هﺪﻧﻮﺷاﺮﯿﻣ DC ﻪﻔﻟﻮﻣ فﺬﺣ ﺎﺑ ژﺎﺘﻟو ﺶﻫﺎﮐ ﻊﺒﻨﻣ عﻮﻧ و ﯽﺒﺴﻧ ﻞﺤﻣ ﺺﯿﺨﺸﺗ

Transcript

1 تشخیص محل نسبی و نوع منبع کاهش ولتاژ با حذف مولفه DC میراشونده سعید رحمانی دانشگاه علم و صنعت ایران و شرکت توزیع برق تهران بزرگ حیدرعلی شایانفر عضو قطب اتوماسیون و بهرهبرداري سیستمهاي قدرت دانشگاه علم و صنعت ایران چکیده در این مقاله الگوریتم جدیدي جهت تعیین زاویه فاز ولتاژ و جریان با حضور مولفه DC میراشونده به طور اختصار معرفی شده است. روش پیشنهاد شده از Full Cycle Discrete Fourier Transform براي تعیین فازور مولفه اصلی سیگنال استفاده نموده است. سپس با محاسبه اختلاف زاویه بین جریان و ولتاژ بوسیله الگوریتم اراي ه شده با استفاده از روش مولفه حقیقی جریان جهت اغتشاش شناسایی شده است. روش فوق با روش Resistance Sign-Based مقایسه شده و در نهایت کاربرد الگوریتم فوق براي یک شبکه واقعی با استفاده از نرمافزار EMTDC/PSCAD شبیهسازي شده و نتایج با استفاده از نرمافزار MATLAB تحلیل شدهاند. کلمات کلیدي مو لفه DC میراشونده خطاي امپدانس بالا تبدیل فوریه محل منبع اغتشاش- فرو رفتگی ولتاژ - مقدمه فرو رفتگی ولتاژ کاهش در دامنه ولتاژ موثر با طول دوره کوتاه مدت /5 سیکل تا یک دقیقه است که معمولا علل آن ایجاد اتصال کوتاه در شبکه راه اندازي موتورهاي بزرگ و برقدار نمودن ترانسفورماتورها بوده و شرکتهاي برق با مساي ل مختلفی در خصوص آن مواجهه میباشند[ ]. دلایل متعددي براي بررسی فرو رفتگی ولتاژ وجود دارد که از مهمترین دلایل میتوان بوجود بارهاي حساس در برخی از مشترکین اعم از مسکونی تجاري و صنعتی اشاره نمود. تجهیزات مورد استفاده توسط مصرفکنندهها مانند کنترل کنندهها محرکههاي با قابلیت تنظیم سرعت و رایانهها به فرو رفتگی ولتاژ بسیار حساس هستند[ 2 ]. اتصال کوتاه در شبکه میتواند در سیستم توزیع و انتقال رخ دهد. اتصالیهایی که بر روي سیستم انتقال رخ میدهند میتوانند بر روي مصرفکنندههاي بیشتري تاثیر بگذارند. حتی مصرفکنندههایی که صدها کیلومتر دورتر از محل اتصالی میباشند ممکن است که کاهش ولتاژ را تجربه کنند. بنابراین نیاز میباشد براي جلوگیري از آسیب به تجهیزات باید کاهش ولتاژ ایجاد شده جبران گردد و براي جبران فرو رفتگی ولتاژ شناسایی محل منبع اغتشاش مهم میباشد. در این نوشته براي شناسایی محل منبع اغتشاش از شناسایی مسیر زاویه ولتاژ و جریان در لحظه اغتشاش استفاده شده است. شناسایی سریع محل خطا تاثیر بسزایی در عملکرد رلههاي حفاظتی خواهد داشت[ 3 ]. یکی از روشهاي کاربردي در رلههاي حفاظتی دیجیتال جهت تشخیص اختلاف زاویه بین دو موج تبدیل فوریه گسسته میباشد. البته عواملی موجود میباشد که بر عملکرد تبدیل فوریه گسسته تاثیر منفی دارد که باید این عوامل حذف گردند.

2 -2 حذف مو لفه DC میراشونده مولفه DC میراشونده در سیستم قدرتی که دچار خطا و اغتشاش شده است بوجود میآید و بر صحت نتایج الگوریتم ( Discrete Fourier Transform) DFT تاثیر میگذارد. باید بنابراین اثرات منفی مولفه تخمین فازور سیگنال با استفاده از میشود. DC DFT در اندازهگیري فازور بوسیله روش بر روي در نظر گرفته وجود DFT مولفه DC مهم و در بیشتر مواقع باعث عملکرد نادرست رلههاي دیجیتال میگردد در نتیجه باید روشهاي خاص جهت حذف اثرات منفی مولفه DC اتخاذ گردد. در مرجع [4] یک روش خاص جهت محاسبه اندازه ولتاژ و جریان با حذف اثر مولفه DC توسط نویسندگان این مقاله پیشنهاد شده است. در روش اراي ه شده مولفه DC فقط براي شکل موج جریان حذف گردیده است. فرض کنید که سیگنال ورودي جریان براي یک تجهیز حفاظتی در طول وقوع خطا شامل مولفه اصلی مولفه DC و صورت سیگنال جریان بصورت معادله میشود: هارمونیکها باشد در این () p t e τ + I k sin( kωt + k ) ( ) k= در معادله () o I دامنه مو لفه DC نشان داده i( t) = I θ ثابت τ میراشونده زمانی مو لفه DC و I k دامنه K امین هارمونیک جریان ω فرکانس زاویهاي و θ k زاویه فاز K امین هارمونیک جریان و P بالاترین مرتبه هارمونیک موجود در سیگنال میباشد. سیگنال بیان شده در معادله () A/D تبدیل توسط به سیگنال دیجیتال گسسته به صورت معادله میگردد. مبدل (2) p nt / τ ( n) = I e + I k sin( kωnt + θ k ) k= i ( 2) در معادله فوق T طول زمان نمونهبرداري و بیانگر n چندمین نمونه میباشد. خروجی مولفه اصلی و مولفه DC براي Full Cycle Discrete Fourier Transform تربیت بصورت معادلات (3) و (4) بیان میگردد[ 4 ]: t = 2 N N n= i( n) j e jωnt به که در معادلات فوق تعداد N نمونهها براي یک سیکل میباشد. بنابراین خروجی مطلوب بصورت معادله (5) بیان میگردد: f t DC dft = dft dft ( 5) f dft خروجی مطلوب FCDFT بدون در معادله (5) هارمونیکها و مو لفه DC میباشد. براي محاسبه معادله (5) نیاز است پارامترهاي مو لفه DC تعیین گردند. همانطور که (4) از معادله زمانی مولفه و واضح است DC dft DC میراشونده میباشد. تابعی از اندازه و ثابت با جداسازي معادله (4) به دو قسمت حقیقی و موهومی به ترتیب معادلات (6) (7) بدست میآیند که در بصورت E نشان داده شده است[ 5 ]. معادلات بدست آمده T τ e R E Rcos( ω mt) + I sin( ωmt) ( 6 ) 2 2 N R( + E 2E cos( ωmt)) I ( E ) = N E sin( ωmt) ( 7) (7) میتوان مقادیر E و و (6) با استفاده از معادلات ) N (2/N)I (-E را به صورت معادلات (8) و (9) نشان داد. با استخراج معادلات فوق میتوان به راحتی τ e T I o و را بدست آورد. مراحل مختلف روش اراي ه شده در نمایش بلوکی شکل () نشان داده است[ 6 ]. - 3 روش مولفه حقیقی جریان اساس روش مولفه حقیقی جریان تحلیل خطا و اغتشاش با ملاحظه شرایط قبل و حین خطا میباشد. بررسی جهت روش فوق از سیستم قدرت نمونه شکل (2) استفاده شده است. در شکل (2) فرض شده که خطا در نقطه X رخ داده و دو محل پایش M A و M B اغتشاش موجود میباشد. جهت ثبت و تحلیل محل منبع براي خطا در محل ولتاژ در X M A با استفاده از قانون کیرشهف بصورت معادله (8) بیان میگردد. V = E IZ ( 8) در معادله فوق V و I دامنه ولتاژ و جریان اندازهگیريشده در محل M A میباشد با ضرب هر دو معادله (8) در معادله (9) بدست میآید. I VI = E 2 I I Z ( 9) dft dft DC ( 3) NT / τ 2 e = ji ( 4) T / τ jωt N e e 2

3 معادله () پایه و اساس تشخیص محل منبع فرو رفتگی ولتاژ میباشد. اگر منحنی I cos( θ α) بر حسب زمان رسم گردد چنانچه در لحظه ایجاد اغتشاش و یا خطا بصورت افزایشی عمل نماید در چنین شرایطی گفته میشود خطا در پاییندست محل پایش M A قرار دارد. براي محل M B پایش منحنی رسم شده در محل ایجاد خطا بصورت کاهشی عمل مینماید که در اینصورت گفته میشود اغتشاش در بالادست محل پایش فوق جهت محاسبه M B قرار دارد. در روش (α ( θ از الگوریتم اراي ه شده در این مقاله استفاده گردیده است و با توجه به دقت و سرعت عمل الگوریتم فوق نتایج قابل قبولی بدست میآید. - 4 روش Resistance Sign-Based شکل () نمایش بلوکی الگوریتم جدید با استخراج قسمت حقیقی معادله (9) معادله () بدست میآید: ( φ α 2 ) I R VI E I ( ) θ و α به ترتیب زاویه فاز ولتاژ و جریان در در معادله فوق محل φ پایش و E زاویه منبع ( θ α) میباشد. در معادله فوق زاویه ضریب توان در محل پایش میباشد[ 7 ]. شکل (2) سیستم قدرت نمونه جهت تحلیل محل منبع کاهش ولتاژ با استفاده از روش مولفه حقیقی جریان پایه و اساس روش فوق محاسبه امپدانس میباشد زمانیکه یک اغتشاش در شبکه رخ میدهد ولتاژ بصورت و جریان بصورت V + I + I تغییر پیدا میکند که و I به ترتیب تغییرات ولتاژ و جریان میباشند. پس براي بدست آوردن امپدانس معادل قسمتی از شبکه که دچار اغتشاش نشده میتوان نمود. Z e را بصورت معادله () بیان Z e = ( ) I که در حالت کلی و زمانیکه اغتشاش سمت مصرفکننده باشد در آن صورت امپدانس بصورت معادله (2) نشان داده میشود. Z = ( 2) I زمانیکه اغتشاش سمت تولیدکننده باشد در آن صورت امپدانس بصورت معادله (3) بدست میآید. Z2 = ( 3) I جهت بدست آوردن امپدانس و تشخیص جهت اغتشاش با روش فوق میتوان بصورت زیر عملکرد: -محاسبه امپدانس معادل با استفاده از معادله (4) در محل پایش Z e = I V = I during during V I pre pre (4) 3

4 I pre به ترتیب ولتاژ و جریان قبل از V pre و در معادله فوق فرورفتگی ولتاژ می باشد و و به ترتیب I during V during ولتاژ و جریان در لحظه کاهش ولتاژ میباشد. Z e 2- اگر )l Re باشد در آن صورت منبع کاهش ) > ولتاژ در سمت تولیدکننده میباشد. Z e )l Re باشد در آن صورت منبع کاهش -3 اگر < ) ولتاژ درسمت مصرفکننده میباشد. توجه شود که معادلات اراي ه شده نشان داده در شکل معتبر میباشد[ 8 ]. نسبت به جهت جریان در یک سیستم واقعی میتوان جهت جریان را همان جهت جاري شدن توان در نظر گرفت یعنی اگر R e > R e باشد در آن صورت منبع اغتشاش در پاییندست محل پایش قرار دارد. روش Resistance Sign-Based میتواند بصورت گرافیکی بر روي صفحه امپدانس شکل (3) نشان داده شود. شکل (3) صفحه مختصات امپدانس براي روش Resistance Sign-Based Z e در نواحی اول یا چهارم اگر امپدانس محاسبه شده قرارگیرد یعنی > باشد در آن صورت منبع اغتشاش در سمت تولید میباشد و اگر امپدانس محاسبه شده در نواحی دوم و سوم قرارگیرد یعنی Z e R e < باشد در آن صورت منبع کاهش ولتاژ در سمت مصرفکننده میباشد. چون امپدانس معادل یک شبکه در حالت عادي راکتیو میباشد امپدانس شبکه در سیستمهاي قدرت واقعی در نواحی اول و سوم قرار میگیرد. -5 مقایسه روش مولفه حقیقی جریان و روش Resistance Sign-Based براي بررسی نتایج دو روش از سیستم قدرت شکل (4) استفاده شده است. همانطور که از شکل مشخص میباشد محلهاي پایش M و M 2 جهت ثبت شکل موجهاي ولتاژ و جریان بکار میروند. اگر فرض شود یک خطاي اتصال کوتاه در محل X صورت پذیرد در آن صورت نقطه پایش M محل خطا و یا اغتشاش را در پاییندست خود یعنی سمت مصرفکننده تشخیص میدهد و نقطه پایش M 2 محل خطاي را در بالادست خود یعنی سمت تولیدکننده تشخیص میدهد. شکل (4) سیستم قدرت نمونه جهت مقایسه دو روش معرفیشده حال نتایج مقایسه میگردد. بدست آمده از دو روش بیان شده با یکدیگر () جدول Resistance Sign-Based مشاهده میگردد صحیح میباشد. R e نتایج بدست آمده از روش میباشد. همانطور که بدست آمده براي محل اغتشاشها جدول () نتایج اندازهگیري مقاومت به روش Resistance Sign-Based حادثه در روش مولفه حقیقی جریان شکلهاي (5) و (6) در لحظه ایجاد خطا داراي مقدار افزایشی میباشند. همانطور که قبلا بیان شد افزایش مقدار α) I cos( θ در لحظه اغتشاش نشانگر وجود منبع اغتشاش در پاییندست محل پایش میباشد. سطح کاهش %) ( نوع کاهش محل منبع اغتشاش (Ω) R e ۳۴ ۱ سه فاز پاییندست -۰/۱۲ ۴۲ ۲ سه فاز پاییندست -۰/۱۲ ۱۷ ۳ سه فاز بالادست ۱۲/۷ ۴۲ ۴ سه فاز بالادست ۱۹/۶ شکل (5) تشخیص جهت خطا در محل ثبات M با استفاده از روش مولفه حقیقی جریان با سطح کاهش %34 (پاییندست) 4

5 شکلهاي (5) و (6) به ترتیب براي کاهش سطوح ولتاژ %34 و %42 از مقدار نامی در محل پایش M میباشند. شکل (8) تشخیص جهت خطا در محل ثبات M 2 با استفاده از روش مولفه حقیقی جریان با سطح کاهش %42 (بالادست) - 6 شکل (6) تشخیص جهت خطا در محل ثبات M با استفاده از روش مولفه حقیقی جریان با سطح کاهش %42 (پاییندست) از همانطور که لحظه ایجاد خطا میباشند. (8) و (7) شکلهاي I cos( θ α) مشاهده همانطور که قبلا بیان شد داراي مقدار میگردد کاهش در کاهشی مقدار (α I cos( θ در لحظه اغتشاش نشانگر وجود منبع اغتشاش در بالادست محل پایش میباشد. شکلهاي (7) و (8) به ترتیب براي کاهش سطوح ولتاژ %7 و %42 از مقدار نامی در محل پایش M 2 میباشند. با مقایسه جدول () و شکلهاي (5) تا (8) مشخص میشود که دو روش مولفه حقیقی جریان تشخیص میدهند. Resistance Sign-Based و محل منبع اغتشاش را بدرستی شکل (7) تشخیص جهت خطا در محل ثبات M 2 با استفاده از روش مولفه حقیقی جریان با سطح کاهش %7 (بالادست) کاربرد وجود خطاهاي با مقاومت زمین بالا سبب شده که تشخیص و شناسایی خطا در شبکههاي توزیع به سختی صورت پذیرد و زمان زیادي جهت رفع خطا صرف شود. در اثر ایجاد خطاي اتصال کوتاه در شبکههاي فشارمتوسط زمینی رلهها عمل کرده و فیدر در پست 63 و یا 32 کیلوولت بیبرق میگردد و بیبرق شدن فیدر باعث خاموشی تعداد زیادي پست توزیع 2 کیلوولت میشود. در روش موجود که شرکتهاي توزیع از آن بهره میبرند استفاده از نشانگرهاي di خطا میباشد. کارکرد این نشانگرها بر اساس است. dt یکی از مشکلات استفاده از این نشانگرها عمل نکردن آنها براي خطاهاي امپدانس بالا میباشد. روش اراي هشده در این مقاله میتواند جهت شناسایی محل اغتشاش نسبت به نقطه پایش براي شبکههاي توزیع بکار رود. در روش اراي هشده فقط ثبت شکل موج ولتاژ و جریان در لحظه ایجاد و چند سیکل بعد از ایجاد اغتشاش جهت تحلیل مکان اغتشاش نسبت به محل پایش مهم میباشد. بنابراین این روش نسبت به سایر روشها ارزانتر و سریعتر بوده و میتوان با این روش و نصب سیستم پایش در فواصل معین و بخصوص بر روي شینههاي 2 کیلوولت پستهاي توزیع محل ایجاد اغتشاش که شامل راهاندازي موتورهاي بزرگ اشباع ترانسفورماتورها و اتصال کوتاه میباشد را بخوبی تشخیص داد و لذا تعداد خاموشی پستها را کاهش داد. جهت تحلیل روش فوق یکی از فیدرهاي پست 63 کیلوولت شبیهسازي شده است. فیدرهاي خروجی از یک پست فوق توزیع 5

6 شکل (9) شبکه فشار متوسط شبیهسازيشده بصورت حلقه باز میباشد و براي شناسایی محل ایجاد خطا ابتدا تکه کابلهاي بین پستهاي 2 کیلوولت از شبکه با استفاده از کلیدهاي جداکننده بصورت تکتک مجزا شده و عیبیابی بر روي آنها انجام میشود تا تکه کابلی که بر روي آن خطا اتفاق افتاده است مشخص گردد. بعد از شناسایی تکه کابل معیوب تکه کابل فوق از شبکه جدا گردیده و بقیه فیدر برقدار میگردد. با توجه به اینکه عیبیابی بصورت مجزا بر روي هر کابل صورت میپذیرد زمان خاموشی براي مصرفکنندهها بالا بوده و انرژي توزیع نشده زیادي به شبکه اعمال میکند ولی در روش اراي هشده با توجه به نصب ثبات بر روي شینهها و یا سرکابلها میتوان جهت محل منبع خطا را در زمان کمتري شناسایی کرد براي تا یید روش فوق یکی از فیدرهاي فشار متوسط در شکل (9) در نرمافزار EMTDC/PSCAD شبیهسازي شده و با استفاده از نرمافزار MATLAB نتایج فوق نشان داده شده است. همانطور که از شکلهاي () و( ) مشاهده میشود بعد از وقوع خطا شکل موجهاي ولتاژ و جریان به سرعت تغییر پیدا میکنند. با توجه به شکل موجهاي () و( ) مشخص است که محل خطا در پاییندست محل ثبات قرار دارد. همانطور که از شکل (9) مشاهده میشود با توجه به محل وقوع خطاي اتصال کوتاه خطا در پاییندست نقطه پایش M قرار دارد که نتیجه فوق با استفاده از شیب مثبت که در شکل (2) نشان داده شده قابل اثبات است. اگر خطا در بالادست نقطه پایش قرارداشته باشد نقطه پایش شکل موجهاي (3) و (4) را ثبت خواهد کرد. همانطور که از اشکال فوق مشاهده میگردد بعد از وقوع خطا دامنه جریان و ولتاژ کاهش پیدا میکنند. همانطور که از شیب شکل (5) در لحظه خطا مشخص است خطا در بالادست محل پایش قرار دارد که به درستی توسط الگوریتم شناسایی شده است[ 6 ]. Vx(kV) t(sec) شکل () ولتاژ V x در محل ثبات M Ix(kA) t(sec) شکل () جریان I x در محل ثبات M 6

7 شکل (2) تشخیص جهت خطا در محل ثبات M شکل (5) تشخیص جهت خطا در محل ثبات M2 Vx(kA) t(sec) شکل (3) ولتاژ V x در محل ثبات M2 Ix(kA) t(sec) شکل (4) جریان I x در محل ثبات M2-7 نتیجهگیري در این مقاله یک الگوریتم جدید جهت حذف مو لفه DC بر DFT پایه حداکثر بعد از اراي ه شده است. سرعت این الگوریتم بالا بوده و یک سیکل به جواب مطلوب میرسد. در الگوریتم فوق از اختلاف فاز دو موج ولتاژ و جریان جهت شناسایی محل ایجاد اغتشاش با استفاده از روش مولفه حقیقی جریان استفاده گردیده است. همانگونه که مشخص است محاسبه مقاومت در روش RS-Based بسیار سخت است و چنانچه سیکلهاي انتخابی براي محاسبه مقاومت صحیح نباشد محاسبه به درستی صورت نگرفته و نتایج نادرست خواهد داشت. ولی روش مولفه حقیقی جریان به سادگی میتواند نتیجه مطلوب را اراي ه دهد. از دیگر مزیتهاي مولفه حقیقی کاربرد آن براي خطاهاي امپدانس بالا میباشد ولی در روش بالا شناسایی نمیگردند. di dt..2.3 بسیاري از خطاهاي امپدانس الگوریتم اراي هشده مزیتهاي فوق را دارا میباشد: سرعت بالا نسبت به سایر روشهاي اراي هشده سادگی عمل تشخیص محل خطاهاي امپدانس بالا روش اراي هشده در این مقاله میتواند در شناسایی محل نسبی اغتشاشاتی همچون خطاي اتصال کوتاه موتورهاي القایی بزرگ و اشباع ترانسفورماتور بکار رود. راهاندازي 7

8 8- مراجع رحمانی سعید انبارلویی مهدي شایانفر حیدرعلی تعیین محل منبع ایجاد اغتشاش با استفاده از روش تبدیل فوریه گسسته با حذف مو لفه DC میراشونده دومین کنفرانس تخصصی حفاظت و [6] ANSI/IEEE std , IEEE Recommended Practice for Design of Reliable Industrial and Commercial Applications. [] IEEE Std. 59, 995, IEEE Recommended Practice کنترل سیستمهاي قدرت دانشگاه صنعتی امیرکبیر.386 for Monitoring Electric Power Quality. [2] Noraliza Hamzah, Azah Mohamed, Aini Hussain, A new approach to locate the voltage sag source using real current component, Electric Power Systems Research, 72, 3 23, 24. [7] A.T. Johns, S.K. Salman, Digital protection for power systems, Peter Peregrinus Ltd., 995. [3] Thavatchai Tayjasanant, Chun Li, Wilsun Xu, A resistance sign-based method for voltage sag source detection, IEEE TRANS.on Power Deliv., Vol. 2, No. 4, October 25. [8] T.S. Sidhu, X. Zhang, F. Albasri and M.S. Sachdev, Discrete - Fourier - Transform - based technique for removal of decaying DC offset from phasor estimates,iee proc.-gener, Transm. Distrib. Vol. 5, No. 6, November 23. Gu, J.C, Yu, S.L, Removal of DC-offset in current and voltage signals using a novel fourier filter algorithm, IEEE Trans. Power Deliv., 5, pp.73-79, 2. [4] [5] 8