مقاله رله جهتی بر مبنای حالات گذرا برای اتصال منابع تولید پراکنده دور به شبکه توزیع

بخشی از مقاله

چکیده

مزرعه هاي بادي عموما دور از شبکه هاي توزیع برق احداث می شوند. در اینصورت یک فیدر اختصاصی1 براي اتصال مزرعه بادي به شبکه توزیع نیاز است. رله جریان زیاد در محل اتصال مشترك - PCC - 2 به یک مشخصه جهتی3 نیز نیاز خواهد داشت. در این مقاله روشی بر مبناي حالات گذراي جریان براي رله مذکور پیشنهاد می شود که نیازي به مبدل هاي ولتاژ نداشته و هزینه، مسائل و مشکلات مبدل هاي ولتاژ را به همراه ندارد. براي این منظور از ضرایب تبدیل موجک جریان خطا، براي تشخیص جهت خطا، استفادهگردیده است. به منظور ارزیابی عملکرد الگوریتم ارائه شده، شبکه توزیع 37 گره IEEE در نرم افزار ATP، تحت شرایط مختلفی از اتصال کوتاه ها بررسی شده است. نتایج حاصل از مجموعه کاملی از شبیه سازي ها، نشان می دهد که طرح
پیشنهادي، علیرغم مقاومت خطا، محل خطا در شبکه، مشخصه غیرخطی جرقه و زاویه شروع خطا روي موج ولتاژ، با سرعت و دقت مطلوبی عمل میکند.

.1 مقدمه

امروزه مزایاي استفاده از منابع تولید پراکنده در ظرفیت هاي کوچک تقریبا براي همگان روشن است. اتصال این منابع به شبکه هاي توزیع فشار متوسط و فشار ضعیف ممکن است
پیامدهاي فنی متعددي به همراه داشته باشد. پس از اتصالمنابع تولید پراکنده به شبکه، سطح اتصال کوتاه و جهت پخش توان در شبکه می تواند تغییر نماید. این مسئله و مسائل متعدد دیگر میتوانند هماهنگی بین رلههاي جریان زیاد را در شبکههاي توزیع از بین ببرند .[1]مزارع بادي امروزه بصورت گسترده در حال احداث و بهره برداري هستند. ماهیت برخی انرژي هاي طبیعی، مانند سرعت باد، وجود نویز و برخی عوامل فنی دیگر، موجب می شوند که این نیروگاه ها عموما در فاصله اي نسبتا دور از شبکه هاي توزیع و مراکز بار قرار بگیرند و درنتیجه توسط یک فیدر اختصاصی به شبکه توزیع متصل گردند .[2-3]

چنین ساختارهایی که در شبکه بوجود می آیند به یک مشخصه جهتی نیز در کنار مشخصه جریان زیاد خود نیاز دارند، تا بدین ترتیب از عملکرد رله جریان زیاد، برايخطا هایی که روي فیدرهاي دیگر شبکه بوجود می آیند،جلوگیري شود.رله هاي جهتی متداول در شبکه هاي برق عملا زاویه دوکمیت ولتاژ و جریان را اندازه گیري کرده و براساس آن عمل می کنند .[4] بطور کلی این رله ها زاویه فاز جریان را نسبت به یک کمیت مرجع، که عموما ولتاژ است، اندازه می گیرند. درنتیجه هر نوع تغییر در جهت جریان قبل از خطا، توسط رلهاحساس میشود و رله میتواند در مورد آن تصمیمگیري کند.مشکل اول در ارتباط با رله هاي جهتی مذکور عدم وجود گسترده مبدل هاي ولتاژ در شبکه هاي توزیع است.

بعلاوه، در صورتی که خطاي سه فازي در نزدیکی شینی که رله روي آن نصب شده است اتفاق بیافتد، ولتاژ لازم براي عملکرد رله تقریبا صفر شده و رله را در تخمین فازور ولتاژ دچار مشکل جدي می کند. مشکل نوسانات ناشی از ظرفیت خازنی در مبدل هاي ولتاژ خازنی نیز به نوبه خود بر مشکلات رله هاي جهتی میافزاید .[2,5]استفاده از مولفه هاي توالی مثبت و منفی جریان و ولتاژ روشی است که در [6-7] اشاره شده است. استفاده از روش امپدانسی براي تعیین جهت خطا در [8] آمده است.  در [9] روشی براي استفاده از جریان براي قطبی کردن1 رله درحفاظت خطوط انتقال ارائه شده است. استفاده از ولتاژ قبل ازخطا به عنوان کمیت مرجع براي غلبه بر مشکلات مرتبط با مبدلهاي ولتاژ نیز روشی است که در [5] ارائه شده است.نتایج مطلوبی نیز با استفاده از شبکه هاي عصبی در حفاظت شبکه هاي توزیع با حضور منابع تولید پراکنده در [10] آمده است.

استفاده از تحلیل موجک حالات گذراي جریان درحفاظت کلی یک شبکه توزیع با منابع تولید پراکنده با استفاده از قابلیتهاي مخابراتی در شبکه، موضوعی است که در[11,2] به آنها پرداخته شده است. براي رفع مشکل نیاز بهمبدل ولتاژ، در [2] روشی پیشنهاد شده است که تنها از رويسیگنال هاي جریان در محل اتصال به شبکه، جهت خطا راتشخیص می دهد. این روش علاوه بر اینکه به کشف کنندهخطاي سریع و ساده نیاز دارد، داراي زمان عملکردي درحدود یک سیکل است.در این مقاله روشی بر مبناي تحلیل موجک حالات گذرايناشی از خطا براي کاربرد در شبکه هاي مذکور، ارائه شده است که سرعت مناسبی داشته و نیاز به الگوریتم جداگانهايبراي کشف خطا ندارد. این روش بطور کامل در محیط ATPو به کمک زبان برنامهنویسی MODELS پیادهسازي واعتبارسنجی شده است .[12]

.2 تبدیل مودال2

در شبکه هاي قدرت خطاهاي اتصال کوتاه متعددي رخ می دهند، که می توانند ترکیب هاي گوناگونی از سه سیم فاز و زمین را در بر بگیرند. براي اجتناب از انجام محاسبات براي تک تک فازها، سیگنال هاي جریان از حوزه فاز به حوزه دیگري بنام حوزه مودال منتقل می شوند. براي این تبدیل، ازماتریس تبدیل کلارك بصورت معادله - 1 - استفاده شده است.در این معادله Ia ، Ib    و Ic  جریان هاي فاز و    I0 ، Iα و    Iβمولفه هاي مودال متناظر آن ها هستند. همانگونه که معادله - 1 - بیان می کند، براي تمام خطاها بجز خطاهاي بین فازهاي B و C، حالات گذراي ناشی از خطا در مولفه α ظاهر می شود.از سوي دیگر، تمام خطاها بجز خطاي فاز A به زمین در مولفه β ظاهر میگردد. بنابراین میتوان تنها با تحلیل دومولفه کلارك تمام انواع خطاها را پوشش داد.

.3 تبدیل موجک گسسته

موجکها خانوادهاي از توابع هستند که از یک تابع مشخص به نام تابع موجک مادر3، ψ، توسط جابجا کردن4 وتغییر مقیاس دادن5 تولید می شوند. معادله - 2 - حالت گسسته تبدیل موجک را معرفی میکند.که در این معادله ψ*، مزدوج مختلط تابع موجک مادراست. a0  و b0 نیز پارامترهاي تبدیل هستند.  تبدیل DWTسیگنال ورودي را به زیرمحدوده هاي فرکانسی با پهناي باندي که بصورت خطی با فرکانس افزایش مییابد، تجزیه میکند.تبدیل موجک گسسته گاهی به صورت مجموعه اي ازفیلترهاي پایین گذر و بالاگذر درنظر گرفته می شود. نمونه اياز این ساختار با دو سطح تجزیه در شکل - 1 - آمده است.وارد شدن به شین اتصال مشترك اندازه می گیرند. در اینشرایط اگر خطایی اتفاق نیافتد، تنها جریان هاي حالت دائمیاز ترانسفورماتورهاي جریان عبور میکند.ضرایب فیلترها از روي نوع تابع موجک مادر تعیین میشود. این ساختار به الگوریتم درختی Mallat مشهور است.

.4 الگوریتم پیشنهادي

با توجه به اینکه هدف اصلی این تحقیق آنست که رله جهتی نصب شده در محل اتصال مشترك منبع تولید پراکنده وشبکه، براي انواع گوناگون خطاها در سرتاسر شبکه و تنها با استفاده از اطلاعات جریانی، به درستی و با سرعت عمل کند، در نتیجه مشخصه رله براساس حالات گذراي ناشی از خطا برروي موج جریان انتخاب شده است. نمایشی از طرحواره رلهپیشنهادي براي کاربرد مذکور در شکل - 2 - آمده است. شبکهمورد نظر شامل یک فیدر شعاعی اصلی مربوط به شبکه توزیع است که یک منبع تولید پراکنده دور ازشبکه، توسط یک فیدراختصاصی در نقطه اتصال مشترك - PCC - به آن متصل شده است.

همانگونه که دیده می شود، ترانسفورماتورهاي جریان باید بر روي تک تک شاخه هاي متصل به این شین نصبشوند. به بیان دیگر روي هرفاز از هر خط متصل به شین، باید یک مبدل جریان نصب شده باشد.لازم به توضیح است که هر سه مبدل، جریان را در جهت به محض بروز خطا بر روي یکی از فیدرهاي متصل بهشین، مثلا خطاي F1، حالات گذراي فرکانس بالاي ناشی از خطا تولید شده و شروع به حرکت به سمت شین مورد نظرمی کنند. این مولفه هاي فرکانس بالا توسط ترانسفورماتورهايجریان حس شده و به رله انتقال مییابند. در داخل رله نیز براي حذف مولفه هاي فرکانس بالاي نامطلوب، این سیگنال ها ابتدا از یکفیلتر پایینگذر عبور داده میشوند.