بخشی از مقاله
خلاصه
خطوط انتقال از ارکان اساسی هر سیستم قدرت میباشند . عموماً مهمترین اختلالی که در سیستم قدرت برای خطوط انتقال رخ میدهد وقوع انواع خطا و اتصال کوتاه میباشد . هنگامی که خطایی در سیستم قدرت رخ میدهد، وظیفه سیستم حفاظتی ایزوله کردن قسمتی از سیستم که خطا در آن رخ داده از بقیه سیستم در حداقل زمان ممکن میباشد. از سوی دیگر، به منظور تداوم سرویس دهی و افزایش قابلیت اطمینان سیستم ضروری است که محل خطا بر روی خطوط انتقال هر چه سریعتر تعیین شده و اقدامات لازم جهت رفع عیب و باز گرداندن مجدد آن خط به سیستم انجام پذیرد.
این مقاله به ارایه روشی آنلاین برای تخمین محل خطا در خطوط انتقال جبران شده با خازن سری با استفاده از دادههای واحدهای اندازهگیری فازور - PMUs - نصب شده در دو طرف خط مورد بررسی میپردازد. روش ارایه شده در این مقاله نیازی به دادههای قبل از وقوع خطا ندارند و کاملاً مستقل از مقاومتهای خطا و امپدانسهای منابع معادل تونن میباشند. این روش میتواند علاوه بر تخمین محل خطا، مقدار راکتانس جبران کننده سری را نیز تخمین بزند. فرآیند تخمین انجام شده در این مقاله با استفاده از روش حداقل مربعات غیرخطی - NLS - انجام میشود. شبیهسازیهای انجام شده با استفاده از نرمافزار MATLAB نشان میدهند که الگوریتمهای ارایه شده از دقت و سرعت بالایی برخوردار بوده و میتوانند نقش بسزایی در افزایش سرعت تعمیر خطوطی که دارای خطا شدهاند داشته باشند.
.1 مقدمه
سیستم قدرت، یک سیستم بزرگ است که از اتصال چند شبکه و با هدف افزایش قابلیت اطمینان و راندمان اقتصادی تشکیل شده است. همچنین، سیستمهای اجتماعی بطور عمده برای رشد اقتصادی و زندگی بهتر بر اساس انرژی الکتریکی توسعه یافتهاند. از سوی دیگر، سیستم قدرت همواره در دل طبیعت قرار دارد. از این رو در سیستم خطاهای کوچک و بزرگی مانند رعد و برق و طوفان رخ میدهد. تحت این شرایط پایداری سیستم باید حفظ شود و با استفاده از طرحهای حفاظتی و کنترلی مناسب از خاموشی کل سیستم جلوگیری شود .[1]
در سالهای اخیر، پیشرفت تکنولوژی اطلاعات و ارتباطات - ICT - با افزایش سرعت و حجم دادههای انتقالی، پایش گستردهی سیستم قدرت را تواناتر از پیش ساخته است؛ بخصوص سیستمهای اندازهگیری گسترده - WAMS - که به واحدهای اندازهگیری فازوری - PMUs - مجهزاند، یک تکنولوژی نویدبخش از فنآوریهای شبکه هوشمند در بدنه شبکه برق ایجاد نموده است .[2] کاربردهای این تکنولوژی روز به روز افزایش یافته و تحولی در پایش سیستم قدرت ایجاد نموده است. از کاربردهای PMU میتوان به حفاظت گستردهی سیستم، تشخیص خطا و مکان یابی خطا، پایش حرارتی خطوط انتقال، تصحیح و اعتبار سنجی مدل سیستم، تخمین حالت و تخمین پارامترهای سیستم قدرت اشاره نمود.
خطوط انتقال نیرو یکی از اجزای اساسی سیستم قدرت میباشند که وظیفه انتقال توان تولید شده توسط واحدهای تولید به مراکز مصرف را بر عهده دارند. خطوط انتقال نیز مانند همه تجهیزات دیگر سیستم قدرت در معرض انواع خطاها قرار دارند. شایعترین نوع خطا روی خطوط انتقال نیرو اتصال کوتاههایی هستند که به دلایل مختلف به وجود میآیند. هنگامی که خطایی در خطوط انتقال رخ میدهد، الگوریتمهای حفاظتی با باز کردن کلیدهای تعبیه شده در دو انتهای خط، خط مورد نظر را از مدار خارج میکنند.
پس از بروز اتصال کوتاه و قطع خط توسط رلههای حفاظتی، مسئله به سرویس برگرداندن مجدد خط به میان میآید. از آنجا که خطوط انتقال نیرو در مسیرهای طولانی گسترده شدهاند، تعیین محل خطا در صورت استفاده از روشهای گشتزنی به زمان زیادی نیاز خواهد داشت. حتی در بعضی از موارد نیز ممکن است نتوان محل خطا را به راحتی پیدا نمود. در نتیجه، وقوع خطا بر روی خطوط انتقال نه تنها منجر به بروز زیانهای اقتصادی و مسائل اجتماعی میگردد، بلکه تهدیدی برای امنیت کل سیستم قدرت نیز به شمار میآید.
بنابراین، نیاز داریم تا مکان خطا در خطوط انتقال را با استفاده از یک روش دقیق و سریع مشخص نماییم. تعیین به موقع و دقیق محل خطا، سبب تسریع بازیابی انتقال توان و کاهش زمان خروج خط میشود. فاصلهیابی خطا در خطوط انتقال از مسائل قدیمی صنعت برق میباشد. با رفع سریع خطا ضمن آنکه سیستم با ناپایداری گذرا مواجه نمیگردد، خسارات ناشی از تنشهای الکترودینامیکی و حرارتی روی تجهیزات سیستم نیز کاهش مییابد. بنابراین، تشخیص سریع وقوع خطا، فاصلهیابی خطا و در نتیجه رفع سریع خطا همواره مورد توجه مهندسان و محققان صنعت برق بوده است.
از میان پیکرهبندیهای متفاوت خطوط انتقال نیرو که شامل، خطوط انتقال ساده، خطوط جبران شده با خازن سری، خطوط انتقال موازی و خطوط دارای اتصال T-OFF میباشند، مسئله تخمین محل خطا در خطوط انتقال دارای جبران سری از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد. با توجه به اهمیت مسئله تخمین محل خطا در خطوط انتقال جبران شده با خازن سری، محققان زیادی در سراسر دنیا در این زمینه تحقیقات وسیعی را انجام دادهاند و الگوریتمهای گرانبهایی را در این زمینه ارایه کردهاند. تعدادی از این الگوریتمها از اندازهگیریهای سنکرون شده استفاده میکنند و تعدادی دیگر با استفاده از دادههای غیر سنکرون محل خطا را تخمین میزنند .[4] ,[3] برخی از این روشها به دادههای قبل از وقوع خطا نیاز دارند و برخی دیگر تنها از دادههای حین وقوع خطا استفاده میکنند.
مرجع [5] الگوریتمی برای تخمین محل خطا در خطوط جبران شده با خازن سری با استفاده از مدل توزیع شده خط را بررسی میکند. یکی از مشکلات اساسی روش ارایه شده در این مرجع نیاز به مدلسازی پیچیده جبران کننده سری میباشد. در مرجع [6] نیز یک روش جدید برای ارزیابی محل خطا بر روی خطوط جبران شده با خازن سری با استفاده از اندازهگیریهای غیر سنکرون بدست آمده از دو طرف خط انتقال ارایه شده است.
روشی تطبیقی برای تخمین محل خطا در خطوط انتقال دارای جبران سری در مرجع [7] ارایه شده است که بر اساس اندازهگیریهای فازور همگام شده که از طریق PMU ها جمعآوری میگردد میباشد. مرجع [8] الگوریتمی آنلاین برای تخمین محل خطا در خطوط جبران شده با خازن سری با استفاده از مدل توزیع شده خط را بررسی میکند. در این روش، ابتدا با استفاده از فازورهای قبل از وقوع خطا پارامترهای خط انتقال و جبرانکننده سری تخمین زده میشود و در گام بعدی با استفاده از دادههای حین وقوع خطا و پارامترهای تخمین زده شده در گام اول، محل خطا تخمین زده میشود. مشکل اساسی روش ارایه شده در این مرجع نیاز داشتن به دادههای قبل از وقوع خطا میباشد. به طور کلی، اطلاعات موجود برای الگوریتمهای تخمین محل خطا میتواند شامل موارد زیر باشد :[9]
▪ اطلاعات ولتاژ و جریان قبل از وقوع خطا
▪ دادههای ولتاژ و جریان حین وقوع خطا
▪ ولتاژها و امپدانسهای منابع معادل تونن
▪ زاویه همزمانسازی بین دو انتهای خط انتقال
برای یک شبکه سه فاز متعادل، معمولاً تنها مؤلفههای توالی مثبت در شبکه قبل از خطا وجود دارند. اما در هنگام وقوع خطا ممکن است مولفههای توالی مثبت، منفی و صفر با توجه به نوع خطا در شبکه وجود داشته باشند. به دلیل نایقینی مقادیر پارامترهای مدار معادل تونن، بهتر است از ولتاژها و امپدانسهای منابع معادل تونن در الگوریتمهای تخمین محل خطا استفاده نشود. بنابراین، بر اساس قوانین ولتاژ و جریان کیرشهف و با استفاده از اندازهگیریهای مناسب میتوان معادلات زیر را بدست آورد:
▪ معادلاتی که جریانها، ولتاژها و زوایای همزمانسازی قبل از وقوع خطا را به هم ارتباط میدهند و بر اساس شبکه توالی مثبت قبل از وقوع خطا میباشند.
▪ معادلاتی که جریانها، ولتاژها، مکان خطا و زوایای همزمانسازی حین وقوع خطا را به هم ارتباط میدهند و بر اساس شبکههای توالی مثبت، منفی و صفر هنگام وقوع خطا میباشند.
▪ معادلاتی که جریانها و ولتاژهای افزایشی، مکان خطا و زوایای همزمانسازی حین وقوع خطا را به هم ارتباط میدهند و بر اساس شبکههای توالی مثبت، منفی و صفر هنگام وقوع خطا میباشند.
از آنجایی که در بعضی از مواقع ممکن است بهرهبرداران سیستم قدرت به دادههای ولتاژ و جریان مربوط به قبل از وقوع خطا دسترسی نداشته باشند و همچنین به دلیل خطاهای احتمالی به وجود آمده در نتیجه استفاده از این دادهها در فرآیند تخمین محل خطا، ارایه الگوریتمی که بتواند محل خطا را تنها با استفاده از دادههای حین وقوع خطا تخمین بزند بسیار کارآمد میباشد و در این مقاله مورد بررسی قرار میگیرد.
یکی از عواملی که دقت الگوریتمهای تخمین محل خطا را تحت تاثیر قرار میدهد، خطاهای همزمانسازی بین دستگاههای اندازهگیری نصب شده در دو طرف خط انتقال میباشد. توسعه PMU ها در سیستمهای قدرت که در این مقاله برای اندازهگیری مقادیر ولتاژ و جریان مربوط به دو انتهای خطوط انتقال مورد استفاده قرار گرفته است، امکان اندازهگیری همگام فازورهای ولتاژ و جریان را فراهم کرده است و خطاهای ناشی از زوایای همزمانسازی در فرآیند تخمین محل خطا را حذف نموده است. روش ارایه شده در این مقاله از مدل خطوط انتقال و پارامترهای توزیع شده خطوط برای استخراج معادلات مورد نیاز برای فرآیند تخمین استفاده میکند. همچنین، فرآیند تخمین نیز با استفاده از روش حداقل مربعات غیر خطی - NLS - انجام میشود.
