازار از طریق افزایش رقابت، بهای فروش برق را تعیین کند و هزینه­ها را کاهش دهد. تجدید ساختار بازار آزادی را فراهم می­ کند که در آن تامین­کنندگان توان و خدمات انرژی الکتریکی به رقابت با هم می­پردازند. در چنین محیط مبتنی بر رقابتی، مشترکین نیز در انتخاب تامین­کنندگان انرژی خود آزاد می­باشند.
تجدید ساختار ایجاب می­ کند که سه بخش اصلی صنعت برق از هم مجزا گردند و همچنین مالکیت سیستم انتقال باید از کنترل آن جدا گردد. علاوه بر این، اندازه گیری و ارائه­ صورت­حساب مشترکین که در سیستم­های انحصاری با ساختار عمودی به وسیله­ خود شرکت برق انجام می­شد، در محیط تجدید ساختار شده توسط عناصر بازار و در محیطی رقابتی انجام می­گیرد. بازار رقابتی برای تولید و همچنین دسترسی مستقیم خرده­فروش­ها^[۳۴]، هر دو مستلزم جداسازی مالکیت سیستم انتقال از کنترل آن می­باشند. البته عملیات بهره ­برداری از سیستم انتقال برعهده­ی بهره­بردار مستقل سیستم^[۳۵] (ISO) می­باشد. بهره­بردار مستقل سیستم از همه اجزای بازار از جمله تولیدکنندگان، ارائه­دهندگان خدمات انتقال، توزیع­کنندگان و مصرف­ کنندگان مستقل می­باشد. یکی از اهداف مهم بهره­بردار مستقل سیستم، بهره ­برداری مناسب از سیستم با حفظ سطح قابل قبولی از قابلیت اطمینان می­باشد. تجدید ساختار یک فرایند پیچیده می­باشد که در کشورهای گوناگون به روش­های مختلفی اجرا می­گردد. در هر صورت، به طور معمول بخش تولید تنها بخشی است که به طور کامل تجدید ساختار می­ شود و بخش­های انتقال و توزیع همچنان به صورت کنترل شده بهره ­برداری خواهند شد [۱۰].
یک سیستم تجدید ساختار شده در شکل (۱-۲) نشان داده شده است. در این ساختار، شرکت­های تولیدی^[۳۶] (GENCOs) دارای مالکیت مجزا می­باشند و برای فروش انرژی الکتریکی به مشترکین به رقابت با یکدیگر می پردازند. البته این شرکت­ها دیگر توسط بخشی از بازار که کنترل­ کننده­ سیستم انتقال می­باشد، اداره نمی­شوند. شرکت­های انتقال^[۳۷] (TRANSCOs) توان الکتریکی را از طریق خطوط فشار قوی از مکانی به مکان دیگر منتقل می­ کنند. شرکت­های توزیع^[۳۸] (DISCOs) انرژی الکتریکی را به سطح خرده­فروشی انتقال می­ دهند و امکان دارد که خود نیز تامین­کننده­ انرژی الکتریکی برخی از مشترکین باشند [۱۰].

شکل ۱-۲: سیستم قدرت تجدید ساختار شده [۱۰]
به طور کلی، پس از تجدید ساختار در سیستم قدرت اجزای فنی و اقتصادی جدیدی در محیط­های بازار انرژی الکتریکی ایجاد شده ­اند که عبارتند از: شرکت­های تولیدی، شرکت­های انتقال، شرکت­های توزیع، خرده­فروش ها، تجمیع­کننده ها^[۳۹]، بازاریاب­ها^[۴۰] و واسطه­ها^[۴۱]. این عناصر در پیوست (الف) شرح داده شده ­اند.
۱-۶- برنامه­ ریزی تعمیر و نگهداری در سیستم­های قدرت تجدید ساختار شده
در طول دهه­های اخیر، تعمیر و نگهداری یکی از رشته­هایی است که تغییرات بسیاری را تجربه کرده است. این تغییرات که ناشی از افزایش گسترده در تعداد و تعدد دارایی­ های فیزیکی می­باشند، منجر به طراحی­های پیچیده در تعمیر و نگهداری و ارائه­ تکنیک­های جدید حل مسئله و رویکردهای جدید به سازماندهی آن شده است [۱].
یکی از مهم­ترین تغییرات صورت گرفته در سیستم­های قدرت، تغییر ساختار آن از شرایط سنتی و متمرکز به شرایط بازار برق و تجدید ساختار شده می­باشد. این تجدید ساختار در سیستم قدرت موجب تغییراتی در برنامه­ ریزی تعمیر و نگهداری می­ شود.
تجدید ساختار در صنعت برق منجر به رویکردهای مبتنی بر بازار برای جداسازی بسیاری از خدماتی شده است که به وسیله­ نهادهایی با منافع شخصی اداره می­شوند. ایجاد رقابت، بهره ­برداری سیستم به­هم­پیوسته­ی قدرت را در افق کوتاه­مدت متأثر می کند. به علاوه، تاثیرات بلند­مدت­تری نیز بر مسائل برنامه­ ریزی سیستم قدرت ایجاد می کند. بنابراین مفاهیم جدیدی در مسائل برنامه­ ریزی سیستم قدرت باید در نظر گرفته شود.
امروزه هزینه­ های تعمیر و نگهداری سیستم قدرت، با افزایش انتظارات برای قابلیت اطمینان بالا، در حال افزایش می­باشد. شرکت­های برق سالیانه هزینه­ های بسیاری را برای حفظ قابلیت عملیاتی سیستم در حالت امن و کارا متحمل می­شوند. عملیات تعمیر و نگهداری در حال حاضر وابسته به زمان بوده و در برخی از شرکت­ها نیز براساس شمارنده­های دیگری نظیر تعداد انجام عملیات بهره ­برداری و یا بازرسی­های ویدیویی انجام می­ شود. روش­های موجود بسیار محافظه ­کارانه بوده و ممکن است منجر به این شوند که تعمیر و نگهداری در بازه­های غیرضروری انجام شود و یا تعمیر و نگهداری برای تجهیزاتی که به آن نیاز دارند، انجام نشود. روش­های جدیدی برای محیط تجدید ساختار شده مورد نیاز می­باشد، تا به مدیران این امکان را بدهد که در عین حالی که گام­های مناسبی برای حفظ قابلیت اطمینان سیستم برداشته می­ شود، هزینه­ها نیز کنترل شده و در صورت امکان کاهش یابند. در خلال این مسائل، با جداسازی صورت گرفته پس از تجدید ساختار در صنعت برق، این مسئله ایجاد شده است که تصمیم ­گیری درمورد یک مسئله­ خاص همچون زمان شروع تعمیر و نگهداری از سوی چند نهاد مجزا که اهداف یکسانی را دنبال نمی­کنند، انجام می­ شود. بنابراین در مطالعه­ مسائل صنعت برق تجدید ساختار شده، همواره این نکته که از دید کدام یک از نهاد ها مورد بررسی قرار می­گیرد، باید در نظر گرفته شود [۱].
همزمان با حرکت به سمت عملیات مبتنی بر بازار، ابزارهای تصمیم ­گیری به منظور ارزیابی تاثیر رقابت باید ایجاد گردند. رقابت بازاری، چالش­های جدیدی را برای شرکت­های برق ایجاد نموده است که یکی از آن­ها انتخاب راهکارهای برنامه­ ریزی عملیاتی مناسب برای تهیه­ برنامه زمان­بندی تعمیر و نگهداری تجهیزات است. این انتخاب باید هماهنگی بین برنامه­ ریزی زمان­بندی بلند­مدت و کوتاه­مدت را در نظر بگیرد. در عین حال، باید مصالحه­ی هزینه-فایده را نیز درمورد خروج­های تعمیر و نگهداری بر شرکت­های تجدید ساختار شده لحاظ نماید. نکته­ی مهم در محیط تجدید ساختار شده این است که بهره­بردار سیستم به دنبال افزایش قابلیت اطمینان سیستم می­باشد و تولیدکنندگان به دنبال حداقل کردن هزینه­ها و حداکثر کردن سود خود می­باشند. بنابراین باید در برنامه­ ریزی اهداف هر دو طرف در نظر گرفته شود [۱۰].
علاوه بر موارد فوق، خروج برخی از واحدهای تولیدی ممکن است که قیمت بازار را برای بازه­های زمانی طولانی دست­خوش افزایش کند. بنابراین بهره­بردار مستقل سیستم باید بررسی کند که خروج واحدهای تولیدی موجب اعمال قدرت در بازار نگردد. البته ممکن است که این اعمال قدرت الزاماً به­ طور عمدی صورت نگیرد.
به طور خلاصه می­توان گفت که در محیط تجدید ساختار شده، نگاه­های جدیدی به مسائل موجود صنعت برق مورد نیاز است. باید دقت کرد که ماهیت هزینه­ها و روش­های ریاضی به کار گرفته­شده در محیط جدید تفاوت چندانی با مدل­های پیشین ندارد. مسئله­ای که باید مدنظر قرار گیرد، مدل­سازی­های جدید با رویکردهای بازار محور و برنامه­ ریزی غیرمتمرکز با هدف رعایت بی­طرفی و عدالت بین بازیگران بازار است. لذا رویکردهای جدیدی به مسئله شده است که در محیط سنتی مورد توجه نبوده است.
فصل دوم
مروری بر پژوهش­های پیشین در زمینه­ تعمیر و نگهداری در شرایط بازار برق
۲-۱- مقدمه
زمان­بندی تعمیر و نگهداری پیشگیرانه، هم در سیستم­های یکپارچه­ی عمودی و هم در سیستم­های تجدید ساختار شده، یک چالش می­باشد. سیستم­های قدرت پیش­تر به صورت انحصاری بهره ­برداری و اداره می­شدند. در چنین شرایطی، یک شرکت برق مدیریت و بهره ­برداری از سیستم تولید، انتقال و توزیع را بر عهده دارد و به تنهایی مسئول کنترل تمام جنبه­ های برنامه­ ریزی، طراحی و بهره ­برداری سیستم می­باشد [۱۱]. زمان­بندی تعمیر و نگهداری واحدهای تولیدی یکی از مهم­ترین فعالیت­های برنامه­ ریزی بهره ­برداری می­باشد، که خطر خروج ظرفیت را کاهش می­دهد. در سیستم­های قدرت با ساختار عمودی، بهره­بردار سیستم باید این مسئله را از طریق یک بهینه­سازی انفرادی مدیریت کند، زیرا تمام واحدهای تولیدی تحت اختیار آن می­باشند [۱۲]. همان­طور که در فصل قبل ذکر شد، خروج برای تعمیر و نگهداری، قابلیت اطمینان سیستم را کاهش می­دهد و بر هزینه­ بهره ­برداری می­افزاید. بنابراین در یک سیستم سنتی هدف بهره­بردار در تعیین زمان­بندی تعمیر و نگهداری، فراهم کردن برنامه­ای برای دستیابی به ترکیبی مناسب از بیشترین قابلیت اطمینان و کمترین هزینه می باشد[۱۳]. پس می­توان گفت که در سیستم­های قدرت سنتی با ساختار عمودی، زمان­بندی تعمیر و نگهداری واحدها توسط بهره­بردار به صورت مرکزی و بر اساس اقتصاد و امنیت سیستم انجام می­ شود و این برنامه به تولیدکنندگان تحمیل می­ شود [۱۴ و ۱۵].
در هر صورت، این چارچوب تمرکز­گرا درمورد سیستم­های تجدید ساختار شده اخیر صادق نمی ­باشد. زیرا با مقررات­زدایی^[۴۲] که در دهه­ اخیر در صنعت برق صورت گرفت، تاسیسات تولیدی خصوصی­سازی شدند و مالکیت آن­ها به شرکت­های تولیدی که نهادهایی با منافع شخصی^[۴۳] هستند، واگذار شد. در سیستم­های جدید، تضمین قابلیت اطمینان سیستم همچنان بر عهده­ بهره­بردار می­باشد، که در چارچوب جدید بهره­بردار مستقل سیستم نامیده می­ شود، اما سود یا هزینه­ تولیدکنندگان و یا مصرف کنندگان دیگر به او مربوط نمی ­باشد. بنابراین، زمان­بندی تعمیر و نگهداری واحدها دیگر فقط مسئله­ بهره­بردار مستقل سیستم نمی ­باشد، بلکه یک موضوع مهم برای تولیدکنندگان توان نیز می­باشد، که قصد افزایش سود و کاهش خطر و بنابراین کاهش هزینه­ های مربوط به خرابی واحدها را دارند [۱۳ و ۱۵].
بنابراین، با گسترش بحث تجدید ساختار در سیستم­های قدرت، موضوع تعمیر و نگهداری در محیط­های تجدید ساختار شده نیز به یکی از موضوع­های چالش برانگیز تبدیل شد. مرجع [۱۶] جزو نخستین مراجعی بود که به موضوع تعمیر و نگهداری در سیستم­های قدرت تجدید ساختار شده پرداخت. مرجع [۱۰] نیز از نخستین مراجعی است که به طور مفصل به تعمیر و نگهداری در محیط­های تجدید ساختار شده پرداخته و جوانب مختلف آن از جمله هماهنگ­سازی آن با برنامه ­های کوتاه­مدت و بلندمدت دیگر را نیز بررسی نموده است.
در این فصل، به دسته­بندی و بررسی پژوهش­های صورت­پذیرفته در موضوع تعمیر و نگهداری در محیط­های تجدید ساختار شده و شرایط بازار برق پرداخته می­ شود. در بخش­هایی که در ادامه می­آیند، ابتدا به بررسی پژوهش­های موجود در زمینه­ برنامه­ ریزی تعمیر و نگهداری از دیدگاه واحدهای تولیدی پرداخته می­ شود. در بخش بعد از آن، پژوهش­هایی که در زمینه­ هماهنگ­سازی برنامه­ ریزی تعمیر و نگهداری از دیدگاه بهره­بردار مستقل سیستم می­باشند، مورد بررسی قرار می­گیرند. در بخش آخر نیز، به بررسی پژوهش­هایی در زمینه­ برنامه­ ریزی تعمیر و نگهداری واحدهای تولیدی و خطوط انتقال پرداخته می­ شود.
۲-۲- برنامه­ ریزی تعمیر و نگهداری از دیدگاه واحدهای تولیدی
در بازارهای برق، یک شرکت تولیدی، یک نهاد با منافع شخصی می­باشد که مسئول زمان­بندی خروج برای تعمیر و نگهداری واحدهای خودش می­باشد. یک شرکت تولیدی در هنگام برنامه­ ریزی خروج برای تعمیر و نگهداری قصد کمینه کردن خطرات مالی^[۴۴] بالقوه را دارد. این برای یک شرکت تولیدی بسیار مهم است که زمان­بندی خروج برای تعمیراتی را تعبیه کند که درآمد بالقوه­اش را تضمین نماید.
در مرجع [۱۷]، راهکاری برای زمان­بندی تعمیر و نگهداری مبتنی بر قیمت^[۴۵] برای واحدهای تولیدی در سیستم­های تجدید­ساختار­شده ارائه شده است. این نوشته از دیدگاه شرکت­های تولیدی به تعیین زمان­بندی برای تعمیر و نگهداری می ­پردازد که دغدغه­ی اصلی آن­ها بیشینه کردن سود انتظاری و کمینه کردن خطرات وابسته به آن می باشد. بنابراین، قابلیت اطمینان هدف بهره­بردار مستقل سیستم باقی خواهد ماند. روش پیشنهادی در این نوشته، دارای ویژگی­های زیر می­باشد:

1. 1. زمان­بندی خروج برای تعمیر و نگهداری در افق زمانی میان­مدت با برنامه­ ریزی مشارکت واحدهای تولیدی مبتنی بر قیمت^[۴۶] (PBUC) هماهنگ می­ شود. قیود متصل­کننده ­ای^[۴۷] معرفی شده ­اند تا بین تصمیمات خروج برای تعمیر و نگهداری مبتنی بر خطر^[۴۸] و راهکار مشارکت واحدهای تولیدی مبتنی بر برنامه­ ریزی خطی^[۴۹] ارتباط برقرار کنند. تخصیص میان­مدت و بهره ­برداری کوتاه­مدت منابع، شامل مصرف سوخت و آلودگی مجاز نیز با زمان­بندی تعمیر و نگهداری مبتنی بر خطر هماهنگ شده ­اند.

1. 1. بر­اساس یک مدل تصادفی^[۵۰] مبتنی بر روش مونت کارلو^[۵۱] ، عدم­قطعیت در قیمت انرژی، خدمات جانبی و سوخت در نظر گرفته شدند. همچنین، راهکار ساده­سازی سناریو^[۵۲] برای مصالحه بین دقت حل و زمان محاسبه اتخاذ گردید. روش ترمیم لاگرانژ^[۵۳] اتخاذ گردید، برای ترمیم مجموعه قیود و تجزیه­ی مسئله­ تصادفی اصلی به مجموعه­هایی از زیرمسئله­ها که هر کدام مطابق با یک سناریو می­باشند. قیود بهره­بردای از منابع نیز در هر سناریو ترمیم می­گردند. همچنین روش زیرگرادیان جانشین اصلاح شده^[۵۴]، برای سرعت بخشیدن به همگرایی اعمال گردیده است.

1. 1. خطر مرتبط با تصمیم ­گیری تعمیر و نگهداری شرکت تولیدی و عدم­قطعیت­های قیمت بازار نیز در نظر گرفته شدند و راهکار خطر انتظاری اتخاذ گردید تا خطر در سطح قابل قبولی حفظ شود.

مرجع [۱۸]، روشی مبتنی بر نظریه­ بازی^[۵۵] برای برنامه­ ریزی تعمیر و نگهداری واحدهای تولیدی در شرایط بازار معرفی کرده است. در این مرجع یک چارچوب مبتنی بر نظریه­ بازی برای بررسی رفتارهای استراتژیک شرکت­های تولیدی معرفی شده است. در این نوشته، مسئله­ برنامه­ ریزی تعمیر و نگهداری به صورت یک بازی بدون همکاری پویا^[۵۶] با فرض وجود اطلاعات کامل، فرمول­بندی شده است. بازیگران این بازی، شرکت­های تولیدی می­باشند می­خواهند سود خود را بیشینه کنند، و بازدهی هر بازیگر به صورت سود کسب شده از بازار مزایده­ی انرژی تعریف می­ شود.