مقاله جبران سازی اشباع ترانسفورماتور جریان برای رله های تفاضلی ترانسفورماتور

بخشی از مقاله

چکیده
اشباع ترانسفورماتور جریان - - CT1 تشخیص دقیق بین جریان خطای داخلی و جریان هجومی مغناطیسی یک ترانسفورماتور را تهدید میکند و عملکرد مناسب رلهی تفاضلی را به خطر میاندازد. بنابراین، جبرانسازی اشباع CT اساسا میتواند عملکرد و امنیت رلههای تفاضلی ترانسفورماتور را بهبود ببخشد. بنابراین، عملکرد مطمئن یک رلهی تفاضلی ترانسفورماتور منوط به اثرات نامطلوب اشباع CT است. درعین حال، بازسازی جریان ثانویهی یک CT اشباع شده اساسا میتواند آسیبپذیری طرحهای تفاضلی اشباع CT را تقلیل داده و عملکرد ایمن رلههای حفاظتی را تضمین کند.

در این مقاله، ضمن بررسی پدیده اشباع در CTهای حفاظتی، به مشکلات مربوط به آشکارسازی این پدیده و جبرانسازی جریان معوج ثانویه CT پرداخته شده است و بمنظور رفع مشکلات مطرح شده، روشهایی معرفی شده و نتایج حاصله در محیط نرمافزاری و بصورت مدلسازی با هم مقایسه گردیدهاند. سیستم قدرت نمونه با استفاده از نرمافزار PSCAD/EMTDCشبیهسازی میشود. ترانسفورماتورهای جریان مناسب با استفاده از مدل JILESATHERTON ، مبتنی بر ناحیهی اشباع خطی تخمینی طراحی میشوند. در الگوریتم پیشنهادی، فیلتر، بخشهای بریده شده از خروجی CT اشباع شده، ناشی از جریان خطا، را مجدداً تولید میکند. عملکرد سریع و مطمئن الگوریتم پیشنهادی، روش را برای جبرانسازی آنالین CT دارای قدرت کرده است.

واژه های کلیدی:ترانسفورماتور جریان، جریان خطا، اشباع، مشتق مرتبه سوم، جبرانسازی سیگنال

-1مقدمه

در سیستمهای قدرت برای اهداف اندازهگیری و حفاظت تجهیزات عموماً از ترانسفورماتورهای جریان استفاده میشود. اما به دلیل خاصیت غیرخطی هسته آهنی آنها در اثر عبور جریانهای شدید اتصال کوتاه خصوصاً زمانیکه این جریانها حاوی بخش DC میراشونده باشند به اشباع رفته و جریان ثانویه دیگر ضریبی از جریان اولیه نمیباشد.*اشباع ترانسفورماتور جریان موجب اختلال شدیدی در شکل موجهای جریان اندازهگیری شده میشود که این اختلال ممکن است به مشکلاتی جدی در عملکرد مناسب رلههای حفاظتی منجر گردد .[1]دو عامل اصلی اشباع CT به خصوص برای رلههای تفاضلی ترانسفورماتور عبارتند از: 1 - اشباع CT ناشی از مولفه DC میراشوندهی نمائی جریان خطا و 2 - اشباع CT ناشی از مولفه DC بزرگ جریان هجومی .[2] بنابراین، عملکرد مطمئن یک رلهی تفاضلی ترانسفورماتور منوط به اثرات نامطلوب اشباع CT است.چندین رویکرد در مقالات جهت جبرانسازی اشباع CT و اجتناب از اثر نامطلوب آن روی عملکرد رله ارائه شدهاند. آنها عبارتند از:

- 1 بازسازی جریان خروجی CT با استفاده از جریان ثانویه در خلال وقفهی غیراشباع که به استخراج مولفههای اصلی و DCمیراشوندهی جریان اولیه کمک میکند .[10]-[3] اگرچه این روشها غالبا در مقابل نویز ایمن هستند [10]، با اینحال آنها ذاتا به شکل موج جریان وابسته هستند. بنابراین این روشها ممکن است به نتایج غیرقابل قبولی برای هر شکل موجی به غیر از جریان خطای از پیش تعیین شده منجر شوند. علاوه براین، اشباع CT سریع ممکن است به دلیل وقفهی زمانی غیراشباع کمینه مورد نیاز فیلتر تخمین فاز جهت استخراج دقیق مولفههای جریان اصلی، به درستی بازسازی نشود.

2 - اصلاح خروجی CT اشباع شده با استفاده زا شبکههای عصبی مصنوعی - ANNها - .[16]-[11] این روشها معمولا به یک مقدار قابل توجهی از دادههای آموزشی نیاز دارند و ممکن است خروجی مناسبی برای سیستمها و پارامترهای CT مختلف فراهم نکند. [3]

- 3 بازسازی جریان ثانویهی CT اختلالی با استفاده از یک مدل CT تقریبی [17]و .[18] در این روشها معمولافرض میشود که چگالی مغناطیسی در لحظهی آغاز به کار اشباع برابر نقطهی زانویی چگالی منحنی مغناطیسی CTاست .[17] با این حال، نقاط شروع استفاده شده در این الگوریتمها ممکن است دارای انحرافاتی از مقدار حقیقیشان به دلیل اختلال ناشی از نویز داشته باشند.[19]در این مقاله، به منظور آشکارسازی اشباع CT، از روش مشتق مرتبه سوم استفاده میگردد. همچنین از یک فیلتر جبرانسازی جدید جهت بازسازی خروجی CT اشباع شده معرفی شده است. در این فیلتر دو روش 1 و 3 جهت دستیابی به یک فیلتر قدرتمند با هم ترکیب شدهاند که از شکل موج جریان خطا نمونه مستقل میباشد.بخشهای مختلف این مقاله به شرح ذیل دستهبندی میگردند؛ در بخش 2 روش پیشنهادی آشکارسازی اشباع CT، ارائه شده، در بخش 3 شبیهسازی الگوریتم آشکارسازی اشباع CT آورده شده است. الگوریتم جبرانسازی اشباع CT، شبیهسازیها و نمودارهای جریان خطای اولیه، جریان اشباع شده ثانویه، جریان جبرانسازی شده و ... در بخش 4و5 آورده شده و نهایتا مقاله با نتیجهگیری در بخش6 به اتمام رسیده است.

-2 آشکارسازی اشباع CT مبتنی بر روش مشتق مرتبه سوم

آشکارسازی پدیده اشباع CT با استفاده از مشتق مرتبه سوم مبتنی بر این اصل است که جریان ثانویه در هنگام شروع و خاتمه اشباع دارای ناصافیهایی میباشد و مشتق مرتبه اول در این نقاط ناپیوسته خواهد بود و لذا مقدار این ناپیوستگیها در مشتقات مرتبه دوم و سوم بزرگتر میشود؛ در نتیجه میتوان از آن برای آشکارسازی اشباع استفاده نمود. مطابق شکل 1، اگر در هر لحظه بتوان با استفاده از نمونه مربوط به آن لحظه و نمونههای ماقبل آن، مقدار نمونه بعدی جریان را پیشبینی کرد میتوان زمان شروع اشباع را با استفاده از مقایسهی مقدار نمونهی پیشبینیشده   و نمونه واقعی جریان ثانویه   تعیین نمود.[20]

به منظور پیشبینی نمونه جریان، سادهترین و در عینحال سریعترین روش در فاصله زمانی بین دو نمونه، استفاده از مشتق مرتبه اول جریان اولیه است. از اینرو، با فرض اینکه مشتق مرتبه اول جریان در نقاط - n - و - n-1 - با مشتق مرتبه اول جریان در نقاط -1 - - n و - n-2 - برابر باشد، روابطه - 1 - و - 2 - حاصل خواهد شد:  اگر فرض درنظرگرفتهشده برای مشتق مرتبه دوم جریان نیز در نظر گرفته شود، رابطه - - 3 حاصل میگردد:بر این اساس برای بهبود دقت، اگر فرض درنظرگرفتهشده برای مشتق مرتبه سوم جریان نیز اعمال شود، رابطه - 4 - استخراج میگردد .[20]در شکل - 2 - نتیجه تخمین جریان با استفاده از سه روش ارائه شده، نشان داده شده است. در این شکل قسمتهای الف، ب و ج بترتیب مربوط به تخمین جریان با استفاده از مشتقات مرتبه اول، دوم و سوم است.

در واقع در لحظهی وقوع اشباع، شیب سیگنال جریان نسبت به حالت قبل - زمانیکه سیگنال سینوسی میباشد - تغییر میکند.[22] از آنجاییکه مشتقات مرتبه اول، دوم و سوم بترتیب شیب، تقعر و تغییرات تقعر را بیان میکنند، آشکارسازی شروع پدیده اشباع با استفاده از مشتق مرتبه سوم از دقت بیشتری برخوردار است. این مسئله در شکل - 2 - نیز مشخص است که دقت هر روش با افزایش مرتبهی مشتق افزایش یافته و خطای کمتری برای تقریب سیگنال را دارا است.در این روش هنگامیکه اختلاف نمونه تخمینزده شده - - و نمونه واقعی - - جریان، مطابق رابطه - 5 - از یک مقدار معین بیشتر شود، نشاندهنده وقوع پدیده اشباع است.

همانطور که در رابطهی - 5 - نشان داده شده است، اشباع CT زمانی تشخیص داده میشود که قدرمطلق نمونهی تخمینی بالاتر ازآستانهای شود که نمونهی اندازهگیری شدهی واقعی   میباشد. با این حال، این روش احتمالا توسط تغییرات شدید جریان هجومی ترانسفورماتور تهدید میشود، زمانیکه جریان هجومی وارد یا داخل ناحیهی جریان-صفر میشود. در این حالت، تغییرات شدید جریان هجومی به اشتباه به عنوان آغاز اشباعCT شناخته شده است. برای حل مشکل ذکرشده، این مقاله یک روش حل ابتکاری ارائه میدهد. اختلاف اصلی بین شروع اشباع یک ترانسفورماتور قدرت و یک CT این است که هنگامیکه CT اشباع میشود، جریان خروجی آن به صفر میل میکند، اما زمانیکه ترانسفورماتور قدرت اشباع میشود، دامنهی جریان اولیهی CT افزایش مییابد.

بنابراین، یک تابع sgn - علامت - میتواند به راحتی این دو حالت را همانطور که در رابطهی - - 6 نشان داده شده است، از هم تشخیص دهد. علاوه براین، یک محدودهی فعالسازی در رابطهی - 7 - جهت بهبود عملکرد رابطهی - 6 - در جریانهای تخمینی نزدیک به صفر تعریف شده است.[21]که  آستانهی محدودهی فعالسازی و  مقدار خطای بیشینهی تخمین است. زمانیکه هردو رابطهی - 6 - و - - 7 برآورده گردند، CT اشباع شده در نظر گرفته میشود. در این روش پایان وقفه اشباع میتواند لحظه ای تشخیص داده شود که دامنه شار آنی به کمتر از مقداری سقوط کند که مربوط به نقطه اشباع است.

-3شبیهسازی الگوریتم تشخیص اشباع و مدلسازی CT

در مراجع مختلف از جمله مراجع [24] -[22] مدلهای گوناگونی برای CT ارائه شده است که میتوان از آنها برای تجزیه و تحلیل حالتهای گذرای الکترومغناطیسی استفاده نمود. در تمامی مدلهای ارائه شده، دقت مدل به چگونگی مدلسازی مغناطیسی هسته وابسته بوده و در واقع تفاوت بین روشهای مختلف مدلسازی از تفاوت بین روشهای مدلسازی هسته ناشی میگردد. در این مقاله، ترانسفورماتورهای جریان مناسب با استفاده از مدل [25] JILESATHERTON، مبتنی بر ناحیه اشباع خطی تخمینی به کار گرفته شده در مراجع [22] و [27-26]، طراحی میشوند. شبکه نمونه مورد بررسی در این مقاله نیز قسمتی از شبکه سراسری برق ایران میباشد، که در نرمافزار PSCAD/EMTDC مدلسازی شده است. در شکل 3 نمودار تک خطی این شبکه نشان داده شده است.

-1-3پیادهسازی روش مشتق مرتبه سوم

در این بخش، عملکرد روش پیشنهادی در تشخیص اشباع CT مورد بررسی قرار گرفته است. خطا سه فازی در فیدر 1، مجاور به باسبار در t= 250ms شبیهسازی شده است و سیگنالهای لازم برای پیادهسازی الگوریتم معرفی شده در محیط نرمافزار MATLAB، استخراج گردیده است. با پیادهسازی الگوریتم شناسایی اشباع بر روی سیگنال خروجی CT سیگنالهایی مطابق شکلهای 5و 6 حاصل شده که در محلهای شروع اشباع دارای جهشهایی میباشند. . با توجه به روابط - 6 - و - 7 - ، زمانی که این روابط به صورت همزمان برقرار باشند، به راحتی می توان شروع پدیده اشباع را آشکارسازی نمود.