بخشی از مقاله
چکیده - یک سیستم کنترلی خودترمیم مبتنی بر کنترل غیرمتمرکز، افراز و سیستمهای چندعاملی جهت کنترل ولتاژ سیستمهای قدرت، در این مقاله ارائه شده است. در شبکه هوشمند خود ترمیم پیشنهادی، دو نوع عامل کنترلی اصلی و محلی تعریف میشود. بالفاصله بعد از وقوع خطا، سیستم قدرت به کمک روش افراز طیفی و بر مبنای توان راکتیو عبوری از خطوط، به سه زیرسیستم تقسیم میگردد.
برای هر زیرسیستم، یک عامل کنترلی محلی و یک شاخص آسیبپذیری تعریف خواهد شد. هرگاه شاخص آسیبپذیری در آن زیرسیستم، بزرگتر از حد آستانه خود شد عامل کنترلی محلی، پارامترهای کنترلی را به سیستم قدرت اعمال میکند تا آن را از حالت اضطراری بعد از وقوع خطا، به حالت نرمال برگرداند. سپس عامل کنترلی اصلی، که بر کل سیستم قدرت و تمامی عاملهای کنترلی زیرسیستمها نظارت دارد به کمک الگوریتم ژنتیک، سیستم را به حالت بهینه خود منتقل میکند. شبیهسازیها بر روی سیستم 39 شین New England، موید عملکرد موفق ساختار خودترمیم پیشنهادی جهت کنترل ولتاژ در سیستمهای قدرت میباشد.
-1 مقدمه
بر اساس تعریف IEEE/GIGRET، پایداری ولتاژ عبارت است از توانایی سیستم قدرت برای حفظ ولتاژ حالت ماندگار قابل قبول در تمامی شینها، بعد از اینکه سیستم قدرت دچار یک اغتشاش نسبت به شرایط اولیه مورد بهرهبرداری شد.]1[ سیستمهای قدرت معموال به گونه ای طراحی میشوند تا بار پیک ساالنه شبکه را بدون هیچ مشکلی تامین کنند و سیستم حفاظتی آنها، شبکه را در برابر رخدادهای N-1، مصون بدارد.
اما به دلیل احتمال پایین وقوع خطاهای متوالی، معموال هیچگونه سیستم محافظتی و کنترلی جهت کنترل اینگونه خطاها طراحی نمیشود، این امر در حالی است که وقوع خطاهای متوالی در سالیان گذشته منجر به وقوع پدیده فروپاشی ولتاژ شده است.]1[ لذا وجود یک سیستم کنترلی خودکار، در سیستم قدرت ضروری به نظر میرسد.
در سالیان گذشته شبکههای هوشمند به سرعت درسیستم های قدرت توسعه یافتهاند، یکی از ویژگیهای اساسی شبکههای هوشمند، برخورداری از ویژگی خودترمیمی میباشد. یک شبکه هوشمند خودترمیم، که از توانایی کنترل خودکار و آگاهی موقعیتی در مواجه با اختاللهای سلسلهوار برخوردار است از طرف دپارتمان انرژی ایاالت متحده، به عنوان یک شبکه رویایی شناخته شده است.
در یک شبکه هوشمند خود ترمیم، شبکه قادر خواهد بود تا به صورت پیوسته با تحت پایش داشتن شرایط خود، به شناسایی و بررسی اغتشاشات ایجاد شده در سیستم بپردازد و در صورت نیاز اقدامات مورد نظر را انجام دهد و حتی اقدام به بازیابی سیستم کند. این شبکه قادر خواهد بود تا مسائلی را که برای کاربر انسانی بسیار سریع و پیچیده هستند را مدیریت کند.]2[
مطابق شکل 1، سیستم قدرت دارای 5 حالت عملکردی میباشد که عبارتند از: -1 حالت بهینه -2 حالت متعارف یا نرمال -3 حالت آسیب پذیر -4 حالت خطا -5 حالت پس از خطا. مطابق با این 5 حالت، کنترل شبکه خودترمیم دارای 4 حالت کنترلی است که در شکل 1 نشان داده شده است و در ادامه هر یک شرح داده شده است.]2[ شکل :1 حالت های عملکردی و کنترلی سیستم قدرت در ساختار خودترمیم]2[
• کنترل ممانعتی: وظیفه برگرداندن سیستم از حالت آسیب پذیری به حالت نرمال را دارد. این شیوه کنترلی قبل از وقوع خطا در سیستم فعال می شود.
• کنترل اضطراری: در این حالت کنترلی سیستم از حالت بعد از وقوع خطا به حالت نرمال باز میگردد که این فرایند باید سریع و به موقع صورت پذیرد.
• کنترل ترمیم گر: در این حالت کنترلی سیستم باید از حالت پس از وقوع خطا - خاموشی سراسری - به حالت نرمال بازگردد.
• کنترل بهینه: در این حالت سیستم از حالت عادی به حالت بهینه منتقل میشود.
این مقاله به ارائه موضوع کنترل اضطراری ولتاژ و سپس کنترل بهینه در سیستمهای خودترمیم اختصاص دارد. مقاالت مختلفی در سالیان گذشته در زمینه کنترل اضطراری ولتاژ ارائه شده است. این مقاالت را میتوان در دو رویکرد کنترل متمرکز و غیرمتمرکز دستهبندی کرد. در کنترل متمرکز، عموماً از کنترل مبتنی بر پیشبینی مدل - MPC - 1 برای حل مسئله کنترل اضطراری ولتاژ استفاده شده است.
کنترل مبتنی بر پیش بینی مدل، دارای سه بلوک اصلی اقدامات کنترلی، پیشبینی مسیر و توابع هدف میباشد. در این روش کنترلی، با نگاه به یک بازه زمانی رو به جلو - بازه زمانی پیش بین - 2، بهترین اقدامات کنترلی بر مبنای اقدامات کنترلی بهینه انتخاب و به سیستم قدرت اعمال می-شوند. تفاوت مقاالت مختلف در این زمینه، عموماً به نوع توابع هدف و الگوریتم حل مسئله بهینهسازی مربوط میباشد.]16-3[
از مزایای روشهای مبتنی بر MPC میتوان به استفاده همزمان از متغیرهای کنترلی موجود برای حل مسئله کنترلی اضطراری ولتاژ و تعیین یک نقطه کار بهینه که با اعمال اقدامات کنترلی بهینه پس از وقوع خطا حاصل میشود اشاره کرد. لذا در MPC، هر دو عمل کنترل اضطراری و کنترل بهینه در یک مرحله انجام میشود اما به دلیل حل مسئله بهینهسازی، زمان محاسبات این روش بسیار زیاد است و عالوه بر این چون این روش کنترلی، یک روش کنترل متمرکز میباشد با از دست دادن یک واحد اندازه گیری فازوری، دچار مشکل خواهد شد.
تکنولوژی سیستمهای چندعاملی در چند سال گذشته بسیار توسعه پیدا کرده است. در 17[،]18 از سیستم های چندعاملی برای کنترل اضطراری ولتاژ استفاده شده است. اما هر دو به بررسی این موضوع در قالب کنترل متمرکز پرداختهاند که از سرعت کافی برای تعیین و اعمال اقدامات کنترلی الزم در زمان وقوع خطا و فروپاشی ولتاژ بهره مند نمیباشند. در ]19[ از سیستمهای چندعاملی برای حل مسئله کنترل اضطراری ولتاژ در سیستمهای قدرت چندناحیه ای استفاده شده است. اما روش معرفی شده در ]19[ نیز مبتنی بر MPC است لذا این روش نیز از سرعت کافی برای کنترل سیستم برخوردار نیست.
جهت ایجاد یک کنترل هماهنگ غیرمتمرکز، به افراز سیستم قدرت نیاز می-باشد تا برای هر زیرسیستم یک سیستم کنترل محلی تشکیل شود. افراز دقیق سیستم میتواند بازیابی ولتاژ در سیستم را سرعت ببخشد. در ]20[ به کمک افراز طیفی و بر مبنای توان اکتیو عبوری از خطوط قبل از وقوع خطا، برای افراز سیستم استفاده شده است اما هیچ پیشنهادی برای کنترل سیستم در برابر فروپاشی ولتاژ ارائه نشده است.
افراز سیستم قدرت در ]21[، به کمک افراز چند مرحلهای و بر مبنای توان اکتیو و توان راکتیو بعد از وقوع خطا انجام شده است. اما در ]21[، جهت کنترل سیستم، تنها از حذف بار استفاده شده است و همانگونه که عنوان شد در راستای احترام به مشترکین، می بایست این اقدام کنترلی بعنوان آخرین راهکار به سیستم قدرت اعمال شود.
یک روش کنترل هماهنگ غیرمتمرکز برای کنترل اضطراری ولتاژ در سیستم-های قدرت در ]22[ پیشنهاد شده است. در این روش ابتدا سیستم قدرت، قبل از وقوع خطا، بر مبنای ماتریس مسافت الکتریکی که همان اندازه ماتریس امپدانس سیستم میباشد به سه ناحیه تقسیم میشود و برای هر ناحیه یک شاخص عملکرد معرفی میشود.
شاخص عملکرد بر اساس میزان انحراف ولتاژ شینهای بار در هر ناحیه و میزان انحراف توان راکتیو هر مولد از بیشینه توان راکتیو مجازش، محاسبه میشود. هر گاه مقدار تجمعی این شاخص عملکرد در هر ناحیه بزرگتر از یک شود سیستم کنترلی فعال شده و از دو پارامتر خازن و حذف بار برای کنترل ولتاژ در آن ناحیه استفاده میکند. مزیت روش پیشنهادی در سرعت عملکرد سیستم کنترلی است اما چهار ایراد وارد بر این مقاله عبارت است از:
-1 افراز سیستم قبل از وقوع خطا انجام می شود.
-2 افراز بر مبنای ماتریس مسافت الکتریک انجام شده است.
-3 کنترل سیستم تنها با اعمال اقدامات کنترلی خازن و حذف بار انجام میشود. -4 پاسخ نهایی بدست آمده، یک پاسخ بهینه نمیباشد.
اگر خطای وارد بر سیستم خروج یک خط باشد آنگاه ماتریس مسافت الکتریکی سیستم تغییر میکند، لذا افراز قبل از وقوع خطا، افراز دقیقی برای آن نمیباشد. همچنین اگر خطای وارد بر سیستم، خروج یک مولد باشد ماتریس مسافت الکتریکی هیچ تغییری نمی کند بنابراین افراز بر مبنای ماتریس مسافت الکتریکی، نمیتواند معیار مناسبی برای افراز سیستم قدرت باشد.
مقاله پیش رو در واقع ادامه کار ]22[ و بهبود آن میباشد. در این مقاله تالش می شود تا 4 ایراد وارد بر ]22[ پوشش داده شود. لذا در مقاله، یک سیستم کنترلی خودترمیم، جهت کنترل اضطراری ولتاژ ارائه شود. در این راستا، بالفاصله بعد از وقوع خطا، سیستم بر مبنای توان راکتیو عبوری از خطوط افراز می شود. بازای وقوع هر خطا در سیستم قدرت، توان راکتیو عبوری از خطوط تغییر می کند. افراز بگونهای است تا هر زیرسیستم کمترین میزان تبادل توان راکتیو با زیرسیستم همسایه را داشته باشد.
در این مقاله برای افراز سیستم، از روش افراز طیفی استفاده میشود. اقدامات کنترلی در این مقاله، عالوه بر اعمال خازن و حذف بار، شامل ولتاژ مرجع مولدها نیز میشود. از حذف بار تنها در صورتی استفاده می شود که بدون آنها توان از فروپاشی ولتاژ در سیستم جلوگیری کرد. همچنین اگر نیاز به حذف بار در سیستم باشد اولویت حذف بار، با شینهایی است که فاصله الکتریکی کمتری با محل خطا دارند. الزم به ذکر است که اقدامات کنترلی در هر زیرسیستم به کمک سیستمهای چندعاملی هماهنگ میشوند و هیچگونه ارتباطی بین زیرسیستمها وجود ندارد. در نهایت، به کمک به کمک الگوریتم ژنتیک، سیستم قدرت به حالت عملکردی بهینه خود منتقل میشود.
ساختار مقاله پیش رو بدین شرح است: در بخش دوم مسئله کنترل هماهنگ اضطراری ولتاژ بیان میشود. ساختار سیستم خودترمیم هوشند پیشنهادی که مبتنی بر کنترل غیرمتمرکز است در بخش سوم معرفی میشود و در بخش چهار درستی روش پیشنهادی با شبیهسازی بر روی سیستم 39 شین New England نشان داده خواهد شد. در بخش پنجم نیز نتایج حاصل از این مقاله ارائه میشود.
در این مقاله پارامترهای کنترلی شامل سوسپتانس خازن، ولتاژ مرجع مولدها و مقدار حذف بار میباشد. تعداد بیشینه گامهای حذف بار برابر با 10 در نظر گرفته شده است. همچنین ظرفیت سوسپتانس هر خازن برابر با 0.5 پرویونیت و در گامهای 0.1 در نظر گرفته میشود. بیشینه ولتاژ مرجع مولدها برابر با 1.1 پریونیت فرض میشود. مقدار بیشینه ولتاژ سیستم تحریک مولدها به دلیل عملکرد محدوده کننده سیستم تحریک - OEL - 2 برابر با 2 در نظر گرفته خواهد شد.
