بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک طرح حفاظتی بهمنظور شناسایی، دستهبندی و مکانیابی خطا در خطوط انتقال دو مداره جبرانشده سری ارائه شده است . روش پیشنهاد شده جهت شناسایی و دسته بندی خطا، با استفاده از تبدیل موجک و بر پایه مؤلفههای مودال بدست آمده از دامنه اولین امواج سیار جریان ناشی از خطا، انجام میگیرد. الگوریتم مکان یابی ارائهشده، بر مبنای اندازهگیری های فیزور جریان و ولتاژ غیر سنکرون دو ترمینال می باشد که در آن با محاسبه جریان و ولتاژ نقطه خطا بر حسب محل خطا و با استفاده از معادلات مربوط به نوع خطا، مکان و مقاومت خطا بدست میآید.
برای درنظرگرفتن القای متقابل بین خطوط موازی در شبکه توالی صفر، از مدل خط با پارامترهای توزیعشده استفاده میشود. به منظور بررسی این روش، با شبیهسازی یک سیستم نمونه توسط نرم افزار PSCAD/EMTDC، سیگنال ها ی ولتاژ و جریان سه فاز هر دو ترمینال استخراج و سپس در محیط نرم افزار MATLAB فراخوانی شده و الگوریتم اجرا می شود. نتایج حاصل از شبیه سازی، کارایی این تکنیک را برای انواع مختلف خطاها در یک مدار تأیید مینماید
-1 مقدمه
خطوط انتقال از اجزای اصلی هر سیستم قدرت میباشند که وظیفه آنها انتقال توان تولید شده توسط بخش های تولیدی به مراکز مصرفی است. امروزه با توجه به افزایش مصرف انرژی الکتریکی، محدودیت سیستم های انتقال توان الکتریکی و محدودیت های زیست محیطی، از خطوط انتقال موازی استفاده می شود. همچنین بهمنظور افزایش قابلیت انتقال توان، افزایش پایداری و میرایی نوسانات سیستم قدرت در خطوط انتقال بلند، از ادوات جبرانساز سری - SC - ، ازجمله بانک خازن سری، استفاده میگردد که این جبرانسازها،معمولاً توسط دستگاه برقگیر در مقابل اضافه ولتاژها محافظت میشوند.
در یک سیستم قدرت، خطوط انتقال مانند دیگر اجزای سیستم در معرض انواع خطاها قرار دارند و از مهمترین خطاهایی که درآنها بهوجود می آید، وقوع اتصال کوتاه است. پس از وقوع یک خطا، تشخیص سریع و مطمئن نوع خطا به جهت رفع خطا از اهمیت بالایی یرخوردار است. همچنین در صورت نیاز به تعمیر خط تحت خطا، استفاده از الگوریتمهایی که قادر باشند با سرعت و دقت کافی محل خطا را تعیین نمایند امری ضروری بهنظر میرسد.
در [2,3]، الگوریتم مکانیابی خطا در خطوط انتقال تکمداره جبران شده سری، بر پایه داده های سنکرون ارائه می شود که در آنها از مدل معادل جبرانساز سری استفاده شده است. در [4] الگوریتم مکانیابی خطا در خطوط موازی با مدل فشرده، برای خطاهای نامتقارن ارائه می گردد که در آن نیازی به سنکرونیسم بودن داده های دو طرف خط نمی باشد؛ اما روش بیان شده به امپدانس تونن توالی منفی دو طرف خط وابسته است که محاسبه آن از دقت بالایی برخوردار نیست.
در [5]، یک طرح حفاظت دیستانس دو ناحیه ای برای خطاهای تکفاز و خطاهای زمین بین مداری در خطوط موازی ارائه گردیده است. در این روش تنها از داده های محلی اندازه گیری شده خط تحت خطا استفاده می شود اما در آن القای متقابل بین دو مدار به طور کامل لحاظ نشده است و همچنین برای مقاومتهای بالا، الگوریتم از دقت کافی برخوردار نیست. در [6] الگوریتمی برای مکانیابی خطا در خطوط انتقال دومداره موازی جبرانشده سری ارائه شده است که در آن نیز از مدل معادل جبرانساز سری استفاده شده و القای متقابل بین خطوط موازی بهطور دقیق لحاظ نشده است.
در [7] ، یک طرح حفاظتی فوق سریع برای خطوط انتقال فشار قوی با استفاده از امواج سیار ارائه گردیده است. روش ارائهشده با مقایسه امواج سیار در شین های واقع در دو انتهای خط، قادر به تشخیص خطا می باشد؛ بر این اساس که در زمان وقوع خطای خارجی، تغییرات جریان و ولتاژ در یک انتهای خط دارای پلاریته مشابه و در انتهای دیگر پلاریته مخالف خواهند داشت؛ اما در خطای داخلی این پلاریته ها در هر دو طرف خط انتقال هم علامت می باشند. همچنین این روش قادر به تعیین محل خطا با استفاده از اختلاف زمان رسیدن امواج به دو انتهای خط میباشد. اما روش مکان یابی بیان شده مشروط به همزمان بودن داده های دو انتها بوده و همچنین در شبیه سازی ها عملکرد الگوریتم برای خطاهای قبل از 10km بررسی نشده است.
در [8]، روشی برای شناسایی، دستهبندی و مکانیابی خطا برای خطوط انتقال موازی، با استفاده از دامنه امواج سیار جریان ناشی از خطا ارائه می شود. در روش ارائه شده، بهمنظور استخراج امواج سیار مؤلفه های مودال از عملگر انرژی تیجر استفاده شده است. در صورت تشخیص رخداد خطا، با استفاده از یک سیستم فازی طراحیشده، نوع خطا تشخیص داده میشود.
در این مقاله ابتدا یک روش حفاظتی با عملکرد سریع جهت شناسایی و دسته بندی خطا در خطوط انتقال موازی جبران شده سری ارائه می شود. سپس یک الگوریتم مکان یابی خطا برای تعیین محل وقوع خطا در این خطوط بررسی می شود. روش ارائه شده جهت شناسایی و دستهبندی خطا، با استفاده از تبدیل موجک و بر پایه مؤلفه های مودال بدست آمده از دامنه اولین امواج سیار جریان خطا که به محل رله میرسند، انجام میگیرد. الگوریتم پیشنهادی برای تعیین محل خطا، بر پایه فیزورهای ولتاژها و جریان های غیر همزمان دو ترمینال می باشد. در این الگوریتم از مدل خط با پارامترهای توزیع شده استفاده شده و در آن امپدانس و ادمیتانس متقابل توالی صفر بین دوخط موازی بهطور کامل لحاظ می شود. همچنین در این روش از امپدانس تونن منابع و مدار معادل جبرانساز استفاده نشده است.
-2 مطالب اصلی
-1-2 تبدیل موجک
معمولاً در علوم برق، اغلب سیگنال ها به صورت تابعی از زمان در نظر گرفته می شوند اما در بسیاری موارد نیاز است سیگنالها در حوزه فرکانس مورد بررسی قرار گیرند. روش مرسومی که برای تشخیص مؤلفههای فرکانسی یک سیگنال، در مقالات مورد استفاده قرار گرفته است، تبدیل فوریه است. اما در این تبدیل اطلاعات زمانی سیگنال حذف میشوند.
تبدیل موجک یک روش تحلیل سیگنال است که اطلاعات فرکانسی و زمانی را به طور همزمان در اختیار قرار می دهد. تبدیل موجک پیوسته یک تابع به صورت مجموع حاصل ضرب تابع سیگنال f - t - در نسخه ها ی مقیاسشده و شیفتیافته تابع موجک ، در کل بازه زمانی تعریف میشود که معادله آن در رابطه - 1 - نشان داده شده است.
نتیجه این تبدیل، ضرایب موجک - c - هستند که تابعی از مقیاس و موقعیت می باشند. از حاصل ضرب هری ک از این ضرایب در موجک مقیاس شده و شیفتیافته مناسب، موجک های سازنده سیگنال اصلی بدست خواهند آمد
-2-2 امواج سیار
به طور کلی پدیده های گذرا در سیستم های انتقال در اثر هر تغییر ناگهانی در شرایط کار یا آرایش سیستم بهوجود میآیند. رعد و برق، کلیدزنی و خطا ها، عواملی هستند که منجر به وقوع پدیدههای گذرا در خطوط انتقال می شوند. مطالعات اختلالات گذرا در سیستم های انتقال نشان داده اند که تغییرات ایجاد شده ناشی از پدیده های گذرا را می توان با مطالعه امواج سیار به وجود آمده درسیستم انتقال، مورد بررسی قرار داد. حل معادلات امواج سیار برای یک خط بدون تلفات با پارامترهای R، G ، L و C در واحد طول و با امپدانس مشخصه Z0، به صورت امواج تابش و بازتابش زیر میباشد:
-3-2 الگوریتم ارائه شده جهت شناسایی و دستهبندی خطا
الگوریتم پیشنهادی در این بخش بر اساس شش سیگنال دریافتی متشکل از جریان های سه فاز از هر دو خط موازی است. با توجه به باند فرکانسی امواج سیار ناشی از خطا، فرکانس نمونه برداری 200 کیلوهرتز انتخاب شده است. به منظور جداسازی جریانهای سه فاز در دو خط موازی، از تبدیل مودال karenbauer استفاده شده است که در این تبدیل مؤلفههای جریان بهصورت زیر محاسبه میشود.
در این تبدیل رابطه ای بین فازهای b و c تعریف نشده، بدین سبب مؤلفه i بهصورت رابطه - 5 - تعریف میشود.
زمانیکه یک خطای داخلی در یکی از مدارهای خط موازی رخ دهد، جریان مدار تحت خطا شامل موج سیار دریافتی از محل خطا و موج منعکسشده از باس محلی میباشد، درحالیکه جریان مدار سالم تنها شامل قسمتی از موج منعکس شده از باس محلی است؛ بنابراین دامنه اولین موج شناسایی شده در مدار تحت خطا و مدار سالم متفاوت از همدیگر خواهند بود.
از طرف دیگر زمانیکه یک خطای خارجی در باس انتهای دور و یا خط بعد از آن رخ دهد، امواج سیار شناسایی شده در سیگنال های جریان هر دو خط برابر مجموع امواج منتشرشده و منعکسشده در باس رله میباشد و بنابراین دامنهای تقریباً یکسانی دارند. همچنین در مورد خطاهای خارجی پشت سر رله، اولین موج سیار شناساییشده در سیگنال جریان تقریباً برابر بخشی از موج تجزیهشده است؛ بنابراین در خطاهای خارجی بعد و قبل رله، دامنههای امواج سیار شناساییشده در هر دو خط موازی تقریباً برابر میباشند.
از ویژگی های توصیف شده، به منظور شناسایی خطاهای داخلی از خطاهای خارجی در خطوط موازی تحت حفاظت استفاده می شود. فلوچارت مربوط به شناسایی خطاهای داخلی از خطاهای خارجی و خطاهای بین مداری در شکل - 1 - نشان داده شده است - اندیس های 1 و 2 بهترتیب بیانگر پارامترهای مدار اول و مدار دوم میباشند - .
پس از تشخیص وقوع خطا، لازم است فازهای درگیر در آن شناسایی شوند. در ابتدا با استفاده از مقدار مؤلفه توالی صفر جریان، خطاها به دو نوع خطاهای زمینی و خطاهای غیر زمینی دستهبندی میشوند. چنانچه این مقدار بزرگتر از یک حد آستانه تعیین شده - - باشد، خطای زمین را میتوان نتیجه گرفت و در غیر این صورت خطا از نوع غیر زمینی خواهد بود. خطاهای زمینی شامل دو نوع خطای تکفاز به زمین و خطای دو فاز به زمین میباشد و خطاهای غیر زمینی، خطای دو فاز و خطای سه فاز را شامل می شود.
در خطاهای تکفاز به زمین در یک مدار، مؤلفههای مودالی که شامل فاز درگیر در خطا باشند، دامنهای تقریباً یکسانی دارند و مؤلفه مودال دیگر، مقدار صفر خواهد داشت. بهعنوان مثال زمانی که خطای AG رخ دهد، نسبت دامنه مؤلفه های مودال و اولین موج سیار ایجاد شده، تقریباً برابر یک خواهد بود و دامنه مؤلفه مودال نزدیک به صفر خواهد شد؛ بنابراین اصل شناسایی این نوع خطا به این صورت تعریف میشود:
- 6 - × خطای I < AG و I /Iß 1
برای دو نوع خطای تکفاز دیگر نیز اصول شناسایی به روشی مشابه خطای AG تعریف شده است.
- 7 - × خطای Iß < BG و I /I 1
- 8 - × خطای I < CG و Iß/I 1
