بخشی از مقاله
چکیده
تأمین امنیت انرژی در شرایط بحرانی که از شاخصهای مهم پدافند غیرعامل است، موجب استفاده از انرژیهای نو و افزایش ضریب نفوذ منابع تولید پراکنده در پایگاهها و مرکز استراتژیک نظامی شده است . در هنگام قطع برق شبکه سرا سری، حفظ پایداری این ریز شبکهها اهمیت فراوانی دارد . برای کنترل در ریز شبکههای جزیره شده میبایست تعادل تولید و مصرف همواره برقرار شود . در این مقاله برای برقراری تعادل تولید و مصرف در کوتاهمدت، از بار زدایی فرکانسی با در نظر گرفتن نرخ تغییرات فرکانس استفادهشده است. زیرا به علت عدم قطعیت تولید، نبود توان رزرو، اینرسی کم و نوسانات فرکانسی ناشی از منابع انرژیهای نو در ریز شبکهها، کنترل فرکانس با روشهای مرسوم امکانپذیر نیست. بهمنظور راستی آزمایی الگوریتم پیشنهادی، مدل بر روی یک شبکه واقعی بهوسیله نرمافزار DigSILENT باحالت بحرانی شبیهسازیشده است. نتایج شبیهسازی، نشاندهنده کار آیی روش پیشنهادی است.
کلمات کلیدی: پدافند غیرعامل، ریز شبکه، نرخ تغییرات فرکانس، منابع تجدید پذیر، بار زدایی.
.1 مقدمه
امروزه، با توجه به وقوع حوادث طبیعی، جنگ، انجام عملیات سایبری، جنگهای مغناطیسی، نفوذ و خرابکاری که جزء مهمترین تهدیدات صنعت برق میباشند، بهکارگیری فناوریهای جدید بهمنظور بهرهبرداری و استفاده صحیح و بهینه از انرژی الکتریکی در حوزه تولید، انتقال و توزیع اجتنابناپذیر هست. ازاینرو یکی از مهمترین راهکارهای مواجهه با این تهدیدات، بهکارگیری مفهوم پدافند غیرعامل یا دفاع در برابر تهاجم بدون استفاده از سلاح در برنامهریزی، توسعه بهرهبرداری شبکههای برق بهعنوان پشتوانه اقتدار ملی هست.[1]پدافند غیرعامل به کلیه اقدامات و تدابیری گفته میشود که موجب افزایش پایداری، تداوم فعالیتهای ضروری کشور کاهش آسیبپذیری، افزایش هزینههای دشمن و تسهیل مدیریت بحران در برابر تهدیدات دشمن و اقدامات نظامی دشمن میگردد و بهکارگیری آنها مستلزم استفاده از سلاح نیست .
چنانچه اصول مربوط به پدافند غیرعامل در احداث و یا تقویت دستگاههای تأمین انرژی سایتهای دفاعی رعایت نشود، حملات دشمن میتواند منجر به خسارتهای جبرانناپذیر و ازکارافتادن این مراکز شود. ازجمله نکات مهم در کاهش آسیبپذیری تأمین انرژی الکتریکی، توجه به اصول و قواعد پدافند غیرعامل ازجمله کوچکسازی، متعدد سازی، متنوع سازی و پراکندهسازی است.[2]در یک نگاه اجمالی میتوان پدافند غیرعامل را مجموعهای از تمهیدات، اقدامات و طرحهایی دانست که با استفاده از ابزار و شرایط موجود و حتیالمقدور بدون نیاز به اعمال نیروی انسانی، بهصورت خوداتکا انجام میگیرند .استتار و اختفا، پراکندگی و مقاومسازی و استحکام، مفاهیمی هستند که در اکثر منابع علمی و نظامی دنیا، بهعنوان اصول پدافند غیرعامل شناختهشده و در طراحی و اقدامات اجرایی مورد توجه قرار می گیرند.
با توجه به اصل استتار و اختفاء که مربوط به حفاظت از نیروها و تأسیسات از دید دشمن است، نیروگاههای عمده تولید برق با در نظر داشتن وسعت فضای اشغال یافته توسط تجهیزات بخش تولید، عملا نمی توانند بستری برای اجرای این اصل فراهم آورند. حالآنکه منابع انرژی تجدید پذیر به دلیل عدم نیاز به سامانههایی خنککننده، مخزنهای سوخت و غیره، به نسبت توان تولیدی خود، به ابعاد و فضای کمتری برای تولید توان نیاز دارند. ازاینرو میتوان گفت بهکارگیری این منابع میتواند به نحوی دربردارندِ اصل اختفاء و استتار باشد. همچنین با توجه به توزیع بهتر شرایط لازم جغرافیایی برای بهرهبرداری از این منابع در مقایسه با منابع فسیلی، این منابع با امکان نصب بهصورت پراکنده قادرند تا حدود تمرکز دایی لازم را در بخش تولید ایجاد کنند. [3 ]
یکی از اقداماتی که در زمان جنگ توسط دشمن انجام میشود، تخریب زیرساختهای حیاتی و گسترده ازجمله ایجاد اختلال در برقرسانی به محیطهای حساس و مهم مانند سایتهای استقراری نیروهای مسلح است. درنتیجه بروز خاموشیهای گسترده و طولانیمدت در سایتهای فرماندهی نیروهای مسلح، ارتباط یگانها و عملیات لجستیکی و تدارکات مختل میشود؛ بنابراین، استفاده از منابع تولید پراکنده تجدید پذیر بادی و خورشیدی برای پایگاههای نظامی حساس رواج یافته است تا اینکه بتوان تغذیه پایدار سایتهای فوق را در شرایط بحران تضمین کرده و شاخص پدافند غیرعامل را افزایش داد. بهطور نمونه ارتش آمریکا در افغانستان با مشکل تهاجم القاعده به کاروانهای سوخترسانی برای پایگاههای خود مواجه شده که بهمنظور گذر از این بحران به سمت سایتهای هیبریدی شامل انرژیهای نو گام برداشته و در این زمینه سرمایهگذاری هنگفتی کرده است. [4]
در ریز شبکه جزیره شده کنترل فرکانس بسیار بااهمیت است. استانداردهای موجود در این زمینه ازجمله IEEE1547 روزبهروز کاملتر شده و روشهای جدیدی بهمنظور بهرهبرداری از ریز شبکهها در زمان قطع برق شبکه سرا سری ارائه میشود. در ریز شبکهها به دلیل وجود عدم قطعیت در منابع انرژی ازجمله بادی و خورشیدی، برنامهریزی سمت بار اهمیت زیادی دارد . مدیریت سمت تقاضا شامل جابهجایی بار، باردهی، شکلدهی بار و بار زدایی است. ریز شبکه موردمطالعه یک سایت نظامی است که کنترل بارهای آن در اختیار مدیر/ فرمانده سایت است. برای بار زدایی در ریز شبکهها میبایست به ویژگیهای خاص آنها و منابع انرژی نو توجه ویژه داشت. عدم قطعیت تولید و نبود توان رزرو، اینرسی کم و نوسانات فرکانس ناشی از منابع انرژیای نو در ریز شبکه، کنترل فرکانس را دشوارتر میکند.
در این مقاله، شرایط آفند دشمن اینگونه در نظر گرفتهشده که به علت حمله نظامی دشمن، ارتباط سامانه الکتریکی سایت نظامی با شبکه سرا سری برق قطع میشود. ریز شبکهای که برای سایتهای نظامی در شرایط اضطراری طراحی میشود میبایست دارای شاخصهای پدافند غیرعامل بسیار بالایی باشد. بدین منظور علاوه بر حفظ تداوم برقرسانی لازم است سادهترین سبک کنترل و مدیریت در آن دیده شود چراکه در شرایط بحرانی دسترسی به نیروی متخصص برای مدیریت سامانه دشوار است . در شرایط اضطراری که عدم تعادل تولید و مصرف شدیدتر شود، بهناچار میبایست بار زدایی انجام گیرد. در این مقاله ریز شبکه مورد نظر فاقد ادوات ذخیره کننده انرژی بوده و برای ایجاد تعادل بین تولید و مصرف از بارهای قابل کاهش/قطع استفاده میشود. [4]
.2 متوسط نرخ تغییرات فرکانس
نرخ تغییرات فرکانس اندازهگیری شده توسط رلهها بهصورت لحظهای هستند و همردیف تابع مشتق فرکانس تعریف میشوند. در بعضی موارد تنها نظارت لحظهای بر مقادیر لحظهای میتواند گمراهکننده باشد چون نرخ تغییرات فرکانس ممکن است بهصورت غیرخطی باشد، ازاینرو برخی از رلهها برای اندازهگیری و نظارت بر متوسط نرخ تغییرات فرکانس سیستم در نظر گرفته میشوند شکل 1 نحوی محاسبه متوسط نرخ تغییرات فرکانس را نشان میدهد.[5]
.3 طرح بار زدایی پیشنهادشده
در اولین قدم باید نرخ تغییرات فرکانس متناسب با تکتک بارهای سیستم - RoCoFi - تعیین گردد. بدین منظور شبکه موردنظر را شبیهسازی کرده و سپس میزان کسری توان در پی جزیرهای شدن را با اصلاح سایر بارهای سیستم برابر با مقدار بار موردنظر قرار داده و جزیره سازی تعمدی را اعمال میکنیم. این فرایند برای تمامی بارهای سیستم انجامشده سپس با توجه به اهمیت بارها آنها را به بارهای حیاتی - بااهمیت زیاد - ، بارهای نیمه حیاتی - بااهمیت متوسط - ،بارهای غیر حیاتی - کماهمیت - اولویتبندی کرده و RoCoFرا محاسبه میکنیم. فرکانس در هر نیم سیکل اندازهگیری شده و RoCoF محاسبه میشود. اگر اندازه RoCoF کوچکتر از RoCoF - RoCoFLL وابسته به کوچکترین بار - بود، روش پیشنهادی برای افت فرکانس به زیر مقدار fset - کمترین محدوده فرکانس مجاز - صبر خواهد کرد، چون کاهش در فرکانس میتواند ناشی از بعضی از رویدادهای عادی باشد و فرکانس ممکن است بعد از مدتی پایدار شود.
با توجه به نتایج شبیهسازیها fset در این روش برابر با 49.5 Hz در نظر گرفته میشود. اگر RoCoF محاسبهشده کمتر از RoCoFLL باشد مقداری از بارها باید سریعاً قطع شوند. تعداد بارهایی که باید قطع شوند با توجه به میزان نرخ تغییرات فرکانس در پی جزیرهای شدن تعیینشده و هر یک از آنها بعد از گذشت یکزمان تأخیر - t =80ms - از سیستم قطع میشوند. برای تعیین مقدار باری که باید قطع شود، RoCoF محاسبهشده بعد از جزیرهای شدن با نرخ تغییرات فرکانس تجمعی - RoCoFi این بارها افت فرکانس سیستم سریعاً متوقفشده ماندگار باشد که برای برطرف کردن این موضوع، متناسب با ردیف بارها در جدول مقایسه شده و تعداد بارهایی که باید قطع شوند تعیین میشود.
با قطع و بهتدریج به محدوده مجاز - fset - خود بازمیگردد اما ممکن است بعد از گذشت زمان دارای خطای حالت در ادامه استراتژی پیشنهادی به مدت دهنیم سیکل 0.1 - ثانیه - میزان شیب فرکانس - df/dt - را اندازهگیری میکند، اگر تمام این مدت شیب فرکانس منفی باشد و فرکانس سیستم نیز از محدوده مجاز نامی fss - در این طرح fss = f 0.05 Hz فرض میشود - کمتر باشد با توجه به فرصت زمانی که بعد از قطع مرحله اول بارها ایجادشده است، باری که کوچکترین نرخ تغییرات فرکانس را داشته باشد از سیستم قطع میشود. پس از بازگشت فرکانس به محدوده مجاز فرکانس نامی، بار زدایی متوقفشده و تا بروز اغتشاش بعدی منتظر میماند7 ]،. [8
.4سیستم نمونه جهت شبیهسازی
برای اجرای روش بار زدایی پیشنهادشده از سیستم نمونه IEEE با 37 فیدر استفاده میشود که در شکل 2 نمونه دیاگرام تکخطی آن نشان دادهشده است، این سیستم نمونه در سال 1992 توسط کمیته تحقیقات شبکه توزیع IEEE تهیه گردیده مربوط به قسمتی از شبکه توزیع کالیفرنیا هست9 ]،.[10
