بخشی از مقاله
ارائه الگوریتم جدید برای تعیین زمان مناسب حذف بار کاهش ولتاژی
چکیده
همانطور که می دانیم حذف بار به عنوان آخرین روش جهت جلوگیری از فروپاشی سیستم قدرت به کار گرفته می شود. حذف بار در سیستم قدرت توسط رله های فرکانسی و ولتاژی و با بهره گیری از کلید های قدرت صورت می گیرد. یکی از مهمترین نکاتی که در حذف بار کاهش ولتاژی باید مشخص شود تعیین زمان مناسب برای شروع حذف بار می باشد. در این مقاله الگوریتمی ارائه شده است که با تعیین زمان مناسب برای شروع حذف بار، از وقوع ناپایداری ولتاژ کوتاه مدت جلوگیری می شود.
واژه های کلیدی: ناپایداری ولتاژ، حذف بار کاهش ولتاژی، زمان مناسب برای حذف بار
-1 مقدمه
پایداری ولتاژ توانایی سیستم قدرت در حفـظ ولتـاژ قابـل قبـول در تمامی باسهای سیستم در شرایط نرمال و بعـد از مواجهـه بـا اغتشـاش می باشد.[1] سیستم هنگامی ناپایدار ولتاژ مـی باشـد کـه وقـوع یـک اغتشاش باعث کاهش فزاینده و غیر قابل کنترل سطح ولتاژ شود.
ناپایداری ولتاژ، از نظر سرعت گسترش در شبکه، به دو نوع کوتاه مدت و بلند مدت تقسیم می شود.
ناپایداری ولتاژ کوتاه مدت در گستره چند ثانیـه (یـک تـا سـه ثانیـه) می باشد. خاصیت ناپایداری ولتاژ کوتاه مدت این است که نقطه تعـادل پایدار بطور چشمگیری بعد از خطـای اولیـه از بـین مـی رود. اقـدامات اصلاحی برای حفاظت سیستم قدرت در چنـین مـواقعی بایـد سـریع و قوی باشد مثلا حذف مقدار زیاد بار.
ناپایداری ولتاژ بلند مدت از چند ده ثانیه تا چند دقیقه متغیر است و عامل اصلی آن دینامیک های آهسته می باشد. هنگـامی یـک سیسـتم قدرت دچار ناپایداری ولتاژ بلند مـدت مـی شـود کـه سیسـتم پـس از خطای اولیه پایداری خود را از دست نـداده باشـد، یعنـی نقطـه تعـادل بلافاصله بعد از بین رفتن خطا وجود دارد. با این وجود اتصال مجدد بار و عملکرد تپ ترانس باعث کاهش ولتاژ سیسـتم مـی شـود و در ادامـه فروپاشی ولتاژ رخ می دهد. همچنین، بـدون اخـتلال اولیـه، ناپایـداری ولتاژ بلند مدت ممکن است به علت افزایش سریع و خیلی زیاد بـار نیـز بوجود آید.[2]
با توجه به گستره متفاوت زمانی بـین ناپایـداری ولتـاژ کوتـاه مـدت و ناپایداری ولتاژ بلند مدت، روشهای جلوگیری از ناپایداری نیز بـرای هـر حالت بایستی متفاوت باشد. در ناپایداری ولتاژ کوتاه مدت بـا توجـه بـه زمان بسیار کم وقوع ناپایداری بهترین راه حذف بـار مـی باشـد. امـا در ناپایداری ولتاژ بلند مدت می توان از سایر ابزار ها مانند سوئیچ بانکهای خازنی، ناحیه بندی کنترل شده شـبکه بـا هـدف تعـادل تـوان راکتیـو تولیدی و مصرفی، وارد مدار کردن واحد های با زمـان راه انـدازی کـم، کنترل تپ ترانسفورماتورها، اعم از مسدود کردن تـپ یـا کـاهش نقطـه تنظیم، باز تقسیم سـریع تـوان بـین ژنراتورهـا و در نهایـت در صـورت بی نتیجه ماندن اقدامات فوق، از حـذف بـار جهـت جلـوگیری از وقـوع ناپایداری ولتاژ بهره گرفت.
مقالات مختلفی به بررسی حذف بار کاهش ولتاژی در شـبکه قـدرت پرداخته اند. در سال 1999 آقای Lopes و همکارانش شـیوه جدیـدی برای حذف بار کاهش ولتاژی پیشنهاد کردنـد .[3] در روش پیشـنهادی آنها، ابتدا باس هایی که حذف بار باید صورت گیـرد تعیـین مـی شـود، سپس با توجه به سطح ولتاژ هر یک از این باس ها، حـذف بـار صـورت می گیرد. بدین منظور سطح ولتاژ هر یک از این باسها بـه عنـوان یـک متغیر حالت به ماتریس ژاکوبین اضافه می شود تا سطح ولتـاژ مطلـوب آنها با اجرای پخش بار به دست آید.
در سال 1999 آقای Vu و همکارانشان روش پیش بـین ناپایـداری ولتاژ ( VIP1) را برای تعیین ناپایداری ولتاژ ارائه نمودند.[4] این روش از اندازه گیری های محلی ولتاژ و جریان استفاده می کند و یک تخمین از ظرفیت سیستم انتقال به دست مـی آورد و آن را بـا تقاضـای محلـی مقایسه می کند. هر چه تقاضای محلی بـه ظرفیـت تخمـین زده شـده توسط سیستم انتقال نزدیکتر باشد، احتمال وقوع ناپایداری ولتاژ بیشتر است. مزیت این روش تخمین معادل تونن است که از دو انـدازه گیـری در زمانهای متفاوت به دست می آید و باعث دقیق تر شدن تخمین مـی شود. این روش فقط ولتاژ و جریان باسی را که رله بـه آن متصـل اسـت اندازه گیری می کند.
در سال 2000 آقایان Feng و Xu یک روش جدیـد بـرای بـرآورد ناپایداری ولتاژ ارائه نمودند.[5] در این روش ابتدا نقاط فروپاشی ولتاژ با استفاده از منحنی PV محاسبه می شـود و بـدترین شـرایط فروپاشـی ولتاژ با وجود یک اختلال بدست آورده شده، و بـه عنـوان معیـار بـرای حذف بار در نظر گرفته می شود.
در سال 2007 آقای Wiszniewski یک معیار جدید ناپایداری ولتاژ به منظور حذف بار که به طور مستقیم بر اساس تعریف ناپایداری ولتـاژ است را ارائه نمود.[6] این معیار مشتق توان ظاهری نسبت به ادمیتانس ( dSdY ) می باشد. هر گاه dSdY از یک مقدار مشخص کمتر شود، حـذف
بار صورت می گیرد.
در سال 2009 آقایان اصغری و ساده روشی برای حذف بار بهینـه در سیستم قدرت ارائه کردند.[7] در این روش دو فاکتور بـرای حـذف بـار بهینه مطرح شده است (1: باری که از سیستم حذف می شـود بایسـتی تاثیر زیادی بر بهبود پایداری ولتاژ داشته باشد، (2 باری که از سیسـتم حذف می شود بایستی هزینه پایینی داشته باشد.
در سال 2010 آقای Mollah و همکارش الگوریتمی ارائه نمودند که در آن زمان شروع حذف بار تنها وابسته به اندازه ولتاژ بـود.[8] آنهـا در الگوریتم خود مقدار آستانه ولتاژ برای شروع حذف بار را 0/97 پریونیت تعیین کرده اند. این معیار نمی تواند معیار مناسبی برای حذف بار باشد، زیرا پس از وقوع رخداد، اندازه ولتاژ ممکن است از مقدار آسـتانه کمتـر شده اما به دلیل عملکرد AVR مجددا به سطح مطلوب باز گردد.
-2 روش پیشنهادی
تعیین زمان مناسب برای حذف بار یکی از مهمتـرین فـاکتور هـا در فرآیند حذف بار می باشد. بعد از وقوع یـک حادثـه، بـا گذشـت زمـان، میزان باری که بایستی حذف شود تا سیستم مجـددا بـه حالـت نرمـال برگردد افزایش می یابد. همچنین بایستی به این نکته توجه داشـت کـه حذف بار به دلیل هزینـه بـر بـودن، بـه عنـوان آخـرین راه حـل بـرای جلوگیری از وقوع ناپایداری ولتاژ در سیستم مطرح می شود. بنابراین در صورتی بایستی حذف بار آغاز گـردد کـه سـایر راه حـل هـای موجـود، توانایی بازگرداندن سیستم به حالت عملکرد نرمال را نداشته باشـند. در الگوریتم پیشنهادی در این مقاله برای شروع حذف بار کـاهش ولتـاژی، بر اساس دامنه ولتاژ، تغییرات ولتاژ و نرخ تغییرات ولتـاژ، بعـد از وقـوع رخداد می باشد. بعد از وقـوع یـک رخـداد اگـر تغییـرات ولتـاژ و نـرخ تغییرات ولتاژ منفی باشد و همچنین دامنـه ولتـاژ از مقـدار مشخصـی کمتر شود، فرآیند حذف بار کاهش ولتاژی آغاز می گردد. لذا الگـوریتم زیر را می توان برای حذف بار کاهش ولتاژی ارائه نمـود. مقـدار آسـتانه ولتاژ در این الگوریتم 0/9 پریونیت در نظر گرفته شده است.
همانطور که در الگوریتم مشخص شـده اسـت، تنهـا زمـانی حـذف بـار صورت می گیرد که علاوه بر اینکه دامنه ولتاژ از مقـدار آسـتانه تعیـین شده کمتر باشد، تغییـرات ولتـاژ و همچنـین نـرخ تغییـرات ولتـاژ نیـز مقداری منفی داشته باشند. این سه شرط مـانع حـذف بـار زود هنگـام می شود. پس از مشخص شدن زمان مناسب برای حـذف بـار، بایسـتی میزان باری که بایستی از سیستم حذف شود، محاسبه شود. میـزان بـار مورد نیاز برای حذف را می توان بـا کمـک معادلـه نوسـان بـه سـادگی محاسبه نمود. گام بعدی، محاسبه میزان باری است کـه بایسـتی از هـر باس حذف شود. برای تعیین باری که از هر باس بایستی صورت گیرد از روش پیشـــنهادی در مرجـــع [8] اســـتفاده شـــده اســـت. در ادامـــه شبیه سازی هایی صورت گرفته است که کارایی الگوریتم اشاره شـده را جهت جلوگیری از ناپایداری ولتاژ کوتاه مدت سیستم نشان می دهـد. این شبیه سازی ها بر روی سیسـتم 14 باسـه IEEE صـورت گرفتـه است. این سیستم دارای 2 ژنراتـور،3 کندانسـور سـنکرون و 11 بـار بـا مجموع 259 مگاوات و81/3 مگاوار می باشد. سایر اطلاعات دینـامیکی این سیستم از مرجع [9] استخراج شده است. این سیستم در شکل زیر نشان داده شده است:
1-2 رخداد اول: خروج ژنراتور
اولین رخداد در نظر گرفته شده، خـروج ژنراتـور بـاس 2 مـی باشـد. مدت زمان شبیه سازی0/6 ثانیه بوده و زمان خـروج ژنراتـور در لحظـه 0/1 ثانیه می باشد. به این دلیل که عموما ناپایـداری ولتـاژ در سیسـتم های تحت بارگذاری شدید رخ می دهد، شبیه سازی های متعـددی بـا ضرایب بارگذاری بیشتر از یک (بار پایه) انجام شد تـا مشـخص گردیـد این سیستم در ضریب بار 1/ 7 ناپایدار ولتاژ می شود. شکل مـوج ولتاژ باسها به ازائ این ضریب بار گذاری در شکل زیر نشان داده شـده است:
همانطور که مشاهده می شود سیستم در t 0/ 25 ثانیه ناپایدار ولتـاژ می شود. در این مقاله برای تشخیص ناپایداری ولتاژ در شبکه از آنـالیز مدال استفاده شده است. طبق تحلیل مدال، سیسـتم هنگـامی ناپایـدار ولتاژ است که یکی از مقادیر ویژه ماتریس ژاکوبین پخش بار کوچکتر از صفر باشد .[10] در این حالت کوچکترین مقدار ویژه مـاتریس ژاکـوبین پخش بار 0/ 20911 می باشد که علامت منفی آن نشـان دهنـده ناپایداری ولتاژ می باشد.
برای جلوگیری از وقوع ناپایداری و تعیین زمان مناسب برای حذف بار، بایستی در تمام باس های بار به طور لحظه ای، علاوه بـر انـدازه گیـری دامنه ولتاژ، تغییرات ولتاژ و نرخ تغییـرات ولتـاژ محاسـبه شـود. زمـان مناسب برای شروع حذف بار، زمانی است که در یکی از بـاس هـا، سـه شرط بیان شدن در الگوریتم برقرار شود. به ازائ این رخـداد، بـاس 14 اولین باسـی اسـت کـه شـرایط گفتـه شـده در الگـوریتم در آن برقـرار می شود. در شکل زیر تغییرات ولتاژ در باس 14 نسبت به زمـان نشـان داده شده است:
