بخشی از مقاله
چکیده -
خطاي امپدانس بالا یکی از خطاهاي سیستم قدرت میباشد که تشخیص آن توسط حفاظت اضافه جریان متداول همواره با مشکل مواجه بوده است.
دلیل این امر سطوح جریان پایین آن به دلیل مقاومت بالاي مسیر خطا میباشد. این نوع خطا، سالانه قربانیان بسیاري را به علت عمل نکردن سیستم حفاظتی میگیرد. از طرفی با توجه به اهمیت بحث تولید در محل مصرف و پیدایش ریزشبکهها در سطح شبکههاي توزیع با گستره جغرافیاي کوچک با قابلیت عملکرد در حالت جزیرهاي، موضوع تشخیص خطاي امپدانس بالا اهمیت بیشتري پیدا خواهد کرد.
چراکه در حالت عملکرد جزیرهاي سطح اتصال کوتاه به علت حضور منابع تولید پراکنده مبتنی بر اینورتر بسیار پایین بوده و این امر فرایند تشخیص و ایزولهسازي این نوع خطا را دشوارتر نیز میکند. در این مقاله یک روش ایزولهسازي خطاي امپدانس بالاي همراه با جرقه با استفاده از گذراهاي قبل و بعد خطا در سیگنال جریان پیشنهاد شده است. بطوریکه ابتدا سیگنالهاي جریان نقاط خاصی از شبکه پردازش شده سپس با استفاده از یک روش استخراج ویژگی و مجموع جهتهاي خطاي استخراج شده در محل رلهها، محل خطا تشخیص داده شده و از شبکه ایزوله خواهد شد.
-1 مقدمه
شبکه هاي برق فعلی در حال تحول گسترده از شبکههاي توزیع غیرفعال پایدار با انتقال برق یکطرفه به شبکههاي توزیع فعال با انتقال برق دوطرفه هستند.
زمانی که واحدهاي تولید پراکنده به سیستم توزیع اضافه شوند، سیستم به یک شبکه توزیع فعال تبدیل میشود که جهت عبور توان در آن دو طرفه خواهد بود. بر اثر این تحولات، کشورهاي در حال توسعه باید تأکید فراوان بر گسترش زیرساختهاي برق پایدار و سازگار با محیط زیست داشته باشند، در حالیکه کشورهاي توسعه یافته باید چالشهاي فنی و اقتصادي را براي تحول در شبکههاي توزیع حل کنند.
به منظور تکامل شبکههاي توزیع فعال براي کنترل و بهرهبرداري هوشمند و انعطافپذیر، مفهوم ریزشبکه شکل گرفته است. ریزشبکهها در مقیاس کوچک، شبکههاي تولید همزمان برق و حرارت ولتاژ پایین طراحی شدهاي به منظور تأمین بارهاي الکتریکی و حرارتی براي جوامع کوچک مانند نواحی یا مناطق حومه شهرها، یک جامعه دانشگاهی یا عمومی مانند یک دانشگاه یا مدرسه، نواحی صنعتی، محلهاي تجاري و یا یک منطقه شهري هستند
ریزشبکه در اصل یک شبکه توزیع فعال است به این دلیل که ترکیبات سیستمهاي تولید پراکنده و بارهاي مختلف همگی در سطح ولتاژ توزیع هستند. ریزشبکهها معمولاً شامل منابع تولید پراکنده از قبیل: دیزل ژنراتورها، توربینهاي بادي، نیروگاههاي خورشیدي، میکروتوربینها و غیره و همچنین ذخیرهسازهاي انرژي همچون باطريها، چرخهاي طیار و ابرخازنها هستند. از نقطه نظر عملیاتی، اکثر این منابع باید به رابطهاي الکترونیک قدرت تجهیز شده و کنترل کنندهها باید انعطاف پذیري مورد نیاز را براي اطمینان عملکرد بعنوان یک سیستم واحد متراکم براي حفظ کیفیت توان مشخص شده و خروجی انرژي فراهم کنند.
مساله ي حفاظت شبکههاي شامل درصد بالاي منابع تولید پراکنده نیاز به مطرح کردن راهکارهاي جدیدي دارد، چرا که با وجود منابع تولید پراکنده جهت عبور توان در شبکه دو یا چند طرفه خواهد بود و همچنین سطوح خطا نیز می تواند در ساختارهاي مختلف شبکه تغییر یابد. این اثرات به صورت معکوس بر هماهنگی بین طرحهاي حفاظت اضافه جریان موجود تأثیر می-گذارند.
علاوه بر این، باز شدن کلیدهاي قدرت در شبکه در هنگام خطا ممکن است باعث به وجود آمدن جزیرههاي انرژي شود که به وسیلهي منابع تولید پراکنده تأمین میشوند. همچنین، وجود مبدلهاي متصل به منابع تولید پراکنده در حفاظت ریزشبکه در حالت جزیرهاي موثر هستند، چرا که به هنگام عملکرد ریزشبکه در حالت جزیرهاي جریان خطا را محدود میکنند و این جریان محدود توسط حفاظت اضافه جریان مرسوم قابل تشخیص نیست.
از طرفی، تکنولوژيهاي منابع تولید پراکنده نیز قابلیت تحمل جریان خطا را نداشته و این خاصیت آنها به صورت جدي بر عملکرد سیستم حفاظتی موجود تأثیر میگذارد.
از طرف دیگر، خطاي امپدانس بالاي همراه با جرقه 2] و [3 به عنوان یکی از خطاهاي سیستم قدرت باید توسط سیستم حفاظتی قابل تشخیص باشد. اما متأسفانه به دلیل دامنه کم جریان خطا در بسیاري از موارد توسط سیستم حفاظت اضافه جریان موجود قابل تشخیص نبوده و در شبکه باقی مانده و سالانه قربانیان بسیاري میگیرد. این امر در ریزشبکههاي توزیع به دلیل قابلیت عملکرد در حالت جزیرهاي خود را به مراتب بیشتر نشان خواهد داد. چراکه در این شرایط بهرهبرداري دامنه جریان خطا حتی کمتر از حالت عادي شبکه نیز میباشد.
یک روش تشخیص خطاي امپدانس بالا با استفاده از رلههاي دیجیتالی و سیستمارتباطی بین رلهها در [4] پیشنهاد شده است. روش پیشنهادي در این مقاله براي هر دو حالت منفصل و متصل نسبت به شبکه در نظر گرفته شده است و همچنین در ساختار حلقوي نیز کارآمد میباشد.
رلههاي دیجیتال استفاده شده در این طرح شامل فانکشنهاي حفاظتی اضافه جریان و کاهش افزایش ولتاژ در نظر گرفته شدهاند. فرض بر آن بوده است که این رلهها در دو انتهاي خطوط قرار دارند. حفاظت اولیه بر اساس تفاضل مقدار مطلق جریان نمونهبرداري شده در دو سمت خط بصورت لحظهاي صورت میگیرد. اگر مقدار تفاضل بدست آمده از یک حد آستانه بیشتر باشد، سیگنال تریپ به کلیدهاي مربوطه ارسال میشود. در این مرجع تغییر در ساختار شبکه بدلیل طبیعت ذاتی ریزشبکه و بارگزاريهاي مختلف بررسی نشده است.
یک طرح حفاظت دیفرانسیلی دیگر براي ایزولاسین خطاي امپدانس بالا و تعیین نوع آن در ریزشبکه در [5] به کمک تبدیل S در حوزه زمان-فرکانس پیشنهاد شده است. در این طرح ابتدا جریان در باسهاي متوالی اندازهگیري شده و از طریق تبدیل S پردازش میشود. پس از بدست آوردن محتواي انرژي سیگنالهاي جریان باسهاي مجاور از طریق کانتورهاي زمان-فرکانس، با مقایسه تفاضل انرژي باسهاي مجاور با یک مقدار آستانه از پیش تعیین شده، بخش خطادار از شبکه ایزوله میگردد.
کارایی این روش در هر دو حالت عملکرد جزیرهاي و متصل به شبکه و همچنین خطاي امپدانس بالا ارزیابی شده است. روش پیشنهادي در [5] تنها در یک ریزشبکه شامل منابع انرژي گردان ارزیابی شده است. همچنین از آنجایی که تبدیل S شدیداً به دامنه سیگنال اندازهگیري شده وابسته است، روش پیشنهادي در حالت وجود مقاوت خطا دچار مشکل میشود. علاوه بر این، تضمینی بر صحت عملکرد آستانههاي تعیین شده در یک شبکه دیگر وجود نداشته و فرمولاسیونی نیز براي این مقادیر آستانه ارائه نشده است.
در این مقاله یک روش تشخیص و ایزولهسازي خطاي امپدانس بالاي همراه با جرقه در یک ریزشبکه در حالت بهرهبرداري متصل به شبکه و منفصل از آن پیشنهاد شده است. روش پیشنهادي با استفاده از پردازش سیگنالهاي جریان خطا در نقاط خاصی از شبکه به کمک تبدیل [6] S و استخراج جهت نسبی خطا نسبت به مکان رلههاي در نظر گرفته شده، مکان خطاي امپدانس بالا را شناسایی کرده و از شبکه ایزوله خواهد کرد. نشان داده شده است که روش پیشنهادي تا حدود زیادي از شرایط بهرهبرداري ریزشبکه، ساختارهاي مختلف آن از جمله شعاعی و حلقوي و سطوح بارگزاري ریزشبکه به عنوان یک شبکه توزیع مستقل بوده و به درستی عمل خواهد کرد.
-2 ریزشبکه مورد مطالعه
دیاگرام تکخطی ریزشبکه مورد استفاده در شکل 1 نشان داده شده است.
این ریزشبکه از یک نیروگاه بادي 6 مگاواتی و دو سیستم فتوولتائیک 1 مگاواتی تشکیل شده است. هر کدام از اجزاء مختلف این ریزشبکه اعم از دینامیک تولید توان ریزمنبع ها و اینورترها به همراه کنترلهاي مختلف آنها
- توان ثابت و ولتاژ/فرکانس - با مدل مرتبه کامل درنظر گرفته شدهاند. جزئیات مربوط به پارامترهاي ریزشبکه و خطوط در [7] آمده است. سوئیچ هاي CB-Loop1 و CB-Loop2 در شرایط عادي بازند اما می توانند جهت بهره برداري ریزشبکه در ساختار حلقوي بسته شوند. اطلاعات بارهاي ریزشبکه شبیهسازي شده در جدول 1 آورده شده است.
شکل :1 دیاگرام تک خطی ریزشبکه نمونه
جدول :1 مقادیر بار ریزشبکه در باسها
-3 روش پیشنهادي
در این قسمت به تشریح نحوه عملکرد روش پیشنهادي پرداخته میشود. ابتدا ساختار حفاظتی در نظر گرفته شده براي شبکه بیان شده، سپس اصول روش پیشنهادي براي تشخیص خطاي امپدانس بالا بیان میگردد.
-1-3 ساختار پیشنهادي نمونه
ساختار طرح حفاظتی پیشنهادي به صورت ساده در شکل 2 آمده است. در این روش هر یک از خطوط شبکه به صورت یک بخش در نظر گرفته میشود.
شکل:2 ساختار طرح حفاظتی پیشنهادي
بنابرین، شبکه به چندین بخش مطابق شکل 2 تقسیم شده و در هنگام وقوع خطاي امپدانس بالا، بخش خطادار توسط کلیدهاي قدرت در نقاط اتصال آن، از شبکه جدا میشود. رلهها در باسهاي با بیش از دو انشعاب قرار دارند و از طریق ترانسهاي اندازهگیري جریان، جریان نقاط اتصال بخشهاي مختلف به باسبارها را اندازه گیري میکنند. فرض بر آن است که در بین رلههاي قرار گرفته روي باسهاي مجاور - باسهایی که حداقل یک خط بین آن ها وجود دارد - خطوط ارتباطی مخابراتی برقرار است.
-2-3 آنالیز حوزه مودال
وقوع خطاي امپدانس بالا بسته به فاز درگیر خطا سه حالت متفاوت ایجاد میکند. بنابرین طبیعتاً براي انجام تحلیل درست، جریانها یا ولتاژهاي همهي فازها باید به کار گرفته و پردازش شوند. اما براي کاهش محاسبات تحلیل خطا میتوان مقادیر سه فاز را به حوزه مودال انتقال داد و به جاي آنالیز همهي
سیگنالهاي سهفاز، تنها یک سیگنال را مورد بررسی قرار داد. تبدیل مودال سیگنالهاي سه فاز را به سه سیگنال مجزا با نامهاي - 1 مود هوایی1، - 2 مود هوایی 2 و - 3 مود زمینی تبدیل می کند. در این مقاله از ماتریس تبدیل کلارك طبق رابطهي - 1 - براي انتقال سیگنالهاي جریان سهفازه به حوزه مودال استفاده شده است.
که Ia، Ib و Ic جریانهاي سهفاز و Iα، Iβ و I0 نیز مولفههاي تبدیل کلارك، به ترتیب نام برده شده میباشند. طبق آنالیزهاي انجام شده، نشان داده شده است که حالات گذراي ایجاد شده در جریان فازها در هنگام خطا به خوبی در مولفه هاي مختلف تبدیل کلارك ظاهر میشوند . در این پژوهش از مولفه α تبدیل کلارك یعنی Iα براي تعیین بخش خطادار در ریزشبکه استفاده می-
شود.
-3-3 مدلسازي خطاي امپدانس بالا
مدل خطاي امپدانس بالا که در شبیهسازيها مورد استفاده قرار میگیرد اکثراً بر اساس تحقیقات انجام شده در 2]، 3 و [9 میباشد. در این مقاله براي شبیهسازي ویژگیهاي دینامیکی امپدانس غیر خطی خطا، از مدل تشریح شده در [3] استفاده شده است. این مدل بصورت یک امپدانس غیر خطی مطابق شکل 3 میباشد که با استفاده از معادله دیفرانسیل زیر بیان میشود:
بطوریکه g - t - و G - t - به ترتیب کندوکتانس متغیر و ثابت جرقه میباشند و τ ثابت زمانی آن است.
کندوکتانس ثابت جرقه بصورت رابطه - 4 - بیان میشود:
بطوریکه i - t - جریان جرقه، u0 مقدار ثابت ولتاژ در واحد طول جرقه میباشد و براي نیم سیکل مثبت و منفی شکل موج ولتاژ از روابط بیان شده در - 5 -
