بخشی از مقاله
چکیده -
این مقاله به کارهای انجام شده در پروژه تشخیص خطا در سیستم های برق پرداخته و اساس آن به نواقص سیستم قدرت و پیامد خطا از جمله به مدت زمان بروز آن مرتبط است اهمیت تشخص فوری خطا به نوع تجهیزات مورد استفاده برای رفع آن بستگی دارد و از آنجایی که هیچ گاه وضعیت دقیق سیستم قدرت به دلیل تغییرات تولید و بار توان قابل شناسایی نیست، هیچ گاه یک مدل برای سیستم قدرت یا سیگنال نمی تواند کامل شود؛ یعنی هیچ گاه پارامتر تخمینی نمی تواند به طور کامل صحیح باشد. به علاوه، برای محاسبه خطای کلی پارامترهای تخمینی، خطاها از سیستم اکتساب داده کمک می گیرند. دو مورد مطالعه برای بررسی عملکرد الگوریتم - اصلاح شده - استفاده می شود.
برای آن مطالعات نشان داده شده بود که الگوریتم ها می توانند یک خطا را تقریبا در طول 1ms بعد از شروع آن آشکار کنند و اینکه یکی از الگوریتم ها می تواند بین یک خطا و دو نوع متداول سیستم قدرت ناپایدار - تغذیه خازن و ترانسفورماتور - ، تمایز قائل شود.
دومین مورد مطالعه یک سیستم با دو منبع را معرفی می کند که نیازمند الگوریتمی جهت دار برای ایجاد تمایز بین معایب دورن یا بیرون ناحیه حفاظت می باشد. این موضوع نتیجه گیری می شود که طبق فرضیات مشخص ممکن است تا نقص سیستم قدرت در زمان 1ms آشکار شود و اینکه ممکن است نقص سیستم قدرت از ناپایداری سیستم قدرت که به طور منظم در آن اتفاق می افتد، متمایز شود. هدف کلی این مقاله ارایه نتایجی از طرح عیب سریع در سیستم های توزیع برق میباشد.
-1مقدمه
مصرف کنندگان نهایی انرژی الکتریکی همواره خواستار دریافت مداوم برق با کیفیت مناسب هستند بنابراین در بهره برداری از شبکه های توزیع دو اصل اساسی ذیل مطرح میگردد: الف - تداوم ارائه سرویس به مصرفکنندگان، ب - حفظ کیفیت مناسب سرویس، عیب یابی سریع بر این مهم بسیار تاثیر گذار است عبارت خطا یا عیب اتصال کوتاه برای توصیف یک اتصال کوتاه استفاده می شود و یک سیستم رفع عیب متداول متشکل از یک حفاظت رله ای و یک قطع کننده مدار است.
امروزه، معایب الکتریکی به طور خودکار توسط فیوزها و قطع کننده های مدار رفع می شوند یا توسط محدودکننده جریان خطا محدود می شوند.زمان رفع یک خرابی هم به زمان مورد نیاز برای تشخیص خرابی و هم به زمان موردنیاز قطع کننده مدار برای رفع خرابی بستگی دارد. یک راه تشخیص نوع خطا، این است که آنها را به عنوان معایب موازی یا سری توصیف کنیم. معایب موازی، آنهایی هستند که وقتی که یک فاز یا بیشتر اتصال کوتاه هستند - احتمالا به زمین - .
معایب موازی به طور کلی مخرب تر از معایب سری هستند که ممکن است به عنوان یک وقفه در یک فاز یا بیشتر توصیف شود و معایب سری با جریان های خرابی به صورت تناسبی با جریان های بار افزایش می یابند. معایب سری می توانند ناشی از یک رسانای شکسته، یک فیوز که در یک یا دو فاز عمل می کند یا بد عمل کردن قطع کننده مدار در یک یا چند فاز باشد..
عیب یابی سریع، به طور معمول برای عیب یابی در یک دوره فرکانس برق استفاده می شود، اما گاهی اوقات برای عیب یابی با سرعت 40 میکرو ثانیه استفاده می شود.[ 2 ] عیب یابی خیلی سریع، به طور معمول برای عیب یابی در نصف دوره فرکانس برق استفاده می شود. اما گاهی اوقات به سرعت چند میلی ثانیه می رسد] .[3 تعریف عیب یابی سریع - FFD - به عنوان " عیب یابی برای سیستم هایی که به از بین بردن و محدودکردن خطا قبل از اولین قله جریان پس از شروع اتصال کوتاه نیاز دارند " تعریف می شود.
-2 الگوریتمها
الگوریتم های عیب یابی در رله های حفاظتی عددی در زمینه های علمی و صنعتی مورد توجه بودند. الگوریتم های قدیمی محدود به عملکرد کامپیوتر موجود در آن زمان شدند.
و معمولا به منظور سرعت بخشیدن به الگوریتم،با یک زبان ماشین سطح پایین اجرا می شدند. عملکرد کامپیوترهای امروزی این امکان را فراهم می کند تا الگوریتم ها با یک زبان سطح بالا مثلا C یا C++ اجرا شوند. بنابراین امکان استفاده از یک نرم افزار در ریز پردازنده های مختلف را به وجود می آورد. این فصل شامل شرح خلاصه ای از الگوریتم های معمول استفاده شده در رله های حفاظتی عددی می باشد.
-1-2 الگوریتم های شکل موج
این گونه از الگوریتم ها یک ویژگی معمول دارند. آن ویژگی این است که فرض می شود جریان و ولتاژ خطای بعدی به وسیله سیگنال سینوسی S - t - تشریح می شود.
مقادیر داده نمونه جریان و / یا ولتاژ با استفاده از یکی از اعداد روش های ممکن به شکل موج سینوسی تنظیم شده اند. نتیجه اینکه مقادیر برآورد شده و می باشد. فرکانس f سیگنال سینوسی اغلب جهت انطباق با فرکانس توان اسمی سیستم قدرت فرض می شود. بنابراین لازم است تنها دامنه و فاز برآورد شوند. با مقایسه دامنه برآورد شده با دامنه دامنه در طول پردازش نرمال، یک خرابی قابل تشخیص می باشدجریان اتصال کوتاه ناشی از یک خرابی اغلب شامل عناصر dc معیوب با یک دامنه وابسته به زاویه شروع خطا می باشد. معادله 1 آن عناصر dc را در نظر نگرفته است. هرزمان که جریان خطا دارای مولفه های dc است، تخمین جریان خطا دارای خطا خواهد بود. الگوریتم شکل موج که برای موضوعات مورد مطالعه انتخاب شده است دو نوع الگوریتم به شرح ذیل مد نظر است
-2-2الگوریتم جریان لحظه ای
یک روش مستقیم برای تشخیص عیب، استفاده از مقدار لحظه ای جریان نمونه است که مشخص می کند زمانیکه مقدار این جریان از یک سطح مشخصی تجاوز کند یک خرابی پیش می آید.اگر چه هر عیبی در سیستم اکتساب داده یا یک خطای گذرای سیستم قدرت می تواند یک مقدار جریان مجزای بالاتر از سطح راه انداز ایجاد کند؛ بنابراین سبب یک عیب یابی نادرست می شود.
برای اینکه حساسیت عیب یابی به مقادیر جریان لحظه ای تصادفی بالای سطح راه اندازی کم کنیم، از یک روش شبیه روش دسته بندی کننده نوع خطا که توسط Phadke و [4] Thorp می تواند استفاده شود. Phadke و Thorp از یک الگوریتم دسته بندی کننده نوع خرابی برای تعیین فاز - هایی - که ممکن است معیوب باشند استفاده می کنند و محاسبات بیشتری را روی فاز - ها - انجام می دهند تا بار محاسباتی ریزپردازنده را کاهش دهند. هیچ سیگنال سیاری تنها بر مبنای طرح طبقه بندی نوع خرابی وجود ندارد. در این مقاله الگوریتم دسته بندی کننده نوع خرابی برای شناسایی یک عیب استفاده خواهد شد و اگر از حد آستانه تجاوز شود، یک سیگنال سیار خواهد شد. به علاوه، در در این مقاله از یک فرکانس نمونه برداری شده بالاتر - درمقایسه با روش Phadke و[4] Thorp - استفاده می شوند.
-3-2 الگوریتم های مدل سازی
یک ویژگی معمول برای الگوریتم های مدل سازی این است که قطعه حفاظت شده در سیستم قدرت توسط معادلات دیفرانسیل مدلسازی شده است. یک خط انتقال می تواند برای مثال به وسیله یک ارتباط RL یا Pi مدلسازی شود. سپس مقادیر نمونه ولتاژ و جریان اندازه گیری شده سیستم قدرت در معادلات دیفرانسیل جایگذاری می شود. نتیجه به دست آمده از الگوریتم، تخمین امپدانس قطعات حفاظت شده سیستم قدرت است. یک خطا با بررسی امپدانس تخمینی نسبت به امپدانس اسمی قطعه محافظت شده تشخیص داده می شود.
-4مطالعه موردی
دو مورد مطالعاتی به منظور بررسی عملکرد الگوریتم ها برای عیب یابی و مفاهیم محدود کردن جریان روی الگوی یک سیستم قدرت واقعی انجام شده است. الگوسازی و شبیه سازی با EMTDC یک برنامه کامپیوتری برای مطالعه مشکلات الکتریکی ناپایدار انجام شده است. مطالعات موردی با استفاده از دو سیستم قدرت انجام شده بود که سیستم اول بر مبنای مقادیر استاندارد ولتاژ سیستم مورد ارزیابی، جریان بار اسمی مورد ارزیابی و جریان اتصال کوتاه ارزیابی شده که با IEC تعیین شده است - که به عنوان مورد مطالعاتی IEC مشخص می شود - و بررسی موردی دوم بر مبنای داده های سیستم قدرت حاصل از سیستم توزیع برق در SSAB Oxelosund سوئد بود. سه نوع مختلف الگوریتم های عیب یابی مطالع شده اند: یک الگوریتم شکل موج، یک الگوریتم مدل سازی و یک الگوریتم جریان لحظه ای می باشد
-1-4 مورد پژوهشی IEC
استاندارد بین المللی IEC 60604 [5]، درجه بندی های ممتاز تابلوها و دستگاه های کنترل را منتشر می کند. برای این بررسی موردی، درجه بندی های زیر انتخاب شده اند و امپدانس های سیستم قدرت مبنی بر آنها محاسبه شدند:
ولتاژ سیستم uh = 12 KV
جریان بار اسمی در بارZL In = 63 A
جریان فاز اتصال کوتاه در مورد خرابی 3فاز ik= 40 kA
ثابت زمانی سیستم قدرت - وقتی که هیچ باری به سبستم قدرت متصل نیست - ، با توجه به ضریب توان FRV 0.0705 تا 45 میلی ثانیه انتخاب شده بود. ضریب توان بار با FRV 0.8 مقدار نوعی برای انواع بار معمول، انتخاب شده بود و شامل نمودار تک خطی سیستم قدرت به کار رفته در بررسی موردی IEC است. منبع به عنوان یک منبع نامحدود مدلسازی شده است که هیچ محدودیتی روی تولید توان اکتیو و راکتیو ایجاد نمی کند. امپدانس منبع
+ j 0.173 است که با جریان اتصال کوتاه 40 کیلو آمپر موثر مطابقت دارد. امپدانس بار ZL 8.79 + M 6.44
است که با جریان بار 630 آمپر موثر مطابقت دارد. سه قطع کننده مدار B1، B2 و B3 برای به کار بردن سه خطای ناپایدار سیستم قدرت به کار می روند. خرابی های سه فاز مطالعه شدند، اما عیوب دو فاز برای مشاهده اینکه آیا آنها می توانند با استفاده از الگوریتم های حاصل از این تحقیق کشف شوند مطالعه شدند. خرابی های تک فاز به طور خلاصه در این مقاله پرداخته شده اند.
زیرا سیستم های توزیع، امپدانس بالای متصل به زمین هستند، به طوری که جریان خطای تک فاز، در حد چند آمپر است. قطع کننده مدار دوم برای شبیه سازی تغذیه خازن و قطع کننده مدار سوم برای شبیه سازی تغذیه ترانسفورماتور به کار رفت. اطلاعات خازن و ترانسفورماتور از برگه مشخصات سیستم قدرت واقعی یعنی سیستم قدرت مشابه آنکه در مورد پژوهشی SSBA به کار رفته به دست آمدند. خازن در 4.08 مگا ولت آمپر راکتیو در 12 کیلو ولت - 10.5 کیلو ولت در مورد مطالعاتی - SSBA مطابق ظرفیت 90.19 میکروفاراد و ترانسفورماتور در 10.2 مگا ولت آمپر در 12 کیلو ولت - 10.5 کیلو ولت در مورد مطالعاتی SSBA ارزیابی شد.
خازن و ترانسفورماتور در EMTDC با استفاده از قطعات اصلی حاصل از اجزای سیتم قدرت معمول موجود در EMTDC به کار رفته بود. مدل ترانسفورماتور تنها شامل یک تغییر نسبت نیست، بلکه اشباع شدن را نیز در بر میگیرد. چون همه پارامترهای ترانسفورماتور واقعی شناخته نشده اند، مقادیر استاندارد از کتابخانه اجزای سیستم قدرت EMTDC به کار رفته بودند.
در نهایت یک قطعه تعریف شده برای کاربر جهت پیاده سازی سه الگوریتم که با توجه به سرعت عیب یابی بررسی شده بودند،به کار رفته است. این قطعه می تواند با نمودار شکل 2.7 توصیف شود. سطح راه اندازی عیب یابی - یعنی وقتی که جریان از سطح پیش بینی شده تجاوز می کند،خرابی شناسایی شود - برای 3 نمونه مقدار موثر جریان بار نامی انتخاب شده بود - شدت مجاز متعارف رله جریان بالا در 6 - 2.5 برابر جربان بار نامی طبق حفاظت رله انجام شده توسط مهندسان - .
سیستم اکتساب داده شامل فیلتر پایین گذر و مبدل A/D ساده به بررسی موردی برای ایجاد قابلیت مطاله برخی از نیازها و محدودیت ها ی این سیستم اضافه شد. اما ترانسفورماتورهای اندازه گیری به عنوان مبدل های نسبت ایده آل به کار به کار رفته بودند. برای دو الگوریتم عیب یابی که اجرا شدند - روش LSQ و روش معادله دیفرانسیل - ، فیلتر پایین گذر با فرکانس قطع معدال نصف فرکانس نمونه برداری جهت جلوگیری از اثرات نامطلوب طراحی شده بود. برای روش سوم - روش جریان آنی - ، فیلتر پایین گذر در یک حالت متفاوت انتخاب شد که بعدا به صورت جزئی تر در این فصل توصیف می شود.
داده ورودی الگوریتم ها - یعنی: مقادیر نمونه برداری شده ولتاژ و جریان - ، نزدیک به منبع اندازه گیری شده بودچون محدوده این مقاله، عیب یابی سریع برای سیستم های قدرتی است که در آن محدودیت یا قطع جریان قبل از اولین قله مورد نیاز است، الگوریتم های مطالعه شده قصد تشخیص تمام عیوب موجود در سیستم قدرت را داشتند. در یک سیستم قدرت دارای سیستم حفاظت متشکل از رله های، هر تغذدیه کنندهتجهیزات محافظت خود را دارد. اما در سیستم قدرتی که در آن محدودیت جریان اعمال می شود، این احتمال وجود دارد که بیشتر خرابی ها به سرعت منحرف کننده جریان یا محدودکننده جریان که در منبع یا در موقعیت تقسیم بندی شده مستقر هستند، محدود شوند. اما فایده انجام اندازه گیری ها در چند تغذیه کننده این است که ممکن است تشخیص محل خرابی آسان تر باشد.
