بخشی از مقاله
چکیده
حفاظت با استفاده مولفههای گذرا میتواند بر معایب حفاظتهای مرسوم با استفاده از مولفههای فرکانس شبکه غلبه کند. در این مقاله روش جدیدی برای حفاظت باسبار با سرعت فوق العاده سریع با استفاده از مولفههای گذرای ایجاد شده در سیگنالهای جریان، ارائه شده است. در این روش با بکارگیری فیلتر دیجیتال ACUSUM و استفاده از مولفههای تحمیلی سیگنالهای جریان،حفاظت باسبار با الگوریتمی ساده ارائه شده است. نتایج ارزیابی عملکرد الگوریتم پیشنهادی به ازای شبیهسازی مدل پست 400 کیلو ولت اراک 1 در نرمافزار EMTP/ATP-Draw، حاکی از دارا بودن حساسیت و قابلیت اتکا بالا در تفکیک خطاهای خارجی ازداخلی به همراه سرعت عملکرد فوق العاده سریع است.
کلمات کلیدی:سیگنال جریان، مولفههای گذرا، ACUSUM، حفاظت باسبار، پست.
-1 مقدمه
تجهیزات شبکه قدرت مانند ترانسفورماتورها، خطوط انتقال و بارها در سطح انتقال به باسبار متصل میباشند، به همین دلیل باسبار نقش حیاتی در سیستم قدرت دارد. زمانی که خطا بر روی باسبار رخ دهد، تجهیزات حفاظت باسبار باید به سرعت تمام المانهای متصل شده به آن را جدا کنند. یک اقدام حفاظتی اشتباه ممکن است خروج قابل توجهی از مدارها را در بر داشته باشد و ایمنی تجهیزات را تهدید کند. به منظور ایجاد محدودیت در آسیبهای ایجاد شده ناشی از وقوع خطا بر تجهیزات و حفظ پایداری و جلوگیری از بیبرق شدن کامل پست، لازم است که حفاظت باسبار علاوه بر داشتن حساسیت و قابلیت اتکا بالا از یک سو و از سوی دیگر امنیت بسیار زیاد، دارای سرعت عملکرد بالایی باشد .[1]
طرحهای اولیهی الگوریتمهای ارائه شده برای حفاظت باسبار بر مبنای فرکانس شبکه بودند و حتی در سالهای اخیر هم روشهایی مبتنی بر این اساس ارائه شده است. به دلیل مشکلاتی مانند تأثیر اشباع ترانسفورماتور جریان به علت وقوع خطای خارجی بر الگوریتم حفاظتی [2]، حساسیت به جریان بار[3]، حساسیت به مقاومت خطا [4]، طولانی شدن زمان ارسال فرمان تریپ در صورت نیاز به علت استفاده از فیلترهای پایین گذر[5] و ...، که در الگوریتمهای حفاظت باسبار براساس مولفههای فرکانس شبکه وجود داشتند، الگوریتمهای حفاظت باسبار با استفاده از مولفههای گذرا مطرح شدند .
در عمل مولفههای گذرای موج ایجاد شده در اثر وقوع خطا، در بردارندهی اطلاعات مفیدی مانند نوع خطا، زمان خطا و جهت خطا میباشد که اگر این مشخصات خطا به طور دقیق استخراج شوند، منطق حفاظت با سرعت بالا میتواند طراحی شود.[5]روشهایی همچون استفاده از انتگرال امواج سیار رفت و برگشت ولتاژ [5]، تفاوت جهت مولفههای گذرای جریان هنگام وقوع خطا [4]، استفاده از موج سیار جریان با بکارگیری ابزار ریختشناسی ریاضیاتی برای استخراج مولفههای گذرا [6] و استفاده از انرژی گذرای خطوط با استفاده از امواج سیار ولتاژ و جریان [3]، از جمله روشهای حفاظت باسبار به کمک امواج گذرا محسوب میشوند.در این مقاله روش جدیدی برای حفاظت باسبار با استفاده از مولفه-های گذرا ارائه شده است.
در این روش با استفاده از مولفههای تحمیلی سیگنالهای جریان موجود در سطح پست و استفاده از فیلتر دیجیتال-1ACUSUMبهبود یافته، مولفههای فرکانس بالای سیگنالهای جریان استخراج میشوند و تنها با استفاده از شاخصهای فیلتر دیجیتال ACUSUM بهبود یافته، تشخیص خطای داخلی باسبار از خطای خارجی آن صورت میگیرد. انواع مختلف خطا در محلهای مختلف و به ازای مقادیر مختلف مقاومت خطا و زاویههای مختلف شروع خطا در پست 400 کیلو ولت 1/5 کلیدی شبیهسازی شده است. با توجه به نتایج حاصل شده از شبیهسازی، الگوریتم پیشنهادی علاوه بر داشتن حساسیت و قابلیت اتکا بالا، در زمان وقوع خطا در ناحیهی باسبار دارای سرعت عملکرد بسیار بالایی در تشخیص خطای داخلی باسبار میباشد.
-2 قابلیتهای مورد نیاز برای حفاظت باسبار
دو پارامتر مهم در تحقق اجرای الگوریتم حفاظتی منطبق بر شرایط واقعی، نحوهی استخراج سیگنالهای ولتاژ و جریان و ابزار مورد نیاز برای پردازش سیگنالهای اندازهگیری شده میباشند. در ادامه این دو پارامتر مهم تشریح شدهاند.
-1-2 تجهیزات اندازهگیری
ترانسفورماتورهای ولتاژ پست به دلیل نداشتن پاسخ فرکانسی مطلوب، قادر به عبور حالتهای گذرا نمیباشند [7]، به همین دلیل استفاده از این ابزار اندازهگیری برای استخراج مولفههای گذرا عملی نمیباشد. ترانسفورماتورهای جریان پست هم تنها تا فرکانس 50 کیلو هرتز دارای دقت مناسب میباشند [8]، به همین دلیل در این مقاله تنها از سیگنالهای جریان در پست با فرکانس نمونهبرداری 100 کیلو هرتز استفاد شده است.
-2-2 فیلتر دیجیتال ACUSUM بهبود یافته
الگوریتم ACUSUM برای اولین بار در سال 2013 در [9] معرفی شد. به عنوان یک روش تشخیص دهندهی خطا، الگوریتم ACUSUM نمونههای سیگنال جریان در هر گام زمانی را به صورت دو سیگنال S1k و S2k مطابق روابط - 1 - و - 2 - مورد استفاده قرار میدهد.در روابط - 1 - و - 2 - ، yk بیانگر نمونهی سیگنال جریان در گام زمانی kاُم است. در گام بعدی الگوریتم، دو شاخص مطابق روابط - 3 - و - 4 - محاسبه میشوند.در روابط - 3 - و - 4 - ، P1k نشان دهندهی وقوع خطا در نیم سیکل مثبت سیگنال جریان، P2k نشان دهندهی وقوع خطا در نیم سیکلمنفی سیگنال جریان،بیانگر آخرین تخمین صورت گرفته ازدامنهی سیگنال جریان پنجرهی اطلاعاتی k نمونهی قبل و پارامتری قابل تنظیم است. مطابق پیشنهاد ارائه شده در [9]، در این مقاله k برابر 3 و برابر با 1 در نظر گرفته شده است.
شاخص معرفی شده در [9] برای اعلام وقوع خطا، شاخصی است با نام erp که مطابق رابطهی - 5 - تعریف میشود.مطابق تعریف صورت گرفته در 5 - ، - صرفاً از تغییر مقدار erp از صفر به +1 نمیتوان متوجه شد که این تغییر ناشی از سیگنال P1 است یا سیگنال P2، به همین دلیل در این مقاله به منظور تشخیص این موضوع، مطابق رابطهی - 6 - و - 7 - ، از دو شاخص به نامهای era و erbاستفاده شده است.مطابق رابطهی - 6 - هرگاه ایجاد تغییرات در سیگنال اصلی در ناحیه-ی مثبت شکل موج رخ دهد، شاخص era مقدار +1 میگیرد و مطابق رابطهی 7 - - ، هرگاه ایجاد تغییرات در سیگنال اصلی در ناحیهی منفی شکل موج رخ داده باشد، شاخص erb مقدار +1 میشود، بنابراین تنها با استفاده از شاخصهای era و erb میتوان فهمید که تغییرات در کدام ناحیه از شکل موج رخ داده است.
-3 ساختار الگوریتم پیشنهادی
در این قسمت الگوریتم پیشنهادی برای تشخیص خطای داخلی باسبار تشریح شده است. شکل 1 ساختار تک خطی حفاظتی پست 400 کیلو ولت اراک 1 را با آرایش 1/5 کلیدی نشان میدهد. ناحیهی حفاظتی باسبارهای 1 و 2 با خط چین مشخص شده اند .[10]در ادامه نحوهی اجرای گام به گام الگوریتم پیشنهادی تشریح شده است.
گام اول: نمونهبرداری از سیگنالهای جریان ترانسفورماتورهای جریان با فرکانس 100 کیلو هرتز نمونهبرداری میشود.
گام دوم: محاسبه مولفه تحمیلی مولفههای تحمیلی سیگنالهای جریان از طریق حاصل تفریق نمونهی حاضر از نمونهی یک سیکل قبل، محاسبه میشود.
گام سوم: انتخاب فاز شاخص فاز شاخص به منظور ارزیابی شاخصهای الگوریتم انتخاب میشود. انتخاب فاز شاخص بدین صورت است که ابتدا در هر فاز بصورت مجزا، از میان مقادیر خروجی سیگنال-های P1 و P2، فاز دارای مقدار اندازهی بیشینه انتخاب میشود، سپس با مقایسهی مقادیر بیشینهی انتخاب شده در هر فاز، فازی که دارای بزرگترین مقدار بیشینه باشد، به عنوان فاز شاخص در سیگنالهای P1 و P2 انتخاب میشود و در آخر با مقایسهی مقادیر بیشینهی انتخاب شده در سیگنالهای P1 و P2، فازی که دارای اندازهی بزرگتری باشد، به عنوان فاز شاخص نهایی الگوریتم در آن گام زمانی که الگوریتم در حال اجرا است، انتخاب میشود.
گام چهارم: تشخیص خطای داخلی باسبار ارزیابی شاخصهای الگوریتم بر حسب مقادیر فاز شاخص انتخاب شده در ادامه تشریح شده است.
• اگر خطا در ناحیه حفاظتی باسبار 1 رخ دهد و شاخص erb در ترانسفورماتور جریان 1 فعال و مقدار +1 بگیرد، به دلیل اینکه اولین نمونهی تشخیص داده شده توسط هر دو ترانسفورماتور جریان 1 و 6 هم پلاریته است، شاخص erb نیز در ترانسفورماتور جریان 6 فعال ومقدار +1 میگیرد، بنابراین در این حالت شاخص erb16 مطابق تعریف رابطهی - 8 - ، برابر با +1 میشود. در این حالت به دلیل اینکه دو شاخص erb و era در یک ترانسفورماتور جریان به طور همزمان نمیتوانند فعال شوند، شاخص era16 مطابق تعریف رابطهی - 9 - ، برابر با حالت مبهم صفر/ صفر - در جدول نتایج با "-" نشان داده شده است - میشود.
• مشابه توضیحات ذکر شده در حالت وقوع خطا در باسبار 1، اگر خطا در ناحیه حفاظتی باسبار 2 رخ دهد و شاخص era در ترانسفورماتور جریان 3 فعال و مقدار +1 بگیرد، شاخص era34 مطابق تعریف رابطهی 10 - - ، برابر با +1 و شاخص erb34 مطابق تعریف رابطهی - 11 - ، برابر با حالت مبهم صفر/ صفر میشود و اگر شاخص erb در ترانسفورماتور جریان 3 فعال و مقدار +1 بگیرد، شاخص erb34 برابر با +1 و شاخص era34 برابر با حالت مبهم صفر/ صفر میشود.
گام پنجم: تفکیک خطای داخلی باسبار 1 از باسبار 2 اگر خطا در ناحیه حفاظتی باسبار 1 رخ دهد و سیگنال P1 از ترانسفورماتور جریان 1 مقدار بگیرد، به دلیل وجود خازنهای نشتی در فاصلهی میان دو ترانسفورماتور جریان 1 و 3، بخشی از حالتهای گذرای ایجاد شده - مخصوصاً فرکانسهای بالا - از طریق خازنهای نشتی به زمین منتقل میشوند [11]، در نتیجه دامنهی سیگنال P1 از ترانسفورماتور جریان 1 از دامنهی سیگنال P2 از ترانسفورماتور جریان 3 بیشتر میشود، بنابراین مقدار شاخص P1,CT1/P2,CT3 بزرگتر از +1 میگردد و اگر خطا در ناحیه حفاظتی باسبار 2 رخ دهد و سیگنال P1 از ترانسفورماتور جریان 3 مقدار بگیرد، شاخص P1,CT3/P2,CT1 بزرگتر از +1 میشود.
• اگر خطا در ناحیه حفاظتی باسبار 1 رخ دهد و سیگنال P2 از ترانسفورماتور جریان 1 مقدار بگیرد، به دلیل اثر تضعیف کنندگی خازنهای نشتی، شاخص P1,CT3/P2,CT1 کوچکتر از +1 میشود و اگر خطا در ناحیهی حفاظتی باسبار 2 رخ دهد و سیگنال P2 از ترانسفورماتور جریان 3 مقدار بگیرد، شاخص P1,CT1/P2,CT3 کوچکتر از +1 میشود.
