بخشی از مقاله
چکیده -
توان تولیدی توسط ژنراتورهای سیستم قدرت با توجه به تقاضای مورد نیاز بارها و نیازمندیهای شبکه در سیستم شارش مییابد. خطوط انتقال و تجهیزاتی نظیر ترانسفرمرها بستر این شارش توان را فراهم مینمایند که تلفات ناخواستهای را در سیستم قدرت ایجاد میکنند. مشخص نمودن سهم هر یک از بارهای سیستم که عامل ایجاد این تلفات هستند را تخصیص تلفات مینامند.
ردیابی شارش توان چگونگی جاری شدن توان در خطوط ارتباطی میان منابع و بارها را مشخص مینماید. در نتیجه میتوان با استفاده از الگوریتمهای ردیابی شارش توان و روابط تلفات سیستم که از این شارشها ناشی میشوند سهم هر یک از بارها در ایجاد این تلفات را مشخص نمود. در این مقاله الگوریتم ردیابی شارش توان استفاده شده به صورت مختلط بوده و توان حقیقی و راکتیو به صورت همزمان مد نظر قرار گرفته است.
الگوریتم پیشنهادی بر روی یک سیستم نمونه تست شده و پس از صحت سنجی، نتایج شبیهسازی شبکهی انتقال واقعی برق منطقهای باختر برای سه حالت کاری بار پیک، میان باری و کمباری ارائه شده است و سهم نقاط تبادلی - شبکههای مجاور - و بارهای داخلی شبکهی باختر در تلفات سیستم در هر حالت مشخص شدهاست.
-1 مقدمه
فرآیند مشخصنمودن سهم هر یک از منابع و بارها در تلفات ایجادشده در سیستم قدرت را تخصیص تلفات - Loss Alocation - مینامند . این فرآیند بهدلیل اینکه شارش توان عبوری مورد تقاضای هر بار از خطوط انتقال سیستم دارای درجهی آزادی زیادی است و اینکه تلفات سیستم انتقال تابعی غیرخطی از شارش خطوط میباشد، کار سادهای نیست
تا کنون چندین روش با رویکردهای متفاوت برای تخصیص تلفات انتقال معرفی شده است .[15]-[1] در [1] با استفاده از نتایج شارش توان - Power Flow - و استفاده از ماتریس Z-bus سهم تلفات تخصیصداده شده به هر یک از باسهای سیستم مشخص شده است. این در حالیست که در [3] از یک Y-bus اصلاح شده برای تعیین ارتباط میان جریانهای شاخهها و تزریقهای جریان بار/ژنراتور استفاده میشود و بر این اساس تلفات هر خط، بر حسب تزریقهای جریان، بیان شده است. در ضرایب توزیع جابجایی تزریق مبتنی بر پخش توان AC، برای محاسبهی ضرایب توزیع تعمیم یافته و ضرایب توزیع جابجایی تعمیم یافته استفاده میشود و از طریق آنها سهم هریک از بازیگران بازار در تلفات انتقال مشخص میشود. فرآیند تخصیص تلفات در [4] با درنظر گرفتن معاملات دو جانبه - Bilateral Transactions - مورد بررسی قرار گرفته است.
روشهای مبتنی بر محاسبهی ضرایب تلفات انتقال - Transmission Loss Factors :TLFs - در [5] و [6] ارائه شده است. در TLFs [5] به صورت احتمالاتی از منحنی تقاضای بار محاسبه میشود و در [6] ضرایب جریمهی تلفات انتقال، برای مبادلهی انرژی با شبکههای مجاور، بر اساس روش ژاکوبین و با در نظر گرفتن مسافت الکتریکی بین باسهای دریافت و ارسال انرژی و مکانهای بین آن نواحی، محاسبه شدهاند.
در [8] مفهوم جدیدی به نام مرکز تلفات معرفی شده است. روشهای تسهیم تناسبی - Proportional Sharing - در [12]-[9] به منظور تخصیص تلفات مورد استفاده قرار گرفتهاند. در این روشها نتایج یک شارش توان همگرا شده به همراه یک فرآیند تسهیم تناسبی خطی مورد استفاده قرار گرفته است تا تلفات انتقال را به بارها و ژنراتورها تخصیص دهد.
در وارونگیری ماتریسهای تعریف شده در روش، جزئی از فرآیند تخصیص تلفات میباشد که با بزرگ شدن سیستم مورد مطالعه فرآیندی بسیار زمانبر خواهد بود. در [11] توان حقیقی و راکتیو به صورت جداگانه مد نظر قرار میگیرند و یک ضریب استخراج - Extraction Factor - ثابت در تمام طول خط انتقال در نظر گرفته میشود. این فرض بر جداسازی و تفکیک تلفات خط با نسبت مستقیم، بر صرف نظر کردن تأثیرات متقابل توان حقیقی و راکتیو بر روی تلفات حقیقی و راکتیو دلالت دارد.
تئوری گراف در [12] به کار گرفته شده است تا ردیابی شارش توان - Power Flow Tracing - را برای سیستمهای بدون شارشهای حلقهای انجام دهد. فرآیند ردیابی بر اساس فرضیهی خطوط بدون تلفات استوار است که طبق آن، با تلفات توان خط همانند یک تقاضا در هر دو پایانه - انتهای - خط، رفتار میشود. در [13]، روشی برای تفکیک و جداسازی تلفات حقیقی و راکتیو انتقال معرفی شده است و در [14] روش ارائه شده میتواند به صورت مستقل هم برای ردیابی توان حقیقی و هم توان راکتیو به کار گرفته شود.
از آنجا که توانهای مورد تقاضای بارها چگونگی شارش توان در شبکهی قدرت و در نتیجه میزان تلفات سیستم را مشخص مینمایند، در بسیاری از مطالعات، تلفات را صرفاً به بارهای سیستم تخصیص میدهند. به طور خلاصه در تحقیقات اخیر، تخصیص تلفات انتقال همراه با فرآیند ردیابی شارش توان همراه است. در این مقاله با استفاده از ایدهی مطرح شده در [15] از ردیابی مختلط که توان حقیقی و راکتیو را به صورت همزمان در نظر گرفته است، استفاده شده است. بدینترتیب اثرات متقابل شارش توانهای حقیقی و راکتیو بر روی یکدیگر لحاظ شده و نتایج حاصل به واقعیت نزدیکتر خواهد بود. لازم به ذکر است که روش ارائه شده نیازی به هیچگونه فرآیند وارونسازی ماتریس ندارد و در نتیجه محاسبات پیچیدهای نخواهد داشت.
در ادامه در بخش دوم اصول ردیابی شارش توان پیشنهادی تشریح شده است . الگوریتم تخصیص تلفات در بخش سوم بهصورت گام به گام و مدون در بخش سوم بیان شده است. در بخش چهارم شبکهی انتقال برق منطقهای باختر تشریح شده و نتایج حاصل از تخصیص تلفات در این شبکه ارائه شده است و در نهایت در بخش پنجم جمعبندی و نتیجهگیری این مقاله بیان شده است.
-2 اصول ردیابی شارش توان
الگوریتم ردیابی معرفی شده در این مقاله از نتایج شارش
توان و اصل تسهیم تناسبی استفاده می کند تا سهم هر بار از توان مختلط شارشیافته بین دو باس سیستم را مشخص کند. ترانسفرمرهای سیستم قدرت و خطوط انتقال بستر این شارش توان را فراهم مینمایند. در این کار امپدانس ترانسفرمرها بهصورت سری با خطوط در نظر گرفته شدهاست. لازم به ذکر است که صرفاً توان خروجی و ورودی به هر باس در فرآیند ارائه شده مهم است و فرض فوق، صرفاً برای تشریح سادهتر مسأله درنظر گرفته شده است. پس از فرایند ردیابی شارش توان، سهم هر یک از بارهای سیستم در تلفات تحمیلشده به آن خط مشخص میشود. یکی از چالشهای این فرآیند، تخصیص تلفات در خطوطی است که دارای بارگذاری سنگین و یا سبک باشند. چرا که در این حالت خط به صورت منبع یا مصرفکنندهی توان راکتیو رفتار میکند. برای نشان دادن این مطلب علاوه بر بارگذاری نرمال شبکه، بارگذاری سنگین و سبک شبکهی برق منطقهای باختر در نظر گرفته شده است.
هر خط انتقال می تواند توسط مدار معادل ، نمایش داده شود. برای خطوطی با طول متوسط، ادمیتانس موازی در هر پایانه، برابر با نصف ادمیتانس کل موازی خط می باشد و برای خطوط طولانی، پارامترهای شبکهی معادل از مدار تعمیم یافتهی خط قابل محاسبهاند. عناصر موازی مدار معادل خط، از جنس راکتیو بوده و به صورت تزریقهای راکتیو توان در گرههای انتهایی آن در نظر گرفته شدهاند. بدین ترتیب هر خط انتقال با توانهای مختلط سری ارسالی و دریافتی در ابتدا و انتهای آن مشخص میشود. الگوریتم ردیابی پیشنهادی، از این توانها برای محاسبهی ضرایب استخراج هر باس - گره - از هر خط استفاده مینماید.
در این مقاله، خط انتقال با دو مجموعه از ضرایب استخراج نمایش داده شده است که یکی از آن ها، در پایانهی ارسال و دیگری در پایانهی دریافت خط تعریف میشود. هر مجموعه حاوی دو ضریب استخراج، یکی برای توان حقیقی و دیگری برای توان راکتیو است. ضرایب پایانهی ارسال مثبت و ضرایب پایانهی دریافت منفی میباشند. علامت های متفاوت برای ضرایب استخراج نمایانگر جهتهای شارش توان حقیقی/راکتیو خواهند بود. در شکل 1 یک خط نشان داده شده است. از آنجاکه ضرایب استخراج برای توان حقیقی و راکتیو به طریقی مشابه تعریفمیشود؛ fil نشاندهندهی توان شارشیافته - هم حقیقی و هم راکتیو - از طریق خط l است که از گره i خارج میشود. اگر تزریق شبکه در گره i را با Mi و توان کل عبوری از گره i را با Fi نشان دهیم، آنگاه :
که φi مجموعه خطوطی هستند که با گره i تلاقی دارند؛ φpi مجموعه خطوطی هستند که توان خروجی از گره i در آنها شارش مییابد؛ و φni مجموعه خطوطی هستند که توان ورودی به گره i در آنها شارش مییابد.
بدین ترتیب ضریب استخراج در پایانهی ارسال بهصورت - 3 - تعریف میشود که بیانگر بخشی از توان عبوری از گره i است که توسط خط l حمل میشود .
در پایانهی دریافت، ضریب استخراج بیانگر بخشی از بار در گره j است که توسط خط l تأمین شده است. این ضریب بهصورت زیر تعریف میشود.
بنابراین ضرایب استخراج پایانهی دریافت تمام خطوطی که شارش توانی را به این گره حمل میکنند، صفر خواهد بود. با این وجود، این مقدار در یک عدد منفی کوچک، -α، تنظیم شده است، تا الگوریتم ردیابی شارش توان با مشکل مواجه نشود
ضرایب استخراج تعریفشده در بالا به مقدار توانهای شارشیافته در ابتدا و انتهای خطوط بستگی دارد. برای سادگی در محاسبات و روند الگوریتم ردیابی، ماتریسهای شارش خط برای توان حقیقی، FP، و راکتیو، FQ، که هر یک دارای Nb سطر می باشند.
شکل :2 خط انتقال با بارگذاری سنگین -که از دو انتها توان راکتیو جذب میکند- و ستون مربوط به آن در ماتریس ضرایب استخراج و Nl ستون میباشند، تعریف میشود. علامت درایهها با توجه به جهت توان شارشیافته مشخص میشود و برای شارشهای خروجی از هر باس، مثبت و برای شارشهای ورودی به باس، منفی میباشد.
با استفاده از ماتریسهای FP و FQ و روابط - 4 - - - 1 - ، دو ماتریس KP و KQ که اولی برای توان حقیقی و دومی برای توان راکتیو میباشند را تشکیل میدهیم. در ابتدای مرحلهی ردیابی، هر ستون تنها دو درایهی غیر صفر دارد؛ یک درایهی مثبت، که ضریب استخراج را در پایانهی ارسال خط نشان میدهد و یک درایهی منفی که بیانکنندهی ضریب استخراج درپایانهی دریافت است.
در برخی موارد، برخی ستونهای FQ، میتوانند حاوی دو درایهی مثبت و یا دو درایهی منفی باشند. حالت اول وقتی رخ میدهد که یک خط بارگذاری سنگینی دارد و در هر دو پایانهی خود توان راکتیو جذب میکند. این موضوع در شکل 2 نشان داده شدهاست. توان راکتیو جذب شده توسط خط، مصرف میشود تا توان حقیقی مورد نیاز را انتقال دهد. بنابراین، باید به بارهایی تخصیص داده شود که سبب پخش توان حقیقی از طریق خط میشوند.
در حالت دوم، بار کمی از خط انتقال عبور داده شدهاست و به علت افزایش اثر خازنی خط در این حالت، خط انتقال همچون یک منبع توان راکتیو عمل میکند و به هر دو پایانهی خود توان راکتیو تزریق مینماید. در این مقاله، یک گره اضافی در امتداد خطی که داری توان راکتیو ورودی/خروجی در هر دو پایانهاش است، اضافه میشود. این گره اضافه شده، یک گره جاذب/تولیدکننده راکتیو با تقاضای توان حقیقی صفر است و در نتیجهی با اضافه کردن این گره، این خط به دو خط تقسیم میشود. در نتیجه به ازای هر خطی از هر یک از این دو حالت، یک سطر و یک ستون به ابعاد KP و KQ اضافه میشود.
