بخشی از مقاله
چکیده
پدیده ی خروج از سنکرون - LOS - 1 در ژنراتورهای نیروگاهی می تواند به دو دلیل عمده ی خروج از همگامی - OOS - 2 و قطع تحریک - LOE - 3 رخ دهد که توسط الگوریتمهای حفاظتی جداگانه ای تشخیص داده می شوند وعمدتاٌ مبتنی بر اندازه گیری امپدانس در پایانه ی ژنراتور عمل می کنند. تنظیمات دشوار و عملکرد نامطمئن این سیستمهای حفاظتی در مواجهه با شرایط گذرای سیستم قدرت از جمله ویژگی های مشترک طرح های امپدانسی است. در این مقاله، طرحی ساده بر مبنای سنجش تغییرات زاویه ی روتور ژنراتور - - ارائه شده که قادر است LOS ناشی از هر دو پدیده ی OOS و LOE را شناسایی کرده و در مواجهه با نوسان توان پایدار - SPS - 4 عملکرد نابه جا از خود نشان ندهد. عملکرد روش پیشنهادی بر اساس شبیه سازی بر روی سیستم نه باسه ی IEEE نشان داده شده و با روش های امپدانسی مقایسه گردیده است.
1 -مقدمه
در شرایط عادی سیستم قدرت ژنراتورها به صورت سنکرون با سیستم کار میکنند . زمانیکه سنکرونیزم یک ژنراتور با سیستم از دست برود، امکان ادامه عملکرد پایدار آن وجود ندارد و بایستی به سرعت از سیستم جدا شود تا از آسیب به تجهیز و گسترش اغتشاش و خاموشی در سیستم جلوگیری به عمل آید. دو حالت عمدهای که منجر به خروج از سنکرونیزم - LOS - 1 ژنراتور می شود را میتوان به صورت ذیل برشمرد :[1]
· از دست رفتن تحریک ژنراتور و یا به عبارتی وقوع پدیده ی قطع تحریک - LOE - 2 در ژنراتور.
· وقوع اغتشاشات بزرگ و گذرا نظیر اتصالکوتاه و کلیدزنی در نزدیکی ژنراتور که در نهایت منجر به ناپایداری ژنراتور و وقوع پدیده ی خروج از همگامی - OOS - 3 میشود. ژنراتور در هر دو پدیده ی LOE و OOS در نهایت سنکرونیزم خود با سیستم را از دست می دهد و بایستی به سرعت از سیستم جدا گردد. رفتار دینامیکی ژنراتور در مواجهه با دو پدیده ی فوق متفاوت بوده و از اینرو برای حفاظت واحدهای نیروگاهی برای این دو پدیده توابع حفاظتی جداگانه ای در نظر گرفته شده استاین. توابع عمدتاٌ مبتنی بر اندازه گیری امپدانس در پایانه ی ژنراتور و تعریف نواحی حفاظتی می باشند. سرعت پایین، تنظیمات پیچیده و همچنین امنیت پایین در مواجهه با پدیده های گذرای سیستم قدرت نظیر نوسان توان پایدار - SPS - 4، از جمله نواقص کلی و مشترک طرح های حفاظتی OOS و LOE مبتنی بر امپدانس می باشد.[2]
با توجه به معایب طرح های متداول امپدانسی، تحقیق در زمینه ی ارائه الگوریتمهای جدید حفاظت OOS و LOE همواره مورد توجه پژوهشگران و مهندسین صنعت برق بوده است . نکته ی حائز اهمیت در روش های ارائه شده این است که غالباٌ برای حفاظت [3-7] OOS - یا - [8-11] LOE عملکرد منطق پیشنهادی در شرایط LOE - یا - OOS ارزیابی نشده و مورد بررسی قرار نگرفته است.
روشهای مبتنی بر معیار سطوح معادل از جمله محبوب ترین روش های تشخیص OOS در ژنراتور بوده [3-5] که در آن، از منحنی توان-زاویه - - P- به منظور ارزیابی شرایط OOS ژنراتور استفاده شده است. در مرجع [3]، این روش به صورت یک معیار محلی جهت تشخیص OOS استفاده شده که به منظور افزایش سرعت تشخیص، منحنی P- با تابع درجه دو تخمین زده شده است. مرجع [4] نیز از این روش به عنوان یک معیار حفاظتی گسترده جهت ارزیابی شرایط OOS استفاده نموده که نیازمند استفاده از داده های حاصل از واحدهای اندازه گیری فازور5 - PMU - و بستر مخابراتی است. این معیار در مرجع [5] در حوزه زمان ارائه شده که از منحنی توان-زمان - P-t - به جای منحنی P- به منظور شناسایی OOS استفاده نموده که وقوع OOSرا دقیقاٌ در زمان وقوع ناپایداری تشخیص می دهد و قابلیت پیش بینی آن را ندارد.
طرحی مبتنی بر تغییرات سرعت - - و شتاب - - ژنراتور به منظور پیشبینی OOS در [6] ارائه شده که در آن از داده های PMU ها به منظور تخمین کمیت های و در پایانه ی ژنراتور استفاده شده است. طرح دیگری مبتنی بر آنالیز متغیرهای حالت ژنراتور در [7] ارائه شده که در آن از پارامترهای زاویهی روتور - - و سرعت آن - - استفاده شده است. در خصوص حفاظت LOE ژنراتور نیز در [8] روشی مبتنی بر تغییرات مقاومت اندازهگیری شده در پایانه ی ژنراتور ارائه شده است که این روش قادر است LOE را حداقل 1/7 ثانیه بعد از وقوع آن شناسایی کند. روش دیگری بر مبنای تغییرات ولتاژ پایانه و توان راکتیو خروجی ژنراتور در [9] ارائه شده که این روش علیرغم سرعت بالا در مواجهه با شرایط SPS عملکرد نابه جا از خود نشان میدهد.
مرجع [10] به منظور افزایش امنیت طرح ارائه شده در [9] از شاخصی که نشان دهنده ی مولفه های فرکانسی توان الکتریکی خروجی ژنراتور می باشد، استفاده کرده که این روش نیازمند مطالعات شبیه سازی به منظور تعیین حدود آستانه ی شاخص ارائه شده است. تخمین ولتاژ داخلی ژنراتور به منظور تشخیص LOE روش دیگری است که در [11] ارائه گردیده است. بررسی مقالات مختلف در زمینه ی حفاظت OOS و LOE ژنراتور نشان می دهد که ارائه ی روش هایی با سرعت و امنیت بیشتر نسبت به طرح های متداول، اولویت اصلی محققان بوده است.
همانطور که پیشتر اشاره شد، در روش های حفاظت OOS - یا - LOE عملکرد الگوریتم ارائه شده در شرایط LOE - یا - OOS مورد توجه قرار نگرفته است. در این مقاله یک تابع حفاظتی واحد به منظور حفاظت LOS ژنراتور ارائه شده است که از تغییرات یعنی برای این منظور استفاده نموده و قادر است LOS ناشی از هر دو پدیده ی OOS و LOE را شناسایی و از همدیگر متمایز نماید. شایان ذکر است که تمایز OOS و LOE در این مقاله مورد بررسی قرار نگرفته و فقط هدف، قابلیت روش پیشنهادی در تمایز این دو پدیده از نوسانات پایدار بوده است. سازماندهی بخش های بعدی این مقاله به نحوی است که در بخش دوم نمونه هایی از روشهای متداول امپدانسی برای تشخیص OOS و LOE تشریح شده است. روش پیشنهادی و نحوه ی عملکرد آن به طور کامل در بخش سوم و مطالعات شبیه سازی در بخش چهارم ارائه گردیده و نهایتاً در بخش پنجم، نتیجه گیری مقاله ارائه شده است.
2 -روش های متداول حفاظت OOS و LOE
همانطور که در بخش قبل اشاره شد، طرح های متداول حفاظت OOS و LOEدر ژنراتور عمدتاٌ مبتنی براندازه گیری امپدانس در پایانه ی ژنراتور و استفاده از نواحی حفاظتی تعیین شده میباشد که شکل - 1 - نمونه ای از طرح های امپدانسی حفاظت OOS و LOE را نشان می دهد. شکل -1 - الف - یک طرح حفاظتی OOS را به همراه تنظیمات نوعی آن نشان می دهد که از دو ناحیه ی حفاظتی تشکیل شده است. این طرح در رله های صنعتی نظیر رله 7UM62X شرکت SIEMENS مورد استفاده قرار گرفته است.
[12] زمانی که مرکز نوسان - SC - 6 سیستم در نیروگاه قرار گیرد خروج از سنکرون توسط ناحیه ی اول و چنانچه SC در خارج از نیروگاه باشد، OOS توسط ناحیه ی دوم شناسایی می شود . برای تشخیص OOS بایستی منحنی امپدانس دیده شده توسط رله از یک سمت وارد ناحیه ی اول یا دوم مشخصه شده و از سمت دیگر آن خارج شود. زمان عملکرد رله در این منطق با شمارش تعداد عبورهای منحنی امپدانس از نواحی اول و یا دوم مشخصه ی رله - Nset - تعیین شده که برای ناحیه ی اول معادل یک یا حداکثر دو عبور و برای ناحیه ی دوم نیز بین دو تا چهار عبور انتخاب میشود. این افزایش زمان عملکرد در ناحیه ی دوم به دو دلیل میباشد :[3]
· ایجاد زمان لازم برای عملکرد رله های حفاظتی خارج از نیروگاه
· افزایش امنیت رله به ازای شرایط گذرای شبکه
شایان ذکر است که در تنظیمات نشان داده شده در شکل -1 - الف - ، ;ʼd راکتانس گذرای ژنراتور، Xtr راکتانس ترانسفورماتور نیروگاهی و Xs راکتانس تونن شبکه ی خارجی است. همچنین مقدار Za وابسته به حداکثر فرکانس نوسان ژنراتور بوده که تعیین آن نیازمند مطالعات گسترده ی پایداری گذرای سیستم است . یکی از چالش های عمده ی طرح فوق، تنظیم ناحیه ی دوم حفاظتی و احتمال عملکرد ناصحیح آن در شرایط گذرای سیستم می باشد .[3] یک انتخاب پیشنهادی می باشد.[12]
شکل -1 - ب - نیز مشخصه ی عملکردی یک رله ی LOE امپدانسی را نشان می دهد که متشکل از دو ناحیه ی حفاظتی است.[13] ناحیه ی عملکردی اول این مشخصه به منظور شناسایی و تشخیص LOE در بارگذاری سنگین ژنراتور استفاده شده کهتأخیر زمانی آن معمولاً معادل 0/1 ثانیه منظور می گردد .[13] ناحیه ی دوم حفاظتی این رله علاوه بر پشتیبانی از ناحیه ی اول، جهت حفاظت LOE در بارگذاری سبک ژنراتور به کار میرود. با توجه به این که در شرایط SPS احتمال ورود امپدانس نوسانی به این ناحیه ی عملکردی وجود دارد، تأخیر زمانی معادل 0/5 تا 0/6 ثانیه در نظر گرفته می شود .[13] اگرچه تنظیم تأخیر زمانی برای این ناحیه ی عملکردی می بایست بر اساس مطالعات پایداری گذرا انجام شود یکی از معایب این روش امکان عملکرد نابه جای آن در شرایط SPS و OOS می باشد.[2]
3 -الگوریتم پیشنهادی
زمانی که یک ژنراتور در معرض یک اغتشاش داخلی یا خارجی قرار می گیرد، کمیت های مختلف آن از مقادیر نامی منحرف می شوند. بسته به نوع و شدت اغتشاش ممکن است ژنراتور قادر به ادامه کار پایدار و سنکرون با سیستم قدرت نباشد. همانطور که ذکر شد در شرایط OOS و LOE، ژنراتور سنکرونیزم خود را با سیستم قدرت از دست می دهد. شکل - 2 - یک سیستم تک ماشینه را نشان می دهد که درآن یک ژنراتور با ولتاژ داخلی Eg توسط یک ترانسفورماتور به یک سیستم خارجی با راکتانس معادل تونن Xsys و ولتاژ معادل تونن Es متصل شده است.
