بخشی از مقاله
خلاصه
تنظیمکننده اتوماتیک ولتاژ ، بخش مهمی از ساختار شبکههای توزیع و انتقال برق میباشد. تنظیمکنندههای اتوماتیک ولتاژ در زمینه تثبیت ولتاژ و کنترل توان راکتیو و بهینهسازی شبکه توزیع برق و بازیابی سیستم و همچنین بهبود ضریب توان کمک شایانی را به صنعت برق نمودهاند، اما دارای مشکلات و نواقصی نیز بودهاند، از اینرو نسل جدیدی از تنظیمکننده اتوماتیک ولتاژ جایگزین تنظیمکننده اتوماتیک ولتاژ سنتی شدهاند که قابلیت دریافت اطلاعات، دیجیتالسازی، اتوماسیون وتعامل با سایر تجهیزات هوشمند را دارند. در این مقاله، بصورت مروری و تحقیقی و پژوهشی استفاده از حسگرهای هوشمند و کنترل کنندههای کارآمد در بهبود تنظیمکننده اتوماتیک ولتاژ را مورد بررسی قرار داده و توسط میکروکنترلر بصورت هیسترزیسی به مدیریت و بازیابی خطا پرداخته در آخر هم یک نمونه از تنظیم کننده اتوماتیک ولتاژ، معرفی و شبیهسازی شده است. حداکثر ولتاژ استفاده شده در این شبیهسازی برابر با 250 ولت میباشد و هدف نهایی از انجام این شبیهسازی رسیدن به ولتاژ مرجع 180 ولت میباشد.
کلمات کلیدی: بازیابی خودکار سیستم ، تنظیم کننده اتوماتیک ولتاژ هوشمند، شبکه هوشمند، مدیریت خطا.1 مقدمه
شبکه توزیع هوشمند، امروزه نقش بسیار کلیدی در مدیریت توزیع انرژی و بهبود مصرف مشترکین وکاهش گازهای-گلخانهای و تغییرات مضر آبوهوایی را دارا میباشد. برای توزیع هوشمند برق ضروری است ولتاژ تولیدی نیروگاه در محدوده ایمن و بدون تغییرات شدید باشد که تنظیمکنندههای اتوماتیک ولتاژ این وظیفه حیاتی را عهدهدار میباشند. امروزه تلفات خطوط انتقال و توزیع که حاصل از امپدانس هادیها و عملکرد شبکه کم بازده است، بین 8 تا 14 درصد میباشد[1]، با کاهش این تلفات که توسط سیستم توزیع هوشمند صورت میگیرد، نیروگاه در تولید پایین قرار گرفته و در نتیجه آلودگی ناشی از نیروگاه نیز کاهش مییابد.
در هوشمندسازی شبکه توزیع، تثبیت ولتاژ، استفاده از منابع تجدیدپذیر انرژی، مدیریت خطا و بازیابی سریع سیستم در اولویت میباشد. تنظیمکننده اتوماتیک ولتاژ مشکلاتی نظیر کافی نبودن روند سازگاری در ساختارش، عدم عملکرد خودکار ولتاژ در شکست شبکه و کنترل دقیق و منطقی نوسانات شدید ولتاژ را دارا میباشد که سبب شده است مدلهای جدیدی از تنظیم کننده اتوماتیک ولتاژ برای بهبود موارد فوق ارائه شود. بحث دیگر دوسویه بودن رفتار در شبکه های هوشمند انرژی میباشد که باید ارتباط و ارسال و دریافت داده ها هم از طریق قسمت کنترل به سیستم و هم از طریق سیستم به قسمت کنترل صورت گیرد که در این زمینه نیز تنظیم کنندههای ولتاژ باید دچار تغییراتی گردند.
.2 تنظیم کننده اتوماتیک ولتاژ
تنظیمکننده اتوماتیک ولتاژ هوشمند، میتواند وضعیت عملیاتی شبکه انتقال برق را در هر زمانی کنترل کند، گسل های مخفی را شناسایی و از بین ببرد، همچنین با کنترل ولتاژ، از خاموشیهای ناشی از افت ولتاژ جلوگیری کند و توانایی بازیابی خودکار شبکه را داشته باشد و در نهایت عملیات شبکه را بهینه و هزینه را کاهش و قابلیت اطمینان را بالا ببرد.
.3 بازیابی خودکار
یکی از مزایای تنظیمکننده اتوماتیک ولتاژ، خاصیت بازیابی خودکار میباشد که توانایی این را دارد که سیستم بتواند سطح ولتاژ را در صورت مداخله کوچک که انسان در آن دخالت ندارد، بازگرداند که در نهایت منجر به شبکهای با ضریب اطمینان بالا و داشتن امنیت ذاتی در کلیه سطوح میباشد. برای کارکرد صحیح تنظیم کننده اتوماتیک ولتاژ، عملیات شبکه برق به 5 قسمت تقسیم میشود که شامل - 1 منطقه عملیاتی بهینه -2 منطقه عملیاتی معمول -3 منطقه غیر طبیعی و آسیب پذیر -4 منطقه احتمالی و خطا و -5 منطقه نگهداری و تعمیر میباشد.. هنگامیکه شبکه برق در مراحل 3و 4و5 که مراحل بحرانی برای شبکه هستند قرار گرفت، تنظیمکننده اتوماتیک ولتاژ وارد عمل شده و این 3 ناحیه را کنترل و شبکه را برای بهینه سازی به مرحله اجرا در میآورد .[2] شکل 1 ساختار کلی تنظیمکننده اتوماتیک ولتاژ و نحوه ارتباط با شبکه توزیع برق را نشان میدهد.
.4 حسگرهای هوشمند
یک تنظیمکننده اتوماتیک ولتاژ ازحسگرهای اندازهگیری ولتاژ و قسمت تولید سیگنال اصلاح کننده و قسمت تولید جریان های مختلف با توجه به سیگنال های اصلاح کننده و تولید منبع قدرت و توان برابر با عملکرد سیستم تشکیل شده است. سیستم های کنترل در شبکه های هوشمند برق، شامل ترکیبی از اجزا مشابه و البته متنوع نظیر حسگرها، محرکها،نرمافزارهایی برای نظارت و جمع آوری اطلاعات و خدمات دیگر میباشد. برای پویایی کامل شبکه توزیع هوشمند، نیاز به نصب و راه اندازی سنسورهای هوشمند بر روی تمامی عناصر کلیدی شبکه و هم چنین برقراری ارتباط دو سویه با آن و تنظیم بار و هم چنین قطع و وصل جریان برق متناسب با عملکرد سیستم میباشد. از طرف دیگر، شبکههای حسگر بیسیم بهعنوان یکی از فناوری های نوین در حال گسترش، با ایجاد امکانات مناسب فراوان، شبکه های هوشمند را قادر به خوانش و تصمیم گیری دقیق میسازند. شبکه حسگر بیسیم، ابزار بسیار موثر و انعطافپذیر برای دریافت مشخصههای شبکه قدرت برای مانیتورینگ و تجزیه و تحلیل مرکزی میباشد. امروزه بسته به بسترهای مخابراتی، استفاده از حسگرهای هوشمند بیسیم رو به رشد بوده و شاهد استفاده فراگیر آن هستیم.
.5کنترل کننده های PID
در شبکه های هوشمند، مشکلاتی نظیر عدم هماهنگی بار و یا انحراف زوایای روتور محدودیت در سیستم انتقال و یا نوسانات توربین ممکن است بوجود آید، در ساختار تنظیمکننده ولتاژ اتوماتیک برای بهبود پاسخ دینامیکی و عملکرد مناسب حالت ماندگار، از کنترل کننده های PID* متناسب با فرضیات زیر استفاده میشود: اولا اینکه سیستم باید خطی باشد؛ ثانیا اختلال خارجی که روی سیستم عمل میکند ناچیز باشد؛ ثالثا قسمت حسگر که بخش بسیار مهمی در عملکرد تنظیمکننده اتوماتیک ولتاژ دارد به نویز ایمن باشد.PID ها در یک دستهبندی کلی به 3 دسته، یک درجه آزادی و دو درجه آزادی و سه درجه آزادی تقسیم میشوند.[4]در یک درجه آزادی، گاها مشکلاتی را مقادیر پارامترهای مورد سنجش در PID بوجود میآورند که مطلوب برای سیستم نمیباشد.
با استفاده از الگوریتم اکتشافی - - HA ساختار - - TLBO - آموزش بهینه سازی یادگیری - ارایه میشود[5] که یک روش مبتنی بر جمعیت، برای بدست آوردن مورد مطلوب را بیان میکند که هدف آن کنترل کننده PID برای یک سیستم تنظیم کننده اتوماتیک ولتاژ - - AVR است. . عملکرد PID دو درجه آزادی با اینکه از یک درجه آزادی بهتر و مطلوب تر میباشد اما FFPID** و FBPID که با TLBO طراحی شدهاند، عملکرد بهتری را در مقایسه با PID دو درجه دارند. جدول 1 تفاوت در مقادیر کنترل کننده های PID را نشان میدهد.تنظیم کنندههای اتوماتیک ولتاژ مبتنی بر نسل جدید با مشخصات مطرح شده در متن مقاله را میتوان متناسب با سیستمهای کنترلی مبتنی بر فیلدباس درنظرگرفت. قبل از استفاده فراگیر از سیستمهای کنترلی مبتنی بر فیلدباس، از سیستمهای کنترلکننده توزیعی استفاده میشد که از مشکلات آن میتوان به اشغال فضای زیاد در اتاقهای تجهیزات و
