بخشی از مقاله
طراحي و ساخت کنترل کننده الکترونيکي ريکلوزر و سکسيونر با قابليت ارتباط با مرکز ديسپاچينگ توزيع
چکيده — رايج ترين مشکل در سيستم توزيع برق رخداد خطاهاي گذرا مي باشد. مطالعات انجام شده روي خطاهاي رخ داده در شبکه توزيع برق نشان داده است که بيشتر خطاها (در حدود ٨٠%) گذرا هستند و اين امکان وجود دارد که در کمترين زمان ممکن برطرف گردند. اين خطاها در اثر اتصال کوتاه گذرا رخ مي دهد که يا به دليل به هم خوردن خطوط برق در اثر باد و طوفان و يا در مناطق پردرخت به وجود مي آيد که در اثر آنها به طور لحظه اي اين خطوط به هم اتصال کوتاه مي شوند يا به هادي زمين متصل مي شوند. همچنين در مناطقي که رعد و برق زياد رخ مي دهد برخورد صاعقه باعث بالا رفتن ولتاژ لحظه اي خطوط و در نتيجه کاهش مقاومت عايقي و ايجاد قوس الکتريکي بين خطوط مي شود. علاوه بر موارد ذکر شده برخورد پرندگان يا فرسودگي تجهيزات شبکه نيز باعث بروز چنين خطاهايي مي شود. بسياري از اين خطاها به خودي خود رفع خواهند شد و نياز به سوختن فيوز و يا تريپ کردن يک بريکر ندارند. راهکار مناسب در هنگام وقوع اين خطاها، استفاده از دستگاه ريکلوزر مي باشد که پس از وقوع خطا و تشخيص آن خط را باز مي کند و مدت زماني در عبور جريان وقفه ايجاد کرده و سپس قبل از اينکه فيوز بسوزد يا بريکر عمل کند خط را مجددا وصل مي نمايد. در کشور ما، قطعي هاي برق مهمترين ضعف شبکه توزيع است و حجم عمده آن به علت رخداد خطاهاي گذار مي باشد. براي کاهش خاموشي و وصل مجدد خط در زمان کوتاه از دستگاه ريکلوزر استفاده مي شود. دستگاه ريکلوزر از دو بخش اصلي تشکيل شده است که شامل کنترلر الکترونيکي و کليد قدرت مي باشد. در اين مقاله ، طراحي و ساخت کنترل کننده الکترونيکي ريکلوزر و سکسيونر با قابليت برقراري ارتباط با مرکز ديسپاچينگ توزيع که در پژوهشگاه نيرو انجام پذيرفته است ، مورد بررسي قرار خواهد گرفت . با بررسي هاي انجام گرفته برروي فعاليت هايي که در زمينه ساخت دستگاه ريکلوزر در داخل کشور انجام شده است ، اين نتيجه حاصل شد که در زمينه ساخت کليد قدرت ريکلوزر فعاليت هايي صورت گرفته است ولي در زمينه طراحي و ساخت کنترل کننده الکترونيکي ريکلوزر و سکسيونر با قابليت ارتباط با مرکز ديسپاچينگ توزيع ، پژوهشگاه نيرو براي اولين بار اقدام به ساخت آن کرده است .
سخت افزار و نرم افزار اين کنترل کننده به گونه اي طراحي شده است که مشخصات فني ريکلوزرهاي مورد استفاده در شبکه هاي توزيع را پوشش مي دهد.
واژه هاي کليدي — ريکلوزر؛ کنترل کننده الکترونيکي ؛ پردازنده DPS؛ نمونه برداري ؛ مقادير آنالوگ
١. مقدمه
خطاهاي رخ داده در شبکه توزيع هوايي عمدتا از نوع گذرا هستند و به خودي خود رفع خواهند شد. به همين دليل در خطوط برق از دستگاه ريکلوزر (رله وصل مجدد) استفاده مي شود تا در صورت بروز خطا، با فرمان دادن به کليد قدرت به طور خودکار و هوشمند خط را باز کرده و پس از يک تأخير زماني مناسب با فرمان دادن به کليد، عمليات وصل مجدد خط را انجام دهد.
عملکرد ريکلوزر به اين صورت است که پس از تشخيص خطا روي خط ، خط را باز مي کند و سپس مدت زماني را (به عنوان مثال ٦٠٠ ميلي ثانيه ) صبر مي کند و پس از آن خط را مجددا وصل مي کند. در صورتي که خطا رفع شده باشد وصل مجدد با موفقيت انجام شده است اما در صورتي که هنوز خطا وجود داشته باشد، ريکلوزر خط را مجددا قطع مي کند. معمولا کار وصل و قطع مجدد بيش از چهار بار انجام نمي شود و پس از بار چهارم اصطلاحا قفل (Lockout) مي شود.
پس از رفع خطا، ريکلوزر را به صورت دستي يا از راه دور از حالت قفل خارج مي کنند و خط وصل مي شود. ريکلوزر دو نحوه عملکرد سريع و تأخيري دارد. در عملکردي سريع ، سيستم تلاش مي کند بلافاصله خطاي گذرا را از بين ببرد و در عملکرد تأخيري هدف عمل کردن ساير تجهيزات حفاظت و جدا شدن قسمت خطا دار مدار از مدار اصلي مي باشد. عمل قطع ريکلوزر مي تواند تماما سريع يا تماما تأخيري و يا ترکيبي از عملکردهاي سريع و تأخيري تا حداکثر ٤ بار باشد.
دو وظيفه عمده ريکلوزر در شبکه هاي توزيع عبارتند از: افزايش قابليت اطمينان و حفاظت در برابر اضافه جريان F ريلکوزر غالبا در شاخه هاي مهم فيدرهاي توزيع به صورت سري با ديگر تجهيزات مجزا کننده از جمله فيوز و يا سکشنالايزر نصب مي شوند.
کنترلر الکترونيکي ريکلوزر طراحي و ساخته شده در پژوهشگاه نيرو براي حفاظت ، کنترل و پايش فيدرهاي توزيع شبکه هوايي کشور قابل استفاده است . کارکرد حفاظتي اصلي اين رله ، حفاظت اضافه جريان است و قابليت تشخيص خطاي اضافه جريان بر روي وروديهاي سه فاز و زمين بر اساس منحني هاي استاندارد زمان -جريان IEC P F وIEEE را دارد. حفاظت اضافه ولتاژ P F و حفاظت افت ولتاژ P F از ديگر کارکردهاي حفاظتي اين دستگاه مي باشد. اندازه گيري وروديهاي ولتاژ و جريان و محاسبه جريان و ولتاژ مؤثر، توان هاي اکتيو، راکتيو و ظاهري ورودي هاي سه فاز از ديگر قابليتهاي اين دستگاه مي باشد. همچنين اين دستگاه قابليت برقراري ارتباط با مرکز ديسپاچينگ توزيع از طريق پـروتـکـلـهـاي 3.DNP و -5-IEC60870 ١٠١ را دارد.
در ادامه اين مقاله طراحي و ساخت دستگاه کنترلر الکترونيکي ريکلوزر و سکسيونر با قابليت ارتباط با مرکز ديسپاچينگ توزيع به تفصيل بررسي شده است .
٢.پياده سازي سخت افزار
سخت افزار کنترلر الکترونيکي ريکلوزر از ماژول کنترل کننده ، ماژول رابط کاربر و مدار فرمان تشکيل شده است . شکل (١) بلوک دياگرام کلي سخت افزار را نشان مي دهد [١]. در اين مقاله هدف بررسي طراحي و ساخت سخت افزار ماژول کنترل کننده دستگاه است .
٢.١. سخت افزار ماژول کنترل کننده
همانطور که در شکل (١) مشاهده مي شود، بخش کنترل کننده از سه برد پردازشگر، آنالوگ و ورودي .خروجي ديجيتال تشکيل شده است . وظيفه اصلي اين بخش حفاظت و کنترل مي باشد. وروديهاي ولتاژ و جريان به عنوان وروديهاي اين ماژول مي باشند که براساس مقادير آنها عمليات حفاظت و کنترل انجام مي گيرد.
اين ماژول با استفاده از پورت هاي سريال خود، امکان برقراري ارتباط با مرکز کنترل ديسپاچينگ توزيع ، ماژول رابط کاربر و نرم افزار پيکربندي را ميسر مي سازد.
در ادامه به بررسي سه برد سخت افزار ماژول کنترل کننده پرداخته شده است .
٢.١.١. برد پردازشگر مرکزي
اين برد، بخش اصلي پردازش و تصميم گيري کنترل کننده ريکلوزر مي باشد. پردازنده و کنترل کننده اصلي اين برد پردازشگر DSP ساخت شرکت Texas Instruments، نوع TMS سري ٢٠٠٠ با نام TMS320F28335 مي باشد که يک پردازنده ٣٢ بيتي است و داراي مشخصات زير است [٢:]
- پردازش ١٥٠ ميليون دستورالعمل در ثانيه
- حافظه داخلي شامل
- ٥١٢ کيلو بايت حافظه Flash
- ١٦ کيلو بايت حافظه Boot Rom
- ٦٨ کيلوبايت حافظت SRAM
- سه تايمر ٣٢ بيتي
- پورت سريال UART
- دو پورت MCBSPF
- يک پورت سريال SPIF
- يک پورت سريال I2CF
شکل (٢) بلوک دياگرام برد پردازشگر مرکزي و ارتباط آن را با ساير بخشهاي سخت افزار نشان مي دهد [٣].
ولتاژهاي تغذيه مورد نياز اين برد،VDC ٥، VDC ٣.٣ و 1.9VDC و ولتاژ ايزوله ٥ ولت (جهت تغذيه بخشهاي ايزوله مدار) مي باشد. ورودي اصلي تغذيه برد پردازشگر ٢٤ ولت DC است که ولتاژهاي مورد نياز با استفاده از مبدلهاي ولتاژ DC به DC از ٢٤ ولت ورودي ، توليد مي شوند.
براي تأمين ولتاژ ٣.٣ ولتي براي مدارات جانبي F7 و ١.٩ ولتي براي هسته F8 تراشه DSP و ساير تراشه هاي جانبي آن که با ولتاژ ٣.٣ ولتي کار مي کنند از رگولاتوري که به صورت خروجي دوگانه قابل تنظيم F٩ مي باشد، استفاده شده است . خروجي اول اين رگولاتور حداکثر جريان (A)١ و خروجي دوم آن حداکثر جريان (A)٢ را تأمين مي کند. خروجي اول به ولتاژ ١.٩ ولتي و خروجي دوم جهت توليد ولتاژ ٣.٣ ولتي در نظر گرفته شده است .
اين تراشه قابليت بازنشاني F٠ به صورت دستي را دارا است . با اتصال يک کليد Push-Button به پايه هاي مربوطه آن مي توان سيگنال ري ست را در پايه خروجي رگولاتور ايجاد کرد و از آن براي ري ست کردن تراشه DSP استفاده نمود. اين رگولاتور داراي مدار ري ست داخلي است که پس از بالا آمدن تغذيه نيز، سيگنال ري ست را در پايه خروجي خود فعال مي کند. پايه ري ست اين تراشه به پاي ري ست تراشه DSP متصل شده است .
کـنتـرل کن ـنده الـکـترونيـکي ريـکلـوزر پـروتـکـلـهـاي ٣.DNP و ١٠١-٥-٦٠٨٧٠ IEC را پشتيباني مي نمايد. به منظور پياده سازي اين پرتکلها لازم است پايگاههاي داده بزرگي ايجاد گردد به همين منظور از حافظه MRAM خارجي با ظرفيت ٥١٢ کيلوبايت استفاده شده است . اين حافظه ١٦ بيتي از نوع Magnetoresistive Random Access Memory با سرعت خواندن و نوشتن اطلاعات در حد ns ٣٥ است . نکته حائز اهميت در مورد اين نوع RAM اين است که با قطع شدن تغذيه تراشه ، اطلاعات آن را از بين نمي رود. در طراحي اين برد، تراشه MRAM نقش EEPROM را هم دارد و در واقع با استفاده از آن نيازي به گذاشتن تراشه EEPROM جداگانه نيست . پايگاه داده مورد نياز در طراحي ، در داخل اين حافظه MRAM قرار داده شده است . اين تراشه به صورت موازي F١ با تراشه تراشه DSP در ارتباط است .
جهت نگهداري و تنظيمات تاريخ و زمان از يک تراشه ساعت RTCFPاستفاده شده است . که اطلاعات قرن ، سال ، ماه ، روز، روز در هفته ، ساعت ، دقيقه و ثانيه را با فرمت BCDF P نگه مي دارد. در ضمن اصلاح سال کبيسه نيز به صورت اتوماتيک در آن انجام مي شود.
ارتباط با اين تراشه به صورت موازي و ٨ بيتي امکان پذير است و جهت تأمين تغذيه کمکي براي آن در زمان قطع تغذيه برد به مدت ١٠ سال از باتري پشتيبان F٤ خارجي استفاده شده است .
از يک اسيلاتور ٣٠ مگا هرتزي به عنوان منبع کلاک تراشه DSP استفاده شده است .
همانطور که در بلوک دياگرام شکل (١) نمايش داده شده است ، از ٢ پورت سريال SCI(UART) تراشه DSP، يکي براي ارتباط با مودم راديويي (در واقع ارتباط با مرکز کنترل اسکادا) و ديگري براي ارتباط با واسط کاربر استفاده شده است . به منظور ايزوله کردن سيگنالهاي UART، اپتوکوپلر به کار برده شده است . در انتخاب اپتوکـــوپلر سرعت آن مهـــم است . زيرا در عــمل براي پروتـکلهاي مخــابراتي 3.DNP و IEC101 از ســرعت Kb.s ٣٨٤٠٠ استفاده مي شود که حداقل طول پالس 26μs مي شود. بنابراين اپتوکوپلري مناسب است که مجموع زمان هاي Rise Time و Fall Time آنها بسيار کمتر از اين مقدار باشد، مقدار ولتاژ ايزولاسيون آن بيش از ٢.٥ کيلوولت rms و جريان خروجي آن تا حدود mA١٦ که ورودي Line Drive مي باشد را تأمين کند. اپتوکوپلر انتخاب شده تا سرعت Mbit.s١ را پشتيباني مي کند.
سيگنالهاي UART پس از ايزوله شدن توسط اپتوکوپلر از پردازنده وارد يک تراشه مبدل مي شوند اين تراشه قابليت تبديل سطح ولتاژي UART به RS٢٣٢ يا RS٤٨٥ را به صورت انتخابي دارا است . توسط يک پايه اين مبدل اين انتخاب صورت مي گيرد. در واقع ارتباط با مرکز کنترل اسکادا از طريق هر دو استاندارد RS232 و RS485 امکان پذير است .
اين تراشه قابليت تنظيم کارکرد به صورت Half-Duplex يا -Full Dupblex در مد RS485 را دارد.
DSP مورد استفاده داراي پورت USB نمي باشد. بنابراين با استفاده از يک مبدل SPI به USB، اين پورت در برد پردازشگر ايجاد شده است . سيگنالهاي يک پورت SPI تراشه DSP بعد از ايزوله شدن توسط اپتوکوپلر وارد مبدل SPI به USB مي شوند و خروجي اين مبدل سيگنالهاي USB را در اختيار ما قرار مي دهد. لازم به ذکر است که ولتاژ تغذيه ٣.٣ ولتي مورد نياز براي اين مبدل از بقيه برد ايزوله مي باشد و توسط يک رگولاتور ديگر تأمين شده است . اين تراشه مبدل 2-USB را پشت ي باني مي کند و به هر دو صورت Host يا Peripheral مي تواند کار کند. در مد Peripheral با ســـرعت 12Mbps و در مد Host با سرعت 12Mbps يا 1.5Mbps مي تواند کار کند. اين تراشه نياز به يک کلاک ورودي ١٢ مگاهرتز دارد که توسط کريستال تأمين مي شود. همانطور که در بخش ٢ گفته شد ماژول کنترل کننده از سه برد اصلي تشکيل شده است . برد پردازشگر مرکزي از طريق يک کانکتور با برد ورودي – خروجي ديجيتال و از طريق کانکتور ديگري با برد آنالوگ در ارتباط است . که سيگنالهاي کنترلي ، داده و تغذيه از طريق اين کانکتور ها منتقل مي شوند.
٢.١.٢. برد ورودي – خروجي ديجيتال
اين برد، يکي از بردهاي اصلي کنترلر الکترونيکي ريکلوزر است که داراي ١٢ ورودي ديجيتال و ٤ خروجي ديجيتال مي باشد. از وروديهاي ديجيتال مي توان براي موارد متعددي از جمله اطلاع از وضعيت کليد قدرت (باز يا بسته بودن آن )، وضعيت شارژ خازن مدار فرمان ريکلوزر، آلارم شارژر، وضعيت ولتاژ خروجي باطري و ... استفاده کرد. از خروجي هاي ديجيتال براي فرمان قطع P F يا وصل P F دادن به کليد قدرت ريکلوزر استفاده مي شود. بلـوک دياگـرام طرح کلي برد ورودي – خروجـي ديجيتال در شکل (٣) نشان داده شده است .
