بخشی از مقاله
طراحی محدود کننده هوشمند جریان خطا با استفاده از تبدیل موجک و شبکه عصبی
خلاصه
این مقاله نوع هوشمندی از محدود کنندههای جریان اتصال کوتاه (FCL) را معرفی میکند که شامل بخش رزونانسیLC موازی و یک مقاومت سری با خازن است. بر خلاف انواع محدود کنندههای جریان خطایی که تا کنون معرفی شده، در این نوع هوشمند به جای تشخیص خطا به صورت ذاتی و یا با کمک سیستمهای تشخیص مداری، از تحلیل سیگنالهای جریان اتصال کوتاه رخ داده در شبکه توسط تبدیل موجک استفاده شده است. سپس یک شبکه عصبی مصنوعی که با نتایج حاصل از تبدیل موجک سیگنالهای خطا آموزش دیده است، قادر خواهد بود زمان ورود محدود کننده جریان خطا به مدار را تشخیص و دستور قرار گرفتن آن در مدار را صادر نمای.دضمناً در شبیه سازیهای انجام شده از مدل واقعی شبکه انتقال جنوب غرب ایران برای تحلیل سیگنالهای جریان خطا استفاده شده است.
کلمات کلیدی: جریان خطا ، تبدیل موجک، شبکه عصبی
.1 مقدمه
رشد سیستمهای قدرت و افزایش خطوط انتقال همواره باعث بالا رفتن سطح اتصال کوتاه در شبکه قدرت شده که لازم است تمهیداتی جهت جلوگیری از آسیب دیدن تجهیزات شبکه اتخاذ گردد. سادهترین راه حل این مشکل، تعویض تجهیزات بکار برده شده در آن نقاط، متناسب با افزایش سطح اتصال کوتاه میباشد که این امر به لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیست. راه دیگر این است که جریان اتصال کوتاه محدود گردد. روشهای مختلفی برای این کار وجود دارد که از آن جمله میتوان به جداسازی شبکه قدرت، استفاده ازترانسفورماتورهای با امپدانس بالا و ... اشاره کرد که میتوانند مشکلات دیگری برای شبکه بوجود آورند.[1]
محدود کنندههای جریان خطا (Fault Current Limiter)، تجهیزاتی هستند که قادرند جریان اتصال کوتاه را در لحظه رخ دادن آن، مهار کرده و بدون نیاز به قطع کردن مدار از آسیب دیدن تجهیزات جلوگیری کنند. به طور کلی در حالت ایده آل مشخصات یک FCL عبارتند از: [2 ]
- امپدانس صفر در حالت عادی شبکه
- عدم وجود تلفات در حالت عادی شبکه
- ظاهر کردن سریع یک امپدانس بزرگ در برابر جریان خطا
- برگشت پذیری سریع به حالت عادی بعد از رفع خطا
به دلیل اهمیت موضوع افزایش سطح اتصال کوتاه در نقاط مختلف شبکههای قدرت، تاکنون تحقیقات گستردهای بر روی محدود کنندههای جریان خطا صورت پذیرفته است. این تحقیقات حائز اهمیت هستند زیرا از نظر اقتصادی جایگزین کردن تجهیزات قدرت جهت سازگاری با سطح اتصال کوتاه بالاتر در یک شبکه قدرت توجیه پذیر نیست. اساس کار محدود کنندههای جریان خطا (FCL) آشکار سازی یک امپدانس بزرگ در مسیر جریان خطا در لحظه رخ دادن آن جهت جلوگیری از افزایش دامنه جریان است. تفاوت میان انواع FCL های معرفی شدهغالباً، در نحوه در مدار آوردن و آشکار ساختن امپدانس بزرگی در لحظه وقوع خطاست. برخی نیز در ساختار متفاوتند مانند ٌ([3] (SFCLو.[4]
به طور خلاصه میتوان یک دسته بندی کلی از FCL ها به صورت زیر ارائه داد :
جدول - 1 طبقه بندی کلی محدود کنندههای جریان خطا
با بررسی انواع مختلف FCL ها که در جدول 1 به آنها اشاره شد، واضح است که اختلاف همه آنها یا در تجهیزات بکار برده شده و یا نحوه در مدار قرار دادن یک امپدانس بزرگ محدود کننده جریان خطاست.[5]
شکل1، یک نمونه FCL اجرا شده از نوع رزونانسی سری در کشور چین است .[6]
شکل FCL-1 اجرا شده از نوع رزونانسی سری
بنابراین با فرض امکان استفاده کامل از خصوصیات ذکر شده در یک FCL، هدف این است که با تعریف یک نوع جدید از محدود کنندههای جریان خطا به نام محدود کننده هوشمند جریان خطا ٌ((IFCL بتوان لحظه رخ دادن خطا را با استفاده از روشهای هوش مصنوعی تشخیص، و جریان خطا را محدود نمود.
موضوع مهم جهت استفاده از روشهای هوشمندانه در ساختار و عملکرد این تجهیز ، استفاده از قابلیتهای موجود رایانهای به جای دیگر روشهای تشخیصی مداری و کنترلی استفاده شده در ساختار کلی FCL هاست. با وجود بهرهگیری از مکانیزمهای مختلف در ساختار سیستمهای الکتریکی و مکانیکی در تمام شاخههای علوم مهندسی، همواره محققین بر آن بودهاند تا با استفاده از قابلیتهای رایانهای و نرم افزاری، عملکرد سیستمها را به نحوی بهبود بخشند. به عبارت دیگر میتوان گفت در برخی سیستمها، امکان جایگزینی ساختارهای فیزیکی با پردازشگرها و نرم افزارهای رایانهای وجود دارد که این امر میتواند خود نوعی ارتقاء در سیستم محسوب گردد. لذا از آنجا که تاکنون در ساختار و عملکرد FCL ها، صرفاً بر تجهیزات و روشهای مداری تکیه شده و مطالعهای جهت بهرهگیری از روشهای تشخیصی نرم افزاری و نیز هوش مصنوعی صورت نگرفته است، این زمینه برای انجام چنین تحقیقی وجود دارد. بنابر آنچه گفته شد میتوان با دیدگاهی جدید، امکان استفاده از روشهای هوشمند و
دخیل شدن نرم افزار به جای شیوههای معمول سخت افزاری مداری و کنترلی را بوجود آورد.
.2 تشریح ساختار و عملکرد IFCL
همان گونه که قبلاً ذکر شد، در تمامی محدود کنندههای جریان خطا از روشهای مداری و یا کنترلی جهت تشخیص و سپس عکسالعمل در مقابل جریان اتصال کوتاه در ساختار کلی آنها استفاده میشود. به عنوان مثال میتوان به نمونهای از FCL رزونانسی موازی معرفی شده در سال 2212 اشاره کرد که روش تشخیص خطا در آن بر عهده یک بخش مداری متشکل از پل دیودی و یک سوئیچ نیمه هادی است. این نمونه در شکل 2 ارائه گردیده است .[1]
شکل FCL- 2 از نوع رزونانسی موازی با پل دیودی و سوئیچ نیمه هادیIGBT
و در نمونه معرفی شده دیگر از این نوع که در سال 2213 به نام "Parallel -Resonance-Type Fault Current Limiter" منتشر شد، یک سیستم کنترلی وظیفه تشخیص خطا و در مدار آوردن محدود کننده رزونانسی جریان خطا را بر عهده دارد. این نمونه نیز در شکل 3 و سیستم کنترل کننده کلید نیمه هادی آن در شکل 4 نشان داده شده است .[7]
اصولاً هر سیستم کنترلی بر اساس روابط ریاضی حاکم بر ساختار سیستم تحت کنترل طراحی میشود. لذا از آنجا که پارامترهای شبکه قدرت در نقاط کار متفاوت شبکه، دچار تغییر شده و مدل ریاضی آن نیز تغییر خواهد کرد، ممکن است تابع تبدیل سیستم کنترلی فوق در حالات مختلف کار شبکه دچار تغییراتی شده که باعث بروز خطا در پاسخ آن گردد. استفاده از هوش مصنوعی این مشکل را برطرف میسازد. زیرا پارامترهای دریافتی از تبدیل موجک و شبکه عصبی مصنوعی، مستقل از تغییرات مدل ریاضی شبکه خواهد بود و این یک نقطه قوت نسبت به دیگر روشهاست. بنابراین روش پیشنهادی استفاده از تکنیکهای هوش مصنوعی، میتواند به جای سیستم کنترلی معرفی شده برای تشخیص خطا و در مدار قرار دادن بخش رزونانسی این نوع FCL بکار رود.
شکل FCL- 3 از نوع رزونانسی موازی با پل دیودی و دارای سیستم کنترلی جهت فرمان به کلید نیمه هادی
شکل - 4 سیستم کنترل کننده کلید نیمه هادی FCL رزونانسی موازی
یک محدود کننده هوشمند جریان خطا((IFCL، در واقع ساختاری مانند FCL رزونانسی موازی که در شکل 3 مشاهده میشود، خواهد داشت که عبارت است از یک خازن و مقاومت سری که خود با یک سلف، موازی میباشد. این قسمت را بخش رزونانسی مینامیم. مقادیر استفاده شده برای بخش رزونانسی در شبیه سازی، طبق جدول 2 است.
یک پل دیودی نیز با بخش رزونانسی موازی است. در هنگام کار عادی شبکه، جریان از مسیر پل دیودی و شاخه وسط آن که متشکل از یک سلف و یک کلید نیمه هادی است عبور مینماید. اما در هنگام رخ دادن خطا و افزایش جریان از یک حد معین، باید توسط یک سیستم کنترلی، فرمان قطع به کلید نیمه هادی صادر گردد تا مسیر عبور جریان از پل دیودی به سمت بخش رزونانسی که دارای امپدانس بسیار بالایی است تغییر یابد.
در روش جدید پیشنهادی، سیگنال جریان عبوری از نقطهای خاص به روش تبدیل موجک تجزیه و تحلیل میگردد. سپس با اعمال برخی از نتایج بدست آمده از تحلیل انجام شده به یک شبکه عصبی مصنوعی که قبلاً آموزش دیده است، فرمان قطع یا عدم قطع توسط این شبکه صادر و به کلید نیمه هادی ارسال میشود که وجه تمایز این روش جدید نسبت به مدلهایی است که تا به امروز معرفی شدهاند. در بخش تحلیل نرم افزاری نیز از نرم افزارهای DIGSILENT و MATLAB جهت محاسبات مربوط به پخش بار، اتصال کوتاه و تبدیل موجک استفاده خواهد شد.
.3 تشریح ساختار و عملکرد IFCL
شکل - 5 محل نصب IFCL در پست شمال غرب
