مقاله روشی جدید برای حفاظت شبکه های توزیع در حضور منابع تولید پراکنده و شبیه سازی آن با استفاده از اطلاعات یک شبکه توزیع واقعی

بخشی از مقاله

چکیده:

شبکههاي توزیع سنتی ماهیتی شعاعی دارند که به واسطه یک منبع تغذیه از شبکه سراسري تغذیه میشوند. سیستم حفاظت این گونه شبکهها بسیار ساده است و معمولاً به وسیله فیوز،بازبست و رله اضافه جریان پیادهسازي میشود. در سالهاي اخیر توجه زیادي به استفاده از واحدهاي تولید پراکنده در سطح شبکههاي توزیع شده است. حضور این گونه منابعتولیدي باعث میشود که شبکههاي توزیع ماهیت شعاعی خودرا از دست بدهند و به واسطه آن هماهنگی تجهیزات حفاظتیاز بین برود. بنابراین ارائه الگوریتمی جهت حفاظت شبکههاي توزیع که قدرت تشخیص محل خطا و جداسازي آن را داشته باشد امري ضروري است. در این مقاله الگوریتمی براي حفاظت شبکههاي توزیع با وجود منابع تولید پراکنده، با تقسیمبندي شبکه توزیع به نواحی جداگانهاي که در صورت نیاز قادر به بهرهبرداري به صورت جزیرهاي باشند ارائه شده است. سپس الگوریتم ارائه شده بر روي یکی از شبکههايتوزیع کشور با اطلاعات واقعی شبیهسازي شده است. براي استخراج اطلاعات شبکه مدلسازي شده از نرمافزارMODEC و براي اجراي الگوریتم پیشنهادي از نرمافزارMATLAB استفاده شده است.

واژه هاي کلیدي: تولید پراکنده، حفاظت، عملکرد جزیرهاي، شبکه توزیع، بازبست

-1 مقدمه

شبکههاي توزیع سنتی به صورت شعاعی بهرهبرداري میشوند، بنابراین طراحی سیستم حفاظت براي این شبکهها چندانپیچیده نیست. اما با توجه به این که در چند سال گذشته توجهزیادي به نصب واحدهاي DG در شبکههاي توزیع شده است و حضور این منابع ماهیت شعاعی بودن شبکه توزیع را از بینمیبرند، حضور منابع تولید پراکنده در شبکههاي توزیعمشکلات زیادي را براي طراحی سیستم حفاظت این شبکههابوجود آورده است.[1-3]تولیدات پراکنده منابع تولید انرژي الکتریکی هستند که به شبکه توزیع متصل میگردند. این منابع در مقایسه باژنراتورهاي بزرگ و نیروگاهها، حجم و ظرفیت تولید کمتري داشته و با هزینه پایینتري راهاندازي میشوند.

همچنین اتصال این منابع به شبکههاي توزیع منافع زیادي به دنبال دارد. ازجمله مواردي که استفاده از واحدهاي تولید پراکنده را مورد توجه قرار میدهد میتوان به مسائلی نظیر مسائل اقتصادي درتوسعه نیروگاهها، کاهش آلودگی محیط زیست، بالا بودن بازدهی این منابع در تولید برق، بالا بردن کیفیت برق رسانی به  مشتریان، کاهش تلفات در شبکههاي توزیع، بهبود پروفیل  ولتاژ، آزاد سازي ظرفیت شبکه و بسیاري از موارد دیگر اشاره نمود. نیروگاههاي آبی، بادي، پیلهاي سوختی، سلولهاي خورشیدي، میکروتوربینها، باتريها، سیستمهاي زمین گرمایی و تلمبه ذخیرهاي از مهمترین انواع منابع تولید پراکندههستند.[2-4] به طورکلی مشکلات ایجاد شده توسط منابع تولید پراکنده  براي حفاظت شبکههاي توزیع عبارتند از: تریپ اشتباه فیدرها،  
تریپ اشتباه واحدهاي تولیدي، کور شدن حفاظت، افزایش و کاهش سطح اتصالکوتاه، جزیرهاي شدن ناخواسته، جلوگیري  از بازبست اتوماتیک و بازبست غیرسنکرون.[5]

ظهور این مشکلات به مشخصات شبکه و منابع تولید پراکنده بستگی دارد و در اکثر مواقع براي جلوگیري از آن باید حفاظت شبکه به کلی تغییر کند. این تغییر طرح حفاظتی ممکن است بسیار پیچیده باشد، چرا که باید کل سیستم، از جمله شبکه و DG   - Distributed Generation - مدل شوند، به طوري که تصور بهترین طرح حفاظتی هنوز بسیار دور از دسترس  است4]و.[5 بعد از اتصال واحدهاي تولید پراکنده، سیستم دیگر شعاعی  باقی نخواهد ماند و این به معنی از دست رفتن هماهنگی بین تجهیزات حفاظتی است. میزان اثرگذاري DG بر هماهنگی به اندازه، نوع و محل نصب DG بستگی دارد. در هر حال بستهبه اندازه و محل DG، محدودههایی وجود دارد که هماهنگی حفظ میشود و در برخی حالات هیچ محدودهاي براي هماهنگی باقی نخواهد ماند9-6]و .[12  

Kumpulainen و Kauhaneiemi اثر تولیدات پراکنده را بر عملیات بازبست بررسی کردند. آنها نشان دادند که حضور منابع تولید پراکنده باعث عدم کارایی عملیات بازبست درشبکه توزیع و از بین نرفتن خطاهاي گذرا میشود. آنهاهمچنین نشان دادند که عملکرد جزیرهاي باعث از دست رفتن سنکرونیزم در شبکه شده و در صورتی که عملیات بازبست با سنکرونیزم همراه نباشد خسارات سنگینی را به تجهیزات شبکههاي توزیع وارد میکند.[9] با وجود DG ماهیت سیستم به صورت یک شبکه با چند منبع  تولیدي و نامتعادل تغییر میکند. بنابراین لازم است که رلهها در سیستم جهتدار باشند. فیوزها و بازبستهاي قدیمی ماهیت جهتدار ندارند در حالیکه رلهها میتوانند به آسانی با واحدجهتیاب تجهیز شوند. از نظر اقتصادي جایگزینی همه فیوزها و بازبستها با وسایل حفاظتی جهتدار - همانند رلهها - عملاً مقرون به صرفه نیست.

بنابراین لازم است که مشکل هماهنگی  حفاظتی با وجود تزریق DG بدون توجه به اندازه، تعداد ومحل قرار گرفتن DG در سیستم توزیع حل شود.Hadjبا یک مثال ساده نشان داد که جریانهاي خطا در تجهیزات حفاظتی با اتصال DG تغییر میکند. او پیشنهاد کرد   که هماهنگی با وجود اتصال هر DG جدید چک شود. اما این  راهحل فقط وقتی که تزریق DG کم باشد جواب میدهد.[10] Brahma و Grigis مشکل هماهنگی فیوزها را مطالعه کردند. آنها پیشنهاد کردند که همه DG ها در هنگام خطا خارج شوند، ولی این امر باعث میشود که به ازاي خطاهاي  گذرا هم همه DG ها، خارج شوند. آنها همچنین هماهنگی  فیوز- بازبست را با وجود DG مورد مطالعه قرار دادند. آنها عنوان کردند که هماهنگی با استفاده از بازبستهاي میکروپروسسوري موجود در بازار بدست خواهد آمد. اما دراین حالت همه DG هاي پایین دست بازبست، باید قبل ازوقوع اولین بازبست براي جلوگیري از اتصال بدون سنکرونیرم  خارج شوند. این راهحل نیز در صورت عمومیت پیدا کردن   DG ها عملی نخواهد بود.[11]

Brahma و Grigis همچنین روشی بر اساس شناسایی محل  خطا و جدا نمودن قسمت آسیب دیده، در شبکههایی که داراي درصد نفوذ بالایی از تولیدات پراکنده باشند، بصورتOnline و به صورت زیر پیشنهاد نمودند. از نقطه خطا هر منبع میتواند به عنوان یک منبع ولتاژ با امپدانس تونن معادل شود. اگر محل خطا از یک باس به باس دیگر تغییر کند براي نوع خطاي گفته شده امپدانس تونن میتواند کاهش یا افزایش یابد. بنابراین اگر محل خطا در قسمت - i-j - از باس - i - بهباس دیگر - j - تغییر کند براي نوع خطاي داده شده، سهمجریان خطا از هر منبع میتواند بطور پیوسته از IFMIN  بهIFMAX افزایش یابد یا از I'FMAX به I'FMIN کاهش یابد.بنابراین سهم منبع k براي خطاي اتفاق افتاده در هر نقطه بینباس i و باس j، همیشه بین سهم منبع k به همان نوع خطا درباس i و باس j قرار دارد. این بدان معنی است که براي هر نوعخطاي داده شده در هر قسمت، سهم هر منبع از جریان خطابین سهمهاي آن منبع براي همان نوع خطا روي باسهايمتصل به این قسمت قرار دارد.[1]

-2 شماي کلی طرح پیشنهادي

هدف اصلی طرح حفاظتی شبکه توزیع این است که قسمت خطا دیده را تشخیص داده و آن قسمت را از بقیه شبکه جدا کند. در شبکههاي توزیع سنتی، وقتی در قسمتی ازشبکه خطا اتفاق بیافتد تمام قسمتهاي پائین دست آن یا بیبرق میشوند و یا به واسطه نقاط مانور از فیدرهاي دیگر تغذیه میشوند. با فرض اینکه امکان تغذیه از فیدرهاي دیگر شبکه وجود نداشته باشد و در قسمت پائین دست بخش خطادیده DG وجود داشته باشد، طبق منطق سنتی حفاظت، پس ازبروز خطا امکان بهرهبرداري از آن DG وجود نخواهد داشت.این امر باعث میشود که از منابع تولید پراکنده استفاده بهینه نشده و میزان ENS - Energy Not Supplied - در شبکهافزایش یابد.

بنابراین به نظر میرسد که قطع شدن DG ها درهنگام بروز خطا قابلیت اطمینان شبکه را کاهش دهد. لذا درطرح پیشنهادي این مقاله سعی شده است که تا حد امکان در حین بروز خطا از منابع تولید پراکنده استفاده کرده و از آنها بهصورت جزیرهاي بهرهبرداري شود.راه حل پیشنهادي بدین صورت است که شبکه توزیع به چند ناحیه تقسیم شود، بدین صورت که در هر ناحیه یا DG حضور نداشته باشد یا اگر DG حضور داشت تبادلبار و مصرف در آن ناحیه بدون استفاده از شبکه سراسري و فقط با در نظر گرفتن تولید DG ها برقرار باشد. به عبارت دیگر شبکه توزیع به دو دسته ناحیه تقسیم میشود که این دو دسته خصوصیات زیر را دارا میباشند:

-1 دسته اول نواحی هستند که در آنها هیچ منبع تولیدي وجود ندارد و تأمین بارهاي موجود در آن نواحی کاملاً وابسته به شبکه سراسري است.

-2 دسته دوم نواحی هستند که در آنها منبع تولید پراکنده وجود دارد. بدیهی است که حداقل یکی از منابع تولیدي واقع در هر کدام از این نواحی باید مجهز به سیستم کنترل فرکانسباشد تا بتواند در مواقعی که لازم است آن ناحیه به صورت جزیرهاي بهرهبرداري شود، فرکانس ناحیه را کنترل نماید. نحوه انتخاب نواحی بدین صورت است که از ابتداي فیدر، به ازاي هر DG یک ناحیه در نظر گرفته میشود، هر ناحیه تا زمانی که DG واقع در آن قدرت تغذیه بار ناحیه را داشته باشد به سمت انتهاي فیدر امتداد مییابد. به محض اینکه میزان بار پیک پستهاي واقع در ناحیه از میزان تولید آن منبع تولید پراکنده بیشتر شد ناحیه در نظر گرفته شده به پایان میرسد و در نقاط ابتدا و انتهاي ناحیه دو بریکر قرار داده میشود.

البته اگر در حین حرکت به سمت انتهاي فیدر قبل از رسیدن بارپیک ناحیه به حداکثر تولید منبع واقع در آن ناحیه DG دیگري قرار داشت، DG دوم نیز جزء همان ناحیه لحاظ شده و ناحیه تا نقطهاي امتداد مییابد که بار پیک آن از مجموع تولید دو DG بیشتر نشود. علت در نظر گرفتن نواحی به سمت انتهاي فیدر این است که تا حد امکان به بارهاي بیشتري اجازه تغذیه شدن از شبکه بالادستی داده شود. این عمل باعث بالا رفتن قابلیت اطمینان شبکه و کاهش ENS خواهد شد. البته در مواقعی که میزان تولید DG از بار پستهاي پایین دستیاش بیشتر باشد باید
امتداد ناحیه به سمت بالا در نظر گرفته شود.لازم به ذکر است که کلیدهاي نصب شده براي جداسازي نواحی از یکدیگر باید مجهز به رله سنکرو- چک باشند تا در هنگام وصل مجدد نواحی به شبکه سراسري بتوانند دو شبکهرا با هم سنکرون کنند. همچنین این کلیدها باید توانایی گرفتن