بخشی از مقاله
چکیده
یکی از چالشهای مهم در سیستم قدرت، جلوگیری از خاموشیهای سراسری هنگام وقوع پیشامدهای مخرب است. اطمینان از اینکه تغییرات مشخصههای مختلف سیستم قدرت در محدوده مناسب و مطمئن خود باقی میمانند یک امر ضروری است. در این راستا، جزیرهسازیهای کنترلشده میتواند یک ابزار مناسب برای بهرهبرداران سیستم قدرت بهمنظور جلوگیری از خاموشیهای گسترده باشد. گام اولیه برای تشخیص نواحی جزیره شده، تشخیص گروههای همنوا پس از وقوع یک پیشامد در سیستم است.
در این مقاله، یک الگوریتم آنلاین تشخیص گروههای همنوا با توجه به ضریب همبستگی بین شینهای شبکه و با استفاده از اطلاعات اندازهگیریشده توسط واحدهای اندازهگیری فازور ارائه شده است که میتواند پس از وقوع یک رخداد، شینهای همنوا را در سیستم قدرت شناسایی کند. پس از تشخیص گروههای همنوا، یک الگوریتم تشخیص جزیره الکتریکی با استفاده از شاخص جداشوندگی سیستم اجرا خواهد شد که میزان جداشوندگی نواحی همنوا از همدیگر را نشان داده و زمان مناسب برای اجرای تدابیر مربوط به جزیرهسازی کنترلشده را نشان میدهد.
کارایی الگوریتمهای ارائهشده با در نظر گرفتن یک خطا در شبکه 39 شین IEEE موردبررسی قرار گرفته و نتایج آن ارائه شده است. مزیت روش ارائهشده، آنلاینبودن الگوریتمها و تشخیص سریع نواحی جزیرهشده و همچنین استفاده از شینهای همنوا بجای ژنراتورهای همنوا به منظور تشخیص دقیق مرز نواحی جزیرهشده است.
-1 مقدمه
با افزایش بار و توسعه شبکه قدرت و همچنین تبادلات توانهای بالا بین نواحی، یک نیاز آشکار به داشتن اطلاعات قابلاعتماد از شبکه، برای جلوگیری از خاموشی احساس شد
با گسترش واحدهای اندازهگیری فازور1 در شبکه، تلاشهای بسیاری برای اطمینان از اینکه اطلاعات آنها بین تمام مناطق تحت پوشش به اشتراک گذاشته میشود، شده است. ازآنجاکه اطلاعات PMU نسبت به دادههای اندازهگیریشده سیستم خیلی بیشتر به حالت آنلاین2 نزدیک است، میتواند دید بسیار خوبی را در مورد عملکرد حال حاضر شبکه بدهد
با وقوع یک اغتشاش در سیستم قدرت، ادوات حفاظتی شبکهمعمولاً برخی خطوط یا ژنراتورها را از مدار خارج میکنند که این بهنوبه خود باعث نامتعادلی بیشتر در سیستم و ایجاد جزایر الکتریکی نامتعادل شود
هر یک از این جزیرههای الکتریکی ایجادشده میتواند دارای اضافه تولید و یا اضافه بار باشند که این باعث افزایش یا افت فرکانس سیستم، افت ولتاژ و ناپایداریهای توان و زاویه در ژنراتورها شده و درنهایت ممکن است به خاموشی سراسری بینجامد
یکی از روشهای مناسب بهمنظور جلوگیری از این جزایر ناخواسته و جلوگیری از خاموشیهای سراسری، اعمال جزایر الکتریکی کنترلشده و عمدی میباشد تا از ناپایداری کلی شبکه جلوگیری کرد. هرچند در این حالت هم ممکن است برخی نواحی که تعادل بار و تولید را از دست دادهاند، دچار خاموشی شوند، اما درهرصورت ایجاد حداقل خاموشی، نسبت به خاموشی گسترده تبعات هزینهای بسیار کمتری دارد
در سالهای اخیر مطالعات گوناگونی درزمینه تشخیص جزایر الکتریکی در شبکه انجام شده است. در [6]، یک الگوریتم تشخیص جزیره سازی با استفاده از واحدهای اندازهگیری فازور ارائه شده است که امکان تشخیص جزیره شدن یک ریزشبکه از شبکه اصلی را میدهد.
در [7]، شبکه پایش فرکانس1، معرفی شده است که یک سیستم اندازهگیری فازور سریع با هزینه پایین در سطح سیستم توزیع است. روشهای تشخیص جزیره در این مرجع به دو روش اختلاف فرکانسی و تغییر اختلاف زاویه ارائه شده است و کارایی آن روی شبکههای واقعی ارزیابی شده است.
در [8]، تشخیص جزیرهای شدن شبکه در حضور سیستمهای فتوولتائیک بررسی شده است و تأثیراتی که یک شبکه فتوولتائیک بزرگ روی سیستم میگذارد را بررسی میکند. در [9]، تشخیص جزیرهسازی با استفاده از توپولوژی شبکه و درختهای تصمیمگیری و با استفاده از تشخیص گروههای همنوا انجام شده است.
در [10]، تشخیص جزیرهسازی با تمرکز روی نفوذ بالای واحدهای تولیدپراکنده در نظر گرفته شده است. در [11] یک روش تحلیلی برای پیشبینی گروههای همنوای کند برای طراحی یک سیستم تشخیص جزیره در شبکه ارائه شده است که قسمت مهمی از نظریه کنترل اصلاحی برای مواجه به خطاهای بزرگ است. میتوان گفت در اکثر روشهای ارائهشده، همواره تعیین ژنراتورهای همنوا مدنظر بوده است درحالیکه به منظور تعیین دقیق مرز جزایر الکتریکی ایجاد شده، باید شینهای همنوا را تعیین نمود تا بتوان دقیقا در مورد نواحی مناسب برای جزیرهسازی کنترلشده تصمیمگیری نمود.
در روش ارائه شده در این مقاله، از اطلاعات سریع واحدهای اندازهگیری فازوری بهمنظور تعیین گروههای همنوا و سپس تشخیص جزیرهای شدن این گروهها استفاده شده است. مزیت این روش آنلاین بودن آن و امکان هشدار سریع به بهرهبرداران بهمنظور اقدام به ایجاد جزایر کنترلشده است. از دیگر برتریهای این روش این است که گروههای همنوای ایجاد شده به تفکیک شینهای شبکه تعیین شده و بنابراین عمل جزیره سازی کنترلی را تسهیل میبخشد. پس از تعیین گروههای همنوا، از شاخصی به نام شاخص جداشوندگی سیستم2 برای تعیین بخشهای جزیرهشده استفاده میشود.
-2 مدلسازی و فرمولبندی
برای تشخیص گروههای همنوا در شبکه، از ضریب همبستگی3 بین زاویه ولتاژ شینها استفاده میشود. زاویه ولتاژ شینها بهصورت آنلاین اندازهگیری میشوند و سپس ضریب همبستگی بین همه جفت شینها تعیین میشود و سپس با توجه به این ضرایب، گروههای همنوا مشخص میگردند.
ضریب همبستگی بیانکننده قدرت ارتباطی بین دو متغیر است که مقداری بین -1 و +1 میباشد. هرچه این عدد بزرگتر باشد، قدرت همبستگی بین دو متغیر بیشتر است . بهمنظور محاسبه ضریب همبستگی بین زوایای فاز ولتاژ دو شین i و j، از رابطه زیر استفاده میشود :
که i و j به ترتیب زوایای فاز ولتاژ شینهای i و j مربوط به شینهای PQ و متوسط زاویه فاز ولتاژ شینهای PQ و N تعداد کل متغیرها در پنجره زمانی موردنظر است.
-1-2 همبستگی بین زوایای فاز ولتاژ همنوایی ژنراتورهاعمدتاً توسط زوایای روتور ژنراتورها تعیین میشود. میتوان نشان داد که بین نوسانات زاویه فاز ولتاژ شینها و نوسان زاویه روتور ژنراتورها رابطه مستقیمی وجود دارد. با ترکیب مدل ادمیتانس شبکه با روابط ژنراتوری و انتقال به دستگاه d-q، ولتاژ ترمینال ژنراتورها میتواند برحسب ولتاژ داخلی و زوایای روتور ژنراتورها بهصورت زیر نوشت:
که 9dq,g انحرافات ولتاژ ترمینال ژنراتورها، - q انحرافات ولتاژ داخلی ژنراتورها، انحرافات زاویه روتور ژنراتورها و Y1 و Y2، ضرایب ادمیتانسی هستند. با خطی سازی مدل شبکه در قاب d-q، انحراف ولتاژ شینهای ژنراتوری میتواند بهصورت تابعی از ولتاژ شینهای ژنراتوری بهصورت زیر به دست آید:
انحراف ولتاژ مربوط به شینهای غیر ژنراتوری است. با جایگذاری - 2 - در - 3 - داریم:
با توجه به - 4 - ، دامنه و زاویه فاز شینهای غیرژنراتوری شامل نوسانات زاویه روتور ژنراتورها نیز میشود. بنابراین همبستگی نوسانات زاویه فاز شینهای غیر ژنراتوری میتواند همنوایی نوسانات مربوط به ژنراتورها را هم نشان دهد. همبستگی زاویه فاز ولتاژ شینها میتواند بهعنوان شاخص همنوایی برای همبستگی نوسانات زاویه روتور ژنراتورها بکار رود.
بدین منظور یک مقدار متوسط از ضرایب همبستگی از کل تعداد زوایای شینها تعیین شده و بهعنوان مقدار مرجع برای شینهای همنوا تعریف میشود. با استفاده از مقدار متوسط، شینهایی که ضرایب همبستگی بالاتر از مقدار متوسط دارند، در یک گروه همنوا قرار میگیرند.
-2-2 تشخیص جزیرهای شدن گروههای همنوا در این مطالعه بهمنظور تشخیص جزیرهسازی سیستم و نیاز به اقدامات لازم به منظور جزیره سازی های کنترلشده، یک شاخص جدید به نام شاخص NSI استفاده شده است. این شاخص برای هر دو گروه از ژنراتورها محاسبه میشود و حالت اتصال و یا جداشدگی گروههای همنوای ژنراتوری را نشان میدهد. خود این شاخص بر پایه ضرایب همبستگی بین شینها عمل میکند.
بهمنظور محاسبه شاخص NSI، با توجه به گروههای همنوای موجود، دو نوع از پارامترهای اتصالی محاسبه میشوند:
- اتصال خودی گروههای همنوا: نشان دهنده قدرت اتصال شینهای موجود در یک گروه همنوا
- اتصال بین ناحیهای: نشان دهنده قدرت اتصال دو گروه مختلف از گروههای همنوا
