ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Ρύθμιση Ηλεκτρονόμων Υπερέντασης-Κατεύθυνσης για Προσαρμοστικά Συστήματα Προστασίας, με χρήση της Υβριδικής μεθόδου βελτιστοποίησης PSO-LP ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Ταμάζ Σ. Κουρασβίλι Επιβλέπων: Γεώργιος Κορρές Καθηγητής Ε.Μ.Π. Αθήνα, Απρίλιος 2014

2

3 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Ρύθμιση Ηλεκτρονόμων Υπερέντασης-Κατεύθυνσης για Προσαρμοστικά Συστήματα Προστασίας, με χρήση της Υβριδικής μεθόδου βελτιστοποίησης PSO-LP ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Ταμάζ Σ. Κουρασβίλι Επιβλέπων: Γεώργιος Κορρές Καθηγητής Ε.Μ.Π. Εγκρίθηκε από την τριμελή επιτροπή την η Απριλίου Γεώργιος Κορρές Καθηγητής Ε.Μ.Π.... Κωνσταντίνος Βουρνάς Καθηγητής Ε.Μ.Π.... Παύλος Γεωργιλάκης Λέκτορας Ε.Μ.Π Αθήνα, Απρίλιος 2014

4 ... Ταμάζ Σ. Κουρασβίλι Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π. Copyright Ταμάζ Σ. Κουρασβίλι, Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

5 Στον πατέρα μου, που έφυγε πρόωρα από τη ζωή μας

6

7 PerÐlhyh Τα Συσ τήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας (Σ.Η.Ε.) έχουν ως σ κοπό την αδιάλειπτη παροχή Ηλεκτρικής Ενέργειας σ τους καταναλωτές, με όσ ο το δυνατόν πιο αξιόπισ το, ασ φαλές και οικονομικό τρόπο. Για να καλυφθούν οι προαναφερθείσ ες απαιτήσ εις, απαιτούνται σ ύγχρονα και πολύπλοκα σ υσ τήματα προσ τασ ίας. Με την πολυπλοκότητα των σ υσ τημάτων προσ τασ ίας να αυξάνει ολοένα και περισ σ ότερο, σ ε σ υνδυασ μό με τις εξελιγμένες δυνατότητες των σ ύγχρονων ψηφιακών ηλεκτρονόμων, δημιουργείται η ανάγκη χρήσ ης εξομοιωτών σ τους οποίους θα ελέγχονται τα καινούρια σ χήματα προσ τασ ίας, πριν εφαρμοσ τούν σ το Σύσ τημα Ηλεκτρικής Ενέργειας. Επομένως, η ρύθμισ η των σ τοιχείων προσ τασ ίας ενός Σ.Η.Ε. είναι ζωτικής σ ημασ ίας για την εύρυθμη και ομαλή λειτουργία του σ υσ τήματος. Στην παρούσ α διπλωματική εργασ ία πραγματοποιείται η Ρύθμισ η των Ηλεκτρονόμων Υπερέντασ ης με σ τοιχεία Κατεύθυνσ ης, με χρήσ η υβριδικής μεθόδου βελτισ τοποίησ ης, η οποία σ υνδυάζει από τη μέθοδο Βελτισ τοποίησ η Σμήνους Σωματιδίων και τον Γραμμικό Προγραμματισ μό. Πιο σ υγκεκριμένα, υπολογίζοντα οι τιμές των δύο παραμέτρων που διαθέτει ο κάθε ηλεκτρονόμος υπερέντασ ης, δηλαδή το ρεύμα ρύθμισ ης (pick up current) και η χρονική σ ταθερά (Time Dial Setting), οι οποίες ελαχισ τοποιούν το σ υνολικό χρόνο λειτουργία τους. Στην αρχή της εργασ ίας αναφέρεται το γενικό θεωρητικό υπόβαθρο προσ τασ ίας και τα προβλήματα που δημιουργούνται σ τα σ ύγχρονα δίκτυα διανομής, με έντονη διείσ δυσ η μονάδων Διεσ παρμένης Παραγωγής. Στην σ υνέχεια, περιγράφεται και διατυπώνεται το πρόβλημα σ υνεργασ ίας των ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης. Ακολούθως, γίνεται εκτενής περιγραφή της κλασ ικής μεθόδου Βελτισ τοποίησ ης Σμήνους Σωματιδίων και της προτεινόμενης «υβριδικής» μεθόδου βελτισ τοποίησ ης. Οι υπολογισ μοί που προηγούνται της εφαρμογής της βελτισ τοποίησ ης, είναι η ανάλυσ η ροών φορτίου και η ανάλυσ η βραχυκυκλωμάτων, οι οποίες υπολογίζονται με χρήσ η του λογισ μικού πακέτου NEPLAN. Στη σ υνέχεια, σ χεδιάζεται και υλοποιείται η μέθοδος βελτισ τοποίησ ης σ ε περιβάλλον Matlab και πραγματοποιείται η εφαρμογή της σ ε τρία διαφορετικά σ υσ τήματα. Πιο σ υγκεκριμένα, εξετάσ τηκαν δύο πρότυπα σ υσ τήματα της IEEE των 14 και 39 ζυγών και ένα Δίκτυο Διανομής με Διεσ παρμένη Παραγωγή, το οποίο δημιουργήθηκε κατάλληλα ώσ τε να μελετηθούν διάφορες περιπτώσ εις. Τέλος, για κάθε εξεταζόμενο σ ύσ τημα αξιολογούνται τα αποτελέσ ματα και εξάγονται τα απαραίτητα σ υμπεράσ ματα.

8 8 Περίληψη Λέξεις Κλειδιά Προσ τασ ία Σ.Η.Ε., Ηλεκτρονόμος υπερέντασ ης κατεύθυνσ ης, σ υνεργασ ία ηλεκτρονόμων, ρεύμα ρύθμισ ης, χρονική σ ταθερά, Βελτισ τοποίησ η Σμήνους Σωματιδίων, Γραμμικός Προγραμματισ μός, Δίκτυα Διανομής, Διεσ παρμένη Παραγωγή. Συσ τήματα Προσ αρμοσ τικής Προσ τασ ίας.

9 Abstract The purpose of an electrical power system is to generate and supply electrical energy to consumers, in a safe, reliable and economic way. In order to meet the needs of Power Systems, in reliability and safety, protection systems tend to be more and more complex and sophisticated. The constant increase in protection system s complexity, combined with the advanced features of modern relays, brings the need of using a simulator, as a test system, in order to confirm the proper functionality of protection schemes, before their application on Power Systems. Therefore, the correct configuration of the Power System s protection devices is vital for its proper functioning. In this thesis, a configuration of Directional Overcurrent Relay is developed using a hybrid optimization approach, which consists of the Particle Swarm Optimization method combined with Linear Programming. In particular, the two values of each Relay are optimized in order to be proper set. These values are the pick-up current and the Time Dial Setting. In the beginning of this study, a general theoretical background regarding the Power Systems protection is presented, as well as, the various problems which might occur when distributed energy resources become a part of a distribution network. In addition, the problem of coordination of overcurrent relays it is outlined. Subsequently, an extensive analysis of the basic Particle Swarm Optimization method and the proposed hybrid optimization method are presented. The calculations preceding the application of the optimization method, are the load flow and the short circuit analysis, which are calculated using NEPLAN software suite. Moreover, the optimization method is designed and implemented using MATLAB and is applied in three different systems. More specifically, two standard IEEE systems, regarding the 14 and 39 bus, along with one distribution network with distributed generation, which is designed properly in order to study different cases, are studied. Finally, the results for each system under study are evaluated and the necessary conclusions are extracted. Keywords Power System Protection, Directional Overcurrent Relay, Relay Coordination, pick up current, time dial setting (TDS), Particle Swarm Optimization, Linear Programming, Distribution Networks, Distributed Generation, Adaptive protection systems.

10

11 EuqarisvtÐec Η παρούσ α διπλωματική εργασ ία εκπονήθηκε σ τα πλαίσ ια του Προπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών της σ χολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογισ τών του Εθνικού Μετσ όβιου Πολυτεχνείου υπό την επίβλεψη του Καθηγητή Ε.Μ.Π. Γεωργίου Κορρέ. Θα ήθελα να ευχαρισ τήσ ω ιδιαιτέρως τον κ. Κορρέ για την εμπισ τοσ ύνη που μου έδειξε με την ανάθεσ η της παρούσ ας διπλωματικής εργασ ίας, καθώς και για την πολύτιμη σ υμβολή και βοήθεια του σ την περάτωσ η της. Ηταν πάντα διαθέσ ιμος και ιδιαίτερα σ υνεργάσ ιμος, παρά την έλλειψη χρόνου. Επίσ ης, ευχαρισ τώ τον υποψήφιο διδάκτορα Βασ ίλειο Παπασ πηλιωτόπουλο για τον χρόνο του και τις επισ ημάνσ εις του προκειμένου να ολοκληρωθεί η εργασ ία. Τέλος, θα ήθελα να ευχαρισ τήσ ω θερμά την οικογένεια μου και τους φίλους μου για την αμέρισ τη σ υμπαράσ τασ η και τη σ τήριξη τους όλα αυτά τα χρόνια. Ταμάζ Ανδρέας Κουρασ βίλι Αθήνα, 5 Μαΐου 2014

12

13 Perieqìmena Περίληψη Abstract Ευχαρισ τίες Λίσ τα Σχημάτων Λίσ τα Πινάκων Συντομογραφία Κεφάλαιο 1. Εισ αγωγή σ την προσ τασ ία Σ.Η.Ε Εισ αγωγή Εννοια της προσ τασ ίας Ο ρόλος της προσ τασ ίας σ ε ένα Σ.Η.Ε Βασ ικές απαιτήσ εις προσ τασ ίας Ζώνες προσ τασ ίας - Πρωτεύουσ α και Εφεδρική προσ τασ ία Είδη σ φαλμάτων (Type of faults) Ηλεκτρονόμοι (Relays) Μετασ χηματισ τές έντασ ης και τάσ ης Είδη προσ τασ ίας Διαφορική προσ τασ ία Προσ τασ ία αποσ τάσ εως Προσ τασ ία κατεύθυνσ ης Προσ τασ ία υπερέντασ ης με ή χωρίς σ τοιχεία κατεύθυνσ ης Κεφάλαιο 2. Δίκτυα Διανομής με Διεσ παρμένη Παραγωγή Διεσ παρμένη Παραγωγή Το μικροδίκτυο Ορισ μός του μικροδικτύου Προκλήσ εις σ τα μικροδίκτυα Προβλήματα σ τα μικροδίκτυα Θέματα προσ τασ ίας Θεωρία Νησ ιδοποίησ ης Ορισ μός Νησ ιδοποίησ ης Αιτίες πρόκλησ ης του φαινομένου της νησ ιδοποίησ ης Η προσ τασ ία αντι-νησ ιδοποίησ ης Προσ αρμοσ τική προσ τασ ία σ τα Δίκτυα Διανομής με ΔΠ Εισ αγωγή Off-line ανάλυσ η On-line λειτουργία

14 14 Περιεχόμενα Διαδικασ ία για τον καθορισ μό των ζωνών Κεφάλαιο 3. Συνεργασ ία των ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης Η/Ν υπερέντασ ης Πρόβλημα Συνεργασ ίας Περιγραφή του προβλήματος σ υνεργασ ίας Διατύπωσ η του προβλήματος σ υνεργασ ίας Αντικειμενική σ υνάρτησ η (objective function) Περιορισ μοί (Constraints) Τρόποι ρύθμισ ης ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης Παραδοσ ιακές μέθοδοι τεχνικών βελτισ τοποίησ ης Τεχνητή νοημοσ ύνη και αλγόριθμος εμπνευσ μένος από φύσ η Περιγραφή της μεθόδου Βελτισ τοποίησ η Σμήνους Σωματιδίων Εισ αγωγή Η λειτουργία του αλγορίθμου PSO Ολικό και προσ ωπικό βέλτισ το (Global best και Personal Best) Παράμετροι ελέγχου της μεθόδου PSO Ψευδο-κώδικας και το διάγραμμα ροής του βασ ικού αλγορίθμου PSO Κεφάλαιο 4. Προτεινόμενη μέθοδος βελτισ τοποίησ ης Εισ αγωγή Περιγραφή προτεινόμενης μεθόδου για την επίλυσ η του προβλήματος βελτισ τοποίησ ης Περιγραφή Συναρτήσ εων του λογισ μικού που αναπτύχθηκε Κεφάλαιο 5. Εφαρμογή Εισ αγωγή Σύσ τημα 14 ζυγών της IEEE Σύσ τημα 39 ζυγών της IEEE Δίκτυο ΜΤ 5 ζυγών Περίπτωσ η 1 (χωρίς ΔΠ σ το δίκτυο) Περίπτωσ η 2 (με ΔΠ σ το δίκτυο) Περίπτωσ η 3 (κατάσ τασ η νησ ιδοποίησ ης) Κεφάλαιο 6. Επίλογος Σύνοψη Συμπεράσ ματα Μελλοντικές επεκτάσ εις Βιβλιογραφία

15 LÐsvta Sqhmˆtwn 1.1 Χωρισ μός Σ.Η.Ε. σ ε κλεισ τές και ανοικτές ζώνες προσ τασ ίας [3] Ηλεκτρομηχανικός ηλεκτρονόμος επαγωγικού τύπου με το μαγνητικό του κύκλωμα Δομή σ τατικού ηλεκτρονόμου υπερέντασ ης και κυματομορφές διαφόρων μεγεθών του Μπλοκ διάγραμμα βασ ικών λειτουργιών ψηφιακών ηλεκτρονόμων Είδη μετασ χηματισ τών Σύνδεσ μολογία διαφορικού Η/Ν Χαρακτηρισ τική λειτουργίας ηλεκτρονόμου διαφορικής προσ τασ ίας [31] Παράδειγμα εφαρμογής Η/Ν αποσ τάσ εως για προσ τασ ία γραμμής μεταφοράς [5] Οι τυπικές χαρακτηρισ τικές καμπύλες λειτουργίας των Η/Ν αποσ τάσ εως Χαρακτηρισ τική λειτουργίας Η/Ν απόσ τασ ης τύπου τετραπλεύρου (quadrilateral distance relay) Συνδεσ μολογία ηλεκτρονόμου κατεύθυνσ ης με πόλωσ η τάσ ης [5] Συνδεσ μολογία ηλεκτρονόμου κατεύθυνσ ης με πόλωσ η έντασ ης [5] Χαρακτηρισ τική λειτουργίας ηλεκτρονόμων κατεύθυνσ ης [24] Χαρακτηρισ τική λειτουργίας σ τιγμιαίου ηλεκτρονόμου υπερέντασ ης Χαρακτηρισ τική λειτουργίας ηλεκτρονόμου υπερέντασ ης σ ταθερού χρόνου Οικογένεια χαρακτηρισ τικών λειτουργίας ηλεκτρονόμου υπερέντασ ης αντισ τρόφου χρόνου Χαρακτηρισ τική λειτουργίας ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης με σ τοιχείο κατεύθυνσ ης [24] Τυπικό Δίκτυο Διανομής με ΔΠ [8] Συνεισ φορά της ΔΓ σ το σ φάλμα Περίπτωσ η «reduction of reach» του Η/Ν αποσ τάσ εως Δύο περιπτώσ εις αποτυχίας των σ υσ τημάτων προσ τασ ίας [12] Προσ αρμοσ τικό σ ύσ τημα προσ τασ ίας σ το δίκτυο διανομής με ΔΠ [8] Δομή ενός πίνακα γεγονότων [8] Φάσ εις αλγορίθμου κατά την on-line λειτουργία [8] Σύσ τημα διανομής που χωρίζεται σ ε ζώνες σ ύμφωνα με την ικανότητα της ΔΠ [15] Αποκεντρωμένη αρχιτεκτονική με ένα κέντρο ελέγχου και τρεις μονάδες ΔΑΕ [15] Απεικόνισ η λειτουργίας προσ τασ ιών σ τα δίκτυα διανομής [16] Χρόνοι λειτουργίας και σ φάλματα χρόνος λειτουργίας Η/Ν ως σ υνάρτησ η της απόσ τασ ης από το σ φάλμα [23] Συμβατικές μέθοδοι για εύρεσ η βελτίσ του Κατηγορίες υπολογισ τικής νοημοσ ύνης με διαφορετικές τεχνικές [16] Εξυπνος έλεγχος και παρακολούθησ η [16] Διάφορες μέθοδοι για coordination Η/Ν υπερέντασ ης [16] Συσ χετισ η μεταξύ σ υσ τημάτων [16] Συμπεριφορά των ζωικών ομάδων Διάνυσ μα κίνησ ης του σ ωματιδίου σ το χώρο αναζήτησ ης

16 16 Λίσ τα Σχημάτων 3.11 Διάγραμμα ροής του βασ ικού αλγορίθμου PSO Αναπαράσ τασ η σ ωματιδίων και μεταβλητών Διάγραμμα κατανόησ ης εξαρτήσ εων PSO και LP Διάγραμμα ροής του αλγορίθμου PSO-LP Διάγραμμα δομής λογισ μικού Κύκλος διαδικασ ίας ρύθμισ ης Η/Ν Σύσ τημα 14 ζυγών της IEEE [30] Σύσ τημα 14 ζυγών της IEEE σ το NEPLAN Σύσ τημα 39 ζυγών της IEEE Σύσ τημα 39 ζυγών της IEEE σ το NEPLAN Δίκτυο ΜΤ 5 ζυγών Δίκτυο ΜΤ 5 ζυγών χωρίς ΔΠ (Περίπτωσ η 1) Καμπύλες λειτουργίας Η/Ν (Περίπτωσ η 1) Δίκτυο ΜΤ 5 ζυγών με ΔΠ (Περίπτωσ η 2) φ σ φάλμα σ τον ζυγό 1.2 (Περίπτωσ η 2) φ σ φάλμα σ τον ζυγό 2.1 (Περίπτωσ η 2) Καμπύλες λειτουργίας Η/Ν (Περίπτωσ η 2) Κατάσ τασ η νησ ιδοποίησ ης (Περίπτωσ η 3) Καμπύλες λειτουργίας Η/Ν (Περίπτωσ η 3) φ σ φάλμα σ τον ζυγό 1.2 (Περίπτωσ η 3) φ σ φάλμα σ το 50% της εφεδρικής γραμμής (Περίπτωσ η 3)

17 LÐsvta Pinˆkwn 1.1 Συνδεσ μολογίες Η/Ν κατεύθυνσ ης Επιπτώσ εις των Διεσ παρμένων Πηγών Ενέργειας σ τα σ υσ τήματα προσ τασ ίας Αποτελέσ ματα ανάλυσ ης από NEPLAN και Matlab του σ υσ τήματος 14 ζυγών Τα ζεύγη Η/Ν και οι χρόνοι λειτουργίας τους του σ υσ τήματος 14 ζυγών Αποτελέσ ματα ανάλυσ ης από NEPLAN και Matlab του σ υσ τήματος 39 ζυγών Τα ζεύγη Η/Ν και οι χρόνοι λειτουργίας τους του σ υσ τήματος 39 ζυγών Αποτελέσ ματα ανάλυσ ης περίπτωσ ης Αποτελέσ ματα ανάλυσ ης περίπτωσ ης Αποτελέσ ματα ανάλυσ ης περίπτωσ ης

18

19 SuntomografÐa ΔΑΕ Διακόπτης Αυτόματης Επαναφοράς- ΔΔ Δίκτυο Διανομής ΔΙ Διακόπτης Ισ χύος ΔΠ Διεσ παρμένη Παραγωγή ΔΠΕ Διεσ παρμένη Πηγή Ενέργειας ΓΠ Γραμμικός Προγραμματισ μός Η/Ν Ηλεκτρονόμος Μ/Σ Μετασ χηματισ τής Σ.Η.Ε. Σύσ τημα Ηλεκτρικής Ενέργειας ΣΚΣ Σημείο Κοινής Σύνδεσ ης CB Circuit Breaker CT Current Transformer CTI Coordination Time Interval IEC International Electrotechnical Commission IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers LP Linear programming MCC Microgrid Central Controller MINLP Mixed Integer Nonlinear Programming PSO Particle Swarm Optimization SCADA Supervisory Control And Data Acquisition TDS Time Dial Setting

20

21 Kefˆlaio 1 Eisvagwg svthn prosvtasvða S.H.E Eisvagwg Εννοια της προσ τασ ίας Η τεχνολογία σ τον τομέα της ηλεκτρικής ισ χύος εξελίσ σ εται ταχύτατα τα τελευταία χρόνια και σ υμβάλλει σ την οικονομική σ χεδίασ η και κατασ κευή. Επιπλέον τα σ υσ τήματα ισ χύος είναι αξιόπισ τα και μπορούν να ικανοποιήσ ουν τη σ υνεχή αύξησ η της ζήτησ ης της ηλεκτρικής ενέργειας. Η αξιοπισ τία οφείλεται σ την προσ τασ ία και σ τον έλεγχο των σ υσ τημάτων ενέργειας. Η πρόοδος σ το σ χεδιασ μό και σ την ανάπτυξη των δύο αυτών «πεδίων» σ υμβαδίζει υποχρεωτικά με τις εξελίξεις σ το σ χεδιασ μό του βασ ικού εξοπλισ μού της βιομηχανίας όπως γεννήτριες, μετασ χηματισ τές, διακόπτες, εναέριες γραμμές και υπόγεια καλώδια. Πράγματι, η πρόοδος της προσ τασ ίας και του ελέγχου είναι απαραίτητη προϋπόθεσ η για την αποτελεσ ματική λειτουργία και τη σ υνεχή ανάπτυξη των σ υσ τημάτων παροχής ενέργειας σ το σ ύνολό τους. Η λέξη «προσ τασ ία» χρησ ιμοποιείται για να περιγράψει όλη την ιδέα της προσ τασ ίας ενός σ υσ τήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Ο όρος «προσ τατευτικός εξοπλισ μός» χρησ ιμοποιείται με την ευρεία του έννοια, θα μπορούσ ε να χρησ ιμοποιηθεί και με τη σ τενή έννοια ως των πραγματικών σ τοιχείων που χρησ ιμοποιούνται για την επίτευξη της επιθυμητής προσ τασ ίας Ο ρόλος της προσ τασ ίας σ ε ένα Σ.Η.Ε. Αρχικά πρέπει να σ ημειωθεί ότι χωρίς τη διακριτική προσ τασ ία θα ήταν αδύνατο να λειτουργήσ ει ένα σ ύγχρονο σ ύσ τημα ηλεκτρικής ενέργειας. Η προσ τασ ία είναι υποχρεωτική ώσ τε να απομονωθεί όσ ο το δυνατόν σ υντομότερα η εσ φαλμένη περιοχή. Αν το σ τοιχείο παραμένει σ υνδεδεμένο σ το δίκτυο τότε όλο το σ ύσ τημα τίθεται σ ε κίνδυνο επειδή: 1. μπορεί να αποσ υγχρονισ τούν κάποιες γεννήτριες ενός ή πολλών διαφορετικών σ ταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και να προκληθεί κατάρρευσ η του σ υσ τήματος, 2. υπάρχει ο κίνδυνος κατασ τροφής του προσ βαλλόμενου εξοπλισ μού 3. μπορεί να χαθεί η τροφοδοσ ία σ ε υγιή μέρη του Σ.Η.Ε. Υπάρχει και μια άλλη επίπτωσ η που δεν είναι απαραίτητα επικίνδυνη για το σ ύσ τημα αλλά είναι σ ημαντική για τους καταναλωτές. Πρόκειται για τον κίνδυνο των σ ύγχρονων κινητήρων, οι οποίοι σ ε μεγάλες βιομηχανικές εγκατασ τάσ εις μπορούν να προκαλέσ ουν απώλεια της παραγωγής και διακοπή σ ημαντικών διαδικασ ιών. Ο εξοπλισ μός προσ τασ ίας μαζί με τους διακόπτες ισ χύος μπορούν να αποτρέψουν τους παραπάνω κινδύνους. Αυτό σ υμβαίνει εξ ολοκλήρου σ τα δίκτυα

22 22 Κεφάλαιο 1. Εισ αγωγή σ την προσ τασ ία Σ.Η.Ε. υψηλής τάσ ης ή σ τα σ υσ τήματα μετάδοσ ης. Στα σ υσ τήματα διανομής χαμηλής τάσ ης η κύρια λειτουργία της προσ τασ ίας είναι να διατηρηθεί η σ υνεχής τροφοδοσ ία. Προφανώς ο σ τόχος αυτός δεν μπορεί να επιτευχθεί μόνο με την προσ τασ ία. Ακόμα, το Σ.Η.Ε. και τα δίκτυα διανομής πρέπει να σ χεδιάζονται έτσ ι ώσ τε να υπάρχουν περισ σ ότερες από μία οδοί τροφοδότησ ης των φορτίων (η επαρκής παραγωγή μπορεί να θεωρηθεί δεδομένη), και τουλάχισ τον δύο πηγές τροφοδοσ ίας σ ε κάθε σ ταθμό διανομής. Υπάρχουν ορισ μένοι σ υμβατικοί τρόποι εξασ φάλισ ης εναλλακτικής παροχής, αλλά εάν πλήρης πλεονέκτημα είναι να ληφθεί παροχής τους (πάντα μια δαπανηρή ύλη) η προσ τασ ία πρέπει να είναι εξαιρετικά επιλεκτική σ τη λειτουργία του. Υπάρχουν ορισ μένοι σ υμβατικοί τρόποι εξασ φάλισ ης εναλλακτικών πηγών, αλλά αν αξιοποιηθεί πλήρως η παροχή τους (ζήτημα δαπάνης), η προσ τασ ία θα πρέπει να είναι εξαιρετικά επιλεκτική σ τη λειτουργία της. Γι αυτό πρέπει να υπάρχει ικανότητα «αναγνώρισ ης» του ελαττωματικού σ τοιχείου του δικτύου και απομόνωσ η αυτού ώσ τε να σ υνεχισ τεί η ομαλή λειτουργία αν είναι δυνατό. Με λίγες εξαιρέσ εις, η ανίχνευσ η και η ενεργοποίησ η του κυκλώματος «αποσ ύνδεσ ης» ενός σ τοιχείου που προκαλεί πρόβλημα σ το δίκτυο αποτελεί πολύ απλό θέμα. Επειδή πολλά σ τοιχεία ενός δικτύου π.χ. γεννήτριες, μετασ χηματισ τές κ.ά. σ υνήθως επηρεάζονται από κάποια δυσ λειτουργία του δικτύου υπάρχουν διάφοροι τύποι ηλεκτρονόμων.[6] Βασ ικές απαιτήσ εις προσ τασ ίας Μία σ υσ κευή προσ τασ ίας έχει τρεις βασ ικές λειτουργίες/καθήκοντα: 1. Διασ φάλισ η σ υνεχής τροφοδότησ ης όλου του σ υσ τήματος. 2. Ελαχισ τοποίησ η ζημιών και κόσ τους επισ κευών, όπου ανιχνεύει ένα σ φάλμα. 3. Διασ φάλισ η της ασ φάλειας του προσ ωπικού. Αυτές οι απαιτήσ εις είναι αναγκαίες, πρώτον, για πρώιμη ανίχνευσ η και τον εντοπισ μό των σ φαλμάτων και δεύτερον για την άμεσ η απομάκρυνσ η του ελαττωματικού εξοπλισ μού από το σ ύσ τημα. Προκειμένου να πραγματοποιηθούν τα παραπάνω καθήκοντα, η προσ τασ ία πρέπει να έχει τα ακόλουθα χαρακτηρισ τικά: Επιλεκτικότητα (Selectivity): Για να εντοπίσ ει και να απομονώσ ει μόνο το ελαττωματικό σ τοιχείο. Ευσ τάθεια (Stability): Για να μείνουν όλα τα υγιές κυκλώματα υπό λειτουργία και να εξασ φαλισ τεί η σ υνεχής τροφοδότησ η. Ευαισ θησ ία (Sensitivity): Για την ανίχνευσ η ακόμη και του μικρότερου σ φάλματος, είτε ρεύμα, είτε διαταραχές του σ υσ τήματος και σ ωσ τή λειτουργία ρυθμίσ εων πριν το σ φάλμα προκαλέσ ει ανεπανόρθωτη ζημιά. Ταχύτητα (Speed): Για να λειτουργήσ ει γρήγορα όταν πρέπει να δράσ ει, ελαχισ τοποιώντας έτσ ι τη ζημιά σ τον περιβάλλοντα χώρο και διασ φαλίζοντας την ασ φάλεια του προσ ωπικού. Για να πληρούνται όλες οι παραπάνω απαιτήσ εις, ένα σ ύσ τημα προσ τασ ίας πρέπει επιπλέον να είναι: Αξιόπισ το (Dependable): να ενεργοποιείται (trip), όταν καλείται να το κάνει.

23 1.1. Εισ αγωγή 23 Ασ φαλής (Secure): να μη ενεργοποιηθεί όταν δεν είναι αναγκαίο. [7] Ζώνες προσ τασ ίας - Πρωτεύουσ α και Εφεδρική προσ τασ ία Ενα Σ.Η.Ε. μπορεί να χωρισ τεί σ ε ζώνες προσ τασ ίας, οι οποίες καθορίζονται εν γένει από τον διαθέσ ιμο εξοπλισ μό και τους διακόπτες ισ χύος που είναι εγκατεσ τημένοι σ ε αυτό. Κάθε ζώνη προσ τασ ίας οφείλει να περιέχει ένα ή δύο σ τοιχεία του Σ.Η.Ε. και να επικαλύπτει την γειτονική της, ούτως ώσ τε να εξασ φαλίζεται ότι κανένα σ τοιχείο δεν μένει απροσ τάτευτο. Υπάρχουν, σ υνεπώς, οι ζώνες προσ τασ ίας των γεννητριών, των μετασ χηματισ τών, των ζυγών, των γραμμών μεταφοράς και διανομής, των φορτίων (παθητικών και δυναμικών) και των εγκάρσ ιων σ τοιχείων αντισ τάθμισ ης (πυκνωτών, πηνίων). Οι προσ τασ ίες κάθε ενός από τα προαναφερθέντα δομικά σ τοιχεία ενός Σ.Η.Ε. είναι διαφορετικές λόγω της φύσ ης λειτουργίας τους, αλλά οι γενικές αρχές που τις διέπουν είναι ίδιες. Σχ. 1.1: Χωρισ μός Σ.Η.Ε. σ ε κλεισ τές και ανοικτές ζώνες προσ τασ ίας [3] Οταν μια ζώνη προσ τασ ίας είναι κλεισ τή, όπως είναι οι ζώνες των ζυγών σ το Σχήμα 1.1, τότε ο εξοπλισ μός ο οποίος περιέχεται σ ε αυτή επιτηρείται από τα άκρα της και γι αυτό ονομάζεται «διαφορική» ή «απολύτως επιλογική» ζώνη προσ τασ ίας. Αντιθέτως, όταν μια ζώνη προσ τασ ίας είναι ανοικτή, όπως είναι οι ζώνες των γραμμών μεταφοράς σ το ίδιο σ χήμα, τότε αυτή η ζώνη καλείται «σ χετικά επιλογική». Σε περίπτωσ η εμφάνισ ης σ φάλματος σ ε κάποιο σ ημείο του Σ.Η.Ε. του Σχήματος 1.1, τα σ τοιχεία προσ τασ ίας της ζώνης προσ τασ ίας που το περιέχει, θα πρέπει να λειτουργήσ ουν σ τον ελάχισ το δυνατό χρόνο, φροντίζοντας παράλληλα να αφαιρέσ ουν από το δίκτυο τον ελάχισ το απαιτούμενο αριθμό σ τοιχείων. Αυτή είναι η λεγόμενη πρωτεύουσ α προσ τασ ία της εκάσ τοτε περιοχής ενός Σ.Η.Ε.. Οταν, όμως, λόγω π.χ. κάποιας βλάβης, η πρωτεύουσ α προσ τασ ία δεν καταφέρει να λειτουργήσ ει, τότε επιβάλλεται να λειτουργήσ ουν τα σ τοιχεία προσ τασ ίας των γειτονικών ζωνών προσ τασ ίας, δρώντας ως απομακρυσ μένη δευτερεύουσ α ή εφεδρική προσ τασ ία του Σ.Η.Ε. που δυσ λειτουργεί. Συνεπώς, η δευτερεύουσ α προσ τασ ία ρυθμίζεται ώσ τε να

24 24 Κεφάλαιο 1. Εισ αγωγή σ την προσ τασ ία Σ.Η.Ε. λειτουργεί με κάποια καθυσ τέρησ η σ ε σ χέσ η με την πρωτεύουσ α και αφαιρεί από το δίκτυο περισ σ ότερα μέρη απ όσ α πραγματικά απαιτούνται. [25] Είδη σ φαλμάτων (Type of faults) Τα σ φάλματα που μπορούν να προκληθούν σ τον εξοπλισ μό ενός Σ.Η.Ε. χωρίζονται σ τις παρακάτω κατηγορίες, με κριτήριο τη χρονική διάρκεια εκκαθάρισ ή τους. Παροδικά σ φάλματα (transient faults): είναι τα σ φάλματα, για τα οποία αρκεί η διακοπή της τροφοδοσ ίας για πολύ μικρό χρονικό διάσ τημα ώσ τε να εκκαθαρισ τούν. Παρατηρούνται ως επί το πλείσ τον σ τα εναέρια δίκτυα. Τέτοια σ φάλματα οφείλονται, σ ε διασ πάσ εις του ατμοσ φαιρικού αέρα (π.χ. υπερπηδήσ εις σ ε μονωτήρες, ηλεκτρικά τόξα μεταξύ φάσ εων κ.α.), κεραυνοπληξίες, επικαθήσ εις πτηνών σ τους αγωγούς γραμμής μεταφοράς ή σ πασ μένων κλαδιών γειτονικών δέντρων, και η διακοπή της τάσ ης για κλάσ ματα του δευτερολέπτου είναι αρκετή για να απαλειφτούν. Τα αίτια που προαναφέραμε αποκαλούνται εξωτερικά. Υπάρχουν, όμως, και περιπτώσ εις που απαιτούνται μερικά δευτερόλεπτα για την εκκαθάρισ η του σ φάλματος. Τέτοιου είδους σ φάλματα αποκαλούνται ημιμόνιμα, σ υνισ τώντας αρκετές φορές και ξεχωρισ τή κατηγορία. Τα δίκτυα μεταφοράς και διανομής περιέχουν διακόπτες ισ χύος αυτόματης επαναφοράς, οι οποίοι επιτηρούν το σ ύσ τημα για περιπτώσ εις τέτοιων σ φαλμάτων. Οι διακόπτες αυτοί ανοίγουν όταν εντοπίζεται σ φάλμα σ ε ένα σ ημείο του σ υσ τήματος και κλείνουν ξανά, μετά την πάροδο κάποιων κύκλων, όταν και έχει εκκαθαρισ τεί το σ φάλμα. Μόνιμα σ φάλματα (persistent faults): Παρατηρούνται κατ εξοχήν σ τα υπόγεια δίκτυα και σ πανιότερα σ τα εναέρια. Αφορούν σ φάλματα, όπως είναι η γήρανσ η και η κατασ τροφή υλικών (π.χ. μονωτήρων), για τα οποία η εκκαθάρισ η μπορεί να επιτευχθεί μόνο έπειτα από ανθρώπινη παρέμβασ η και ο χρόνος επιδιόρθωσ ης είναι της τάξης μίας ημέρας. Τα αίτια πρόκλησ ης αυτού του είδους σ φαλμάτων αποκαλούνται εσ ωτερικά. Επιπλέον, τα σ φάλματα που αφορούν βραχυκυκλώματα φάσ εων μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα με το πλήθος των αγωγών που εμπλέκονται σ το βραχυκύκλωμα. Τέτοια σ φάλματα είναι τα μονοφασ ικά προς γη, τα διφασ ικά, τα διφασ ικά προς γη και τα τριφασ ικά (με ή χωρίς γη). [24] Ηλεκτρονόμοι (Relays) Τα μέσ α προσ τασ ίας των Σ.Η.Ε. αποτελούνται από ηλεκτρονόμους, οι οποίοι μετρούν ηλεκτρικά μεγέθη, μέσ ω των εισ όδων τους και έπειτα από υπολογισ μούς που εκτελούν, επενεργούν, μέσ ω των εξόδων τους, σ τα μέρη του σ υσ τήματος που επιτηρούν. Είναι σ χεδιασ μένοι να δέχονται ως εισ όδους τιμές ρευμάτων και τάσ εων υποβιβασ μένες από μετασ χηματισ τές έντασ ης (Current Transformers, CTs) και τάσ ης (Voltage Transformers, VTs). Υπάρχουν διάφορα είδη ηλεκτρονόμων, όσ ον αφορά την κατασ κευή τους, τα οποία είναι: 1. Ηλεκτρομηχανικοί ηλεκτρονόμοι (Electromechanical relays) 2. Στατικοί ηλεκτρονόμοι (Static or solid state relays) 3. Ψηφιακοί ηλεκτρονόμοι (Digital relays)

25 1.1. Εισ αγωγή 25 Ηλεκτρομηχανικοί ηλεκτρονόμοι (Electromechanical relays): Οι ηλεκτρονόμοι αυτής της κατηγορίας είναι κατασ κευασ μένοι από πυρήνα σ ιδήρου και μέσ ω τυλιγμάτων που φέρουν ρεύματα, επάγονται ροές σ το μαγνητικό κύκλωμα, με αποτέλεσ μα την ανάπτυξη δυνάμεων ή ροπών, οι οποίες είναι υπεύθυνες για τη λειτουργία ή μη του ηλεκτρονόμου. Στο Σχήμα 1.2 απεικονίζεται παράδειγμα ηλεκτρομηχανικού ηλεκτρονόμου, με το μαγνητικό του κύκλωμα. Σχ. 1.2: Ηλεκτρομηχανικός ηλεκτρονόμος επαγωγικού τύπου με το μαγνητικό του κύκλωμα Στατικοί ηλεκτρονόμοι (Static or solid state relays): Οι σ τατικοί ηλεκτρονόμοι είναι κυκλώματα κατασ κευασ μένα από ηλεκτρονικά σ τοιχεία και χωρίζονται σ ε αναλογικού και ψηφιακού τύπου, ανάλογα τις λειτουργίες που είναι σ χεδιασ μένα να επιτελούν. Κλήθηκαν να αντικατασ τήσ ουν τους ηλεκτρομηχανικούς, λόγω των ακόλουθων πλεονεκτημάτων τους: πολύ μικρότερη κατανάλωσ η ισ χύος, μεγαλύτερη ακρίβεια και ταχύτητα λειτουργίας, μεγαλύτερη ευελιξία σ το σ χεδιασ μό των κυκλωμάτων προσ τασ ίας, δεν απαιτούν σ υντήρησ η. Στο Σχήμα 1.3 απεικονίζεται παράδειγμα δομής σ τατικού ηλεκτρονόμου.

26 26 Κεφάλαιο 1. Εισ αγωγή σ την προσ τασ ία Σ.Η.Ε. Σχ. 1.3: Δομή σ τατικού ηλεκτρονόμου υπερέντασ ης και κυματομορφές διαφόρων μεγεθών του. Ψηφιακοί ηλεκτρονόμοι (Digital relays): Είναι οι πιο σ ύγχρονοι ηλεκτρονόμοι, οι οποίοι έχουν καθιερωθεί σ τις νέες εφαρμογές και αποτελούνται από ψηφιακά κυκλώματα. Οι ηλεκτρονόμοι αυτού του τύπου έχουν τεράσ τιες δυνατότητες ως προς την ακρίβεια, την ευελιξία ρύθμισ ής τους και την αξιοπισ τία τους, καθισ τώντας επιπλέον εφικτή την επικοινωνία με πολλές σ υνισ τώσ ες του δικτύου (SCADA Υποσ ταθμών, Κέντρα Ελέγχου Ενέργειας κτλ.). Αυτό έχει ως αποτέλεσ μα την ευκολότερη και αποτελεσ ματικότερη εποπτεία και προσ τασ ία των σ υσ τημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Στο Σχήμα 1.4 απεικονίζεται το μπλοκ διάγραμμα βασ ικών λειτουργιών ψηφιακών ηλεκτρονόμων. [24] Σχ. 1.4: Μπλοκ διάγραμμα βασ ικών λειτουργιών ψηφιακών ηλεκτρονόμων.

27 1.1. Εισ αγωγή Μετασ χηματισ τές έντασ ης και τάσ ης Οι μετασ χηματισ τές έντασ ης και τάσ ης (σ την ξένη βιβλιογραφία αναφέρονται και ως instrument transformers) χρησ ιμεύουν σ το να παρέχουν ρεύμα και τάσ η σ τους ηλεκτρονόμους και σ ε άλλα όργανα μέτρησ ης του δικτύου, υποβιβασ μένα σ τα επίπεδα που μπορούν να λειτουργήσ ουν καθώς και γαλβανική απομόνωσ η των σ υσ κευών από το δίκτυο. Στα δίκτυα υψηλής και υπερυψηλής τάσ ης χρησ ιμοποιούνται πυκνωτικοί μετασ χηματισ τές τάσ ης (Coupling capacitor voltage transformers, CCVTs). Τα παραπάνω είδη μετασ χηματισ τών φαίνονται σ το Σχήμα 1.5. (a) M/S èntasvhc (b) M/S tˆsvhc (c) Puknwtikìc M/S tˆsvhc Σχ. 1.5: Είδη μετασ χηματισ τών Οι μετασ χηματισ τές έντασ ης και τάσ ης μπορούν να χωρισ θούν σ ε δύο επιμέρους κατηγορίες, τους μετασ χηματισ τές μέτρησ ης και τους μετασ χηματισ τές οργάνων ή προσ τασ ίας, των οποίων η κύρια διαφορά έγκειται σ την ακρίβεια που έχουν καθορισ τεί να λειτουργούν (σ τους μετασ χηματισ τές μέτρησ ης χρειάζεται ακρίβεια για εντάσ εις μέχρι 1,2ΙΝ, ενώ σ τους μετασ χηματισ τές προσ τασ ίας μέχρι 20ΙΝ). Για να μην υπάρχουν σ φάλματα κατά τη μέτρησ η των αντίσ τοιχα μετασ χηματιζόμενων μεγεθών, θα πρέπει αυτά να βρίσ κονται σ ε φάσ η. Στην πράξη, όμως, αυτό δεν είναι δυνατό, λόγω των εσ ωτερικών καταναλώσ εων. Για το λόγο αυτό, οι μετασ χηματισ τές έντασ ης και τάσ ης κατατάσ σ ονται σ ε διάφορες κλάσ εις ακριβείας, ανάλογα με το μέγεθος του σ φάλματος που εισ άγουν. Παρακάτω, καταγράφουμε τις κυριότερες παραμέτρους καθορισ μού των μετασ χηματισ τών έντασ ης και τάσ ης. Για τους μετασ χηματισ τές έντασ ης: Ονομασ τικό ρεύμα πρωτεύοντος: είναι της τάξεως των τιμών του δικτύου. Τυποποιημένες τιμές είναι: 10, 12.5, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 75 και τα δεκαπλάσ ια αυτών. Ονομασ τικό ρεύμα δευτερεύοντος: είναι 5A ή 1A. Ονομασ τική ισ χύς εξόδου: Τυποποιημένες τιμές είναι: 2,5, 5, 10, 15, 30 V A.

28 28 Κεφάλαιο 1. Εισ αγωγή σ την προσ τασ ία Σ.Η.Ε. Μέγισ τη τάσ η: Ορίζεται ως η μέγισ τη πολική τάσ η που μπορεί να δεχτεί ο μετασ χηματισ τής έντασ ης υπό κανονικές σ υνθήκες λειτουργίας του δικτύου, σ το οποίο πρόκειται να εγκατασ ταθεί. Ονομασ τικό επίπεδο μόνωσ ης: Ορίζεται ως ο σ υνδυασ μός τιμών τάσ εων (π.χ.50 Hz και κρουσ τική) που χαρακτηρίζουν την αντοχή της μόνωσ ης του μετασ χηματισ τή έντασ ης υπό σ υνθήκες διηλεκτρικών καταπονήσ εων. Κλάσ η ακρίβειας: Είναι μια κατηγοριοποίησ η των μετασ χηματισ τών έντασ ης ανάλογα με το σ φάλμα που εισ άγουν σ τα ρεύματα δευτερεύοντος υπό καθορισ μένες σ υνθήκες. Για τους μετασ χηματισ τές τάσ ης: Ονομασ τική τάσ η πρωτεύοντος: Οι τυποποιημένες τιμές ταυτίζονται με τα διάφορα επίπεδα τάσ ης των δικτύων. Ονομασ τική τάσ η δευτερεύοντος: Τυποποιημένες τιμές είναι: Στην Ευρώπη: 100 ή 110 V και 200 V για εκτεταμένα κυκλώματα. Στην Αμερική: 120 V σ το δίκτυο διανομής, 115 V σ το δίκτυο μεταφοράς και 230 V σ ε εκτεταμένα κυκλώματα. Ονομασ τική ισ χύς εξόδου: Τυποποιημένες τιμές για τις ισ χείς εξόδου είναι (για cosφ = 0,8 επαγωγικό): 10, 15, 25, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500 V A. Παράγοντας ονομασ τικής τάσ ης: Ορίζεται ως ο σ υντελεσ τής επί τον οποίο αν πολλαπλασ ιασ τεί η ονομασ τική τάσ η πρωτεύοντος, προκύπτει τάσ η που μπορεί να ανεχτεί ο μετασ χηματισ τής τάσ ης για ορισ μένο χρονικό διάσ τημα, χωρίς να μεταβληθεί η ακρίβειά του. Τυποποιημένες τιμές είναι: 1,2 χωρίς χρονικό περιορισ μό, 1,5 επί 30 sec, για αποτελεσ ματικά γειωμένα σ υσ τήματα (effective grounded systems), 1,9 επί 30 sec για αγείωτα σ υσ τήματα (ungrounded systems), με αυτόματη διακοπή για σ φάλματα γης, 1,9 επί 8 h για αγείωτα σ υσ τήματα, χωρίς αυτόματη διακοπή για σ φάλματα γης. Κλάσ η ακρίβειας: Οπως και σ τους μετασ χηματισ τές έντασ ης αφορά την κατηγοριοποίησ η των μετασ χηματισ τών τάσ ης ανάλογα με το σ φάλμα που εισ άγουν σ τις τάσ εις δευτερεύοντος EÐdh prosvtasvðac Στην ενότητα αυτή θα αναλύσ ουμε τα κυριότερα είδη προσ τασ ίας, τα οποία είναι: προσ τασ ία κατεύθυνσ ης (Directional protection), προσ τασ ία υπερέντασ ης με ή χωρίς σ τοιχεία κατεύθυνσ ης (Directional or Non-directional overcurrent protection), διαφορική προσ τασ ία (Differential protection), προσ τασ ία απόσ τασ ης (Distance protection). Εκτός από τα παραπάνω είδη προσ τασ ιών, υπάρχουν και πολλά άλλα που αφορούν σ υγκεκριμένες εφαρμογές, ανάλογα τον εξοπλισ μό του οποίου μελετούμε την προσ τασ ία. Σ αυτό το σ ημείο

29 1.2. Είδη προσ τασ ίας 29 πρέπει να σ ημειωθεί ότι για να είναι ένα Σ.Η.Ε. πλήρως προσ τατευμένο, απαιτείται η εφαρμογή σ υνδυασ μών των παραπάνω ειδών προσ τασ ίας.[24] Διαφορική προσ τασ ία Η διαφορική προσ τασ ία είναι εξαιρετικά ευαίσ θητη σ την ανίχνευσ η εσ ωτερικών σ φαλμάτων και γι αυτό θεωρείται ένα από τα καλύτερα είδη προσ τασ ίας. Χρησ ιμοποιείται πολύ σ υχνά ως πρωτεύουσ α προσ τασ ία των δομικών σ τοιχείων ενός δικτύου (γεννήτριες, μετασ χηματισ τές κλτ.). Η αρχική λειτουργία της διαφορικής προσ τασ ίας είναι σ χετικά απλή. Γίνεται σ ύγκρισ η μεταξύ του εισ ερχόμενου σ τη ζώνη προσ τασ ίας ηλεκτρικού μεγέθους με το εξερχόμενο από αυτή και με βάσ η την μεταξύ τους διαφορά προκύπτει αν πρέπει να λειτουργήσ ει ο ηλεκτρονόμος ή όχι. Το μέγεθος που χρησ ιμοποιείται σ υνήθως για αυτό το σ κοπό είναι το ηλεκτρικό ρεύμα. Στο Σχήμα 1.6 φαίνεται ο τρόπος σ ύνδεσ ης των διαφορικών Η/Ν προσ τασ ίας. Οι δύο Μ/Σ εντάσ εως αναλαμβάνουν να τροφοδοτήσ ουν τα πηνία ανασ τολής (restraint coils) με τα μετρούμενα ρεύματα από την αρχή και το πέρας της ζώνης προσ τασ ίας του προσ τατευόμενου τμήματος, ώσ τε να γίνει η απαραίτητη σ ύγκρισ η σ το πηνίο λειτουργίας (operating coil). Σχ. 1.6: Σύνδεσ μολογία διαφορικού Η/Ν Η χαρακτηρισ τική λειτουργίας της ποσ οσ τιαίας διαφορικής προσ τασ ίας (percentage differential protection), όπως αποκαλείται είναι της μορφής και φαίνεται σ το Σχήμα 1.7. I 1 I 2 = K I1 + I 2 2 y = a x (ευθεία) (1.1) Οι βασ ικές ποσ ότητες που ρυθμίζονται σ τη διαφορική προσ τασ ία είναι το ελάχισ το ρεύμα διέγερσ ης και η κλίσ η της ευθείας. Σε πολλές εφαρμογές, χρησ ιμοποιείται διπλή κλίσ η, για την αποφυγή ανεπιθύμητης λειτουργίας, π.χ. λόγω κορεσ μού σ τους μετασ χηματισ τές έντασ ης.

30 30 Κεφάλαιο 1. Εισ αγωγή σ την προσ τασ ία Σ.Η.Ε. Σχ. 1.7: Χαρακτηρισ τική λειτουργίας ηλεκτρονόμου διαφορικής προσ τασ ίας [31] Προσ τασ ία αποσ τάσ εως Η προσ τασ ία αποσ τάσ εως σ υναντάται κυρίως ως πρωτεύουσ α προσ τασ ία σ τις γραμμές μεταφοράς. Οπως κανείς αντιλαμβάνεται από την ονομασ ία της, η προσ τασ ία αυτή λειτουργεί με βάσ η την απόσ τασ η του σ φάλματος από τον Η/Ν. Στην πραγματικότητα, ο ηλεκτρονόμος δεν επιτηρεί την απόσ τασ η από κάποιο σ φάλμα, αλλά το διάνυσ μα της σ ύνθετης αντίσ τασ ης μεταξύ του ιδίου και του εκάσ τοτε σ φάλματος, μέσ ω κατάλληλα σ υνδεδεμένων Μ/Σ τάσ ης και έντασ ης. Σχ. 1.8: Παράδειγμα εφαρμογής Η/Ν αποσ τάσ εως για προσ τασ ία γραμμής μεταφοράς [5] Το διάνυσ μα σ ύνθετης αντίσ τασ ης που μετρούν οι Η/Ν αποσ τάσ εως όπως και η χαρακτηρισ τική λειτουργίας τους μπορεί να αποτυπωθεί σ ε διάγραμμα R-X. Οταν το εν λόγω διάνυσ μα βρεθεί εντός του χωρίου που ορίζει η εκάσ τοτε χαρακτηρισ τική λειτουργίας, τότε ο ηλεκτρονόμος αναγνωρίζει την ύπαρξη σ φάλματος και λειτουργεί προσ παθώντας να το απομονώσ ει. Στο Σχήμα 1.9 φαίνονται οι πιο διαδεδομένες χαρακτηρισ τικές λειτουργίας ηλεκτρονόμων αποσ τάσ εως.

31 1.2. Είδη προσ τασ ίας 31 (a) tôpou impedance (b) tôpou mho (c) tôpou offset mho (d) tôpou fakoô (e) tôpou parwpðdwn (f) tôpou reactance Σχ. 1.9: Οι τυπικές χαρακτηρισ τικές καμπύλες λειτουργίας των Η/Ν αποσ τάσ εως α) Η χαρακτηρισ τική τύπου impedance είναι ένας κύκλος με κέντρο την αρχή των αξόνων του διαγράμματος R-X και ρυθμιζόμενη ακτίνα. Πρόκειται για μία από τις παλαιότερες χαρακτηρισ τικές λειτουργίας, η οποία έχει πλέον εγκαταλειφθεί. Το βασ ικό μειονέκτημα είναι ότι δεν μπορεί να διακρίνει την κατεύθυνσ η των σ φαλμάτων, πράγμα το οποίο καθισ τούσ ε αναγκαία τη χρήσ η της σ ε σ υνδυασ μό με σ τοιχεία κατεύθυνσ ης. b) Οι ηλεκτρονόμοι, των οποίων η χαρακτηρισ τική λειτουργίας σ ε διάγραμμα R X είναι κύκλος που διέρχεται από την αρχή των αξόνων, ονομάζονται τύπου mho και έχουν ευρεία χρήσ η σ την προσ τασ ία γραμμών μεταφοράς. Δεν απαιτούν σ τοιχείο κατεύθυνσ ης και ρυθμίζονται (μέσ ω της ακτίνας του κύκλου, αλλά και την κλίσ η της διαμέτρου που περνά από την αρχή των αξόνων) έτσ ι ώσ τε να είναι ιδιαίτερα ευαίσ θητοι σ ε ρεύματος σ φάλματος με επιπορεία 60 o 85 o και όσ ο το δυνατόν αναίσ θητοι σ ε φορτία με γωνία 0 o 30 o επιπορείας. c) Για να σ υμπεριληφθεί σ τη ζώνη προσ τασ ίας του ηλεκτρονόμου απόσ τασ ης και μία μικρή περιοχή, πίσ ω από τη γραμμή μεταφοράς που επιτηρεί, σ ε σ χέσ η με τη ροή ισ χύος (για παράδειγμα, σ το κύκλωμα του Σχήματος 1.8, μια μικρή περιοχή αρισ τερά του ζυγού G), χρησ ιμοποιούνται οι ηλεκτρονόμοι απόσ τασ ης τύπου offset-mho, σ τους οποίους εκτός από την ακτίνα και την κλίσ η της διαμέτρου, ρυθμίζεται και η απόσ τασ η (offset) που απέχει το κάτω άκρο της διαμέτρου

32 32 Κεφάλαιο 1. Εισ αγωγή σ την προσ τασ ία Σ.Η.Ε. από την αρχή των αξόνων. Οι ηλεκτρονόμοι αυτού του τύπου χρησ ιμοποιούνται επίσ ης και για αποδοτικότερη προσ τασ ία σ ε περιπτώσ εις με σ χεδόν μηδενική (ή και μηδενική) τάσ η σ φάλματος. d, e) Οι ηλεκτρονόμοι τύπου lens (φακοειδής χαρακτηρισ τική) και τύπου simple blinders (χαρακτηρισ τική απλών παρωπίδων) χρησ ιμοποιούνται σ ε περιπτώσ εις που έχουμε μεγάλες, σ ε μήκος, γραμμές μεταφοράς και βαριά φορτισ μένες, όπου υπάρχει ο κίνδυνος το διάνυσ μα της σ υνολικής σ ύνθετης αντίσ τασ ης που υπολογίζει ο ηλεκτρονόμος, να έχει το πέρας του εντός του κύκλου, αν γινόταν χρήσ η ηλεκτρονόμων τύπου impedance. f) Η χαρακτηρισ τική των ηλεκτρονόμων τύπου reactance είναι μία ευθεία παράλληλη σ τον άξονα R, όπως φαίνεται σ το Σχήμα 1.9f. Δε διαθέτουν λειτουργία κατεύθυνσ ης, σ υνεπώς, μπορούν να λειτουργήσ ουν για σ φάλματα εκτός της ζώνης προσ τασ ίας τους καθώς και για μεγάλα φορτία ή ταλαντώσ εις του σ υσ τήματος και γι αυτό σ υνήθως, περιορίζεται αυτή τους η αδυναμία με την ταυτόχρονη χρήσ η ηλεκτρονόμων τύπου mho. Σχ. 1.10: Χαρακτηρισ τική λειτουργίας Η/Ν απόσ τασ ης τύπου τετραπλεύρου (quadrilateral distance relay) Η εξέλιξη και εδραίωσ η των ψηφιακών ηλεκτρονόμων έδωσ ε την ευκαιρία σ τους σ χεδιασ τές και μελετητές των Σ.Η.Ε., να μπορούν να δημιουργήσ ουν χαρακτηρισ τικές λειτουργίας, για τους ηλεκτρονόμους απόσ τασ ης, οποιασ δήποτε μορφής επιθυμούν. Ενα τέτοιο παράδειγμα χαρακτηρισ τικής φαίνεται σ το Σχήμα 1.10, η οποία ανήκει σ ε ηλεκτρονόμο απόσ τασ ης τύπου τετραπλεύρου. Στην ουσ ία πρόκειται για σ υνδυασ μό σ τοιχείων τύπου επαγωγικής αντίσ τασ ης (πάνω πλευρά), τύπου αντίσ τασ ης (δεξιά και αρισ τερή πλευρά) και σ τοιχείου κατεύθυνσ ης (κάτω πλευρά), τα οποία δημιουργούν τον επιθυμητό γεωμετρικό τόπο. Η δυνατότητα σ χηματισ μού οποιασ δήποτε πολυγωνικής μορφής χαρακτηρισ τικών λειτουργίας δεν υπήρχε σ τους κλασ ικούς ηλεκτρομηχανικούς ηλεκτρονόμους, γεγονός που αναδεικνύει τη σ πουδαιότητα της χρήσ ης ευέλικτων ψηφιακών ηλεκτρονόμων για προσ τασ ία απόσ τασ ης Προσ τασ ία κατεύθυνσ ης Οι ηλεκτρονόμοι που επιτελούν αυτού του είδους προσ τασ ίας, γνωσ τοί ως ηλεκτρονόμοι κατεύθυνσ ης, χρησ ιμοποιούνται για να αναγνωρίζουν την αλλαγή της φοράς τάσ εων και εντάσ εων, σ το μέρος του δικτύου που προσ τατεύουν, κατά τη διάρκεια σ φαλμάτων. Αυτό επιτυγχάνε-

33 1.2. Είδη προσ τασ ίας 33 ται μέσ ω της μέτρησ ης και της σ ύγκρισ ης των φασ ικών γωνιών δύο ηλεκτρικών μεγεθών (τάσ εις και εντάσ εις). Στη σ υνέχεια, το ένα μέγεθος χρησ ιμοποιείται ως μέγεθος αναφοράς και δημιουργεί την πόλωσ η. Ο ηλεκτρονόμος σ υγκρίνει τη φασ ική γωνία του δεύτερου μεγέθους με αυτήν της μεταβλητής αναφοράς και αποφασ ίζει αν πρέπει να λειτουργήσ ει ή όχι. Υπάρχουν δύο ειδών πολώσ εις που εφαρμόζονται σ τους ηλεκτρονόμους κατεύθυνσ ης. Πόλωσ η τάσ ης (voltage polarization): Εχει επικρατήσ ει σ τις περισ σ ότερες εφαρμογές, επειδή οι γωνίες των τάσ εων ενός Σ.Η.Ε. δε μεταβάλλονται σ ημαντικά κατά τη διάρκεια ενός σ φάλματος και έτσ ι το διάνυσ μά τους διατηρείται σ χεδόν σ ταθερό. Οι ηλεκτρονόμοι αυτής της περίπτωσ ης ονομάζονται και ηλεκτρονόμοι τάσ ης έντασ ης. Στο Σχήμα 1.11 φαίνεται ο τρόπος σ υνδεσ μολογίας ηλεκτρονόμου κατεύθυνσ ης με πόλωσ η τάσ ης. Σχ. 1.11: Συνδεσ μολογία ηλεκτρονόμου κατεύθυνσ ης με πόλωσ η τάσ ης [5] Πόλωσ η ρεύματος (current polarization): Χρησ ιμοποιείται σ ε ηλεκτρονόμους γης τύπου 0 o (0 o type ground relays), οι οποίοι δέχονται σ αν εισ όδους το ρεύμα του δικτύου και το ρεύμα του ουδετέρου του μετασ χηματισ τή σ τον πλησ ίον υποσ ταθμό, τα οποία είναι σ ε φάσ η κατά τη διάρκεια σ φαλμάτων γης. Οι ηλεκτρονόμοι της κατηγορίας αυτής καλούνται επίσ ης ηλεκτρονόμοι έντασ ης έντασ ης και η σ υνδεσ μολογία τους φαίνεται σ το Σχήμα 1.12.

34 34 Κεφάλαιο 1. Εισ αγωγή σ την προσ τασ ία Σ.Η.Ε. Σχ. 1.12: Συνδεσ μολογία ηλεκτρονόμου κατεύθυνσ ης με πόλωσ η έντασ ης [5] Η χαρακτηρισ τική λειτουργίας των ηλεκτρονόμων κατεύθυνσ ης προκύπτει από την αντίσ τοιχη εξίσ ωσ η ροπής. Αν υποθέσ ουμε ότι η τάσ η λαμβάνεται ως μέγεθος αναφοράς, τότε προκύπτει η Σχέσ η 1.2 I cos(θ-τ) = σ ταθερά (1.2) η οποία σ ε πολικές σ υντεταγμένες παρισ τάνει μια ευθεία και φαίνεται σ το Σχήμα Σχ. 1.13: Χαρακτηρισ τική λειτουργίας ηλεκτρονόμων κατεύθυνσ ης [24] Οταν το πέρας του διανύσ ματος έντασ ης βρίσ κεται σ την περιοχή θετικής ροπής, τότε ο ηλεκτρονόμος λειτουργεί, ενώ όταν βρίσ κεται σ την περιοχή αρνητικής ροπής δεν ενεργοποιείται ή επανέρχεται σ ε περίπτωσ η που είχε ενεργοποιηθεί. Το τελευταίο σ ημαντικό σ τοιχείο των ηλεκτρονόμων κατεύθυνσ ης, είναι η κατηγοριοποίησ η τους ανάλογα με το ποια τάσ η και ποια

35 1.2. Είδη προσ τασ ίας 35 έντασ η του δικτύου δέχονται σ τις εισ όδους τους. Στον Πίνακα 1.1 σ υγκεντρώνονται όλες οι περιπτώσ εις που χρησ ιμοποιούνται σ τις εφαρμογές ηλεκτρονόμων κατεύθυνσ ης. Πίν. 1.1: Συνδεσ μολογίες Η/Ν κατεύθυνσ ης Προσ τασ ία υπερέντασ ης με ή χωρίς σ τοιχεία κατεύθυνσ ης Αποτελεί το απλούσ τερο και οικονομικότερο είδος προσ τασ ίας και έχει εφαρμογή είτε ως κύρια είτε ως δευτερεύουσ α προσ τασ ία. Οι ασ φάλειες (fuses), οι διακόπτες ισ χύος (circuit breakers) και οι διακόπτες αυτόματης επαναφοράς (reclosers) είναι ορισ μένα μέσ α που παρέχουν προσ τασ ία υπερέντασ ης. Εκτός από τις ασ φάλειες, όλα τα υπόλοιπα μέσ α προσ τασ ίας ελέγχονται από ηλεκτρονόμους υπερέντασ ης (overcurrent relays). Σε αυτό το σ ημείο, αξίζει να επισ ημανθεί η διαφορά δύο όρων. Υπερέντασ η (overcurrent) θεωρείται οποιαδήποτε τιμή ρεύματος πάνω από το διπλάσ ιο του ονομασ τικού, ενώ ο όρος υπερφόρτισ η (overload) χρησ ιμοποιείται για εντάσ εις μεταξύ της ονομασ τικής τιμής και της διπλάσ ιάς της. Οι ηλεκτρονόμοι υπερέντασ ης χωρίζονται σ ε δύο μεγάλες κατηγορίες: 1. σ τους ηλεκτρονόμους υπερέντασ ης χωρίς σ τοιχείο κατεύθυνσ ης (non-directional overcurrent relays), οι οποίοι χρησ ιμοποιούνται σ τα ακτινικά δίκτυα και 2. σ τους ηλεκτρονόμους υπερέντασ ης με σ τοιχείο κατεύθυνσ ης (directional overcurrent relays), οι οποίοι χρησ ιμοποιούνται σ ε μέρη του σ υσ τήματος που σ χηματίζονται βρόχοι και υπάρχει δυνατότητα ροής ισ χύος και σ τις δύο κατευθύνσ εις. Επιπλέον, οι ηλεκτρονόμοι υπερέντασ ης μπορούν να διαβαθμισ τούν ως προς την τιμή του ρεύματος, ως προς το χρόνο, αλλά και ως προς τα δύο ταυτόχρονα. Η τελευταία περίπτωσ η αποτελεί την ιδανική επιλογή και αυτή χρησ ιμοποιείται σ τις περισ σ ότερες εφαρμογές. Εκτός από τις δύο μεγάλες κατηγορίες που προαναφέρθηκε οι ηλεκτρονόμοι υπερέντασ ης μπορούν να διακριθούν και σ τις ακόλουθες κατηγορίες, ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας τους. Στιγμιαίοι (instantaneous): Σε αυτό το είδος ηλεκτρονόμων ρυθμίζεται μόνο το ρεύμα διέγερσ ης ή κατωφλίου (pickup current). Μόλις το εισ ερχόμενο ρεύμα σ τον ηλεκτρονόμο ξεπεράσ ει την τιμή αυτή, τότε η λειτουργία του είναι ακαριαία. Στην πράξη, χρειάζονται κάποια κλάσ ματα δευτερολέπτου για τη λειτουργία του ηλεκτρονόμου (operating time). Η χαρακτηρισ τική καμπύλη των ηλεκτρονόμων αυτών φαίνεται σ το Σχήμα 1.14.

36 36 Κεφάλαιο 1. Εισ αγωγή σ την προσ τασ ία Σ.Η.Ε. Σχ. 1.14: Χαρακτηρισ τική λειτουργίας σ τιγμιαίου ηλεκτρονόμου υπερέντασ ης Σταθερού χρόνου (definite time): Σε αυτό το είδος ηλεκτρονόμων ρυθμίζεται το ρεύμα διέγερσ ης (pickup current) και η χρονική καθυσ τέρησ η με την οποία θέλουμε να λειτουργεί ο ηλεκτρονόμος (time delay), η οποία είναι σ ταθερή. Οταν το εισ ερχόμενο ρεύμα σ τον ηλεκτρονόμο ξεπεράσ ει την τιμή αυτή, τότε ανεξάρτητα από την τιμή του, ο ηλεκτρονόμος θα σ τείλει σ ήμα σ το διακόπτη ισ χύος που ελέγχει έπειτα από τη χρονική καθυσ τέρησ η που έχει ορισ τεί. Κατά τη ρύθμισ η του time delay πρέπει να λαμβάνεται υπ όψιν η καθυσ τέρησ η λειτουργίας του ηλεκτρονόμου, η καθυσ τέρησ η μετάδοσ ης του σ ήματος σ το διακόπτη ισ χύος, καθώς και η καθυσ τέρησ η λειτουργίας του ίδιου του διακόπτη. Η χαρακτηρισ τική λειτουργίας των ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης σ ταθερού χρόνου φαίνεται σ το Σχήμα Σχ. 1.15: Χαρακτηρισ τική λειτουργίας ηλεκτρονόμου υπερέντασ ης σ ταθερού χρόνου Αντισ τρόφου χρόνου (inverse time): Σε αυτό το είδος, όπως και πριν, ρυθμίζεται το ρεύμα διέγερσ ης (pickup current) καθώς και μια χρονική παράμετρος (time dial setting). Η ιδιαιτερότητα αυτού του είδους ηλεκτρονόμων είναι ότι όσ ο η τιμή του ρεύματος σ φάλματος αυξάνεται, τόσ ο μειώνεται ο χρόνος λειτουργίας του ηλεκτρονόμου. Οι ηλεκτρονόμοι υπερέντασ ης αντισ τρόφου χρόνου εφοδιασ μένοι με σ τιγμιαίο σ τοιχείο λειτουργίας έχουν επικρατήσ ει σ το μεγαλύτερο πλήθος των εφαρμογών προσ τασ ίας υπερέντασ ης. Στο Σχήμα 1.16 φαίνεται ένα παράδειγμα οικογένειας χαρακτηρισ τικών καμπυλών ηλεκτρονόμου αντισ τρόφου χρόνου.

37 1.2. Είδη προσ τασ ίας 37 Σχ. 1.16: Οικογένεια χαρακτηρισ τικών λειτουργίας ηλεκτρονόμου υπερέντασ ης αντισ τρόφου χρόνου Σε πολλές εφαρμογές, όπως περιοχές σ υσ τήματος με βρόχους, οι ηλεκτρονόμοι υπερέντασ ης είναι εφοδιασ μένοι με σ τοιχεία κατεύθυνσ ης. Τα σ τοιχεία αυτά λειτουργούν ως εξής: δέχονται δύο εισ όδους (τάσ η και ρεύμα), χρησ ιμοποιούν τη μία (σ υνήθως την τάσ η) ως μεταβλητή αναφοράς ή πόλωσ ης και μετρούν τη διαφορά της γωνίας φάσ ης από την άλλη. Με τον τρόπο αυτό μπορούν να αντιληφθούν αν έχει υπάρξει αλλαγή σ τη φορά ισ χύος ή όχι. Οι ηλεκτρονόμοι υπερέντασ ης με σ τοιχείο κατεύθυνσ ης ενεργοποιούνται όταν το εισ ερχόμενο ρεύμα ξεπεράσ ει το ρεύμα διέγερσ ης (pickup current) και η διαφορά φάσ ης μεταξύ του ρεύματος και του χαρακτηρισ τικού άξονα, ο οποίος ορίζεται από τη γωνία της μεταβλητής πόλωσ ης προσ αυξημένη με τη χαρακτηρισ τική γωνία, είναι σ το διάσ τημα ( 90 o, +90 o ). Η προηγούμενη περιγραφή φαίνεται σ το Σχήμα Σχ. 1.17: Χαρακτηρισ τική λειτουργίας ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης με σ τοιχείο κατεύθυνσ ης [24]

38

39 Kefˆlaio 2 DÐktua Dianom c me Diesvparmènh Paragwg 2.1. Diesvparmènh Paragwg Η Διεσ παρμένη Παραγωγή (Distributed Energy Resources, - DER, Distributed Generation, DG) ορίζεται ως η πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ισ χύος που βρίσ κενται πλησ ίον του σ ημείου κατανάλωσ ης της ηλεκτρικής ενέργειας (π.χ.περιοχή οικιακών φορτίων, βιομηχανία κτλ.) και αποτελεί μια εναλλακτική και βελτιωμένη έκδοσ η του παραδοσ ιακού δικτύου ηλεκτρικής ισ χύος. Επιπλέον, υπερτερεί της παραγωγής εκείνης που σ τηρίζεται σ ε μεγάλα κεντρικά εργοσ τάσ ια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και σ υσ τήματα μεταφοράς, αφού είναι ταχύτερη και πιο οικονομική επιλογή. Επίσ ης, παρέχει σ τους καταναλωτές την προοπτική μικρότερου κόσ τους, μεγαλύτερης αξιοπισ τίας υπηρεσ ιών, καλύτερης ποιότητας ισ χύος, αυξημένης ενεργειακής απόδοσ ης και ενεργειακής ανεξαρτησ ίας. Οι τεχνολογίες διεσ παρμένης παραγωγής έχουν ως κύριο χαρακτηρισ τικό την χαμηλή ονομασ τική ισ χύ. Στο τέλος αυτής της παραγράφου αναφέρονται διάφορες κατηγορίες βαθμίδων της διεσ παρμένης παραγωγής. Τοποθετούνται μέσ α σ το ηλεκτρικό σ ύσ τημα διανομής κοντά σ τον τελικό καταναλωτή και έχουν την δυνατότητα να λειτουργούν, είτε αυτόνομα, είτε παράλληλα με το υπόλοιπο δίκτυο. Πολύ μικρή (Micro) ΔΠ 1 W att < 5 kw Μικρή (Small) ΔΠ 5 kw < 5 MW Μεσ αία (Medium) ΔΠ 5 MW < 50 MW Μεγάλη (Large) ΔΠ 50 MW < 300 MW Τέλος προσ φέρουν και περιβαλλοντικό όφελος αφού για τη λειτουργία κάποιων τεχνολογιών απαιτούνται ενεργειακοί πόροι που αφθονούν σ την φύσ η, όπως ο ήλιος, ο άνεμος, το νερό κλπ. [11, 26] Τύποι τεχνολογιών διεσ παρμένης παραγωγής (DER) Οι τεχνολογίες DER αποτελούνται κυρίως από σ υσ τήματα παραγωγής ενέργειας και σ υσ τήματα αποθήκευσ ης που τοποθετούνται σ τον τελικό καταναλωτή ή κοντά σ ε αυτόν. Αυτές είναι: Μικροτουρμπίνες Τουρμπίνες σ ωτερικής καύσ ης Μηχανές εσ ωτερικής καύσ ης Μηχανές Stirling Κυψέλες καυσ ίμου Αποθήκευσ η ενέργειας / Συσ τήματα UPS Φωτοβολοταϊκά σ υσ τήματα

40 40 Κεφάλαιο 2. Δίκτυα Διανομής με Διεσ παρμένη Παραγωγή Αιολικά σ υσ τήματα Υβριδικά σ υσ τήματα 2.2. To mikrodðktuo Ορισ μός του μικροδικτύου Ενα μικροδίκτυο (Microgrid) αποτελεί ουσ ιασ τικά ένα δίκτυο κεντρικά ελεγχόμενων μονάδων παραγωγής ενέργειας μέσ α σ το οποίο εξυπηρετούνται φορτία. Εχει τη δυνατότητα να λειτουργεί αυτόνομα (islanded mode), ή διασ υνδεδεμένο με το κύριο δίκτυο (connected mode) με το οποίο δύναται να ανταλλάξει ενέργεια. Οι μονάδες αυτές αποτελούν ουσ ιασ τικά μονάδες διεσ παρμένης παραγωγής και χρησ ιμοποιούν όλες τις υπάρχουσ ες και εμπορικά διαθέσ ιμες τεχνολογίες παραγωγής. Ετσ ι σ ε ένα μικροδίκτυο μπορεί να σ υναντήσ ει κανείς ανεμογεννήτριες, φωτοβολταϊκά, μικρά υδροηλεκτρικά, μικρο-τουρμπίνες, κυψέλες καυσ ίμου, σ υσ τήματα σ υμπαραγωγής ηλεκτρικής ισ χύος - θερμότητας κ.α. Η ισ χύς των μονάδων αυτών ξεκινά από μερικά kw και φτάνουν μέχρι λίγα MW. Για την κατασ κευή ενός μικροδικτύου λοιπόν, υπάρχει μεγάλη ευελιξία σ τις τεχνολογίες που μπορούν να χρησ ιμοποιηθούν, με την τελική επιλογή να εξαρτάται από την γεωγραφική θέσ η της εγκατάσ τασ ης, τις κλιματολογικές σ υνθήκες, την διαθεσ ιμότητα των πόρων κλπ. [26] Επίσ ης, προσ φέρει διάφορα πλεονεκτήματα σ ε υπηρεσ ίες κοινής ωφέλειας και σ την κοινωνία, όπως: Βελτίωσ η της ενεργειακής απόδοσ ης Ελαχισ τοποίησ η σ υνολικής κατανάλωσ ης ενέργειας Μείωσ η των αερίων του φαινομένου του θερμοκηπίου και εκπομπών ρύπων Βελτίωσ η της ποιότητας παροχής υπηρεσ ιών και αξιοπισ τίας Αντικατάσ τασ η υποδομών ηλεκτρικής ενέργειας λαμβάνοντας υπόψη την αποδοτικότητα ως προς το κόσ τος Μία τυπική διάταξη ενός μικροδικτύου απεικονίζεται σ το Σχήμα 2.1. Είναι σ υνδεδεμένο με τη μέσ η τάσ η του κύριου δικτύου όταν ο διακόπτης ισ χύος 1 (CB1) είναι κλεισ τός (και οι διακόπτες ισ χύος CB3.2 και 6.2 είναι ανοικτοί).

41 2.2. Το μικροδίκτυο 41 Σχ. 2.1: Τυπικό Δίκτυο Διανομής με ΔΠ [8] Η αυξανόμενη διείσ δυσ η της διεσ παρμένης παραγωγής σ ε σ υσ τήματα μικροδικτύου γεννά μεγάλες προκλήσ εις σ τον τομέα των σ χημάτων προσ τασ ίας τους. Συγκεκριμένα, η ποιότητα ισ χύος, η διαχείρισ η ενέργειας, η ευσ τάθεια, ο έλεγχος ροής ισ χύος, τα σ υσ τήματα προσ τασ ίας και η ενσ ωμάτωσ η των διαφόρων διεσ παρμένων γεννητριών είναι τα βασ ικά λειτουργικά ζητήματα ενός μικροδικτύου. Επιπρόσ θετα, η σ υνύπαρξη των πολλαπλών πηγών ενέργειας που έχουν πολύπλευρες δυναμικές ιδιότητες και ηλεκτρικά χαρακτηρισ τικά έχουν αντίκτυπο σ την ασ φάλεια, την αποδοτικότητα, τον έλεγχο και την ευσ τάθεια. Τα τεχνικά ζητήματα που αφορούν τη λειτουργία του μικροδικτύου σ χετίζονται με τη διασ ύνδεσ η και την κατάσ τασ η νησ ιδοποίησ ης. Η πολυπλοκότητα σ τη διασ ύνδεσ η του με το κύριο δίκτυο επηρεάζεται από το είδος της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, τον αριθμό των πηγών ενέργειας, τη θέσ η των σ ημείων διασ ύνδεσ ης και το επίπεδο της διείσ δυσ ης του σ υσ τήματος αυτού με το κύριο δίκτυο.[8, 9] Προκλήσ εις σ τα μικροδίκτυα Η αύξησ η της διείσ δυσ ης της διεσ παρμένης παραγωγής σ το σ ύσ τημα μικροδικτύου θέτει σ οβαρά τεχνικά προβλήματα σ τη λειτουργία του δικτύου όπως η μόνιμη και μεταβατική κατάσ τασ η για υπέρτασ η και υπότασ η σ το σ ημείο σ ύνδεσ ης, η αύξησ η της σ τάθμης βραχυκύκλωσ ης και προβλήματα ποιότητας ισ χύος. Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσ εις σ το μικροδίκτυο είναι ο κατάλληλος σ χεδιασ μός των σ υσ τημάτων προσ τασ ίας τα οποία πρέπει να ανταποκρίνονται σ τα σ φάλματα που εμφανίζονται σ το κύριου δικτύου, αλλά και σ το μικροδίκτυο. Στην πρώτη περίπτωσ η, το σ ύσ τημα προσ τασ ίας θα πρέπει να απομονώσ ει το μικροδίκτυο από το κύριο δίκτυο τόσ ο γρήγορα όσ ο απαιτείται για να προσ τατέψει τα φορτία του. Στη δεύτερη περίπτωσ η, το σ ύσ τημα προσ τασ ίας θα πρέπει να απομονώσ ει το μικρότερο τμήμα του μικροδικτύου.

42 42 Κεφάλαιο 2. Δίκτυα Διανομής με Διεσ παρμένη Παραγωγή Η διαίρεσ η του μικροδικτύου σ ε ζώνες, π.χ. δημιουργία πολλαπλών νησ ίδων ή υπό - μικροδικτύων (sub-microgrids), θα πρέπει να υποσ τηρίζεται από μικρό-πηγές και ελεγκτές φορτίου. Υπό αυτές τις σ υνθήκες μπορεί να προκύψουν προβλήματα που σ χετίζονται με την επιλεκτικότητα (σ φάλματα, μη επιθυμητή λειτουργία ΔΙ) και την ευαισ θησ ία (μη ανιχνεύσ ιμα σ φάλματα ή καθυσ τέρησ η λειτουργίας ΔΙ) του σ υσ τήματος προσ τασ ίας. Συνεπώς, όταν οι διεσ παρμένες γεννήτριες εντάσ σ ονται για να σ χηματίσ ουν το μικροδίκτυο είναι σ ημαντικό να εξασ φαλισ τεί ότι τα φορτία, οι γραμμές και διεσ παρμένες γεννήτριες σ την κατάσ τασ η νησ ιδοποίησ ης είναι προσ τατευμένα. Η γρήγορη λειτουργία της προσ τασ ίας βελτιώνει την ικανότητα να διατηρηθεί ο σ υγχρονισ μός κατά τη μετάβασ η σ ε κατάσ τασ η νησ ιδοποίησ ης, η οποία είναι κρίσ ιμη από άποψη ευσ τάθειας. [8, 9] Προβλήματα σ τα μικροδίκτυα Υπάρχουν δύο βασ ικά θέματα που σ χετίζονται με την προσ τασ ία των μικροδικτύων και δικτύων διανομής με μεγάλη διείσ δυσ η των διεσ παρμένων πηγών ενέργειας. Το πρώτο σ χετίζεται με τον αριθμό των εγκατεσ τημένων μικροπηγών σ το μικροδίκτυο και το δεύτερο με τη διαθεσ ιμότητα ενός επαρκούς επιπέδου ρεύματος βραχυκύκλωσ ης όταν το μικροδίκτυο λειτουργεί απομονωμένα, αφού αυτό το επίπεδο μπορεί να μειωθεί σ ημαντικά μετά την αποσ ύνδεσ η του από το κύριο δίκτυο. Οι κατασ τάσ εις λειτουργίας του μικροδικτύου αλλάζουν σ υνεχώς λόγων των διακοπτόμενων μικροπηγών (αιολική ή ηλιακή) και των περιοδικών διακυμάνσ εων φορτίου. Επίσ ης η τοπολογία του δικτύου μπορεί να αλλάζει τακτικά με σ τόχο την ελαχισ τοποίησ η απωλειών ή την επίτευξη άλλων οικονομικών ή λειτουργικών σ τόχων. Κάτω από αυτές τις σ υνθήκες μπορεί να μη λειτουργήσ ει η σ υνεργασ ία των ηλεκτρονόμων και γενικότερα η προσ τασ ία υπερέντασ ης μπορεί να είναι ανεπαρκής, δηλαδή δεν θα εγγυάται μία επιλεκτική λειτουργία για όλα τα πιθανά σ φάλματα. Επομένως, είναι απαραίτητο να εξασ φαλισ τεί ότι οι ρυθμίσ εις που επιλέγονται για ηλεκτρονόμους προσ τασ ίας υπερέντασ ης λαμβάνουν υπ όψιν την τοπολογία του δικτύου και τις μεταβολές σ την περιοχή, σ το είδος και σ την ποσ ότητα παραγωγής. Διαφορετικά, μπορεί να σ υμβεί μία ανεπιθύμητη λειτουργία ή αποτυχία λειτουργίας όταν απαιτηθεί. Προκειμένου να αντιμετωπισ τούν οι αμφίδρομες κατευθύνσ εις ισ χύος και τα χαμηλού επιπέδου ρεύματα βραχυκύκλωσ ης των μικροδικτύων που κυριαρχούνται από μικροπηγές με ηλεκτρονικά ισ χύος, απαιτείται μία νέα φιλοσ οφία προσ τασ ίας, όπου οι παράμετροι ρυθμίσ εων των ηλεκτρονόμων πρέπει να ελέγχονται/ενημερώνονται περιοδικά για να διασ φαλισ τεί ότι εξακολουθούν να λειτουργούν κατάλληλα. Στον Πίνακα 2.1 σ υνοψίζονται οι κυριότερες επιπτώσ εις των μονάδων διεσ παρμένης παραγωγής σ τα σ χήματα προσ τασ ίας των σ ύγχρονων δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας [10].

43 2.2. Το μικροδίκτυο 43 # Επίπτωσ η Παρατήρησ η 1 2 Αλλαγή ροής ρεύματος σ φάλματος Αύξησ η ή μείωσ η του ρεύματος σ φάλματος 3 Εσ φαλμένη λειτουργία ασ φαλειών 4 Εσ φαλμένη λειτουργία ηλεκτρονόμων 5 Χαλάρωσ η της σ υνεργασ ίας 6 Μη ανιχνεύσ ιμα σ φάλματα 7 Ζημιά σ τη σ υσ κευή διακοπής Φ σ φάλμα μεγαλύτερο από 3Φ σ φάλμα Απαραίτητοι διπλής κατεύθυνσ ης ηλεκτρονόμοι Μέγεθος ρεύματος σ φάλματος εκτός των ορίων του εύρος λειτουργίας του ηλεκτρονόμου Λειτουργία ηλεκτρονόμου εκτός χρόνου Η ροή ρεύματος δεν είναι ακτινική με DG, υπάρχουν ρεύματα σ τα οποία σ υμβάλουν τα DG, που είναι πάνω ή κάτω από το σ ημείο του σ φάλματος Εξαρτάται από την τοπολογική λειτουργία του σ υσ τήματος Είναι πιθανό να γίνει αναποτελεσ ματική λειτουργία ή κατασ τροφή ασ φαλειών χωρίς να υπάρχει πραγματική βλάβη Λόγω αύξησ ης ροής του ονομασ τικού ρεύματος Απώλεια επιλεκτικότητας και ευαισ θησ ίας, ως αποτέλεσ μα, το ρεύμα σ φάλματος να αλλάξουν ροή και κατεύθυνσ η Οταν το νέο επίπεδο ρεύμα σ φάλματος είναι χαμηλό Ως αποτέλεσ μα ενός σ φάλματος το ρεύμα αυξάνει και μπορεί να είναι μεγαλύτερο απ τη ικανότητα διακοπής της εφαρμοζόμενης σ υσ κευής. Λόγων DG που έχουν μεγαλύτερο μονοφασ ικό ρεύμα σ φάλματος Λόγω της επίπτωσ ης # 1 Είναι πιθανό ότι το νέο μέγεθος ρεύματος σ φάλματος (ανεξάρτητα αν αυξήθηκε ή μειώθηκε) δεν ανιχνεύεται από ηλεκτρονόμο με την σ χέσ η μετασ χηματισ μού έντασ ης που είχε αρχικά εγκατασ ταθεί. Ο ηλεκτρονόμος παύει να λειτουργεί λόγω σ φάλματος, αλλά με μεγάλη καθυσ τέρησ η, η οποία θεωρείται μη αποδεκτή. Πίν. 2.1: Επιπτώσ εις των Διεσ παρμένων Πηγών Ενέργειας σ τα σ υσ τήματα προσ τασ ίας Θέματα προσ τασ ίας Τα ρεύματα σ φάλματος καθορίζονται από τον τρόπο λειτουργίας του μικροδικτύου. Δηλαδή, αν είναι διασ υνδεδεμένο με το κύριο δίκτυο ή λειτουργεί ως νησ ίδα. Κατά σ υνέπεια, η ισ χύς βραχυκύκλωσ ης μπορεί να διαφέρει σ ημαντικά κατά περίπτωσ η. Ακόμη, τα σ φάλματα προκαλούν απώλεια ευσ τάθειας, υπερέντασ η, διαρροή προς γη, αποσ ύνδεσ η γεννητριών, νησ ιδοποίησ η κ.α.. Αναλόγως τα σ ημεία σ φάλματος, σ ε σ χέσ η με τις διεσ παρμένες γεννήτριες και τον υφισ τάμενο εξοπλισ μό προσ τασ ίας, εμφανίζονται προβλήματα όπως η αμφίδρομη ροή ισ χύος και διακύμανσ η της τάσ ης. Η ακριβής σ υνεισ φορά των μονάδων διεσ παρμένης παραγωγής σ το σ φάλμα είναι απρόβλεπτη, λόγω του γεγονότος ότι η παραγόμενη και εγχυόμενη ισ χύς τους αλλάζει διαρκώς. Τα βασ ικά ζητήματα της προσ τασ ία του δικτύου είναι: η μεταβολή της σ τάθμης βραχυκύκλωσ ης

44 44 Κεφάλαιο 2. Δίκτυα Διανομής με Διεσ παρμένη Παραγωγή η αμφίδρομη ροή ρεύματος και ρευμάτων βραχυκύκλωσ ης η νησ ιδοποίησ η η πιθανή τύφλωσ η προσ τασ ίας και η εσ φαλμένη λειτουργία των προσ τασ ιών η επιλεκτικότητα. Μεταβολή των ρευμάτων βραχυκύκλωσ ης Οταν ένας μεγάλος αριθμός μικρών μονάδων διεσ παρμένης παραγωγής, όπως είναι σ ύγχρονες ή ασ ύγχρονες γεννήτριες, σ υνδέεται σ το δίκτυο διανομής το επίπεδο ρεύματος σ φάλματος αλλάζει. Για παράδειγμα, αν τα προηγούμενα σ υνδέονται με αντισ τροφείς το ρεύμα σ φάλματος περιορίζεται σ ε μια χαμηλότερη τιμή, με αποτέλεσ μα, ο ηλεκτρονόμος να λειτουργήσ ει ή να ανταποκριθεί με χρονική καθυσ τέρησ η. Κατά σ υνέπεια, το μη ανιχνεύσ ιμο ρεύμα σ φάλματος να παραμείνει σ το σ ύσ τημα και να προκαλέσ ει ανεπανόρθωτη ζημιά σ τον εξοπλισ μό. Επίσ ης, όταν η μονάδα διεσ παρμένης παραγωγής σ υνδέεται σ το δίκτυο παράλληλα με άλλα σ τοιχεία η αντίσ τασ η σ φάλματος μειώνεται. Για παράδειγμα, παρατηρείται σ το Σχήμα 2.2 ότι όταν σ υμβαίνει σ φάλμα μετά το Σημείο Κοινής Σύνδεσ ης σ υμβάλλει σ ε αυτό τόσ ο η κύρια πηγή, όσ ο και η μονάδα διεσ παρμένης παραγωγής. Ομως, ο ηλεκτρονόμος τοποθετείται πριν το ΣΚΣ και μετρά μόνο το ρεύμα που παρέχει η κύρια πηγή. Αυτό έχει ως αποτέλεσ μα το πραγματικό ρεύμα σ φάλματος να διαφέρει από το μετρούμενο, σ υνεπώς να μη λειτουργήσ ει σ ωσ τά ο ηλεκτρονόμος και να υπάρχουν προβλήματα σ υνεργασ ίας. Main Grid CB I F.Grid ΣΚΣ I F.Total =I F.Grid +I F.DG I F.DG MV LV Fault DG Σχ. 2.2: Συνεισ φορά της ΔΓ σ το σ φάλμα Γενικά, η διακύμανσ η σ το μέγεθος του ρεύματος σ φάλματος χρησ ιμοποιείται για τη διάκρισ η επιπέδου σ φάλματος. Για παράδειγμα, όταν σ το σ ύσ τημα υπάρχουν μονάδες διεσ παρμένης παραγωγής που είναι σ υνδεδεμένες σ το τέλος του δικτύου, το μέγεθος του ρεύματος σ φάλματος μειώνεται με την αύξησ η της απόσ τασ ης, λόγω αύξησ ης της σ ύνθετης αντίσ τασ ης. Ακόμη, όταν το μικροδίκτυο λειτουργεί αυτόνομα οι διεσ παρμένες πηγές ενέργειας μπορεί να είναι σ υνδεδεμένες με αντισ τροφείς, τότε το μέγεθος του ρεύματος σ φάλματος περιορίζεται σ ε μια χαμηλότερη τιμή, με αποτέλεσ μα το επίπεδο σ φαλμάτων να θεωρείται σ χεδόν σ ταθερό. Τα παραδοσ ιακά σ χέδια προσ τασ ίας που χρησ ιμοποιούν τη διακύμανσ η του μεγέθους του ρεύματος σ φάλματος για διάκρισ η δεν λειτουργούν σ ωσ τά. Επομένως, είναι απαραίτητα τα νέα σ υσ τήματα προσ τασ ίας για τη προσ τασ ία σ τοιχείων του δικτύου.

45 2.2. Το μικροδίκτυο 45 Η παρουσ ία της διεσ παρμένης παραγωγής σ το δίκτυο διανομής μπορεί να προκαλέσ ει ανεπάρκεια της προσ τασ ίας που ονομάζεται «reduction of reach». Το φάσ μα (reach) της σ ύνθετης αντίσ τασ ης του ηλεκτρονόμου αποσ τάσ εως εξαρτάται από την απόσ τασ η μεταξύ της θέσ ης του ηλεκτρονόμου και του σ ημείου σ φάλματος. Συγκεκριμένα, η μέγισ τη απόσ τασ η σ ημαίνει ότι ανιχνεύεται το ελάχισ το ρεύμα σ φάλματος. Οταν η ΔΓ είναι ενταγμένη σ το σ ύσ τημα, ο ηλεκτρονόμος αποσ τάσ εως μπορεί να μην λειτουργήσ ει σ ύμφωνα με τις προκαθορισ μένες ρυθμίσ εις των ζωνών προσ τασ ίας. Οταν εμφανίζεται ένα σ φάλμα μετά το ζυγό σ ύνδεσ ης της γεννήτριας σ το δίκτυο, επειδή ο ηλεκτρονόμος βρίσ κεται σ την αρχή της προσ τατευόμενης γραμμής, θα μετρήσ ει υψηλότερη τιμή σ ε σ χέσ η με την πραγματική τιμή της σ ύνθετης αντίσ τασ ης σ φάλματος. Στο Σχήμα 2.3 παρατηρείται ότι ο ηλεκτρονόμος «βλέπει» I 1 σ αν ρεύμα σ φάλματος ενώ σ τη πραγματικότητα σ υμβάλλει σ ε αυτό και η ΔΓ με ρεύμα Ι 2. Αυτό έχει ως αποτέλεσ μα να επηρεάζει τη βαθμονόμησ η των ηλεκτρονόμων και να προκαλέσ ει καθυσ τερημένη λειτουργία ή μερικές φορές αδυναμία λειτουργίας του ηλεκτρονόμου. Σχ. 2.3: Περίπτωσ η «reduction of reach» του Η/Ν αποσ τάσ εως Αντίσ τροφη ροή ρεύματος Η κύρια πρόκλησ η για την προσ τασ ία του μικροδικτύου πηγάζει από το γεγονός ότι η ισ χύς βραχυκύκλωσ ης μπορεί να ρέει και σ τις δύο κατευθύνσ εις, σ το σ ημείο που σ υνδέεται η διεσ παρμένη παραγωγή, καθισ τώντας ανεπαρκή τα τρέχοντα σ υσ τήματα προσ τασ ίας των δικτύων διανομής, που σ τηρίζονται σ ε μέσ α προσ τασ ίας υπερέντασ ης χωρίς σ τοιχείο κατεύθυνσ ης. Επίσ ης, η ροή ισ χύος αλλάζει κατεύθυνσ η σ την περίπτωσ η όπου η τοπική παραγωγή - από διεσ παρμένη παραγωγή - υπερβαίνει την τοπική κατανάλωσ η. Τέλος, η ροή ισ χύος μπορεί να προκαλέσ ει προβλήματα σ την ποιότητα ισ χύος καθώς και σ τη διακύμανσ η της τάσ ης. [9]

46 46 Κεφάλαιο 2. Δίκτυα Διανομής με Διεσ παρμένη Παραγωγή Mal-trip (sympathetic tripping) και fail to trip (protection blinding) Τα σ υσ τήματα προσ τασ ίας μπορεί να αποτύχουν σ ε δύο διαφορετικές περιπτώσ εις: να αφαιρέσ ουν χωρίς λόγο μία μη-εσ φαλμένη γραμμή (mal-trip ή sympathetic tripping) ή να μην αφαιρέσ ουν μία εσ φαλμένη γραμμή (fail to trip ή protection blinding). Η περίπτωσ η mal-trip ή sympathetic tripping σ υμβαίνει όταν η ΔΠ τροφοδοτεί το σ φάλμα που έχει εμφανισ τεί σ τη δεύτερη γραμμή τροφοδοσ ίας, όπως φαίνεται σ το Σχήμα 2.4a. Το ρεύμα αυτό μπορεί να υπερβαίνει το όριο του ηλεκτρονόμου που επιτηρεί την πρώτη γραμμή τροφοδοσ ίας, ως αποτέλεσ μα να τη θέσ ει σ ε εκτός λειτουργίας χωρίς αυτό να είναι απαραίτητο. Το fail to trip ή protection blinding σ υμβαίνει για σ φάλματα που τυχαίνουν μετά τη ΔΠ, όπως φαίνεται σ το Σχήμα 2.4b. Στην περίπτωσ η αυτή, το ρεύμα σ φάλματος αποτελείται κυρίως από το ρεύμα που προέρχεται από τη μονάδα ΔΠ. Επομένως, το μέγεθος του ρεύματος σ φάλματος που «αντιλαμβάνεται» ο Η/Ν, ο οποίος επιτηρεί την εν λόγω γραμμή τροφοδοσ ία, να είναι μικρό. Αυτό έχει ως αποτέλεσ μα η προσ τασ ία να παραμένει παθητική και να μη γίνεται αποσ ύνδεσ η της γραμμής τροφοδοσ ίας. [12] Feeder 1 Feeder 2 Feeder 1 Feeder 2 DG fault DG fault (a) Mal-trip sympathetic tripping (b) Fail to trip protection blinding Σχ. 2.4: Δύο περιπτώσ εις αποτυχίας των σ υσ τημάτων προσ τασ ίας [12] Μερικές μονάδες της διεσ παρμένης παραγωγής, για παράδειγμα τα φωτοβολταϊκά σ υσ τήματα, εγχύουν μονοφασ ική ισ χύ σ το δίκτυο διανομής. Αυτό επηρεάζει τη σ υμμετρία του τριφασ ικού ρεύματος εξαιτίας της αύξησ ης του μη σ υμμετρικού ρεύματος που εμφανίζεται σ τον ουδέτερο αγωγό. Επιλεκτικότητα Το σ ύσ τημα προσ τασ ίας είναι επιλεκτικό όταν κατά την εμφάνισ η της βλάβης λειτουργήσ ει η πλησ ιέσ τερη σ υσ κευή προσ τασ ίας για να αφαιρέσ ει το εσ φαλμένο τμήμα. Στην περίπτωσ η που η ισ χύς ρέει προς τη μία κατεύθυνσ η μπορεί να ανιχνευτεί χρησ ιμοποιώντας χρονοδιαβαθμισ μένους ηλεκτρονόμους υπερέντασ ης. Ομως, όταν σ το δίκτυο είναι ενσ ωματωμένη η μονάδα ΔΠ η ισ χύς δεν ρέει μόνο προς τη μία κατεύθυνσ η, σ υνεπώς αυτά τα σ υσ τήματα προσ τασ ίας είναι ανεπαρκή.

47 2.3. Θεωρία Νησ ιδοποίησ ης 47 Δηλαδή, υπάρχει πιθανότητα αποσ ύνδεσ ης του υγιούς τμήματος δικτύου χωρίς αυτό να είναι απαραίτητο. Επίσ ης, το ρεύμα ενεργοποίησ ης του σ τοιχείου προσ τασ ίας κυμαίνεται μεταξύ του μεγίσ του ρεύματος φορτίου και του ελαχίσ του ρεύματος σ φάλματος, το οποίο εξαρτάται από την κατάσ τασ η του δικτύου, των διεσ παρμένων πηγών ενέργειας και τον τρόπο λειτουργίας του μικροδικτύου αυτόνομα ή μη. [9] 2.3. JewrÐa NhsvidopoÐhsvhc Ορισ μός Νησ ιδοποίησ ης Ως νησ ιδοποίησ η ορίζεται η κατάσ τασ η κατά την οποία ένα τμήμα του δικτύου, το οποίο περιλαμβάνει τόσ ο φορτίο και παραγωγή όσ ο και αποθήκευσ η, απομονώνεται από το υπόλοιπο δίκτυο αλλά σ υνεχίζει να λειτουργεί τροφοδοτούμενο από τις μονάδες παραγωγής και αποθήκευσ ης που σ υνδέονται σ το τμήμα αυτό. Η νησ ιδοποίησ η μπορεί να γίνεται σ κόπιμα ή όχι. Η δυνατότητα σ κόπιμης νησ ιδοποίησ ης προϋποθέτει την ύπαρξη ελέγχου τάσ ης και σ υχνότητας μέσ α σ τη νησ ίδα προκειμένου να διατηρείται ευσ ταθής η λειτουργία της. Αυτός ο έλεγχος μπορεί να περιλαμβάνει έλεγχο της παραγωγής (μέσ ω ρυθμισ τών τάσ ης και σ υχνότητας), έλεγχο φορτίων (π.χ. απόρριψη μη κρίσ ιμων φορτίων), κατάλληλο έλεγχο πιθανών αποθηκευτικών μέσ ων κ.ά. Ενα σ ύνηθες παράδειγμα της σ κόπιμης νησ ιδοποίησ ης είναι η απομονωμένη λειτουργία ενός Μικροδικτύου. Οσ ον αφορά την μη σ κόπιμη νησ ιδοποίησ η, η επίδρασ η του ισ οζυγίου της ισ χύος παραγωγής κατανάλωσ ης σ αυτήν είναι μεγάλη. Μία μη σ κόπιμη νησ ίδα σ υνήθως έχει μικρή διάρκεια ζωής. Αυτό οφείλεται σ το γεγονός ότι, καθώς η νησ ίδα περιλαμβάνει τυχαία φορτία και παραγωγούς, η παραγωγή της πιθανώς δεν ταυτίζεται με την ζήτησ ή της με αποτέλεσ μα την ανισ ορροπία ισ χύος κατά το σ χηματισ μό της. Η ανισ ορροπία αυτή με τη σ ειρά της σ υνεπάγεται μεγάλες αλλαγές σ το μέτρο και τη σ υχνότητα της τάσ ης εκτός των προκαθορισ μένων ορίων. Αυτό θα οδηγήσ ει σ ε διακοπή της λειτουργίας των σ υμμετεχόντων παραγωγών. Υπάρχει όμως η οριακή περίπτωσ η σ χετικής ισ ορροπίας του ενεργειακού ισ οζυγίου με αποτέλεσ μα τη διατήρησ η της νησ ίδας για μεγάλο χρονικό διάσ τημα. Η μη σ κόπιμη νησ ιδοποίησ η ενδέχεται να σ υμβεί εξαιτίας μιας πληθώρας αιτιών και είναι μη επιθυμητή καθώς σ υνοδεύεται από μια σ ειρά αρνητικών επιπτώσ εων Αιτίες πρόκλησ ης του φαινομένου της νησ ιδοποίησ ης Η μεγαλύτερη πρόκλησ η του σ χεδιασ μού του σ υσ τήματος ηλεκτρικής ενέργειας με σ υμπαραγωγή ήταν η προσ τασ ία αντι-νησ ιδοποίησ ης. Μία άλλη εξίσ ου σ ημαντική λειτουργική απαίτησ η του δικτύου είναι η αποφυγή τυχαίας νησ ιδοποίησ ης οποιασ δήποτε μονάδας ΔΠ με το δίκτυο. Το φαινόμενο της νησ ιδοποίησ ης μπορεί να σ υμβεί: σ αν αποτέλεσ μα ενός σ φάλματος που ναι μεν ανιχνεύει από τον προσ τατευτικό εξοπλισ μό του δικτύου και οδηγεί σ ε απομόνωσ η του τμήματος του δικτύου το οποίο περιέχει το σ φάλμα, εντούτοις δεν ανιχνεύεται από τις μονάδες ΔΠ του τμήματος αυτού

48 48 Κεφάλαιο 2. Δίκτυα Διανομής με Διεσ παρμένη Παραγωγή σ αν αποτέλεσ μα διακοπής της τροφοδότησ ης από το δίκτυο διανομής για λόγους σ υντήρησ ης σ αν αποτέλεσ μα ανθρώπινου λάθους ή κακόβουλων ενεργειών. Ενα παράδειγμα της πρώτης περίπτωσ ης (μη ανίχνευσ η του σ φάλματος από την μονάδα ΔΠ) είναι όταν ένας μονοφασ ικός αντισ τροφέας Φ/Β σ υσ τήματος σ υνδέεται σ ε μια από τις τρεις φάσ εις του δικτύου διανομής. Ο μονοφασ ικός αντισ τροφέας σ υνήθως διαθέτει ένα μονοπολικό μέσ ο προσ τασ ίας, όπως μια μονοπολική ασ φάλεια, ή οποία σ υνεργάζεται επιλεκτικά μ έναν τριπολικό διακόπτη. Οταν σ υμβεί μονοφασ ικό σ φάλμα σ ε μια από τις άλλες δύο φάσ εις του δικτύου διανομής, ο τριπολικός διακόπτης θα διακόψει την τροφοδότησ η από το δίκτυο διανομής έως ότου εκκαθαρισ τεί το σ φάλμα. Ωσ τόσ ο, η ασ φάλεια που προσ τατεύει τον μονοφασ ικό αντισ τροφέα δεν θα διεγερθεί, καθώς δεν υφίσ ταται διαταραχή της τάσ ης σ τη σ υγκεκριμένη φάσ η του τριφασ ικού δικτύου. Αυτό έχει ως αποτέλεσ μα το τμήμα του δικτύου από το διακόπτη κι έπειτα να παραμείνει ενεργοποιημένο από τον μονοφασ ικό αντισ τροφέα. [27] Τα σ υσ τήματα προσ τασ ίας αντι-νησ ιδοποίησ ης επιβάλλουν τις μονάδες ΔΠ να αποσ υνδεθούν αμέσ ως για τα σ φάλματα του δικτύου μέσ ω του σ υσ τήματος προσ τασ ίας «αντι-νησ ιδοποίησ η». Αυτό μειώνει σ ημαντικά τα οφέλη της εφαρμογής των μονάδων αυτών. Για την πρόληψη αποσ ύνδεσ ης των μονάδων ΔΠ κατά τη διάρκεια νησ ιδοποίησ ης, αναπτύσ σ ονται διάφορα σ υσ τήματα προσ τασ ίας αντι-νησ ιδοποίησ ης. Μια μεγάλη πρόκλησ η για τα σ υσ τήματα προσ τασ ίας αντι-νησ ιδοποίησ ης είναι η προσ τασ ία του σ υντονισ μού σ υσ κευών προσ τασ ίας του σ υσ τήματος διανομής με αμφίδρομες ροές ρευμάτων σ φάλματος. Αυτό είναι σ ε αντίθεσ η με την σ υμβατική προσ τασ ία υπερέντασ ης για ακτινικά δίκτυα με μονής κατεύθυνσ ης ροή ρεύματος σ φάλματος. [13] Η προσ τασ ία αντι-νησ ιδοποίησ ης Ο βασ ικός σ τόχος της προσ τασ ίας αντι-νησ ιδοποίησ ης είναι να εντοπίζονται οι περιπτώσ εις που οι μονάδες διεσ παρμένης παραγωγής μένουν σ υνδεδεμένες σ το τμήμα του δικτύου που έχει απομονωθεί από το κύριο σ ύσ τημα. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να παρατηρηθεί έπειτα από διακοπτική λειτουργία του σ υσ τήματος που προκλήθηκε από εκκαθάρισ η σ φάλματος, προγραμματισ μένη ή μη προγραμματισ μένη απόρριψη φορτίου, διακοπές για σ υντήρησ η ή αποτυχία εξοπλισ μού κτλ. Ο σ κοπός της προσ τασ ίας αντι-νησ ιδοποίησ ης είναι να εντοπίσ ει και να αποσ υνδέσ ει τις μονάδες διεσ παρμένης παραγωγής από το δίκτυο μετά από κάθε περισ τατικό απώλειας του τμήματος δικτύου. Οι τυπικές απαιτήσ εις για αυτή την προσ τασ ία είναι οι ακόλουθες: 1. Θα πρέπει οι ηλεκτρονόμοι να ενεργοποιηθούν το ταχύτερο δυνατό μετά την απομόνωσ η της νησ ίδας. 2. Οι μονάδες ΔΠ θα πρέπει να διατηρούν την τάσ η και τη σ υχνότητα του σ υσ τήματος μέσ α σ ε προκαθορισ μένα όρια. 3. Να αποφευχθεί οποιαδήποτε επανάζευξη εκτός σ υγχρονισ μού.

49 There is a microgrid central controller (MCC) and communication system in addition to elements shown in Figure 1. Communication electronics make each CB with an integrated directional OC electronic trip unit (relay) capable of exchanging information with MCC. For example, in Figure 3 CBs are connected to the serial 2.4. Προσ αρμοσ τική προσ τασ ία σ τα Δίκτυα Διανομής με ΔΠ 49 Τα σ υσ τήματα ανίχνευσ ης αντι-νησ ιδοποίησ ης που χρησ ιμοποιούνται σ υνήθως είναι: a. Για DG μικρότερες από 200kVA: Για μικρές DG, η νησ ιδοποίησ η είναι ανιχνεύσ ιμη είτε από έναν ηλεκτρονόμο αντίσ τροφης ισ χύος (reverse power relay), που παρακολουθεί την ροή ισ χύος μέσ α σ το κύκλωμα, είτε μέσ ω ηλεκτρονόμων υπότασ ης και υποσ υχνότητας. Η νησ ιδοποίησ η σ υνήθως προκαλεί σ οβαρή υπερφόρτισ η της μονάδας διεσ παρμένης παραγωγής, προκαλώντας πτώσ η της τάσ ης και της σ υχνότητας. Σε αυτή την περίπτωσ η, οι ηλεκτρονόμοι υπότασ ης και υποσ υχνότητας θα λειτουργήσ ουν και αυτόματα θα αποσ υνδέσ ουν την μονάδα διεσ παρμένης παραγωγής από τα φορτία του δικτύου. b. Για DG μεγαλύτερες από 200kVA: Οι μεγάλες DG σ υνήθως περιέχουν αυτόματο ρυθμισ τή τάσ ης υψηλής ταχύτητας. Επομένως, η παραγωγή τους μπορεί να διατηρήσ ει την τάσ η και τη σ υχνότητα σ το ζυγό του φορτίου εντός των προκαθορισ μένων ορίων. Ετσ ι για κάθε DG απαιτούνται εξειδικευμένοι ηλεκτρονόμοι για την ανίχνευσ η νησ ιδοποίησ ης και τη λειτουργία του Διακόπτη Ισ χύος.[13] 2.4. Prosvarmosvtik prosvtasvða svta DÐktua Dianom c me DP Εισ αγωγή Με τον όρο η προσ αρμοσ τική προσ τασ ία αναφερόμασ τε ως «μία online» δρασ τηριότητα που τροποποιεί κατάλληλα σ τη χρήσ η σ χημάτων προσ τασ ίας που μπορούν να αλλάζουν και να προσ- αρμόζουν τις ρυθμίσ εις των Η/Ν σ ε πραγματικό χρόνο, σ ύμφωνα με την τρέχουσ α κατάσ τασ η λειτουργίας του Δικτύου Διανομής (αλλαγές τοπολογίας, σ ύνδεσ η ΔΠ) [9]. Η εφαρμογή προσ- αρμοσ τικών σ υσ τημάτων προσ τασ ίας απαιτεί χρήσ η ψηφιακών ηλεκτρονόμων και σ ύγχρονων υποδομών επικοινωνίας και αποτελεί μια επιτυχή μέθοδο προσ τασ ίας δικτύων διανομής με ΔΠ. cost-benefit analysis in case of microgrid. Cost will correspond to investment and operating costs over a system lifetime and benefit will correspond to a reduced outage time and opportunity loss. It is not a subject of this study where the focus is on υπολογισ τή a technical σ ένα realization δίκτυο διανομής of an με adaptive ΔΠ παρουσ ιάζεται protection σ το system Σχήμα for 2.5. microgrids. An example of centralized adaptive protection system is shown in Figure 3. Ενα σ ύσ τημα προσ αρμοσ τικής προσ τασ ίας, σ υνήθως, χαρακτηρίζεται από ένα σ χετικά υψηλό επενδυτικό κόσ τος σ ε σ ύγκρισ η με ένα πιο απλό σ υμβατικό σ ύσ τημα προσ τασ ίας βασ ιζόμενο σ ε ασ φάλειες (fuses). Παράδειγμα ενός προσ αρμοσ τικού σ υσ τήματος με χρήσ η ενός κεντρικού Figure 3: Centralized adaptive protection system for microgrid. Σχ. 2.5: Προσ αρμοσ τικό σ ύσ τημα προσ τασ ίας σ το δίκτυο διανομής με ΔΠ [8]

50 50 In case an abnormal situation is Κεφάλαιο detected a 2. tripping Δίκτυαcondition Διανομής is μεchecked Διεσ παρμένη (a measured current in a specific direction is compared with the actual relay setting). If the Παραγωγή Υπάρχει tripping έναςcondition κεντρικόςis ελεγκτής reached a ΔΔ CB is μεopen. ΔΠ «Microgrid The main goal Central of the Controller» adaptive protection system shown in Figure 3 is to maintain settings of each relay with regard to a (MCC) και ένα σ ύσ τημα current επικοινωνίας state of the επιπλέον microgrid. από It τα is effectuated σ τοιχεία που by εμφανίζονται a special module σ το Σχήμα in MCC 2.1. which Τα ηλεκτρονικά σ τοιχεία is responsible που είναι for a υπεύθυνα periodic check για την and επικοινωνία update of relay καθισ τούν settings. κάθε It consists ΔΙ με ενσ ωματωμένο of two ηλεκτρονόμο main υπερέντασ ης components: κατεύθυνσ ης ικανό να ανταλλάσ σ ει πληροφορίες με ένα MCC. Στις επόμενες ενότητες Pre-calculated περιγράφονται information διάφορεςduring υλοποιήσ εις off-line της fault προσ αρμοσ τικής analysis of a given φιλοσ οφίας. microgrid On-line operating block Off-line 3.1 Off-line ανάλυσ η analysis A set of meaningful microgrid configurations as well as feeding-in states of DERs Δημιουργείται (on/off) is ένας created πίνακας for off-line γεγονότων fault analysis (event and table) is called όπου an καταγράφονται event table. Each οι σ ημαντικές record in the event table has a number of elements equal to a number of monitored ρυθμίσ ειςcbs τουin δικτύου the microgrid διανομής (some με ΔΠ elements καθώςmay καιhave οι κατασ τάσ εις higher priority διακοπτών than others, των e.g. διεσ παρμένων the πηγών ενέργειας central CB (on/off) which για connects την off-line LV and ανάλυσ η MV grids) σ φαλμάτων. and is Κάθε binary καταχώρησ η encoded, i.e. σ τον element=1 έχει if έναν a corresponding αριθμό σ τοιχείων CB is ίσ ο closed με το and πλήθος 0 if it is των open επιτηρούμενων (Figure 5). Next, ΔΙ του fault δικτύου πίνακα γεγονότων currents passing through all monitored CBs are estimated by simulating shortcircuits (3-phase, 2-phase, phase-to-ground, etc.) in different locations of the pro- διανομής με ΔΠ (κάποια σ τοιχεία ενδέχεται να έχουν μεγαλύτερη προτεραιότητα σ ε σ χέσ η με άλλα, tected π.χ. microgrid ο κεντρικός at a ΔΙ time πουin σ υνδέει accordance το δίκτυο with IEC ΧΤ με τοduring δίκτυοrepetitive ΜΤ τάσ ης) shortcircuit calculations σ το δυαδικόa σ ύσ τημα, topology or π.χ. a status σ τοιχείο of a = single 1, αν DER ο αντίσ τοιχος is modified ΔΙbetween είναι κλεισ τός και είναι κωδικοποιημένα iterations. As different fault locations for different microgrid states are processed και 0 αν είναι ανοικτός (Σχήμα 2.6). the results (the magnitude and direction of fault current seen by each relay) are saved in a specific data structure. Figure 5: Structure of event table. Σχ. 2.6: Δομή ενός πίνακα γεγονότων [8] Based on these results suitable settings for each directional OC relay and for each particular system state are calculated in such a way that guarantees a selective operation of τα microgrid ρεύματαprotection. σ φάλματοςthese που διέρχονται settings are μέσ α grouped από τους into an ΔΙaction υπολογίζονται table με Στη σ υνέχεια, ανάλυσ ηwhich βραχυκυκλωμάτων has the same (τριφασ ικό, dimension διφασ ικό, as the event μονοφασ ικό, table. In addition κ.ά.) σ ε διαφορετικές to a regulation τοποθεσ ίες of protection settings other actions such as activation of protection function can be του ΔΔ με ΔΠ σ ύμφωνα με το πρότυπο IEC Κατά τη διάρκεια επαναλαμβανομένων done, e.g. a directional interlock can be activated in the islanding situation. The υπολογισ μών event βραχυκυκλώσ εων, and action tables are λαμβάνονται part of the υπόψη configuration όλες οι level πιθανές of the τοπολογίες microgrid του protection σ ύνδεσ ης and control των system μονάδων shown ΔΠ. in Figure Καθώς 6, επεξεργάζονται where: οι τιμές σ φάλματος που έχει δικτύου και τα σ ενάρια υποσ τεί σ ε διαφορετικές External Field τοποθεσ ίες Level represents και κατασ τάσ εις energy του market ΔΔ prices, με ΔΠ, weather τα αποτελέσ ματα forecast, (το μέγεθος και η κατεύθυνσ η heuristic strategy του ρεύματος directives σ φάλματος and other utility που αντιλαμβάνεται information κάθε ηλεκτρονόμος) αποθηκεύονται σ ε μία κατάλληλη δομή δεδομένων (data structure). Με βάσ η αυτά τα αποτελέσ ματα, υπολογίζονται κατάλληλες ρυθμίσ εις για κάθε ηλεκτρονόμο υπερέντασ ης κατεύθυνσ ης και για κάθε σ υγκεκριμένη κατάσ τασ η σ υσ τήματος, έτσ ι ώσ τε να είναι εγγυημένη η επιλεκτική λειτουργία (selective operation) της προσ τασ ίας του ΔΔ με ΔΠ. Αυτές οι ρυθμίσ εις ομαδοποιούνται σ ε ένα πίνακα δράσ ης (action table) που έχει τις ίδιες διασ τάσ εις με τον πίνακα γεγονότων. Επιπλέον, εκτός της παραμετροποίησ ης των ρυθμίσ εων προσ τασ ίας, άλλες ενέργειες όπως η ενεργοποίησ η της λειτουργίας προσ τασ ίας είναι εφικτές. Π.χ. ένα κλείδωμα (interlock) σ ε μία κατεύθυνσ η μπορεί να ενεργοποιηθεί σ ε κατάσ τασ η νησ ιδοποίησ ης. Οι πίνακες γεγονότων και δράσ εων αποτελούν τμήμα της διαμόρφωσ ης της προσ τασ ίας του ΔΔ με ΔΠ και του σ υσ τήματος ελέγχου.

51 2.4. Προσ αρμοσ τική προσ τασ ία σ τα Δίκτυα Διανομής με ΔΠ On-line λειτουργία Κατά τη διάρκεια της On-line λειτουργίας ο κεντρικός ελεγκτής ΔΔ με ΔΠ (MCC) παρακολουθεί την κατάσ τασ η του ΔΔ με ΔΠ ελέγχοντας τις κατασ τάσ εις των επιμέρους ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης κατεύθυνσ ης. Αυτή η διαδικασ ία εκτελείται περιοδικά ή ενεργοποιείται μετά από ένα γεγονός (π.χ. ενεργοποίησ η του ΔΙ, σ υναγερμός προσ τασ ίας, κτλ.) και χρησ ιμοποιεί το σ ύσ τημα επικοινωνίας που φαίνεται σ το Σχήμα 2.5. Η πληροφορίες της κατάσ τασ ης του ΔΔ με ΔΠ που λαμβάνονται από τον MCC χρησ ιμοποιούνται σ τη δημιουργία μίας καταγραφής κατάσ τασ ης (Status record), η οποία έχει παρόμοιες διασ τάσ εις με μία μονή καταχώρησ η σ τον πίνακα γεγονότων. Αυτή η καταγραφή κατάσ τασ ης χρησ ιμοποιείται για να αναγνωρισ τεί μία αντίσ τοιχη καταγραφή σ τον πίνακα γεγονότων. Τέλος, ο αλγόριθμος λαμβάνει τις προϋπολογισ μένες ρυθμίσ εις των ηλεκτρονόμων από τις αντίσ τοιχες καταχωρίσ εις σ τον πίνακα δράσ ης (Action table) και ενημερώνει τις ρυθμίσ εις σ τις σ υσ κευές προσ τασ ίας που βρίσ κονται σ το πεδίο μέσ ω σ υσ τημάτων επικοινωνίας. Το Σχήμα 2.7 παρουσ ιάζει τις φάσ εις του αλγορίθμου προσ αρμοσ τικής προσ τασ ίας. communication system. Figure 7 illustrates phases of the adaptive protection algorithm. Figure Σχ. 7: 2.7: Phases Φάσ εις of on-line αλγορίθμου adaptive κατά protection την on-line algorithm λειτουργία with available [8] look-up tables (the event and action tables). 3.3 Directional interlock Fault detection and selective isolation are very challenging tasks in microgrids dominated by DERs with PE interfaces (Table 1). This subsection presents a solution based on extension of the microgrids adaptive protection system with a directional interlock. για A non-directional τον καθορισ μό interlock τωνis ζωνών a well known technique used in ra Διαδικασ ία dial distribution feeders without DERs [15]. The interlock starts from the end of the feeder towards the supply side and connects an output port of the trip unit to an input port of the trip unit immediately to the Σε άλλες υλοποιήσ εις της προσ αρμοσ τικής φιλοσ οφίας το δίκτυο χωρίζεται σ ε ζώνες οι supply side by means of a simple screened-twisted-pair cable. In the case of fault, οποίες μελετιούνται the CB immediately ανεξάρτητα. to the Μία supply απ αυτές side sends τις υλοποιήσ εις a locking signal περιγράφεται to the hierarchically παρακάτω. Η διαδικασ ία higher CB καθορίζει and, before τις πιθανές intervening, ανεξάρτητες checks ζώνες that a που similar μπορούν locking ναsignal λειτουργήσ ουν has not τόσ ο ως νησ ίδες, been όσ ο reached και ωςby λειτουργία the CB on της the ΔΠ load εγκατεσ τημένη side. This guarantees σ ε μία ζώνη a selective μόνη της. operation Στη σ υνέχεια, of relays even where it is not possible to use a current discrimination. However, in a το σ ύσ τημα presence μιας ζώνης of DERs θα along προσ διορισ τεί the feeder από the τη non-directional θέσ η και τη interlock δυναμικότητα will not της work ΔΠ correctly σ ε αυτή. because Η ιδέα the είναι fault να can ξεκινάει be supplied κάποιος from από both τους sides ζυγούς and all σ τους CBs between οποίους the σ υνδέεται που εγκαθίσ ταται η ΔΠ και fault να προεκτείνει and the most τηνremote κάθε ζώνη DER όσ ο at the η ΔΠ end που of the βρίσ κεται feeder μέσ α will be σ εunnecessarily αυτή είναι ικανή να tripped which makes difficult to detect the fault location παρέχει το φορτίο αιχμής της ζώνης αυτής. Οταν το φορτίο αιχμής της ζώνης ξεπεράσ ει την ικανότητα An της evolution ΔΠ, η εν of λόγω this pre-cabled ζώνη έχει system τελειώσ ει, could και be ένας an adaptive Διακόπτης directional Αυτόματης interlock Επαναφοράς in order to avoid a non-selective operation of relays in the microgrid. The interlock - ΔΑΕ (recloser) direction is πρέπει changed να τοποθετηθεί by reassignment σ τηνoutput αρχή και and σ το input τέλος ports της of ζώνης corresponding μόνο εάνre- lays. The interlock με άλλεςdirection ζώνες. is changed on-fly (in less than 50 ms) depending on a αυτά τα σ ημεία σ υνδέονται Το Σχήμα direction 2.8of απεικονίζει the fault current ένα σ ύσ τημα with regard που χωρίζεται to a direction σ ε πέντε of the ζώνες interlock χρησ ιμοποιώντας (towards την supply side, i.e. main MV grid) before the fault (Figure 8). προηγούμενη διαδικασ ία. Κάθε ζώνη αποτελεί μια ομάδα από ζυγούς του σ υσ τήματος. Επίσ ης, η ζώνη 1 The τροφοδοτείται reassignment από of ports τον υποσ ταθμό is based on ΥΤ/ΜΤ. the following Δεν rules: υπάρχουν ΔΠ σ τις ζώνες 1 και 3. if The fault current direction is opposite to the present interlock direction then Keep present port assignment and if Relay sends locking signal to the present interlock direction The fault current direction is similar to the present interlock direction

52 if such points are connected to other zones. ensure that the system is operating corr information of the system and send some Fig. 1 illustrates a system divided in five zones using the to the reclosers. previous procedure. Each zone represents a group of nodes of the system. Note also, that zone 1 is supplied by the HV/MV 52 substation. There is not Κεφάλαιο DG at zones 2. Δίκτυα 1 and 3. Διανομής με Διεσ παρμένη Παραγωγή Figure 1. Radial distribution system divided into zones according to their DG capacity. Figure 3. Decentralized architecture with a superv recloser units. Σχ. 2.8: Σύσ τημα διανομής που χωρίζεται σ ε ζώνες σ ύμφωνα με την ικανότητα της ΔΠ [15] ve devices that modify its adjustment C. Procedure of Fault Management ased on the operating conditions and B. Protection Scheme The expected adaptive philosophy beh Σκοπός του σ υγκεκριμένου So far, it s clear σ χήματος that the είναι aim of ναthis σ υντονίζει protection procedure και να ελέγχει is can be κατάλληλα briefly described τις in three stages, a ition of Zones to appropriately coordinate and control the recloser units that These three stages represent the adaptive μονάδες ΔΑΕ που χωρίζουν κάθε ζώνη. Οι ΔΑΕ μεταξύ των ζωνών θα πρέπει divide each zone, taking advantage of DG to improve the required να επικοινωνούν s possible independent zones that can to increase the reliability of radial ction of the DG installed και να in ανταποκρίνονται the zone reliability κατάλληλα of the system. σ ε κάθε σ φάλμα και να προσ αρμόζονται σ ε οποιαδήποτε cheme would be αλλαγή determined τηςby τοπολογίας the Reclosers του σ υσ τήματος. between zones will have to respond DG installed in the zone. The idea is appropriately Figure 2. Block to diagram any fault of a smart and adapt recloser, themselves with required to any module change for and extends each zone Επιπλέον, downstream η ιδέα του σ υσ τήματος είναι the proposed επίσ ης scheme. να αυξηθεί η αξιοπισ τία. Ετσ ι, προτείνεται μια in the topology of the system, so each recloser must be able to n it is capable of αποκεντρωμένη supplying the peak αρχιτεκτονική, communicate όπου with όλες others οι μονάδες and reconfigure ΔΑΕ αλληλεπιδρούν its adjust μεταξύ τους και με the peak load of the zone exceeds DG In this architecture, all the recloser units interact with each άλλες σ υσ κευές κατάparameters. ανεξάρτητο So, τρόπο automatic (Σχήμα reclosers 2.9). will Το have κέντρο to be equipped one is reached, and a recloser must be other and with other devices in an independent way, ελέγχου so the είναι τοποθετημένο with a bunch of new features. Fig. 2 shows the block diagram nd in the end points σ τον of the υποσ ταθμό zone only ΥΤ/ΜΤ, supervisory of a smart όπου center, recloser σ υγκεντρώνει placed at the HV/MV with all the modules πληροφορίες substation, that would για will be το required σ ύσ τημα just και αποσ τέλλει ted to other zones. ensure that the system is operating correctly, gather some σ ήματα πληροφορίαςinformation to και meet ελέγχου the requirements of the σ τους system ΔΑΕ of and the [15]. send proposed some scheme. information signals stem divided in five zones using the to the Furthermore, reclosers. the idea of the system is also to increase zone represents a group of nodes of reliability. Thus, it is proposed a decentralized architecture, at zone 1 is supplied by the HV/MV where all recloser units interact with each other and with other G at zones 1 and 3. devices in an independent way (Fig. 3). Figure 4. General procedure of the system wh When the system is operating in norm recloser units are monitoring to detect a f DG operation. If a change in DG is detecte system divided into zones according to their DG capacity. he aim of this protection procedure is te and control the recloser units that g advantage of DG to improve the Figure 3. Decentralized architecture with a supervisory center for three recloser units. Σχ. 2.9: Αποκεντρωμένη αρχιτεκτονική με ένα κέντρο ελέγχου και τρεις μονάδες ΔΑΕ [15] C. Procedure of Fault Management The expected adaptive philosophy behavior of the system can be briefly described in three stages, as shown in Fig. 4. These three stages represent the adaptive philosophy that is required to increase the reliability of radial systems with DG. zones will have to respond t and adapt themselves to any change tem, so each recloser must be able to hers and reconfigure its adjust c reclosers will have to be equipped ures. Fig. 2 shows the block diagram ll the modules that would be required of the proposed scheme. a of the system is also to increase roposed a decentralized architecture, teract with each other and with other t way (Fig. 3). Figure 4. General procedure of the system when a fault occurs.

53 Kefˆlaio 3 SunergasvÐa twn hlektronìmwn uperèntasvhc 3.1. H/N uperèntasvhc Οι Η/Ν υπερέντασ ης είναι ένα είδος προσ τασ ίας το οποίο λειτουργεί όταν το ρεύμα φόρτισ ης υπερβεί μία προκαθορισ μένη τιμή. Εχει μία είσ οδο σ ε μορφή εναλλασ σ όμενου ρεύματος. Η έξοδος του ηλεκτρονόμου, σ ε κανονική κατάσ τασ η, είναι ανοιχτή επαφή και μπορεί να αλλάζει σ ε κλεισ τή επαφή όταν ο ηλεκτρονόμος ενεργοποιείται (trips). Διαθέτει δύο ρυθμίσ εις, οι οποίες είναι γνωσ τές σ υνήθως ως ρύθμισ η χρόνου (time setting) και ρύθμισ η ρεύματος (plug setting). Η λειτουργία της ρύθμισ ης χρόνου είναι να καθορίσ ει τον χρόνο λειτουργίας (ενεργοποίησ ης) του ηλεκτρονόμου, ενώ το ρεύμα ρύθμισ ης καθορίζει το ρεύμα κατωφλιού του ηλεκτρονόμου. Ο Η/Ν υπερέντασ ης χρησ ιμοποιείται ευρέως σ ε πολλές εφαρμογές προσ τασ ίας σ ε όλα τα σ υσ τήματα ισ χύος. Οταν εμφανισ τεί ένα σ φάλμα, μεγάλη ποσ ότητα ρεύματος διέρχεται μέσ α από το κύκλωμα με αποτέλεσ μα να υπάρχει κίνδυνος κατασ τροφών σ υσ τήματος εξοπλισ μού. Επομένως, ο Η/Ν υπερέντασ ης αναλαμβάνει να απομονώσ ει την εσ φαλμένη περιοχή το σ υντομότερο δυνατό. Ο ηλεκτρονόμος υπερέντασ ης τροφοδοτείται από ένα μετασ χηματισ τή έντασ ης και βαθμονομείται για να λειτουργεί σ ε σ υγκεκριμένο επίπεδο ρεύματος. Σε περίπτωσ η λειτουργίας του, μία ή περισ σ ότερες επαφές θα κλείσ ουν και θα ενεργοποιήσ ουν ένα πηνίο μανδάλωσ ης που επιτηρεί, ο οποίος σ τη σ υνέχεια θα ανοίξει τον ΔΙ. Στο Σχήμα 3.1 απεικονίζεται η λειτουργία της προσ τασ ίας υπερέντασ ης σ τα δίκτυα διανομής με το ρεύμα ρύθμισ ης και τον χρόνο σ υνεργασ ίας [16]. Σχ. 3.1: Απεικόνισ η λειτουργίας προσ τασ ιών σ τα δίκτυα διανομής [16]

54 54 Κεφάλαιο 3. Συνεργασ ία των ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης 3.2. Prìblhma SunergasvÐac Η προσ τασ ία υπερέντασ ης θα μπορούσ ε να χρησ ιμοποιηθεί ως βασ ική προσ τασ ία των δικτύων διανομής ή μεταφοράς. Η προσ τασ ία υπερέντασ ης κατεύθυνσ ης είναι απαραίτητη για δίκτυα που εμπεριέχουν βρόχους ή πολλαπλές πηγές τροφοδότησ ης ώσ τε να περιορίσ ει την ευαισ θησ ία του ηλεκτρονόμου για σ φάλματα σ ε μία μόνο κατεύθυνσ η. Ο σ κοπός του προβλήματος σ υνεργασ ίας (coordination) είναι να βρεθούν βέλτισ τες τιμές για τη σ ταθερά χρόνου (Time Dial Setting - TDS) και το ρεύμα ρύθμισ ης (Pickup Current) των ηλεκτρονόμων καθώς αυτές υπόκεινται σ ε ορισ μένους περιορισ μούς. Οι περιορισ μοί αυτοί κυμαίνονται από τα χαρακτηρισ τικά του ηλεκτρονόμου μέχρι τις τοπολογικές αλλαγές του δικτύου. Γενικά, το πρόβλημα σ υνεργασ ίας είναι ένα πρόβλημα μη γραμμικού προγραμματισ μού το οποίο θα μπορούσ ε να λυθεί από γνωσ τές μαθηματικές ή εξελικτικές τεχνικές Perigraf tou probl matoc svunergasvðac Το πρόβλημα σ υνεργασ ίας θα μπορούσ ε να διατυπωθεί ως ένα γραμμικό ή μη γραμμικό πρόβλημα. Στο γραμμικό μοντέλο, μόνο η χρονική σ ταθερά βελτισ τοποιείται ενώ το ρεύμα ρύθμισ ης είναι καθορισ μένο και λαμβάνει τιμή ανάμεσ α σ το μέγισ το ρεύμα φόρτισ ης και το ελάχισ το ρεύμα σ φάλματος. Ωσ τόσ ο, κατά την προσ έγγισ η μη γραμμικού προγραμματισ μού, με βάσ η τα χαρακτηρισ τικά του ηλεκτρονόμου, η σ ταθερά χρόνου και το ρεύμα ρύθμισ ης βελτισ τοποιούνται ταυτόχρονα. Λόγω της αβεβαιότητας του φορτίου και τις τοπολογικές αλλαγές του δικτύου, οι ρυθμίσ εις που προκύπτουν δεν είναι βέλτισ τες σ ε όλα τα πιθανά σ ενάρια. Επομένως, το πρόβλημα σ υνεργασ ίας θα πρέπει να τροποποιηθεί έτσ ι ώσ τε να λαμβάνει υπ όψιν όλα τα πιθανά σ ενάρια. Το ρεύμα ρύθμισ ης του ηλεκτρονόμου παραμένει σ το διάσ τημα ανάμεσ α σ τη μέγισ τη και σ την ελάχισ τη τιμή όλων των ρευμάτων βραχυκύκλωσ ης που μπορούν να παρατηρηθούν σ το τμήμα της γραμμής που επιβλέπει. Το ρεύμα ρύθμισ ης θα πρέπει να είναι πάνω από το μεγαλύτερο δυνατό ρεύμα φόρτισ ης και κάτω από το ελάχισ το ρεύμα βραχυκύκλωσ ης, με ένα περιθώριο ασ φάλειας (security margin). Κάθε ηλεκτρονόμος έχει δύο ζώνες προσ τασ ίας, πρωτεύουσ α (primary) και εφεδρική (backup). Η ρύθμισ η, επίσ ης, θα πρέπει να παρέχει εφεδρική προσ τασ ία σ ε γειτονικές γραμμές μεταφοράς ισ χύος (neighbor feeders). Ο σ κοπός της σ ταθεράς χρόνου είναι να επιτρέψει σ τους ηλεκτρονόμους τη μεταξύ τους σ υνεργασ ία. Παρέχοντας ένα σ ύνολο καμπυλών, δύο ή περισ σ ότεροι ηλεκτρονόμοι, εντοπίζοντας το ίδιο σ φάλμα, μπορούν να λειτουργήσ ουν σ ε διαφορετικούς χρόνους. Για το λόγο αυτό, ο κύριος σ τόχος του προβλήματος σ υνεργασ ίας είναι να βρεθούν βέλτισ τες τιμές σ ταθεράς χρόνου και ρεύματος ρύθμισ ης, με έναν ελάχισ το χρόνο λειτουργίας των ηλεκτρονόμων της πρωτεύουσ ας ζώνης προσ τασ ίας και σ ε σ υνδυασ μό με τοπολογικές και προσ ωρινές αλλαγές των παραμέτρων του δικτύου. Επομένως, υπάρχει μία εμφανής ανάγκη βελτίωσ ης του προβλήματος σ υνεργασ ίας υπερέντασ ης, με σ τόχο την εύρεσ η βέλτισ των ρυθμίσ εων σ ε σ χέσ η με τις τοπολογικές ή λειτουργικές αλλαγές σ ε πραγματικά σ υσ τήματα ισ χύος.

55 3.4. Διατύπωσ η του προβλήματος σ υνεργασ ίας DiatÔpwsvh tou probl matoc svunergasvðac Η σ υνεργασ ία των ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης κατεύθυνσ ης σ ε ένα σ ύσ τημα με πολλαπλούς βρόχους διατυπώνεται ως ένα πρόβλημα βελτισ τοποίησ ης. Το πρόβλημα σ υνεργασ ίας, που σ υμπεριλαμβάνει την αντικειμενική σ υνάρτησ η και τους περιορισ μούς, θα πρέπει να πληροί και τις τρεις παρακάτω απαιτήσ εις: 1. Ο σ υνολικός χρόνος λειτουργίας των ηλεκτρονόμων πρωτεύουσ ας προσ τασ ίας θα πρέπει να ελαχισ τοποιηθεί διατηρώντας τη σ υνεργασ ία μεταξύ όλων των ηλεκτρονόμων. 2. Το ρεύμα ρύθμισ ης και η σ ταθερά χρόνου θα πρέπει να παραμένουν αμετάβλητα σ ε σ χέσ η με όλα τα δυνατά τοπολογικά και λειτουργικά σ ενάρια. 3. Η τεχνική βελτισ τοποίησ ης θα πρέπει να είναι ικανή να βρει τις όσ ο το δυνατό ολικά βέλτισ τες ρυθμίσ εις Αντικειμενική σ υνάρτησ η (objective function) Σκοπός του προβλήματος σ υνεργασ ίας είναι να ελαχισ τοποιηθεί το σ υνολικό άθροισ μα με σ υντελεσ τές βαρύτητας των χρόνων λειτουργίας των ηλεκτρονόμων πρωτεύουσ ας προσ τασ ίας. Στη Σχέσ η 3.1 παρουσ ιάζεται η μαθηματική μορφή της αντικειμενικής σ υνάρτησ ης. min z = I pu,i,t DS i m T ik (3.1) i=1 όπου οι μεταβλητές I pu,i και T DS i παρισ τάνουν το ρεύμα ρύθμισ ης και τη σ ταθερά χρόνου του ηλεκτρονόμου i αντίσ τοιχα. Ο χρόνος λειτουργίας του ηλεκτρονόμου i σ τη θέσ η k (π.χ.:t ik ) ορίζεται από τη Σχέσ η 3.2. T ik = f i (I pu,i, I ik ) T DS i (3.2) όπου το I ik είναι το ρεύμα βραχυκύκλωσ ης που βλέπει ο ηλεκτρονόμος i για σ φάλμα σ τη θέσ η k. Οι χαρακτηρισ τικές που επιλέχθηκαν ανήκουν σ τις οικογένειες καμπυλών IEC/IEEE και ορίζονται σ ύμφωνα με τη Σχέσ η 3.3. K T ik = T DS i I ik I pu,i a + L (3.3) 1 Οπου το K και το a είναι σ ταθερές παράμετροι. Για καμπύλες IEC, η μεταβλητή L ισ ούται με μηδέν [17]. Επίσ ης, να σ ημιεωθεί πως το T ik (ή το T ii όπως φαίνεται σ το Σχήμα 3.2) είναι ο χρόνος λειτουργίας του ηλεκτρονόμου R i πρωτεύσ ας προσ τασ ίας για ένα σ φάλμα αμέσ ως μετα τον ηλεκτρονόμο αυτό (close-in ή Near-end fault), όπως φαίνεται σ το Σχήμα 3.2 [29].

56 minimized can be expressed as: J = n i=1 T ii where: T ii is the operating time of the primary relay R i for a close-in fault i, 56 Κεφάλαιο 3. Συνεργασ ία των ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης (2) R j R i Near-end fault Far-end fault T ji T ii Σχ. 3.2: Fig. Χρόνοι (1) An λειτουργίας illustrative diagram και σ φάλματα for basic definitions Περιορισ μοί (Constraints) Το πρόβλημα σ υνεργασ ίας έχει δύο τύπους περιορισ μών, σ υμπεριλαμβανομένου τους περιορισ μούς από τις χαρακτηρισ τικές του ηλεκτρονόμου και τους περιορισ μούς σ υνεργασ ίας. Οι περιορισ μοί ηλεκτρονόμου περιλαμβάνουν τα όρια του χρόνου λειτουργίας του ηλεκτρονόμου και των ρυθμίσ εων. Οι περιορισ μοί σ υνεργασ ίας σ χετίζονται με τη σ υνεργασ ία των πρωτευόντων και εφεδρικών ηλεκτρονόμων. 1) Περιορισ μός του χρόνου λειτουργίας του ηλεκτρονόμου: ο χρόνος λειτουργίας ενός ηλεκτρονόμου είναι μία σ υνάρτησ η του ρεύματος ρύθμισ ης και του ρεύματος σ φάλματος που βλέπει ο ηλεκτρονόμος. Με βάσ η το είδος του ρελέ, ο χρόνος λειτουργίας καθορίζεται μέσ ω τυποποιημένων καμπυλών αντίσ τροφου χρόνου ή αναλυτικής σ υνάρτησ ης. Το εύρος του χρόνου λειτουργίας εκφράζεται από τη Σχέσ η 3.4. όπου Tik min i σ τη θέσ η k. και T max ik T min ik T ik T max ik, i = 1,..., m. (3.4) είναι οι ελάχισ τοι και οι μέγισ τοι χρόνοι λειτουργίας του ηλεκτρονόμου 2) Περιορισ μοί ρυθμίσ εων χρόνου και ρεύματος: τα όρια των T DS και I pu εκφράζονται από τις Σχέσ εις 3.5 και 3.6 αντίσ τοιχα. T DS min i T DS i T DS max i, i = 1,..., m. (3.5) I min pu,i I pu,i I max pu,i, i = 1,..., m. (3.6) Το ρεύμα ρύθμισ ης θα πρέπει να είναι μεγαλύτερο από το μέγισ το πιθανό ρεύμα φόρτισ ης και μικρότερο από το ελάχισ το ρεύμα σ φάλματος με ένα λογικό περιθώριο ασ φαλείας. 3) Περιορισ μοί σ υνεργασ ίας: ο χρόνος λειτουργίας του εφεδρικού ηλεκτρονόμου θα πρέπει να επιλεχθεί κατάλληλα ώσ τε να είναι μεγαλύτερος από τον χρόνο λειτουργίας του αντίσ τοιχου ηλεκτρονόμου πρωτεύουσ ας προσ τασ ίας. Αυτό το χρονικό διάσ τημα ονομάζεται Χρονικό Διάσ τημα Συνεργασ ίας (Coordination Time Interval CTI) και προσ τίθεται σ τον χρόνο λειτουργίας των πρώτων εφεδρικών ηλεκτρονόμων [17]. Αυτό τo χρονικό διάσ τημα σ υνεργασ ίας καθορίζεται με βάσ η τη Σχέσ η 3.7. όπου: CT I = breaker time + overtravel time + security margin (3.7)

57 3.4. Διατύπωσ η του προβλήματος σ υνεργασ ίας 57 CT I breaker time overtravel time security margin το χρονικό Διάσ τημα Συνεργασ ίας ο χρόνος λειτουργίας του διακόπτη ισ χύος ο χρόνος μετάδοσ ης του σ ήματος από τον ηλεκτρονόμο σ τον διακόπτη ισ χύος ο σ υντελεσ τής ασ φαλείας που εξαρτάται από την ακρίβεια του ηλεκτρονόμου και τη διακύμανσ η των χρόνων λειτουργίας των διακοπτών ισ χύος [21]. Για ένα δεδομένο σ φάλμα σ τη θέσ η k ο περιορισ μός σ υνεργασ ίας μπορεί να περιγράφεται από τη Σχέσ η 3.8, όπου ο Η/Ν j είναι εφεδρικός του Η/Ν i. T jk T ik + CT I, i = 1,..., m. (3.8) Οι τιμές του CT I μεταβάλλονται από 0, 2 έως 0, 3 sec. 4) Τοπολογικές αλλαγές: Εξετάζοντας όλα τα πιθανά σ ενάρια τοπολογικών αλλαγών του δικτύου, η βέλτισ τη ρύθμισ η είναι η ρύθμισ η που παρέχει τον ελάχισ το σ υνολικό χρόνο λειτουργίας για όλες τις πιθανές διαμορφώσ εις [17]. Στο Σχήμα 3.3 παρουσ ιάζεται ο χρόνος λειτουργίας του ηλεκτρονόμου αντίσ τροφου χρόνου ως σ υνάρτησ η της απόσ τασ ης από το σ φάλμα. Σημειώνεται ότι κάθε καμπύλη αρχίζει σ τη θέσ η του ηλεκτρονόμου και εκτείνεται πέρα από το τέλος της προκείμενης γραμμής. Αυτό σ ημαίνει ότι το σ τοιχείο υπερέντασ ης παρέχει πρωτεύουσ α προσ τασ ία σ την προσ τατευόμενη γραμμή και εφεδρική προσ τασ ία σ την προκείμενη γραμμή. Σχ. 3.3: χρόνος λειτουργίας Η/Ν ως σ υνάρτησ η της απόσ τασ ης από το σ φάλμα [23] Παρατηρείται ότι ο χρόνος λειτουργίας του ηλεκτρονόμου υπερέντασ ης αντίσ τροφου χρόνου αυξάνεται όταν το ρεύμα σ φάλματος μειώνεται, ή ισ οδύναμα, όταν αυξάνει η απόσ τασ η από το σ φάλμα [23].

58 58 Κεφάλαιο 3. Συνεργασ ία των ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης 3.5. Trìpoi rôjmisvhc hlektronìmwn uperèntasvhc Παραδοσ ιακές μέθοδοι τεχνικών βελτισ τοποίησ ης Αρκετές μέθοδοι έχουν προταθεί τις τελευταίες δεκαετίες (από το 1960) για σ υνεργασ ία των ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης. Αυτές οι μέθοδοι μπορούν να ταξινομηθούν σ ε τρεις κατηγορίες: δοκιμής και λάθους (trial and error), τοπολογικής ανάλυσ ης (Τopological Analysis) και μεθόδου βελτισ τοποίησ ης (Optimization Method). Η προσ έγγισ η της μεθόδου δοκιμής και λάθους χρησ ιμοποιήθηκε αλλά έχει βραδύ ρυθμό σ ύγκλισ ης, ως αποτέλεσ μα του μεγάλου αριθμού επαναλήψεων που χρειάζεται να γίνουν ώσ τε να επιτευχθεί μια κατάλληλη ρύθμισ η ηλεκτρονόμων. Για να ελαχισ τοποιηθεί ο αριθμός των επαναλήψεων που απαιτούνται για τη διαδικασ ία σ υνεργασ ίας, προτείνεται μία τεχνική η οποία διακόπτει όλους τους βρόχους του σ υσ τήματος σ ε σ ημεία διακοπής (breakpoints) και εντοπίζει τους ηλεκτρονόμους από τους οποίους πρέπει να ξεκινήσ ει η διαδικασ ία ρύθμισ ης. Η εύρεσ η των σ ημείων διακοπής είναι το σ ημαντικό μέρος για να ξεκινήσ ει η διαδικασ ία σ υνεργασ ίας. Οι τοπολογικές μέθοδοι, οι οποίες περιλαμβάνουν τη σ υναρτησ ιακή μέθοδο (functional) και θεωρία γραφημάτων (Graph theory) χρησ ιμοποιούνται για τον προσ διορισ μό των σ ημείων διακοπής. Στη σ υναρτησ ιακή μέθοδο, οι περιορισ μοί σ χετικά με τις ρυθμίσ εις των ηλεκτρονόμων διατυπώνονται από ένα σ ύνολο εξαρτημένων εξισ ώσ εων. Άλλη τοπολογική ανάλυσ η είναι η γραμμική θεωρία γραφημάτων, η οποία έχει επεκταθεί για να αναλύσ ει όλους τους απλούς βρόχους του δικτύου και σ τις δύο κατευθύνσ εις λαμβάνοντας υπόψη το ελάχισ το σ ύνολο των σ ημείων διακοπής και τα ζεύγη ηλεκτρονόμων, πρωτεύον και εφεδρικό. Η λύσ η που βρέθηκε με τη μέθοδο αυτή είναι καλύτερη αλλά δεν είναι βέλτισ τη, με την αυσ τηρή έννοια του όρου. Αυτό σ ημαίνει ότι, οι σ ταθερές χρόνου είναι υψηλές. Επομένως, λόγω της πολυπλοκότητας του σ υσ τήματος η προσ έγγισ η δοκιμής και λάθους και η τοπολογική ανάλυσ η είναι χρονοβόρες και μη βέλτισ τες. Το Σχήμα 3.4 δείχνει την κατηγοριοποίησ η των κλασ ικών μεθόδων που χρησ ιμοποιείται για τη βέλτισ τη ρύθμισ η ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης. Σχ. 3.4: Συμβατικές μέθοδοι για εύρεσ η βελτίσ του Στις περιπτώσ εις όπου το δίκτυο διανομής έχει σ υνδεδεμένες περισ σ ότερες από μία πηγές, οι ηλεκτρονόμοι υπερέντασ ης κατεύθυνσ ης (Directional Overcurrent Relay) αποδεικνύονται να είναι η καλύτερη λύσ η. Η ρύθμισ η τους πλέον επιτυγχάνεται με χρήσ η τεχνικών βελτισ τοποίησ ης. Οι ηλεκτρονόμοι υπερέντασ ης κατεύθυνσ ης χωρίζονται σ ε τρεις κατηγορίες: 1. Τεχνική καμπύλης (curve fitting technique) 2. Θεωρητική Τεχνική γραφήματος (graph theoretical technique)

59 3.5. Τρόποι ρύθμισ ης ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης Τεχνική βελτισ τοποίησ ης (optimization technique) 1. Οι τεχνικές καμπύλης χρησ ιμοποιούνται για να καθορίσ ουν την καλύτερη σ υνάρτησ η για την αναπαράσ τασ η των δεδομένων. Οι χαρακτηρισ τικές των ηλεκτρονόμων μοντελοποιούνται μαθηματικά με την πολυωνυμική μορφή χρησ ιμοποιώντας τεχνικές καμπύλης. 2. Η θεωρητική τεχνική γραφήματος χρησ ιμοποιείται για την ανάλυσ η των πληροφοριών σ χετικά με το ελάχισ το σ ύνολο των σ ημείων διακοπής, την ακολουθία για τη ρύθμισ η του ηλεκτρονόμου και όλων των πρωτευόντων και εφεδρικών ηλεκτρονόμων και την κατευθυντικότητα της γραμμής για ηλεκτρονόμους κατεύθυνσ ης. 3. Οι τεχνικές βελτισ τοποιήσ εις γενικά υπερβαίνουν την σ υμβατική προσ έγγισ η όπου οι ηλεκτρονόμοι τοποθετούνταν σ ε μια σ ειρά πριν εξετασ τούν για σ υνεργασ ία και λόγω των πλεονεκτημάτων τους, έγιναν δημοφιλείς για τους ερευνητές. Επίσ ης, οι τεχνικές βελτισ τοποίησ ης εξαλείφουν την ανάγκη να βρεθεί το σ ύνολο των σ ημείων διακοπής (set of breakpoints). Εχει επικρατήσ ει η χρήσ η αλγορίθμου μη γραμμικού προγραμματισ μού για την επίλυσ η του προβλήματος σ υνεργασ ίας, όμως αυτές οι μέθοδοι είναι πολύπλοκες και χρονοβόρες. Αυτό οφείλεται σ τη προσ έγγισ η του προβλήματος με μη γραμμικό προγραμματισ μό, η οποία βασ ιζόμενη σ τη χαρακτηρισ τική του ηλεκτρονόμου, βελτισ τοποιεί ταυτόχρονα το T DS και το I pu. Το πρόβλημα σ υνεργασ ίας των ηλεκτρονόμων διατυπώνεται ως πρόβλημα μικτού ακέραιου μη γραμμικού προγραμματισ μού (MINLP) και μπορεί να λυθεί με ειδικά λογισ μικά όπως το GAMS (General Algebraic Modeling System). Ωσ τόσ ο, η χρήσ η των δυαδικών μεταβλητών, για να ληφθούν υπόψη τα διακριτά ρεύματα ρύθμισ ης, αυξάνει τη πολυπλοκότητα του προβλήματος σ υνεργασ ίας. Λόγω της πολυπλοκότητας αυτής της τεχνικής, η σ υνεργασ ία των ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης σ υνήθως εκτελείται από τεχνικές γραμμικού προγραμματισ μού (LP) όπως Simplex, δυϊκό (dual) Simplex και μέθοδοι διφασ ικής (two-phase) Simplex. Το μειονέκτημα αυτών των τεχνικών είναι ότι βασ ίζονται σ ε μια αρχική υπόθεσ η και μπορεί να παγιδευτούν σ το τοπικό ελάχισ το. Σε αυτές τις μεθόδους, το ρεύμα ρύθμισ ης θεωρείται γνωσ τό και ο χρόνος λειτουργίας του κάθε ηλεκτρονόμου θεωρείται γραμμική σ υνάρτησ η του T DS. Γενικά, οι τεχνικές ΓΠ είναι απλές και εύκολα σ υγκλίνουν σ ε βέλτισ τες λύσ εις, όμως μόνο οι τιμές των T DS μπορούν να βελτισ τοποιηθούν, ενώ τα P ick up ρεύματα πρέπει να επιλέγονται εμπειρικά από τα δεδομένα σ φαλμάτων και φορτίου. Σε γενικές γραμμές, δεν είναι αυτή η καθολικά βέλτισ τη απάντησ η ή λύσ η του προβλήματος. Ως εκ τούτου, η χρήσ η αυτών των τεχνικών ΓΠ έχει όρια, όσ ον αφορά τον αριθμό των περιορισ μών Τεχνητή νοημοσ ύνη και αλγόριθμος εμπνευσ μένος από φύσ η Σήμερα, οι μέθοδοι βελτισ τοποίησ ης που βασ ίζονται σ την Τεχνητή Νοημοσ ύνη (Artificial Intelligence) και σ ε Αλγορίθμους Εμπνευσ μένους από τη Φύσ η (Nature Inspire Algorithms) εφαρμόζονται για την επίλυσ η του προβλήματος σ υνεργασ ίας, και των ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης, αλλά και των ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης κατεύθυνσ ης. Διάφορες κατηγορίες της Υπολογισ τικής Νοημοσ ύνης (Computational Intelligence), με διαφορετικές τεχνικές, κατηγοριοποιούνται σ το Σχήμα 3.5.

60 60 Κεφάλαιο 3. Συνεργασ ία των ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης Σχ. 3.5: Κατηγορίες υπολογισ τικής νοημοσ ύνης με διαφορετικές τεχνικές [16] Μερικές από τις μεθόδους τεχνητής νοημοσ ύνης, όπως η ασ αφής λογική (fuzzy logic) και οι εμπειρικοί κανόνες σ υσ τήματος (expert system rules) έχουν επίσ ης εφαρμοσ τεί για να λύσ ουν τέτοιου είδους προβλήματα. Με τεχνικές τεχνητής νοημοσ ύνης, εφόσ ον χρησ ιμοποιείται γραμμική σ χέσ η, μόνο το T DS μπορεί να βελτισ τοποιηθεί, αλλά η βελτισ τοποίησ η και των δύο ρυθμίσ εων του ηλεκτρονόμου απαιτεί μη γραμμική διατύπωσ η του προβλήματος σ υνεργασ ίας. Στο Σχήμα 3.6 δίνεται μία σ αφής εικόνα σ χετικά με τον τρόπο λειτουργίας της διαδικασ ίας Εξυπνος Ελεγχος και Παρακολούθησ η (Intelligent Control & Monitoring), η οποία ενεργεί ως ένας «εγκέφαλος» με διαφορετικές μεθόδους Υπολογισ τικής Νοημοσ ύνης για να καθορίσ ει βέλτισ τα αποτελέσ ματα για ηλεκτρονόμους υπερέντασ ης. Σχ. 3.6: Εξυπνος έλεγχος και παρακολούθησ η [16] Διάφορες μέθοδοι που είχαν προταθεί σ ε παλιότερες αναφορές σ ε ηλεκτρονόμους υπερέντασ ης σ υνοψίζονται σ το Σχήμα 3.7.

61 3.5. Τρόποι ρύθμισ ης ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης 61 Σχ. 3.7: Διάφορες μέθοδοι για coordination Η/Ν υπερέντασ ης [16] Πρόσ φατα, διάφορες χώρες που εκπροσ ωπούνται από τις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής και την Ευρωπαϊκή Ενωσ η, προτείνουν τη δημιουργία ενός ευέλικτου, ασ φαλούς, οικονομικού και φιλικού ευφυούς δικτύου, θεωρώντας το ως η μελλοντική μορφή του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό οφείλεται σ την επέκτασ η της κλίμακας του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας και την κατασ κευή δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας υπερυψηλής τάσ ης (ΥΥΤ) που οδηγεί σ ε αύξησ η επίπεδου βραχυκύκλωσ ης. Ετσ ι, θα επηρεασ τούν οι λειτουργίες του ηλεκτρικού εξοπλισ μού και η αξιοπισ τία του σ υσ τήματος. Επιπλέον, η ανάπτυξη της τεχνολογίας του δικτύου διανομής με ΔΠ προκαλεί προβλήματα, όπως η σ υνεργασ ία των ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης και οι ροές ισ χύος σ ε πολλές κατευθύνσ εις. Αυτό έχει ως αποτέλεσ μα την παρουσ ίασ η δυσ κολιών σ τις ρυθμίσ εις και σ τη λειτουργία της προσ τασ ίας από σ υμβατικούς ηλεκτρονόμους. Ως εκ τούτου, με τις έρευνες πάνω σ το πεδίο του ευφυούς δικτύου, η περιοχή της προσ τασ ίας υπερέντασ ης προσ ελκύει μεγαλύτερο ενδιαφέρον. Η εφαρμογή των σ υμβατικών μεθόδων για την επίλυσ η ζητημάτων που σ χετίζονται με τα σ υσ τήματα ενέργειας έχουν σ χεδόν αντικατασ ταθεί από προηγμένα σ υσ τήματα και τεχνολογίες, δηλαδή υπολογισ τική νοημοσ ύνη. Τα χαρακτηρισ τικά του έξυπνου δικτύου, όπως η ανάπτυξη νέων υπηρεσ ιών, αγορών, η παροχή ποιότητας ισ χύος και η αποδοτικότητα σ τη λειτουργία μπορούν να δημιουργήσ ουν μια νέα διάσ τασ η σ την έρευνα της προσ τασ ίας υπερέντασ ης. Το Σχήμα 3.8 απεικονίζει την σ υσ χέτισ η ανάμεσ α σ το ευφυές δίκτυο και την εφαρμογή του σ ε δίκτυα διανομής με την ενσ ωμάτωσ η του έξυπνου σ υσ τήματος παρακολούθησ ης και λειτουργίας.

62 62 Κεφάλαιο 3. Συνεργασ ία των ηλεκτρονόμων υπερέντασ ης Σχ. 3.8: Συσ χετισ η μεταξύ σ υσ τημάτων [16] Πολλές μέθοδοι και τεχνικές προτείνονται και εφαρμόζονται τις τελευταίες τέσ σ ερις δεκαετίες και για την ικανοποίησ η των σ ημερινών απαιτήσ εων, μέθοδοι βελτισ τοποίησ ης που βασ ίζονται σ ε μαθηματικά εργαλεία όπως η τεχνητή νοημοσ ύνη και οι αλγόριθμοι εμπνευσ μένοι από τη φύσ η φαίνεται να είναι αξιόπισ τες και ταχείς. [16] 3.6. Perigraf thc mejìdou BeltisvtopoÐhsvh Sm nouc SwmatidÐwn Εισ αγωγή Η μέθοδος Βελτισ τοποίησ ης Σμήνους Σωματιδίων «Particle Swarm Optimization» (PSO) είναι ένας αλγόριθμος ικανός να βελτισ τοποιήσ ει ένα μη-γραμμικό και πολυδιάσ τατο πρόβλημα το οποίο σ υνήθως καταλήγει αποτελεσ ματικά σ ε ικανοποιητικές λύσ εις ενώ απαιτεί ελάχισ τη παραμετροποίησ η. Ο αλγόριθμος και η έννοια της Βελτισ τοποίησ ης Σμήνους Σωματιδίων προτάθηκε από τους James Kennedy και Russel Ebhart το 1995 [18]. Ωσ τόσ ο, οι ρίζες του προέρχονται από την παρατήρησ η της σ υμπεριφοράς των ζωικών ομάδων. Συγκεκριμένα, αρχικός σ κοπός του ήταν η προσ ομοίωσ η της κίνησ ης των οργανισ μών σ ε ένα σ μήνος πουλιών ή ένα κοπάδι ψαριών (Σχήμα 3.9a και 3.9b αντίσ τοιχα). Ετσ ι, η προέλευσ η του αλγορίθμου είναι η ίδια η φύσ η. Αυτή η ρίζα σ τις φυσ ικές διεργασ ίες των σ μηνών οδηγεί σ την κατηγοριοποίησ η του αλγορίθμου που εντάσ σ εται ως Νοημοσ ύνη Σμήνους (Swarm Intelligence) και Τεχνητή Ζωή (Artificial Life). (a) Sm noc pouli n [35] (b) Kopˆdi yari n[36] Σχ. 3.9: Συμπεριφορά των ζωικών ομάδων