بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
الگوریتم حفاظت اضافه جریان تطبیقی برای سیستمهای توزیع در حضور منابع تولید پراکنده
چکیده
افزایش قابل توجه نفوذ تولید پراکنده 1(DG) به امکان عملکرد سیستم توزیع با DG در حالت جزیرهای منجر شده است. حفاظت اضافه جریان یک سیستم توزیع جزیرهای شده بدلیل اختلاف در جریان خطا وقتی که سیستم توزیع به شبکه وصل است و وقتی که جزیرهای میباشد، هنوز یک مساله است. این مقاله، استفاده از حفاظت تطبیقی، با استفاده از اطلاعات محلی، جهت بر طرف نمودن چالشهای حفاظتی اضافه جریان در سیستمهای توزیع همراه با DG را بررسی میکند. مشخصههای تریپ رلهها بوسیله حالتهای عملیاتی آشکارسازی (متصل به شبکه اصلی یا جزیرهای شده) و بخشی که در آن خطا واقع شده به روز میشوند. این مقاله همچنین تشخیص بخش خطادار را با استفاده از مشخصههای اضافه جریان زمانی رلههای حفاظتی پیشنهاد میدهد. نتایج شبیهسازی نشان میدهند که حالت کاری سیستم توزیع و بخش خطادار میتواند بدرستی تشخیص داده شود و تنظیمات سیستم حفاظت اضافه جریان میتواند جهت پاکسازی سریع تر خطاها به روز شود.
واژههای کلیدی: حفاظت تطبیقی، تولید پراکنده، جزیرهای شدن، حفاظت اضافه جریان.
1
-1مقدمه
علاقه زیاد به تولیدات پراکنده((DGs باعث افزایش قابل توجه آنها در بسیاری از سیستمهای توزیع در سرتاسر جهان شده است. یکی از مزیتهای اصلی نفوذ عمده DGها، امکان عملکرد سیستم توزیع در حالت جزیرهای است. جزیرهای شدن حالتی است که، سیستم توزیع بهصورت الکتریکی از بقیه سیستم قدرت جدا میگردد ولی هنوز بهوسیله DGهای متصل به آن برقدار باقی میماند. جزیرهای شدن میتواند به دلیل خطا در بالادست یا هر نوع اختلال دیگر بهوجود بیاید. حالت جزیرهای باعث بهبود کیفیت شاخصهای عرضه و افزایش قابلیت اطمینان میگردد. با این حال، مسائل زیادی وجود دارد که قبل از جزیرهای شدن باید بررسی شوند. یکی از این مسائل اصلی، هماهنگی سیستم حفاظتی است
.(Castro-Sayas and Clarke, 2002)
جریان خطا به قدرت اتصال کوتاه منابع بستگی دارد. به طور کلی شبکه انتقال، قدرت اتصال کوتاه بالاتری در مقایسه با یک DG کوچک متصل به سیستم توزیع دارد. بنابراین، زمانیکه سیستم توزیع جزیرهای است، جریان خطای دیده شده توسط رلههای حفاظتی کمتر از جریان خطای حالتی است که، سیستم توزیع به شبکه انتقال متصل است (Pilo et al, .2004)
یک سیستم حفاظتی که برای حالت اتصال به شبکه قدرت طراحی شده است، ممکن است برای پاکسازی خطاها در حالت جزیرهای زمان بیشتری را بگیرد. تجهیزات الکتریکی (مانند موتورهای متصل به سطوح ولتاژ پایین) مجهز به سیستم حفاظتی هستند. ممکن است وقتی ولتاژ کمتر از مقدار تنظیمی شود، این سیستم حفاظتی تجهیزات الکتریکی را از مدار خارج کند. این امر ممکن است به توربینهای بادی که در سیستمهای توزیع بسیار مرسوم شدهاند، نیز اعمال شود. بنابراین با عدم پاکسازی سریع خطا، نهتنها بارها بلکه برخی از ژنراتورها ممکن است از دست بروند که این موضوع بسیار نامطلوب میباشد. از سوی دیگر، یک سیستم حفاظتی میتواند به نحوی طراحی شود که برای پاکسازی خطاها در حالت جزیرهای مفید باشد. اما این سیستم حفاظتی وقتی که سیستم توزیع به شبکه انتقال وصل میشود، دچار مشکل میشود. خطاها ممکن است باعث تریپ غیرضروری قطعکنندهها (CBs) شوند. علاوه بر این، اگر برخی از ژنراتورها بعد از خطا قطع شوند، رلهها ممکن است همان مقدار جریان خطا را در مقایسه با حالتی که تمام ژنراتورها در مدار هستند،را نبینند
.(Nigim and Hegazy, 2003)
در (Jayawarna et al, 2005)، یک واحد ذخیرهساز چرخ طیار برای افزایش قدرت اتصال کوتاه ریزشبکه استفاده شده است تا، تشخیص خطا بهوسیله رلههای سنتی ممکن باشد. یکی دیگر از روشهای مبتنی بر ذخیرهسازی برای قدرت اتصال کوتاه بالا در (Pedrasa and Spooner, 2006) ارائه شده است. ذخیرهسازی نیاز به سرمایهگذاری زیادی دارد و تضمین نمیکند که، خطاها بهموقع پاکسازی شوند مگر اینکه، آنها قدرت اتصال کوتاه شبکه انتقال را در نظر بگیرند. در (Nikkhajoei and Lasseter, 2007)، یک تنظیم تنها ( برای حالت جزیرهای) برای رلهها استفاده شده است و زمانکه خطا در سیستم توزیع اتفاق میافتد، سیستم توزیع جزیرهای میشود. اگرچه، روش پیشنهادی ساده است. اما این روش به طور مکرر سیستم را جزیرهای میکند، بنابراین مطلوب نیست، بخصوص برای زمانیکه کل بار بیشتر از کل تولید در سیستم توزیع باشد. در (Loix et al, 2009)، تاخیر برای پاکسازی خطا در ریزشبکه معرفی شده است. اما این روش مانند روشهای قبلی دچار مشکل میشود.
2
بنابراین یک طرح حفاظت اضافه جریان تطبیقی نیاز است، که گروه های متفاوتی از نقاط تنظیم حفاظت اضافه جریان را برای حالت های متفاوت استفاده می کند. حفاظت تطبیقی یک فعالیت آنلاین است که پاسخ حفاظتی برتر به یک تغییر در حالت های سیستم را در یک روش بجا و بموقع بوسیله سیگنال های تولید شده خارجی با یک عمل کنترلی اصلاح می کند .(Rockefeller et al, 1988) حفاظت تطبیقی سیستم توزیع با تولید پراکنده با استفاده از رله های اضافه جریان جهت دار مبتنی بر میکروپرسسور (DOCR) تحقق می یابد. DOCR، امکان انتخاب مشخصه های تریپ متفاوتی را دارد. رله های اضافه جریان دیجیتال مدرن برای کاربردهای فشارضعیف 2 تا 4 گروه تنظیمات دارند .(Oudalov and Fidigatti) تنظیمات ممکن است بوسیله استفاده از ارتباطات تغییر کنند. اما، اجرای یک سیستم ارتباطی بین رلهها پیچیده است و بسیار هزینهبر میباشد .(Barsali, 2002)
بنابراین، در این مقاله یک حفاظت اضافه جریان تطبیقی ساده پیشنهاد میگردد، که مشخصه تریپ رله را بر اساس تغییر در حالتهای سیستم (حالت جزیرهای یا متصل به شبکه) یا از دست رفتن بعضی از ژنراتورها تنها با استفاده از اطلاعات
محلی انتخاب میکند. یکی از مزایای استفاده تنها از اطلاعات محلی این است که هر مشکلی با یک رله تنها در داخل رله محدود میشود. اما وقتی حفاظت مبتنی بر ارتباطات استفاده شود، ممکن است چنین نباشد و با استفاده از سیستم ارتباطات بر روی بقیه رلهها تاثیر بگذارد.
در بخش 2 سیستم توزیع نمونه جهت شبیهسازی ارائه میگردد. در بخش 3 روش حفاظت تطبیقی مورد نظر بررسی می-گردد. طرح رلهها برای سیستم توزیع نمونه در بخش 4 ارائه میگردد. در بخش 5 نتایج و در بخش 6 هم نتیجهگیری ارائه میگردد.
-2مدل سیستم توزیع
شکل 1 مدل از سیستم توزیع را نشان میدهد. دراین سیستم توزیع، نیروگاه CHP با سه ژنراتور توربین گازی به شین 7 وصل شده است. دو ژنراتور توربین گازی دیگر نیز به شینهای 4 و 6 وصل شدهاند.
تمام GTGها مشخصات یکسانی دارند. همچنین این سیستم توزیع دارای یک ژنراتور توربین بادی سرعت متغیر میباشد که به شین 3 وصل شده است و این ژنراتور همانند (Poller, 2003) مدل شده است. GTGها مبتنی بر ژنراتور سنکرون هستند. اطلاعات مربوط به GTGها، خطوط و توربین بادی در (Mahat, 2008) آورده شده است. شبکه انتقال، ژنراتورهای توربین گازی و ژنراتور توربین بادی از طریق ترانسفورماتورها به سیستم توزیع وصل شدهاند.
در حال حاضر رلههای اضافه جریان زمان معین دوپله ای در ابتدای فیدر برای حفاظت اضافه جریان استفاده میشوند. اما در سیستمهای توزیع شعاعی با DG جهت کمک به عملکرد رلههای اضافه جریان در حالت جزیرهای، رلههای اضافه جریان جهتدار دیجیتالی پیشنهاد میگردد. رلهها در شکل 14-6 با حرف R و اعدادی که نشان دهنده شینها میباشند و شروع و پایان زون حفاظتی را تعیین میکنند، نشان داده شدهاند. شبکه انتقال با Grid نشان داده شده است که حداقل و حداکثر توان اتصال کوتاه آن بهترتیب 224 و 249 مگاولتآمپر میباشد.
-3روش حفاظت تطبیقی
این روش از دو بخش تشکیل شده است. در بخش اول از طریق تشخیص حالت سیستم توزیع (وصل به شبکه انتقال یا جزیرهای) تنظیمات مناسب برای رلهها انتخاب میشود و در بخش دوم از طریق تشخیص محل خطا تنظیمات رلهها به روزرسانی میشوند. همانطور که قبلا ذکر شد، وقتی سیستم توزیع از شبکه انتقال جدا میشود، قدرت اتصال کوتاه نسبت به حالت وصل به شبکه بطور قابل توجهی کاهش مییابد. رله تطبیقی با استفاده از الگوریتمهای تشخیص حالت، وضعیت سیستم (وصل به شبکه یا جزیرهای) را مشخص میکند و براساس آن مشخصههای تریپ مناسب را انتخاب می-نماید. به منظور تشخیص حالت جزیرهای از روش مبتنی بر نرخ متوسط تغییرات ولتاژ باسها و تغییر توان اکتیو (Mahat, 2008) میتوان استفاده نمود. اما بجای آن هر روش مناسب دیگری قابل استفاده میباشد. شبکه انتقال، فرکانس را معمولا در یک رنج محدود بین 49/9-50/1HZ نگه میدارد. بنابراین، وقتی سیستم توزیع به شبکه انتقال وصل است، تغییر در توان اکتیو DGها تاثیر ناچیزی بر روی فرکانس سیستم میگذارد. از طرف دیگر، وقتی سیستم توزیع جزیرهای میشود، تغییر در توان اکتیو DGها فرکانس را به خارج از رنج 49/9-50/1HZ میبرد. در (Mahat, 2011) تکنیکی براساس اندازهگیری فرکانس جهت تشخیص سنکرون شدن دوباره یک سیستم توزیع با سیستم انتقال بطور مفصل ارائه شده است.
4
خطاها در سیستم توزیع ممکن است منجر به از دست رفتن بعضی از ژنراتورها شوند. این حالت قدرت اتصال کوتاه را تغییر میدهد. رلههای مستقیم با تشخیص محل خطا تعداد ژنراتورهای از دست رفته را تعیین میکنند و رلههای معکوس متناظر را جهت انتخاب تنظیم مناسب تحریک مینمایند. به عنوان مثال، در سیستم توزیع نمونه نشان داده شده در شکل 1، رله R21 میتواند دو مشخصه تریپ داشته باشد، یکی برای حالتی که همه ژنراتورها به سیستم توزیع وصل باشند و دیگری برای حالتی که یکی از ژنراتورها (به عنوان مثال (GTG5 از سیستم توزیع جدا شده باشد. برای مثال، وقوع خطا در خط 56 باعث میشود، سیستم توزیع GTG5 را از دست بدهد. بنابراین رله R23 ناحیهای که خطا در آن رخ داده است را شناسایی میکند و رله R21 را تحریک میکند تا مشخصههای تریپ را برای حالت بدون GTG5 انتخاب نماید.
به منظور تشخیص محل خطا، وقتی جریانهای خطا به اندازهای باشند که باعث پیکآپ آنی رلههای پاییندست شوند، رلههای بالادست جریان عبوری ناشی از خطا را در خود ذخیره میکنند. به عنوان مثال در حالت متصل به شبکه و جزیره-ای، رله R34 مینیمم جریانهای دیده شده که به ازای یک خطا در خط 45 یا 56 به ترتیب باعث پیکآپ آنی رله R45 یا R56 میشوند را ذخیره میکند. اگر جریان خطایی که رله R34 میبیند از جریان پیکآپ آنی رله R56 بزرگتر و از جریان پیکآپ آنی رله R45 کوچکتر باشد و خطا در کمترین زمان پاکسازی شود، واضح است که بریکر مربوط به رله R56 عمل کرده است و GTG5 از سیستم توزیع نمونه جدا شده است. اگر جریان خطا بدلیل مقاومت خطا کم باشد، خطا همیشه براساس مشخصههای اضافه جریان-زمان رلهها پاکسازی میشود.
جهت تشخیص محل خطا، در چنین حالتی رلهها مشخصههای اضافه جریان-زمان تمام رلههای پاییندست را ذخیره می-کنند. وقتی جریان دیده شده بوسیله یک رله از جریان پیکآپ آن بزرگتر باشد، رله فرض میکند که خطایی رخ داده و شروع به شمارش زمان میکند. علاوه براین، وقتی در یک اندازهگیری متوالی جریان بیش از 10 درصد کاهش یابد، رله فرض میکند خطا پاکسازی شده است. رله زمان پاکسازی خطا را محاسبه میکند و زمان کل در نظر گرفته شده برای بستن کنتاکت و باز شدن مدارشکن را از آن کم میکند. نتیجه زمانی است که طول میکشد (Tm) تا رله پیکآپ کند.
براساس اندازهگیری جریان در طی خطا و مشخصههای اضافه جریان-زمان رلههای پاییندست، رلههای بالادست زمان پیکآپ تمام رلههای پاییندست را محاسبه میکنند. باید توجه داشت که رله نمیتواند جریان خطای واقعی را تشخیص دهد و فرض میکند جریانی که اندازهگیری کرده جریان خطای واقعی است. مشخص میشود، رلهای که زمان پیکآپ آن کمی بیشتر از Tm است، پیکآپ کرده و بنابراین ناحیه خطادار همان ناحیه حفاظت شده بوسیله رله تشخیص داده میشود. در صورتی که در فیدر پایین دست ژنراتور وجود داشته باشد، جریان خطای واقعی از جریان دیده شده بوسیله رلههای بالادست بیشتر خواهد بود. به عنوان مثال، به ازای یک خطا در خط 56، بدلیل وجود WTG رله R34 جریان بیشتری را نسبت به رله R23 میبیند. با این حال، این جریان بدلیل حضور GTG4 در باس 4 از جریان خطای واقعی کمتر است. فرض میکنیم رله R34 زمان پاکسازی خطا را 300 میلی ثانیه اندازهگیری کرده است. همچنین فرض میکنیم زمان نرمال در نظر گرفته شده جهت پاکسازی خطا بعد از پیکآپ رله 70 میلی ثانیه است. بنابراین هر رلهای که جهت پاکسازی خطا پیکآپ کرده باشد، زمان پیکآپ آن 230 میلی ثانیه بعد از خطا است. حال براساس جریان
5
رله R34 که 230 میلی ثانیه بعد از خطا اندازهگیری شده است. این رله زمان پیکآپ رلههای پاییندست R45) و (R56 را محاسبه میکند و آن را با 230 میلی ثانیه مقایسه میکند. بنابراین مشخص میشود رلهای که زمان پیکآپ محاسبه شده آن کمی بیشتر از 230 میلی ثانیه است، پیکآپ کرده است. حال رله R34 براساس تشخیص ناحیه خطادار از رله R32 میخواهد که مشخصههای تریپ خود را تغییر دهد.
در شکل 2 الگوریتم نهایی حفاظت تطبیقی نشان داده شده است.
طرح رلههای اضافه جریان برای سیستم توزیع نمونه
حفاظت تطبیقی طوری طراحی شده است تا بر مبنای حالت سیستم توزیع، دو مشخصه تریپ را انتخاب نماید. در صورت تمایل، روش پیشنهادی میتواند جهت پیادهسازی تنظیمات بیشتری برای رلهها بسط داده شود. در این پایان نامه برای سیستم توزیع سه حالت شبیهسازی میشود. این سه حالت عبارتند از:
· حالت :1 حالت نرمال است و در آن سیستم توزیع به شبکه وصل است.
· حالت :2 حالت جزیرهای است.
· حالت :3 حالتی است که در آن سیستم توزیع به شبکه وصل است و بعد از پاکسازی یک خطا GTG5 از سیستم توزیع جدا میشود.
رلههای R12، R23، R34 و R45 دو مشخصه تریپ دارند یکی برای حالت 1 و دیگری برای حالت .2 رلههای R56 و R17 تنها وقتی خطا در نواحی حفاظتیشان رخ دهد، جریان مستقیم را میبینند و طوری طراحی شدهاند تا به ازای کوچکترین جریان پیکآپ کنند، بنابراین تنها یک مشخصه تریپ دارند. تنها منبع جریان مستقیم برای رله R71 نیروگاه CHP است و بنابراین آن نیز تنها یک مشخصه تریپ دارد. جریان پیکآپ تمام رلهها در 1/5 برابر ماکزیمم جریان نرمال تنظیم میشود. وقتی بارهای 1 تا 5 در مقدار پیک قرار دارند و WTG، GTG4 و GTG5 در مدار قرار ندارند، ماکزیمم جریان نرمال توسط رلههای R12، R23، R34 و R45 دیده میشود. بطور مشابه وقتی باری وجود ندارد و WTG، GTG4 و GTG5 در بار کامل کار میکنند، ماکزیمم جریان نرمال بوسیله رلههای R65، R54، R43، R32 و R21 دیده میشود. همینطور برای رله R71، وقتی نیروگاه CHP در ماکزیمم توان خودش کار میکند، ماکزیمم جریان نرمال دیده میشود.
زمان پیکآپ آنی (Tins) به ازای یک خطای سه فاز در ناحیه حفاظتی رلهها، 50 میلی ثانیه تنظیم میشود. همانطور که قبلا ذکر شد، رلههای R56 و R17 تنها وقتی یک خطا در زون حفاظتی خودشان رخ میدهد جریان مستقیم را میبینند و بنابراین پیکآپ آنی آنها برای 650 آمپر و 250 آمپر طراحی شده است. مقادیر جریان از مطالعه سیستم توزیع نمونه انتخاب شدهاند. جریان پیکآپ آنی رله R56 پنج برابر مینیمم جریان پیکآپ 130) آمپر) تنظیم شده است. همینطور برای رله R17، مینیمم جریان پیکآپ 100 آمپر تنظیم شده است و پیکآپ آنی 2/5 برابر مینیمم جریان پیکآپ 250) آمپر) تنظیم شده است. این جریان برای یک خطا با مقاومت کم در خط 1-7 حتی وقتی تنها یک منبع توان موجود باشد تضمین میگردد. Grid، GTG4، GTG5 و WTG میتوانند منابع جریان خطا برای یک خطا در خط 1-7 باشند.
7
پیکآپ رلهها بر مبنای مشخصه اضافه جریان–زمان استاندارد IEC255-3 (معکوس) میباشد که براساس فرمول 1 مشخص شده است.
که T، I و TD به ترتیب زمان پیکآپ، جریان و ضریب زمانی رلهها میباشند. ضریب زمانی هر رله طوری طراحی شده است که رله بالادست یک عمل پشتیبان را برای رله پاییندست فراهم میسازد. به عنوان مثال، فرض میکنیم که I34max56 و I45max56 به ترتیب جریانهای دیده شده بوسیله رلههای R34 و R45 به ازای یک خطا در خط 56 نزدیک شین 5 میباشند. رله R56 بعد از 50 میلی ثانیه (پیکآپ آنی) جهت پاکسازی خطا پیکآپ میکند. اگر این رله خطا کند، رله R45، 150 میلی ثانیه بعد از خطا برای I45max56 پیکآپ میکند.
اگر هر دو رله R56 و R45 در پیکآپ خطا کنند، رله R34 در 250 میلی ثانیه بعد از خطا برای I34max56 پیکآپ خواهد کرد. فرض میشود پاکسازی خطا تقریبا 70 میلی ثانیه بعد از پیکآپ رله طول میکشد و زمان ریست رلههای بالادست 30 میلی ثانیه است. این زمان کافی را به رله R45 میدهد تا پیکآپ نماید و قبل از آنکه رله R34 پیکآپ کند، بریکر مربوط به آن جهت پاکسازی خطا باز شود. رلههای R23، R12 و R71 بطور مشابه طراحی شدهاند. ضریب زمانی، جریان پیکآپ و جریان پیکآپ آنی برای هر رله در جدول 1 نشان داده شده است.
