بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
هماهنگی بهینه رله های اضافه جریان جهت دار در ریز شبکه ها در دو حالت وصل و جدا از شبکه
چکیده
یک طرح حفاظتی مطمئن می بایست عیوب مختلف را تشخیص داده و در مقابل آنها عکس العمل مناسبی از خود نشان دهد. در این راستا، هماهنگی میان تجهیزات مختلف حفاظتی برای عملکرد صحیح در تشخیص بخش معیوب و جداسازی آن بسیار مهم است. ورود ریز شبکه ها به سیستم های قدرت و امکان عملکرد آنها در دو حالت جزیره ای و اتصال به شبکه اصلی، سبب شده تا مباحث حفاظتی این شبکه ها اهمیت خاصی بیابند . سیستم حفاظتی این شبکه های نوظهور باید قابلیت عملکرد مناسب در هر دو وضعیت را داشته باشد. دراین مقاله، رله های اضافه جریان جهت دار به عنوان یکی از تجهیزات حیاتی سیستم های حفاظتی ریز شبکه ها در دو حالت وصل و جدا از شبکه مطالعه می شوند. در شبکه مورد مطالعه هماهنگی بهینه رله های اضافه جریان جهت دار با استفاده از الگوریتمهای بهینه سازی PSO و HPSO بررسی می شوند. نتایج این مقاله نسبت به سایر فعالیتهای انجام شده ی نشان می دهد که تاکنون، روش پیشنهادی برای هماهنگی رله های اضافه جریان جهتی در حالت جزیره ای و وصل DG به شبکه، با الگوریتم HPSO جواب بسیار بهتری دارد.
واژه های کلیدی ، هماهنگی رله ها، رله های اضافه جریان جهتی،
مقدمه
صنعت برق که زمان پیدایش آن به حدود دو قرن پیش باز می گردد، وظیفه ی تحویل انرژی الکتریکی به مصرف کننده ها را بر عهده دارد. شبکه های قدرت در کلی ترین دسته بندی، شامل سه زیرمجموعه ی تولید، انتقال و توزیع برق هستند3]،2،.[1 در یک سیستم قدرت، تأسیسات الکتریکی زیادی شامل مولدها، ترانسفورماتورها، تجهیزات و اسباب و دیگرادوات برقی موجود می باشند3]،.[4 زمانی که هر کدام از این اجزا به هر دلیلی آسیب می بینند، لازم است که در کمترین زمان ممکن از شبکه ای که از طریق آن تغذیه می گردند، جدا شوند.[5] مسائلی چون بحران سوخت های فسیلی همچون نفت، هزینه توزیع و انتقال، آلودگی محیط زیست و مشکلات احداث خطوط انتقال و... باعث افزایش استفاده از واحدهای تولیدی کوچک تحت عنوان تولیدات پراکنده ٌو بحث ریزشبکهٍ ها که به طور عمده به شبکههای توزیع متصل شده و نیازی به خطوط انتقال ندارند، شده است. بنابراین عملیات بهینه سازی تنظیم المانهای DG، HPSO، PSO، ریز شبکه ها.
حفاظتی در دو حالت جزیره ای و وصل به شبکه، به منظور استفاده بهتر مصرف کنندگان از صنعت برق به صورت بی وقفه و قابلیت اطمینان بالا می باشد.[6] در این شبکه هامعمولاً منبع انرژی جهت تولید انرژی الکتریکی منابع تجدید پذیر همانند انرژی باد، خورشید، هسته ای، فتوولتاییکَ، زمین گرماییُ، سوختهای فسیلی و... می باشند .[7] در[8] حفاظت ریزشبکه ها با استفاده از رله های دیفرانسیلی انجام شده است. سوییچ استاتیک توانایی جدا کردن ریز شبکه در مقابل اختلالات را از شبکه دارد .[9] عملکرد بعضی از DGهای متصل به یک ریز شبکه ها بصورت دوره ای می باشد.[01] با توجه به اینکه طبق پیش بینی ها، تا سال 0101 در حدود بیست درصد کل برق دنیا را DG ها تأمین خواهند کرد و مزایای فروان استفاده از ریز شبکه ها هم برای شبکه ی قدرت و هم برای مصرف کننده ها آشکار است، بنابراین وجود انواع روشهای حفاظتی قدرتمند و هماهنگی تجهیزات در دو حالت جزیره ای و جدا از شبکه ضروری بنظر می رسد4]،.[11 در مرجع [12] یک طرح حفاظتی بر پایه رله های اضافه جریان برای ریز شبکه ها شامل DGهای سنکرون، در حالی که که از الگوریتم بهینه سازی PSO برای تنظیم پارامترهای رله استفاده می کند، پیشنهاد شده است. در [01] هماهنگی رله های اضافه جریان جهتی به کمک الگوریتم بهینه سازی HPSO در حالی که ریز شبکه در مد جزیره ای فعالیت دارد، انجام شده است.
-2 الگوریتم بهینه سازی مورد استفاده
الگوریتم PSOِ بمعنی بهینه سازی ازدحام ذرات یا الگوریتم پرندگان می باشد. این الگوریتم راه حلی برای مسائل بهینه سازی است که در آن ذرات در فضای جستجو از یگدیگر می آموزند به سمت بهترینها میل کنند. اساس کار PSO با توجه به روابط معادلات 1و2 است که در هر تکرار سرعت و موقعیت به روز شده و بعد از همگرایی تابع هدف این روند تکرار می شود. در6HPSO علاوه بر موارد فوق در هر تکرار جمعیت جدید بطور کامل جایگزین جمعیت قبلی می شود. ابتدا یکی از متغیرها بهینه شده و سپس با استفاده از مقادیر بهینه متغیر بهینه شده متغیرهای دیگر بهینه می شوند. از مهمترین پارامترهای دو الگوریتمC1,C2 که به معنی ضرایب شناختی (cognitive)و اجتماعی (social) می باشند، وجمعیت اولیه یا همان particle و تکرار می باشند .[14 ]
-3 هماهنگی رله ها ی اضافه جریان
هماهنگی رله های اضافه جریان در سیستم های توزیع کلاسیک، معمولا به صورت شعاعی می باشد و برای این کار از رله های اضافه جریان با تاخیر زمانی استفاده می شود، بگونه ای که تنظیم زمانی رله ها از مصرف کننده به سمت منبع افزایش می یابد. این تنظیمات با توجه به اینکه زمان فرمان قطع رله ی نزدیک به منبع بیشتر از بقیه رله ها در نظر گرفته می شود، ممکن است در مواردی باعث وارد شدن صدمه به منبع گردد.[566605] با ورود DG به شبکه ها ی توزیع، این شبکه ها از ساختار شعاعی خود خارج می شوند. بنابراین با توجه به حلقوی شدن شبکه توزیع، رله های اضافه جریان جهتی برای حفاظت ریز شبکه ها مورد بررسی قرار می گیرند .[11]
در هماهنگی رله های اضافه جریان جهتی، می بایست دو مورد تنظیم در نظر گرفته شود:
-0 تنظیم زمانی (TMS)
-0 تنظیم جریانی (Iset)
تنظیم ها باید به نحوی طراحی شوند که زمان عملکرد رله ها حداقل باشد. از طرف دیگر لازم است بتوانند انتخابگری وهمچنین قابلیت اطمینان را در حالت حفاطت پشتیبان فراهم کنند. بنابراین مساله هماهنگ سازی رله های اضافه جریان جهتی قابلیت بهینه سازی داشته و نتیجه ی این بهینه سازی، عملکرد بهینه برای رله ها است. این نکته حائز اهمیت است که در رله های اضافه جریان جهتی تنظیم زمانی پیوسته و تنظیم جریانی بصورت گسسته صورت می پذیرد.
در مراجع [ 869600601] تکنیک های بهینه سازی مختلفی برای حل مساله هماهنگ سازی رله ها بیان شده است. تابع هدف هماهنگ سازی رله های اضافه جریان جهتی رامیتوان بصورت زیربیان کرد:
که درآن Tik نشان دهنده زمان عملکرد رله Ri برای خطای بوجود آمده در ناحیه k و W'I ضریبی است که بیانگر احتمال ایجاد یک خطا در یک خط می باشد که معمولا مقدار0 انتخاب می شود.
هدف، حداقل کردن زمان عملکرد رله ها تحت قیود زیر می باشد:
معادله 4 یکی از اصلی ترین قیود می باشد دیگر قیود تنظیم رله ها شامل قیود ، زمان عملکرد و جریان تنظیم رله ها که بصورت زیر تعریف شده اند.
حداقل جریان تنظیمی معمولا دو برابر جریان نامی در نظر گرفته می شود. این امر باعث می شود رله در شرایط عادی، عملکرد نا بجا نداشته باشد .[3] ماکزیمم جریان تنظیم به نحوی انتخاب می شود که از می نیمم جریان خطای عبوری از رله کمتر باشد. تابع مشخصه رله های اضافه جریان جهتی بصورت زیر مشخص می شود:
که در آن Iik جریان خطای عبوری از رلهi به ازای خطادرناحیه k و Tik زمان عملکرد رله i به ازای خطا در ناحیه k است. از معادله بالا مشخص است که هماهنگی رله غیر خطی( (MINLPْ با استفاده از روشهای ابتکاری حل می شود. جریان خطا مربوط به شرایط و موقعیت شبکه است و ISET جریان نامی و به شبکه وابسته است.
مهمترین ضعف این فرموله سازی این است که فرض می شود جریان خطا در هر رله مشخص است، این در صورتی که جریان خطا به صورت تئوری محاسبه و در برنامه [12] PSO جایگزین می شود. نظر به اینکه هر رله می تواند جریان خطای متفاوتی داشته باشد، می توان جریان تنظیم بهتری به رله اختصاص داد. در این مقاله جریان خطا به کمک نرم افزار متلبَ محاسبه شده و محدوده جریان Iset مطابق رابطه 7 تعیین می شود و از رله های اضافه جریان جهتی در ریز شبکه بجای رله های اضافه جریان استفاده شده است. در الگوریتم بهینه سازی HPSO هماهنگی بهینه رله های اضافه جریان جهتی برای هر دو حالت وصل به شبکه و جزیره ای برای بهینه نمودن مقادیر TMS و ISET استفاده شده است. در الگوریتم PSO جوابهای حاصل شده نتایج بهتری را نشان می دهند.
-4 شبکه مورد مطالعه
شبکه مورد مطالعه در این مقاله در شکل 1 نشان داده شده است. این شبکه نمونه شامل دو DG و مقداری بار که بارها در دو حالت بحرانی و غیر بحرانی بکار برده شده است، می باشد. در حالتی که کلید قدرت شبکه اصلی، یعنی کلید قدرت شماره 9 وصل باشد، همه ی بارها وصل و DGها بصورت موازی با شبکه عمل می کنند. زمانی کهB9 بخاطر خطا یا هر دلیلی دیگر باز شود، کنترل کننده ی حفاظت مرکزی به سرعت بارهای غیر بحرانی را از مدار خارج نموده و DG های موجود در مدار بصورت جزیره ای برای بارهای بحرانی ( مجموع بارهای بحرانی برابر ظرفیت DG ها در نظر گرفته شده است.) عمل می کنند. بنابراین تنظیم رله های اضافه جریان نیازمند عمل نمودن آنها به ازای کلیه اتفاقات در هر دو عملکرد جزیره ای و وصل به شبکه می باشد. مشخصات کامل شبکه در پیوست ذکر شده است.
شکل:1سیستم مورد مطالعه
سیستم مورد مطالعه شامل 11 رله با منحنی مشخصه یکسان می باشد و برای هماهنگی می بایست تمامی قیود ذکر شده در بخش هماهنگی در برنامه نویسی الگوریتم های بهینه سازی لحاظ شود. یکی از این قیود طبق معادله شماره 4 می باشد که می بایست رله های اصلی و پشتیبان مشخص شوند که در جدول شماره 1 رله های اصلی و پشتیبان برای هر دو حالت جزیره ای و وصل به شبکه برای سیستم مورد مطالعه مشخص شده اند. در دو حالت استفاده از الگوریتم های بهینه سازی HPSO ,PSo مقادیر Sbase، Vbase، ) CTI ) و فرکانس بترتیب 10 MVA ، 1338kV ،0/2 و 60 HZ لحاظ شده، و محدوده جریان Iset بین035تا235 و محدوده TMSبین031 تا131، جمعیت مورد نظر و تکرار برای هر دو الگوریتم بهینه سازی بترتیب 40 و140در نظر گرفته شده است.
با استفاده از برنامه تهیه شده در نرم افزار متلب، شبیه سازی خطاها برای باسها در دو حالت وصل DG به شبکه و جدا از شبکه، در مکان های دور و نزدیک به باس انجام و سپس با توجه به جریان خطای باسها، هماهنگی رله ها مطابق قیود و براساس جریان خطا رله ها در حالت اصلی و پشتیبان برای خطا نزدیک و دور از باس برای هر دو الگوریتم ها برنامه نویسی شده است. سرانجام برای هر رله مقادیر TMS ,ISET بهینه گردیده است. در این مقاله مقدارC1 و C2 برای الگوریتم بهینه سازی PSO بترتیب23035و13841در نظر گرفته شده و هر دو مقادیر TMS ,ISET برای هر رله بهینه شده اند. نتایج در هر دو حالت جزیره ای و وصل به شبکه در جدول شماره 2 ارائه شده است.
در الگوریتم بهینه سازی HPSO با استفاده از همان جریان خطاها ابتدا با استفاده ازPSO، I SET محاسبه می شود و در بخش دوم آن با استفاده از مقادیر بهینه I SETو LP(Linear Programming) مقادیر TMS هر رله محاسبه می گردد. مقادیر C1 و C2 برای الگوریتم بهینه سازی HPSO به ترتیب137و132 اعمال شده است. مقادیر بهینه برای هر دو حالت وصل به شبکه و جدا از آن در جدول شماره 2 آمده است.
در جدول شماره 2 الگوریتم PSO در مقاله [12] برای هر دو حالت وصل به شبکه و جدا از آن بهینه سازی شده که در این مقاله با توجه به قیود تعریف شده در بالا و مشخص نمودن جریان خطا ها الگوریتمهای بهینه سازی مجدد تکرارشده و جواب بهتری نسبت به قبل حاصل شده است. در مقاله [13] هماهنگی رله های اضافه جریان با استفاده ازالگوریتم بهینه سازی HPSO فقط برای ریزشبکه ها بهینه سازی شده در این مقاله برای هر دو حالت جزیره ای و وصل به شبکه اصلی بهینه سازی شده و مقادیر بهینه مناسبی استخراج گردیده است.
