بخشی از مقاله

چکیده

طراحان و بهرهبرداران از سیستم قدرت همیشه در تلاشند با ایجاد راهحلهایی از گسترش اختلالات معمول و شدت یافتن شرایط اضطراری جلوگیری نمایند. تأخیر در عملکرد حفاظت پشتیبان مرسوم میتوانند موجب گسترش اختلالات، خروجهای پست سرهم و در نهایت خاموشیهای کامل شوند. تریپهای پشت سرهم به دلیل انتقال توان پس از قطع خط معیوب، تهدیدی جدی برای پایداری و امنیت سیستمهای قدرت به شمار میآیند. وقوع خطا در شبکه باعث افت ولتاژ به میزان قابل ملاحظهای در نقاط نزدیک به محل خطا می گردد. در صورتی که خطا در خطوط متصل به باسهای نیروگاهی باشد و در زمان مناسبی رفع نگردد، واحد نیروگاهی از مدار خارج شده و این موضوع می تواند عواقب بدی را برای شبکه به دنبال داشته باشد. بر اساس عملکرد سیستم ناحیه گسترده و تأخیر زمانی ذاتی این سیستمها جهت انتقال دادهها و نیز احتمال عدم قطع کلیدهای دو سر خط، به نظر می رسد

باید یک طرح حفاظتی مناسب برای عملکرد سریع در شرایط وقوع خطاهای نزدیک به باسهای نیروگاهی در نظر گرفته شود. در این مقاله طرح حفاظت پشتیبان ناحیه گسترده بر اساس WAMS جهت بهبود عملکرد حفاظت و همچنین تشخیص انتقال توان و طرح جدیدی برای تعیین زمان بحرانی رفع خطا با توجه به شرایط مختلف بهرهبرداری شبکه جهت بهبود و تکمیل عملکرد طرح حفاظت ناحیه گسترده توسط ساختار ANFIS ارائه شده است. نتایج به دست آمده این امید را می دهد که طرح حفاظتی پیشنهادی شرکت در کاهش اختلالات ناحیه گسترده و خاموشی های سیستم و ایجاد عملکرد قابل اطمینان سیستم و نیز توانایی رفع سریعتر خطا و یا در مواقع لازم خروج به موقع واحد نیروگاهی قبل از ازدستدادن پایداری آن را داشته باشد. عملکرد این طرح با استفاده از شبیهسازی سناریوهای مختلف خطا روی شبکهی 39 باس IEEE بررسی شده است.

کلمات کلیدی

سیستم حفاظت پشتیبان ناحیه گسترده، خروج پشت سر هم، واحد اندازهگیری فازوری، زمان بحرانی رفع خطا

-1 مقدمه

اختلالات گسترده در سیستمهای قدرت به دلیل پیچیدگی و مقیاس بزرگ این سیستمها یک مسئلهی چالش برانگیز برای صنعت برق محسوب میشود. زمانی که اختلال بزرگ در سیستم قدرت رخ میدهد عملیات حفاظتی و کنترلی جهت متوقف کردن فروپاشی سیستم قدرت، برگرداندن سیستم به وضعیت عادی و حداقل کردن اثرات ناشی از اختلال، مورد نیاز میباشد. عملیات کنترلی حاضر، برای یک اختلال با سرعت گسترش زیاد طراحی نشده اند و ممکن است بسیار کند باشند. از طرفی دیگر توسعههای اخیر و افزایش پیچیدگی توپولوژی سیستمهای قدرت منجر به در مجاورت هم قرار گرفتن خطوط انتقال بلند و کوتاه متصل به یک باس شدهاند. این موضوع هماهنگی نواحی و زمان عملکرد رلهها را با هم بسیار مشکل کرده است. برای رفع این مشکل، حفاظت دیفرانسیل جریان، که از اطلاعات جریان به صورت ناحیهگسترده استفاده میکند، میتواند برای حفاظت پشتیبان ناحیه گسترده مؤثر باشد.

اگر چه چنین حفاظتی به سنکرون کردن زمانی برای نمونه برداری همزمان جریان در همهی ترمینالهای دور و تبادل اطلاعات بین آنها نیاز دارد. در این مقاله با توجه به مزایای اشاره شده در ارتباط با بهکارگیری حفاظت پشتیبان ناحیه گسترده، الگوریتم مربوط به طراحی سیستم حفاظت پشتیبان بر اساس سیستمهای ناحیه گسترده در سیستمهای قدرت معرفی خواهد شد. این طرح، از اندازهگیری فازوری سنکرون شدهی زمانی استفاده کرده است و یک دید دینامیکی از سیستم قدرت ایجاد میکند. تمامی اندازهگیریها در یک مرکز حفاظت سیستم - SPC - پردازش میشوند. از این قابلیت جهت ایجاد کنترل و حفاظت ناحیهگسترده و بهینه کردن این چارچوب به وسیلهی سیستمهای ارتباطی سریع و GPS، استفاده شده است

یکی از معایب طرحهای حفاظت ناحیه گسترده، بالا بودن زمان حفاظت پشتیبان در تشخیص خطا و عملکرد میباشد که میتواند منجر به از دست رفتن پایداری واحدهای نیروگاهی نزدیک به محل خطا شود. وقوع خطا در شبکه باعث افت ولتاژ به میزان قابل ملاحظهای در نقاط نزدیک به محل خطا می گردد. در صورتی که خطا در خطوط متصل به باسهای نیروگاهی باشد، این افت ولتاژ باعث کاهش توان الکتریکی خروجی واحدها و با توجه به ثابت بودن توان مکانیکی - در چند ثانیهی اول - باعث شتابگیری روتور واحدها خواهد گردید. در این شرایط در صورتیکه خطا در زمان مناسبی رفع نگردد، واحد نیروگاهی از مدار خارج شده و این موضوع می تواند عواقب بدی برای شبکه به دنبال داشته باشد. چه بسا خروج واحد در زمان مناسب جهت جلوگیری از آسیب رسیدن به واحد نیروگاهی از اولویت برخوردار باشد.

بنابراین همواره باید زمان رفع خطا درخطوط متصل به باسهای نیروگاهی از زمان بحرانی رفع خطا - CCT - یعنی حداکثر زمان مجاز برای در مدار بودن خطا قبل از دست رفتن پایداری،کمتر باشد. بر اساس عملکردسیستم ناحیه گسترده و احتمال عدم قطع کلیدهای دو سر خط و نیز تأخیر زمانی ذاتی سیستمهای ناحیه گسترده برای انتقال دادهها، به نظر می رسد باید یک طرح حفاظتی مناسب برای عملکرد سریع در شرایط وقوع خطای نزدیک به باسهای نیروگاهی در نظر گرفته شود. از آنجاییکه محل خطا و نیز شرایط تولید واحدهای نیروگاهی به عنوان دو عامل اصلی در پایداری واحدها، به طور قطع ثابت نمی باشندبنابراین. زمان بحرانی رفع خطا کاملاً وابسته به شرایط بهرهبرداری واحدها می باشد .[1] قطع سریع غیر ضروری واحدها میتواند باعث خروج غیرضروری واحدها در شبکه گردد. در عین حال قطع با تاخیر، باعث از دست رفتن پایداری شبکه و نیز آسیب رسیدن به واحد میگردد. در این مقاله برای حل این موضوع از دو پارامتر اساسی در تعیین زمان بحرانی رفع خطا با توجه به شرایط مختلف بهرهبرداری شبکه استفاده شده است.

-1 اندازه افت ولتاژ در ترمینال فشار قوی واحدهای نیروگاهی -2 میزان توان راکتیو خروجی واحدها

تغییرات توان اکتیو نیز یک پارامتر مهم در حاشیه پایداری محسوب میشود که در این مقاله جهت در نظر گرفتن حاشیهی امنیت، همواره فرض شده است که خروجی واحدها در %90 حداکثر توان خروجی قرار دارند. این فرض با توجه به احتمال خروج واحدها در شرایط کم باری به علت عدم نیاز به تولید و نیز انجام تعمیرات و نگهداری فرض معقولی می باشد. ضمن اینکه بالاتر بودن توان اکتیو خروجی خود باعث کاهش CCT میگردد. در این مقاله جهت رفع مشکل عدم قطعیت مکان خطا و نیز میزان تولید واحدها و درنظر گرفتن تمامی شرایط، از ساختار ترکیبی فازی - عصبی موسوم به ANFIS استفاده شده است. این الگوریتم بر روی شبکه 39 باس IEEE پیاده سازی شده و عملکرد آن بررسی و نقش آن در افزایش قابلیت اطمینان و امنیت شبکههای قدرت مشخص خواهد شد.

-2 ضرورت بکارگیری روش پیشنهادی

یک رلهی دیستانس فقط برای رفع خطاهایی که بین محل رله و نقطه برد تنظیمی آن رخ میدهند، طراحی میشود و برای همهی خطاهای خارج این ناحیه پایدار میماند. مقاومت قوس خطا و سایر امپدانسهای خارجی میتوانند باعث کاهش برد رله شوند به گونهای که خطاهای مربوط به حفاظت اصلی با تأخیر ناحیه 2 یا 3 رله برطرف شوند. تأخیر در برطرف کردن این نوع خطاها میتواند غیر قابل قبول باشد. به طور معمول رلههای دیستانس به تنهایی و مستقل از بقیه رلهها تصمیم گرفته و اقدام میکنند. عملکرد اشتباه یا خرابی رله یکی از ریشههای ایجاد و انتشار اختلالهای مهم سیستم قدرت هستند. بخش عمدهای از عملکردهای اشتباه باعث تریپهای ناخواسته میشود که نتیجهی آن اختلالات گسترده است. وظیفهی حفاظتهای پشتیبان در برطرف کردن خطا تنها زمانی است که حفاظت اصلی دچار خرابی شود یا به طور موقت خارج از سرویس باشد. پیچیدگی و گسترش سیستمهای قدرت، هماهنگی زمانهای کار و برد رلهها را مشکل کرده است.

از دیدگاه امنیت سراسری سیستمهای قدرت، حفاظتهای پشتیبان مرسوم بهترین انتخاب نیستند زیرا عملیات رلههای جداگانه به سختی با هم هماهنگ میشوند. بنابراین اصل طراحی حفاظت نیاز به نوآوری دارد تا بر این مشکلات غلبه شود. تجهیزات حفاظتی مدرن دارای ظرفیتهای محاسبه و مخابراتی هستند که پیادهسازی بسیاری از اصول حفاظت قدرتمندتر جدید را ممکن کردهاند. بر این اساس یک سیستم حفاظتی پشتیبان ناحیه گسترده در این مقاله پیشنهاد شده است. سیستم توانایی اقدام به عنوان جایگزین حفاظتهای پشتیبان محلی مرسوم را دارد. البته این سیستم برای اطمینان از اینکه به طور سریع بتواند به رخداد پاسخ دهد، الزامات مخابراتی خاص خود را دارد.

سیستم به دو طریق طراحی میشود. ابتدا در پست برخی از توابع حفاظتی پشتیبان مرسوم در یک سیستم پردازش هوشمند متمرکز میشوند و دوم اینکه معماری کنترل و پردازش بهینه شده و هماهنگ شدهی همهی حفاظتهای پشتیبان در یک ناحیه در واحد پردازندهی محلی متمرکز میشود و ارسال اطلاعات بین آنها از طریق شبکههای فیبر نوری انجام میشود. تصمیم رلهها، روی دادههای جمعآوری شده و تقسیم شده از طریق شبکهی مخابراتی بنا میشود. این تکنیک درجهی بالایی از قابلیت اطمینان و پایداری را ارائه میکند زیرا به جای فقط دادههای محلی روی دادههای محلی و دور بنا میشود. این تکنیک همهی نواحی سیستم قدرت را میبیند و در عمل یک حفاظت واحد برای خطوط فراهم مینماید. شکل 1 این ایده را نشان میدهد.

و قرار گرفته در ناحیه 1 و 2 و 3 و ... و m تا n است. برای یک خطای رخ داده روی شبکه، خروجی رابطهی - 1 - یعنی A حداقل اندازه ولتاژ توالی مثبت است که نزدیکترین ناحیه به محل خطا را نشان میدهد. فرض میشود که نزدیکترین ناحیه به خطا با m مشخص شود. قدم بعدی مقایسه مقدار قدر مطلق اختلافات زوایای جریان توالی مثبت برای همهی خطوطی است که ناحیهی m را به همهی نواحی همسایه متصل میکند و سپس انتخاب حداقل مقدار آن است. به عبارتی

-3 اصول الگوریتم

این الگوریتم روی دو اصل برای تشخیص وقوع خطا روی خطوط انتقال بنا شده است. اصل اول کاهش ولتاژ بر اثر وقوع خطا و اصل دوم جهت پخش توان پس از رخ دادن خطا می باشد. زاویه فاز برای تعیین جهت جریان نسبت به کمیت مرجع استفاده میشود. تفاوت قائل شدن بین یک خطا در یک جهت یا جهت دیگر با مقایسه زاویه فاز ولتاژ و جریان کار حاصل میشود. از ولتاژ به طور معمول به عنوان کمیت قطبی کنندهی مرجع استفاده میشود. فازور جریان خطا در دو ناحیهی جداگانه میتواند قرار گیرد. این دو ناحیه نسبت به فازور مرجع رو به جلو یا رو به عقب هستند که بستگی به سیستم قدرت و شرایط خطا دارد. در پخش توان عادی در یک جهت معین، زاویه فاز بین ولتاژ و جریان حول و حوش زاویه ضریب توان ±ϕ تغییر میکند. هنگامی که توان در جهت عکس جاری میشود این زاویه 180 ± ϕ میشود. برای یک خطا در جهت عکس، زاویه فاز جریان نسبت به ولتاژ 180 − ϕ است.

ایدهی اصلی این روش تشخیص ناحیهی معیوب است. این کار میتواند با مقایسه اندازههای ولتاژ توالی مثبت اندازهگیری شده در باس اصلی برای هر ناحیه انجام شود. حداقل مقدار ولتاژ، مربوط به نزدیکترین ناحیه به محل خطا است. به علاوه مقدار قدر مطلق اختلاف زوایای جریان توالی مثبت دو طرف همهی خطوط متصل به ناحیهی خطا محاسبه میشوند. این مقادیر با هم مقایسه شده که حداکثر مقدار آنها

-1-3 مراحل الگوریتم ×

این مراحل با استفاده از سیستم نمونهی پنج باس زیر بیان میشوند. در این سیستم نمونه، پنج باس پنج ناحیهی مختلف یک سیستم 500 کیلوولت را نشان میدهند. خطوط انتقال نواحی همسایه را به هم متصل میکنند.    قدر مطلق اختلاف بین زوایای جریان توالی مثبت اندازهگیری شده در ترمینالهای خط انتقال می باشد. شکل 2 دیاگرام تک خطی سیستم را نشان میدهد.

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید