چکیده: کلمات کلیدي: تاریخ ارسال مقاله: 1393/12/10

Transcript

1 هماهنگی بهینه رلههاي اضافه جریان جهتی در شبکههاي توزیع با در نظر گرفتن پایداري گذراي منابع تولید پراکنده سنکرون صادق جمالی 1 حسین رضایی فرشه 2 نوید رضا رفیع 3 1- قطب علمی اتوماسیون و بهرهبرداري سیستمهاي قدرت- دانشکده مهندسی برق- دانشگاه علم و صنعت ایران- تهران- ایران sjamali@iust.ac.ir 2- دانشکده مهندسی برق- دانشگاه علم و صنعت ایران - تهران- ایران hosein_rezaiy@elec.iust.ac.ir 3- دانشکده مهندسی برق- دانشگاه علم و صنعت ایران - تهران- ایران navidrezarafi@alumni.iust.ac.ir چکیده: اتصال منابع تولید پراکنده به شبکههاي توزیع برق موجب چالشهایی در حفاظت این شبکهها میشود. استفاده از رله- هاي اضافه جریان جهتی میتواند به عنوان راهکاري به منظور غلبه بر پیچیدگیهاي حفاظتی شبکههاي توزیع در حضور منابع تولید پراکنده مطرح گردد. دستیابی به هماهنگی بهینه رلههاي اضافه جریان جهتی از اهمیت بالایی به منظور رعایت الزامات حفاظتی شبکه توزیع برخوردار میباشد. لذا در این مقاله هماهنگی بهینه رلههاي اضافه جریان جهتی براي یک شبکه توزیع با حضور منابع تولید پراکنده سنکرون به عنوان مسي له بهینهسازي مطرح شده و توسط الگوریتم جستجوي همنوایی تنظیمات بهینه حاصل میگردد. پس از دستیابی به تنظیمات بهینه پایداري گذراي منابع تولید پراکنده سنکرون با مدلسازي سیستم تحریک آن به ازاي زمان پاكسازي خطاهاي شبکه تعیین میشود. در مواردي که پایداري ژنراتور سنکرون از دست میرود از تنظیم آنی عملکرد رله اضافه جریان بهره گرفته شده است. شبیهسازي بر روي یک شبکه توزیع ولتاژ متوسط با نرمافزار DIgSILENT در این مقاله نشان میدهد که پایداري گذراي منابع تولید پراکنده سنکرون نقش مهمی در طراحی سیستم حفاظت اضافه جریان شبکه توزیع دارد. کلمات کلیدي: الگوریتم جستجوي همنوایی پایداري گذرا حفاظت شبکه توزیع رلههاي اضافه جریان جهتی منابع تولید پراکنده سنکرون هماهنگی حفاظتی تاریخ ارسال مقاله: 1393/12/10 تاریخ پذیرش مشروط مقاله: 1394/12/10 تاریخ پذیرش مقاله: 1395/01/29 نام نویسندهي مسي ول: دکتر صادق جمالی نشانی نویسندهي مسي ول: ایران تهران نارمک- دانشگاه علم و صنعت ایران- دانشکده مهندسی برق

2 1- مقدمه حفاظت شبکه در مقابل خطاهاي مختلف یک ضرورت اساسی در طراحی شبکههاي توزیع برق میباشد. یک طرح حفاظتی مناسب باید بتواند در سریعترین زمان ممکن با جداسازي کمترین قسمت ممکن از شبکه خطا را از شبکه پاکسازي نماید. هماهنگی حفاظتی بین تجهیزات حفاظتی در شبکه توزیع به این منظور است که حفاظت اصلی در کوتاهترین زمان خطا را از شبکه حذف نموده و در صورت عدم عملکرد آن حفاظت پشتیبان وارد عمل شده و خطا را پاکسازي نماید. شبکههاي توزیع اغلب به صورت شعاعی بهرهبرداري میشوند و داراي پخش بار یک سویه از سمت پست اصلی به سمت بارها می- باشند. در این شبکهها اغلب از فیوزها و رلههاي اضافه جریان جهت حفاظت اضافه جریان استفاده میشود. در حقیقت عبور یک سویه توان الکتریکی موجب سادگی در ایجاد هماهنگی بین تجهیزات حفاظتی میشود. اما با اتصال منابع تولید پراکنده به شبکههاي توزیع جهت تا مین محلی انرژي مشترکان طرح حفاظتی موجود در سیستمهاي توزیع کارآیی خود را از دست میدهند. با متصل شدن منابع تولید پراکنده به شبکه توزیع پخش بار دچار تغییرات اساسی شده و دامنه جریان اتصال کوتاه افزایش یافته و جهت آن نیز از حالت یک سویه خارج میشود. تغییر ایجاد شده در جریان اتصال کوتاه شبکه به نوع محل نصب و ظرفیت منابع تولید پراکنده بستگی دارد [1]. حضور منابع تولید پراکنده میتواند موجب ایجاد عملکرد ناخواسته سیستم حفاظتی عدم عملکرد تجهیزات حفاظتی (کورشدگی حفاظتی) ایجاد شبکهي جزیرهاي کنترل نشده بازبست غیر سنکرون و کاهش ایمنی شبکه توزیع گردد. شبکه توزیع در صورتی میتواند میزبان نصب منابع تولید پراکنده باشد که راهکارهاي حفاظتی حضور آنها در شبکه ایجاد گردد. پتانسیل میزبانی شبکه توزیع با نصب تجهیزات حفاظتی جدید قابل ارتقا است. رلههاي اضافه جریان از تجهیزات متداول حفاظتی مورد استفاده در شبکههاي توزیع میباشند. استفاده از این رلهها در شبکه توزیع با حضور منابع تولید پراکنده میتواند به عنوان طرح حفاظتی در دسترس و کاربردي مطرح گردد. انجام هماهنگی بهینه بین رلههاي اضافه جریان امري ضروري به منظور رعایت الزامات حفاظتی شبکههاي توزیع است. استفاده از روشهاي بهینه سازي جهت دستیابی به تنظیمات بهینه رلههاي اضافه جریان جهتی در بسیاري از مطالعات مورد استفاده قرار گرفته است. در [2] از برنامهریزي خطی جهت دستیابی به تنظیمات بهینه رلههاي اضافه جریان جهتی استفاده شده است. در این روش جهت خطی کردن مسي له تنظیم بهینه رلهها جریان عملکرد رلهها ثابت منظور شده و پارامترتنظیم زمانی رلهها بهینهسازي می- گردد. حال آنکه با تعریف پارامتر جریان عملکرد رلههاي اضافه جریان به عنوان متغیر تصمیمگیري میتوان زمان عملکرد رلههاي اضافه جریان را کاهش داد. روشهاي بهینهسازي فراابتکاري مانند ازدحام ذرات [3] و الگوریتم ژنتیک[ 4 ] جهت حل مسي له هماهنگی مورد استفاده قرار گرفته است. بنا بر نتایج گزارش شده در این مقالات و مقایسه روشهاي بهینهسازي مختلف انجام شده در آنها میتوان نتیجه گرفت که روش بهینهسازي به دلیل پیچیدگی مسي له هماهنگی رلههاي اضافه جریان جهتی نقش مهمی در پاسخ بهینه و سرعت همگرایی دارد. ساختار شبکه توزیع در حضور منابع تولید پراکنده سنکرون که داراي مشارکت بالایی در جریان خطا میباشند به ساختار شبکههاي قدرت به هم پیوسته نزدیک میشود. در این شبکهها از رلههاي اضافه جریان جهتی به منظور حفاظت اتصال کوتاه استفاده میشود. در [5] تنظیمات حفاظتی بهینه براي شبکه توزیع حلقوي بدون منابع تولید پراکنده انجام پذیرفته است. سپس از محدودساز جریان خطا به منظور محدودسازي جریان خطاي تزریقی منابع تولید پراکنده و حفظ هماهنگی بین رلهها با تنظیمات قبلی استفاده شده است. این روش براي نصب یک و یا دو منبع تولید پراکنده مورد استفاده قرار گرفته است. مشکل اساسی این روش آن است که براي شبکهاي با درصد نفوذ بالا از منابع تولید پراکنده کاربردي نمیباشد. در [6] هماهنگی بهینه رلههاي اضافه جریان جهتی براي ریزشبکهها و با در نظر گرفتن هر دو وضعیت بهرهبرداري ریزشبکه شامل جزیرهاي و متصل به شبکه انجام شده است. در هر دو مقاله اشارهاي به پایداري ژنراتورهاي سنکرون شبکه در زمان پاكسازي خطا نشده است. منابع تولید پراکنده مانند سایر عناصر سیستم قدرت باید داراي سیستم حفاظتی باشند. این سیستم حفاظتی علاوه بر حفاظت منبع در مقابل خطاهاي شبکه باید شبکه را نیز از صدمات ناشی از حضور منبع تولید پراکنده در حین خطا حفظ نماید. سیستم حفاظتی منبع تولید پراکنده شامل دو بخش حفاظت نقطه اتصال و رلههاي واحد منبع تولید پراکنده میشود. حفاظت نقطه اتصال اغلب در نقطه اتصال مشترك بین منبع تولید پراکنده و شبکه نصب میشود که عملکردهاي زیر را بر عهده دارد [7]: جداسازي منبع تولید پراکنده یا نقطه اتصال مشترك هنگامی که منبع تولید پراکنده عملکرد موازي با شبکه را از دست میدهد حفاظت شبکه توزیع در مقابل صدمات ناشی از اتصال منبع تولید پراکنده که شامل مشارکت در جریان خطاهاي شبکه و ایجاد اضافه ولتاژهاي گذراي میباشند حفاظت منبع تولید پراکنده در مقابل صدمات احتمالی که توسط شبکه توزیع به منبع تولید پراکنده تحمیل میشود. حفاظت نقطه اتصال منبع تولید پراکنده میبایست تا حد ممکن با سیستم حفاظت شبکه توزیع هماهنگ باشد تا از خروج بی مورد منبع تولید پراکنده در خطاهاي شبکه جلوگیري نماید. حفاظتهاي واحد منابع تولید پراکنده را هنگام وقوع خطاهاي داخلی ژنراتور یا وقوع شرایط غیرعادي بهرهبرداري مانند اضافه سرعت از شبکه خارج مجله انجمن مهندسین برق و الکترونیک ایران- سال چهاردهم- شماره اول

3 میکنند. وقوع ناپایداري گذرا نیز از جمله مساي لی است که توسط رله- هاي واحد منبع تولید پراکنده سنکرون به عنوان شرایط غیر عادي بهرهبرداري قابل تشخیص بوده و میتواند موجب خروج منبع تولید پراکنده شود. سیستم حفاظتی شبکه توزیع و حفاظت نقطه اتصال منبع تولید پراکنده باید از وقوع ناپایداري گذرا در منبع تولید پراکنده جلوگیري کنند. در غیر این صورت علاوه بر این که منبع تولید پراکنده دچار خروج بی مورد در خطاهاي شبکه توزیع میشود دچار تنشهاي مکانیکی میشود [8]. پایداري گذرا به عنوان توانایی سیستم قدرت در حفظ سنکرون بودن در پی وقوع اختلالات گذرا تعریف میشود. در گذشته پایداري گذراي شبکه توزیع بدون حضور منابع تولید پراکنده موضوعیت نداشت. اما با اتصال منابع تولید پراکنده دوار به شبکه توزیع بررسی پایداري گذراي شبکه توزیع اهمیت مییابد. در حقیقت پایداري منابع تولید پراکنده متصل به شبکه توزیع به عنوان پایداري گذراي شبکه توزیع تعبیر میشود. در [9] نشان داده شده است که ناپایداري گذرا براي منابع تولید پراکنده بر اثر وقوع خطا در شبکه توزیع امکانپذیر است و سیستم حفاظتی شبکه توزیع میبایست با پاكسازي سریع خطا از بروز ناپایداري گذرا جلوگیري نماید. وقوع ناپایداري گذرا براي منبع تولید پراکنده هنگامی رخ میدهد که زمان رفع خطا از زمان رفع خطاي بحرانی براي منبع تولید پراکنده بیشتر شود. با توجه به اینرسی پایین منابع تولید پراکنده سنکرون و زمان بالاي پاكسازي خطا در شبکههاي توزیع وقوع ناپایداري گذرا در ژنراتورهاي سنکرون میبایست در طراحی سیستم حفاظت اضافه جریان شبکه توزیع مدنظر قرار گیرد. در این مقاله هماهنگی رلههاي اضافه جریان جهتی با در نظر گرفتن ناپایداري گذرا منابع تولید پراکنده سنکرون انجام میشود. واحدهاي تولید همزمان برق و گرما صنعتی و دیزل ژنراتورها اغلب توسط ژنراتورهاي سنکرون به شبکه توزیع متصل میشوند. با توجه به این موضوع که در ایران بخش بزرگی از منابع تولید پراکنده را ژنراتورهاي سنکرون تشکیل میدهند بررسی حفاظت اضافه جریان شبکه توزیع از دیدگاه پایداري گذرا اهمیت مییابد. در این مقاله پس از بیان مسي له هماهنگی حفاظتی رلههاي اضافه جریان جهتی با در نظر گرفتن پایداري گذرا هماهنگی حفاظتی براي یک شبکه توزیع شعاعی با حضور منابع تولید پراکنده سنکرون انجام میشود. همچنین استفاده از مشخصه عملکردي آنی رلههاي اضافه جریان به عنوان راهکاري جهت پیشگیري از وقوع ناپایداري گذرا پیشنهاد میشود. 2- بیان مسي له و روش شبیهسازي در این بخش نحوه اعمال پایداري گذراي منابع تولید پراکنده با ژنراتور سنکرون در مسي له هماهنگی بهینه رلههاي اضافه جریان جهتی بیان میگردد. همچنین نحوه مدلسازي سیستم تحریک ژنراتور سنکرون به عنوان عاملی مهم در پایداري گذراي منبع تولید پراکنده سنکرون در این بخش شرح داده میشود بیان ریاضی مسي له هماهنگی حفاظتی بهینه زمان عملکرد رلههاي اضافه جریان تابعی معکوس از جریان خطاي عبوري از آنها میباشد. این تابع توسط دو پارامتر تنظیم میگردد. پارامتر اول تنظیم زمانی( TDS ) و پارامتر دیگر جریان آغاز عملکرد (P I) هستند. پارامتر جریان آغاز عملکرد رله حداقل جریانی است که در صورت عبور آن از رله عملیات پاکسازي خطا توسط رله آغاز می- گردد و متناسب با حداکثر جریان بار عبوري از رله تعیین میشود. تابع مشخصه معکوس زمانی عملکرد رلههاي اضافه جریان در رابطه (1) اراي ه شده است. A t TDS I sc B (1) ( ) 1 I در این رابطه I sc جریان اتصال کوتاه عبوري از رله و پارامترهاي A و B ثابتهایی هستند که وابسته به نوع مشخصه عملکردي رله اضافه جریان(معکوسی خیلی معکوسی) تعیین میشوند. تابع هدف مسي له هماهنگی حفاظتی رلههاي اضافه جریان جهتی کمینهسازي مجموع زمان عملکرد رلههاي موجود در شبکه توزیع می- باشد. تابع هدف هماهنگی حفاظتی مطابق رابطه (2) میباشد. N M K bk Minimize T ( t ij t ij ) i 1 j 1 k 1 (2) در این رابطه i شمارنده محل خطا و N تعداد کل محل خطاهایی که جهت برقراري هماهنگی حفاظتی مورد بررسی قرار میگیرد j شمارنده رله اصلی و M تعداد کل رلههاي اصلی براي خطاي i ام می- باشند. در این رابطه مشخص کننده رله اصلی و b نمایشگر رله پشتیبان میباشد. k شمارنده تعداد رلههاي پشتیبان و K تعداد رله- هاي پشتیبان براي رله اصلی j ام میباشد و نهایتا t مشخص کننده زمان عملکرد رله است که از رابطه (1) حاصل میگردد. اما شرط هماهنگی بین رله اصلی و پشتیبان در کمینهسازي تابع مذکور باید مدنظر قرار گیرد. این شرط به منظور اطمینان از این موضوع است که رله اصلی پیش از رله پشتیبان عملکرد داشته باشد. بدین منظور فاصله زمانی بین عملکرد رله اصلی و پشتیبان باید حداقلی داشته باشد که به عنوان پارامتر حداقل فاصله زمانی هماهنگی معرفی میشود. این مقدار وابسته به تجهیزات کلیدزنی و الکترومکانیکی یا عددي بودن رله مقداري بین 2 تا 3 ثانیه خواهد داشت. این قید مسي له در رابطه (3) بیان شده است. t bk ij t ij CTI i,{ j,k} (3) قید دیگر مسي له مذکور محدوده تغیییرات پارامترهاي TDS و می- I باشند که باید در انتخاب جهت ایجاد هماهنگی رعایت شونداین دو قید در رابطه (4) به صورت ریاضی بیان شدهاند. با این توضیح که

4 مقدار پارامتر I به منظور عدم عملکرد رله در بارگذاري بیش از حد خط توزیع باید از حداکثر جریان بار عبوري از رله بیشتر بوده و از سوي دیگر جهت ایجاد حساسیت نسبت به خطا و پاکسازي مناسب خطا I باید از حداقل جریان خطاي عبوري از رله که در آن خطا نقش رله اصلی یا رله پشتیبان را دارد کوچکتر باشد. Ij min Ij I j max, j (4) TDS TDS TDS, j j min j j max در این مطالعه از روش جستجوي همنوایی به عنوان یک روش نوین و کارآمد جهت دستیابی به تنظیمات بهینه رلههاي اضافه جریان جهتی استفاده میشود. با توجه به این موضوع که روشهاي بهینهسازي ابتکاري طی روند بهینهسازي ساختاري را جهت مشارکت قیود ندارند معمولا قیود مسي له را در تابع هدف اعمال نفوذ میکنند. مسي له هماهنگی حفاظتی رلهها به دلیل وجود قیود زیاد بر اثر شرط هماهنگی حفاظتی بین زوجهاي حفاظتی به عنوان مسي لهاي مقید و پیچیده مطرح میباشد. در این مقاله قیود هماهنگی حفاظتی توسط روش تابع جریمه با ضریب جریمه ثابت در تابع هدف لحاظ میشوند. لذا تابع هدف مسي له هماهنگی حفاظتی به صورت رابطه (5) تعریف میگردد اعمال پایداري گذرا در مسي له هماهنگی بهینه رلهها پس از طراحی سیستم حفاظتی اضافه جریان شبکه توزیع بر مبناي بکارگیري از رلههاي اضافه جریان جهتی و تعیین شدن زمان عملکرد رلههاي شبکه در برابر خطاها باید این موضوع را مدنظر قرارداد که زمان پاكسازي خطا حاصل از تنظیمات حفاظتی منجر به ناپایداري گذراي منابع تولید پراکنده دوار نگردد. این موضوع از دو بعد اهمیت دارد ابتدا آنکه ناپایداري گذرا میتواند منجر به آسیبهاي مکانیکی به منبع تولید پراکنده گردد و از سوي دیگر با عملکرد حفاظتهاي واحد موجود در منبع تولید پراکنده مانند حفاظت اضافه سرعت یا رله خروج ازقطب منبع تولید پراکنده پیش از زمان معین شده توسط تنظیمات از مدار خارج میشود. بنابراین کارآیی طرح حفاظتی در صورت وقوع ناپایداري گذرا به سبب زمان پاكسازي خطاي طولانی از بین میرود. رفتار ژنراتورهاي سنکرون در اختلالات شبکه توسط رابطه شناخته شده (6) بدست میآید: در این رابطه ω s ثایت اینرسی ژنراتور بر حسب ثانیه H زاویه روتور δ سرعت سنکرون روتور بر حسب رادیان بر ثانیه و m وP P e به ترتیب توان مکانیکی و توان الکتریکی ژنراتور سنکرون هستند. بر اساس روش معیار سطوح برابر جهت پایداري ژنراتور سنکرون زمان رفع خطاي بحرانی( cr t) ژنراتور سنکرون به ازاي یک خطاي مشخص طبق رابطه ( 7 )حاصل میشود [10]. tcr 4H( cr 0 ) spm (7) در این رابطه δ cr زاویه روتور بحرانی و δ 0 زاویه روتور اولیه هنگام وقوع (8) خطا میباشد. این رابطه براي یک سیستم دو ماشینه بیان شده است. اما براي شبکه توزیع زمان رفع خطاي بحرانی براي هر ژنراتور با انجام شبیهسازي قابل استحصال میباشد[ 9 ]. در این مقاله به منظور بدست آوردن زمان رفع خطاي بحرانی براي یک خطاي مشخص ابتدا خطا با زمان طولانی( 2 ثانیه) ایجاد میشود. سپس در صورت ناپایداري طول زمان خطا نصف شده و شبیهسازي مجدد انجام میشود. در صورت وقوع ناپایداري روند فوق ادامه پیدا میکند اما در صورت پایداري ژنراتور میانگین طول زمان خطاي گام قبل و زمان فعلی به عنوان طول زمان خطاي جدید شبیهسازي میشود. این روند تا جایی که زمان رفع خطاي بحرانی با دقت مناسب(میلی ثانیه) حاصل گردد ادامه مییابد. پس از بدست آوردن زمان رفع خطاي بحرانی براي تمامی منابع تولید پراکنده دوار موجود در شبکه توزیع براي هر خطاي مشخص زمان عملکرد رله اصلی باید کمتر از کمترین زمان رفع خطاي بحرانی حاصل شده از روند ذکر شده براي منابع تولید پراکنده باشد. باید توجه داشت که زمان رفع خطا شامل مجموع زمان عملکرد رله و زمان عملکرد مدارشکن موجود در شبکه است. لذا حداکثر زمان عملکرد رله اصلی بر مبناي کاستن زمان عملکرد کلید قدرت از زمان رفع خطاي بحرانی حاصل میشود. لذا علاوه بر قیودي که تاکنون پیرامون مسي له هماهنگی بهینه رلههاي اضافه جریان مطرح گردید قید رابطه (8) باید مدنظر قرار گیرد. که در این رابطه n t ij Min{( CCT i t CB )} i, j,n t ij زمان عملکرد رله اصلی شماره j در خطاي شماره n i میباشد. CCT i زمان رفع خطاي بحرانی به ازاي خطاي شماره i و براي منبع تولید پراکنده شماره n میباشد. همچنینCB t زمان عملکرد کلید قدرت در رفع خطاي اتصال کوتاه است. مطابق این قید زمان عملکرد رلههاي اصلی در خطاي اتصال کوتاه براي هر محل خطا باید از کمترین زمان رفع خطاي بحرانی حاصل شده براي تمامی منابع تولید پراکنده سنکرون کمتر باشد. N M K b k Minimize T (( t ij t ij ) i 1 j 1 k 1 bk (max( 0, tij tij CTI ))) 2 d s (P 2 m P e ) dt 2H (5) (6) مجله انجمن مهندسین برق و الکترونیک ایران- سال چهاردهم- شماره اول

5 [11] AC5A نوع IEEE 2-3- مدلسازي سیستم تحریک منبع تولید پراکنده سنکرون شکل (1): سیستم تحریک خطاهاي شبکه استحصال نموده و بر اساس آن طراحی حفاظت اضافه جریان شبکه را پایهریزي نمود. در [8] نشان داده است که سیستم تحریک نقش بسزایی در زمان 3- شبیهسازي و نتایج رفع خطاي بحرانی منابع تولید پراکنده دارد. بنابراین بدون مدل- سازي دقیق سیستم تحریک ژنراتور سنکرون نمیتوان تخمین مناسبی از زمان رفع خطاي بحرانی ژنراتور سنکرون داشت. سیستم تحریک منابع تولید پراکنده سنکرون در دو حالت کنترلی ضریب قدرت ثابت و ولتاژ ترمینال ثابت مورد استفاده قرار میگیرد. در این مقاله براي سیستم تحریک ژنراتور سنکرون از مدل استاندارد IEEE نوع AC5A استفاده خواهد شد. این مدل براي سیستمهاي تحریک بدون جاروبک به کار میرود که اغلب براي ژنراتورهاي مقیاس کوچک کاربرد دارد [11]. در شکل (1) این مدل استاندارد نمایش داده شده است. سیاست کنترلی این سیستم تحریک ولتاژ ترمینال ثابت است. نکته مهمی که باید بیان گردد آن است که از دیدگاه حفاظتی و به منظور طراحی سیستم حفاظتی اضافه جریان شبکه توزیع سیستمهاي کنترلی منابع تولید پراکنده سنکرون از جنبه پایداري گذرا اهمیت دارند. بنابراین هر گونه سیستم کنترلی متفاوت از آنچه در فوق بیان گردید قابل پیادهسازي بوده و باید بر اساس آن پایداري گذراي منبع تولید پراکنده در برابر خطاهاي اتصال کوتاه شبکه مورد مطالعه واقع گردد. قاعدتا استراتژيهاي کنترل تحریک مانند کنترل ضریب قدرت ثابت باید با جزییات کامل مدلسازي شده تا بتوان تخمین مناسبی از عملکرد ژنراتور در مقابله با 3-1- شبکه تحت مطالعه به منظور اجراي طرح حفاظتی پیشنهاد شده شبکه توزیع شکل (2) مدنظر قرار میگیرد. این شبکه توزیع واقعی از کشور کانادا با سطح ولتاژ 12/47 کیلوولت شامل دو فیدر مشابه با امپدانس /1406j اهم بر کیلومتر میباشد که توسط شبکهاي با سطح ولتاژ 115 کیلو ولت تغذیه میشود [6]. شبکه توسط یک ترانسفورماتور با قدرت 20 مگاولتآمپر به شبکه اصلی متصل بوده و طول هر قسمت از فیدر 500 متر است. چهار منبع تولید پراکنده سنکرون با ظرفیت 5 مگاولتآمپر به این شبکه متصل هستند که توسط ترانسفورماتورهایی با همین ظرفیت و با نسبت تبدیل 6/3 کیلوولت به 12/47 کیلوولت بار شبکه را تا مین میکنند.بارهاي شبکه همگی برابر 2 مگاوات و ضریب قدرت 9 میباشند. اطلاعات ژنراتورهاي سنکرون مطابق [11] استفاده شده است. 21 رله اضافه جریان متناسب با ساختار شبکه جهت حفاظت منابع تولید پراکنده و خطوط در این شبکه قرار داده شده است که در شکل( 2 ) مشخص شدهاند. هر رله اضافه جریان باید قادر باشد تا خطاي رخ داده در باس ابتدایی و باس انتهایی خط تحت حفاظت خود را در زمان مناسب پاکسازي نماید. در این مقاله جهت دستیابی به تنظیمات حفاظتی بهینه جریان خطاي سه فاز روي نیمه خطوط مدنظر قرار میگیرد [6].

6 شکل (2): شبکه توزیع مورد مطالعه با حضور منابع تولید پراکنده سنکرون 3-2- تنظیمات بهینه رلهها جهت حل مسي له هماهنگی بهینه رلههاي اضافه جریان در شبکه مذکور پارامترهاي A و B براي رله با مشخصه عملکردي استاندارد معکوسی به ترتیب برابر 02 و 14 هستند [5]. حداقل فاصله زمانی هماهنگی برابر 200 میلیثانیه منظور میگردد. محدوده تغییرات پارامتر تنظیم زمانی بین 05 تا 1 مدنظر قرار میگیرد. با پیادهسازي شبکه توزیع بیان شده در نرمافزار DIgSILENT محاسبات اتصال کوتاه به ازاي خطا در میانه خطوط انجام گردید. پارامترهاي مورد استفاده در الگوریتم جستجوي همنوایی جهت دستیابی به تنظیمات بهینه در جدول (1) ذکر شده است. با استفاده از این پارامترهاي الگوریتم جستجوي همنوایی تنظیمات حفاظتی بهینه رلههاي اضافه جریان جهتی مطابق جدول (2) حاصل گردید. تنظیم جریانی عملکرد بر حسب آمپر بیان شده است که در انجام تنظیمات رله متناسب با نسبت تبدیل ترانسفورماتور جریان در رله اعمال خواهد شد. تابع هدف حاصل شده که مجموع زمان عملکرد تمامی رلهها اعم از رله اصلی و پشتیبان در خطاي اتصال کوتاه سه فاز در میانه تمامی خطوط شبکه میباشد برابر 38/50 ثانیه حاصل شده است. جدول (3) زمان عملکرد رلههاي اصلی و پشتیبان را به ازاي خطا در میانه خطوط مختلف اراي ه میدهد. همانطور که مشخص است الگوریتم در تمامی زوجهاي حفاظتی توانسته قید هماهنگی حفاظتی را رعایت نماید. مشابه جدول (3) با انجام محاسبات اتصال کوتاه و استفاده از تنظیمات فوق براي خطا در ابتدا و انتهاي خطوط نیز قابل اراي ه است. پس از تعیین شدن زمان عملکرد رلههاي اضافه جریان شبکه میبایست پایداري گذراي منابع تولید پراکنده را هماهنگی انجام شده مدنظر قرار داد بررسی پایداري گذرا در تنظیمات بهینه به منظور بررسی پایداري گذرا منابع تولید ابتدا باید سیستم تحریک ژنراتورهاي سنکرون مدلسازي شود. مطابق آنچه در بخش دوم بیان گردید براي تمامی منابع تولید پراکنده موجود در شبکه از مدل سیستم تحریک IEEE نوع AC5A استفاده میشود. پارامترهاي سیستم تحریک مورد استفاده در این مطالعه در [11] اراي ه شده است. جدول (1): پارامترهاي الگوریتم جستجوي همنوایی در حل مسي له هماهنگی بهینه تعداد تکرار تعداد هارمونی جدید در هر تکرار BW براي تنظیم جریانی BW براي تنظیم زمانی HMS 50 HMCR 9 PAR جدول (2): تنظیمات بهینه رلههاي اضافه جریان جهتی رله I(A) TDS رله I(A) TDS 451/ R12 619/ R1 694/ R13 575/ R2 288/ R14 431/ R3 447/ R15 431/ R4 145/ R R R17 288/ R6 312/ R18 399/ R7 312/ R19 145/ R8 312/ R20 655/ R9 312/ R21 572/ R10 /521 تابع هدف= 38/50 ثانیه R11 میبایست بیان کرد که منابع تولید پراکنده در تنظیم فرکانس سیستم قدرت مشارکتی ندارند بنابراین در حالت کنترلی توان اکتیو ثابت بهرهبرداري میشوند. بنابراین مدلسازي سیستم گاورنر انجام نشده و توان مکانیکی ورودي منبع تولید پراکنده طی وقوع خطا ثابت مدنظر قرار میگیرد. براي نمونه ابتدا خطاي سه فاز در میانه خط 4 مدنظر قرار میگیرد. در این خطا رله R7 مطابق تنظیمات انجام شده پس از گذشتن 114 میلیثانیه از خطا فرمان عملکرد را براي کلید ارسال میکند. با در نظر گرفتن زمان عملکرد کلید برابر 100 میلیثانیه مجله انجمن مهندسین برق و الکترونیک ایران- سال چهاردهم- شماره اول

7 خطا پس از 214 میلیثانیه از سمت شبکه اصلی و منابع تولید پراکنده DG3 DG1 وDG4 پاکسازي خواهد شد. در این حالت نمودارهاي شکل (3) روند تغییرات سرعت زاویه روتور و ولتاژ شین DG1 را نمایش میدهند که خروجی ماژول محاسبات گذراي الکترومکانیکی نرمافزار DIgSIELNT میباشند. قابل ذکر است که خطا در لحظه 1=t ثانیه رخ داده است و ولتاژ مرجع سیستم تحریک روي 98 پریونیت تنظیم شده است. به منظور بررسی بحرانیترین حالت از دیدگاه پایداري گذرا توان خروجی اکتیو ژنراتور روي حداکثر مقدار و برابر 4 مگاوات هنگام بروز خطا اعمال شده است. مطابق نتایج مشخص است که منبع تولید پراکنده DG1 پس از پاکسازي خطا توسط R7 پایدار مانده و به کار خود ادامه میدهد. چنین وضعیتی براي منابع تولید پراکنده DG2 و DG3 نیز به وقوع میپیوندد و پایداري این دو ژنراتور نیز پس از رفع خطا باقی میماند. حال خطاي سه فاز را بر روي نیمه خط 5 مدنظر قرار میگیرد. در این حالت رله R9 پس از 779 میلیثانیه فرمان عملکرد را براي کلید ارسال میکند. لذا زمان رفع خطا برابر 879 میلیثانیه پس از خطا میباشد تا شبکه اصلی و منابع تولید پراکنده DG1 و DG2 بتوانند به کار عادي خود بازگشته و از این طریق خروج منابع تولید پراکنده در پی خطا به حداقل برسد. مشابه شرایط یاد شده براي خطا روي خط 4 براي این خطا نیز اعمال شده است شکل (4) روند تغییرات سرعت و ولتاژ منبع تولید پراکنده DG1 را حین و پس از خطا نمایش میدهد. جدول (3): زمان عملکرد بهینه رلههاي اضافه جریان با مشخصه استاندارد معکوسی به ازاي خطا در میانه خطوط محل زمان عملکرد رلههاي اصلی () و پشتیبان (b ( بر حسب ثانیه خطا b2 b1 2 b2 b1 1 - R4 R2 R17 R10 R / R6 R4 - R1 R / R18 R8 R6 - R3 R5 1/5679 1/ / R19 R8 R18 R5 R / / R20 R12 R10 R17 R2 R9 1/1361 1/ / R14 R12 R20 R9 R / / R16 R14 - R11 R / R21 R16 - R13 R / خط 1 خط 2 خط 3 خط 4 خط 5 خط 6 خط 7 خط 8 با توجه به نمودار اگر چه منبع تولید پراکنده به خاطر سیستم کنترل تحریک بیان شده در گذر زمان به سرعت پایدار میرسد اما به سبب عبور از زاویه روتور بحرانی سرعت آن پس از خطا تا 17 درصد سرعت سنکرون افزایش مییابد و ژنراتور سنکرون بودن خود را از دست میدهد. در این حالت رله اضافه سرعت یا رله خروج از قطب به عنوان حفاظت واحد منبع تولید پراکنده ژنراتور را به سرعت از مدار خارج میکنند. اگر رله اضافه سرعت منبع تولید پراکنده براي عملکرد در 1/1 پریونیت سرعت تنظیم شده باشد در این حالت ژنراتور به سبب عملکرد دیرهنگام سیستم حفاظتی طراحی شده براي خطایی که ضرورتی براي خروج آن نیست از مدار خارج میشود و از سوي دیگر دچار استرسهاي حرارتی و مکانیکی میشود. شکل (3): تغییرات پارامترهاي DG1 در ازاي خطاي سه فاز روي نیمه خط 4 (الف) سرعت (ب) زاویه روتور (ج) ولتاژ شین شکل (4): تغییرات پارامترهاي DG1 در ازاي خطا روي نیمه خط 5 (الف) سرعت (ب) زاویه روتور (ج) ولتاژ شین

8 شکل (5): تغییرات پارامترهاي DG1 در ازاي خطاي روي نیمه خط 5 الف- رفع خطاي 450 ms ب- رفع خطاي 455 ms با توجه به توضیحات میتوان گفت که طرح حفاظتی شامل رلههاي اضافه جریان جهتی با مشخصه معکوسی نمیتواند پایداري گذراي ژنراتورهاي سنکرون را در خطاهاي شبکه تا مین نماید و تنها به عنوان یک راهحل ریاضی در حل مسي له هماهنگی رلهها قابل قبول است. به منظور طراحی سیستم حفاظتی مناسب باید زمان بحرانی رفع خطا براي خطاهاي شبکه حاصل شود و بر اساس آنها هماهنگی حفاظتی رلهها انجام شود. شکل( 5 ) تغییرات سرعت و زاویه روتور و ولتاژ شین منبع تولید پراکنده DG1 را براي زمان پاكسازي خطاي 450 میلیثانیه و 455 میلیثانیه به ازاي خطا روي نیمه خط 5 نمایش میدهند. با توجه به نتایج بدست آمده مشخص است که براي زمان رفع خطاي 450 میلی- ثانیه ژنراتور از پایداري زاویه روتور برخوردار است. اما براي زمان رفع خطاي 455 میلی ثانیه زاویه روتور از زاویه روتور بحرانی عبور کرده و سرعت آن از 1/1 پریونیت فراتر میرود. لذا با احتساب عملکرد رله اضافه سرعت در 1/1 برابر سرعت سنکرون و با گامهاي 5 میلیثانیهاي زمان رفع خطاي بحرانی براي خطاي سه فاز در میانه خط 5 برابر 450 میلی ثانیه میباشد. در شکلهاي (4) و (5) قسمتهایی که اطراف آن مشخص شده است نواحی هستند که سرعت و فاز از حدود مجاز پایداري( به ترتیب 1/1 پریونیت و 180 درجه) گذشتهاند و در نتیجه ژنراتور دچار ناپایداري گردیده است. با همین روش میتوان زمان رفع خطاي بحرانی را براي تمامی خطاهاي شبکه بدست آورد تا با اعمال آنها در مسي له هماهنگی حفاظتی بتوان از وقوع ناپایداري گذرا براي ژنراتورهاي شبکه پیشگیري نمود. جدول (4) حداقل زمان رفع خطاي بحرانی حاصل شده از شبیهسازي را براي خطاهاي سه فاز شبکه اراي ه میدهد. زمان رفع خطاي بحرانی تنها براي رلههاي با شماره فرد حاصل شده است. زیرا براي رلهها با شماره زوج عملکرد رله باعث ایجاد جزیره کنترلنشده در پایین دست رله خواهد شد. لذا حفاظت ضدجزیرهاي موجب خروج منبع تولید پراکنده خواهد شد و در هر صورت ژنراتور از مدار خارج خواهد شد. اما براي رلههاي فرد زمان پاکسازي خطا نباید موجب شود که ژنراتورهاي موجود در فیدر مجاور و بالادست خطا دچار ناپایداري زاویه روتور و افزایش سرعت بیش از 10 درصد شوند. براي اراي ه اطلاعات بیشتر پیرامون زمان رفع خطاي بحرانی براي رلههاي فرد در کنار هر زمان رفع بحرانی نام منبع تولید پراکندهاي که منجر به این زمان رفع خطاي بحرانی شده است آورده شده است. همانطور که مشاهده میشود با افزایش فاصله خطا از منابع تولید پراکنده زمان رفع خطاي بحرانی نیز افزایش مییابد. با توجه به زمان بحرانی رفع خطا و زمان عملکرد بهینه رلههاي اضافه جریان جهتی مشخص میشود که رلههاي R9 R3 R1 و R11 زمان رفع خطاي بحرانی را در خطاهاي شبکه رعایت نمیکنند و باعث می- شوند که منابع تولید پراکنده فیدرهاي مجاور دچار افزایش سرعت و خروج بی مورد شوند. در جدول (4) رلههایی که زمان رفع خطاي بحرانی را با در نظر گرفتن زمان عملکرد کلید قدرت( 100 میلیثانیه) رعایت نمیکنند با علامت ستاره مشخص شدهاند. با توجه به این موضوع که تنظیمات موجود پاسخ بهینه حفاظتی را شامل میشوند استفاده از رلههاي اضافه جریان جهتی با مشخصه معکوسی استاندارد نمیتواند پایداري گذرا منابع تولید پراکنده سنکرون را تضمین نماید. به منظور رفع مشکل ذکر شده دو راهکار را میتوان استفاده نمود. ابتدا آنکه از مشخصه خیلی معکوسی یا مشخصه فوقالعاده معکوسی رله- هاي اضافه جریان استفاده نمود و تنظیمات بهینه را مجددا توسط الگوریتم جستجوي همنوایی و با اعمال قید بیان شده در رابطه (8) بدست آورد. اما میتوان با حفظ تنظیمات با مشخصه استاندارد معکوسی باید از تنظیم مشخصه آنی عملکرد رله اضافه جریان نیز استفاده نمود. به این منظور با انجام مطالعات اتصال کوتاه میتوان این تنظیم را به گونهاي انتخاب نمود تا علاوه بر حفظ هماهنگی حفاظتی بتوان از وقوع ناپایداري گذرا پیشگیري نمود. براي مثال جهت تنظیم جریان عملکرد آنی براي رله R1 جریان خطا سه فاز را روي انتهاي خط 1 را محاسبه کرده و جریانی بزرگتر از آن براي عملکرد آنی رله در نظر گرفته میشود. با این راهکار تنها براي خطاهاي سه فاز روي خط 1 رله به صورت آنی عمل کرده و هماهنگی آن با رله R3 تحت تا ثیر قرار نمیگیرد. در جدول (5) تنظیمات جریان عملکرد آنی( int I) را براي رلههاي اضافه جریان نمایش میدهد. زمان عملکرد براي مشخصه آنی رله 50 میلی ثانیه در نظر گرفته میشود. با این تنظیمات میتوان از ناپایداري ژنراتورهاي سنکرون با خصوصیات مجله انجمن مهندسین برق و الکترونیک ایران- سال چهاردهم- شماره اول

9 کنترلی بیان شده در خطاهاي سه فاز شبکه جلوگیري نمود و عملکرد رلههاي اضافه جریان را جهت جلوگیري از وقوع ناپایداري گذرا منابع تولید پراکنده تطبیق داد. جدول (4): زمان رفع خطاي بحرانی به ازاي خطا در خطوط محل خطا زمان رفع خطاي بحرانی (میلیثانیه) ابتداي خط میانه خط انتهاي خط R1* R1* R1* 580(DG3) 415(DG3) 270(DG3) R3 R3 R3* 985(DG3) 675(DG3) 590(DG3) R5 R5 R5 1575(DG3) 1245(DG3) 990(DG3) R7 R7 R7 420(DG1) 320(DG1) 250(DG1) R9* R9* R9* 640(DG1) 450(DG1) 330(DG1) R11* R11* R11* 525(DG4) 370(DG3) 250(DG3) R13 R13 R13 990(DG3) 745(DG3) 530(DG3) R15 R15 R (DG3) 1415(DG3) 1005(DG3) رله خط 1 خط 2 خط 3 خط 4 خط 5 خط 6 خط 7 خط 8 جدول (5): تنظیمات مشخصه عملکردي آنی به منظور پیشگیري از ناپایداري گذرا R R R R11 تنظیم جریان عملکرد آنی (آمپر) نتیجهگیري در این مقاله پس از شرح مسي له هماهنگی حفاظتی بهینه رلههاي اضافه جریان جهتی در شبکه توزیع با منابع تولید پراکنده سنکرون بیان گردید که پایداري ژنراتورهاي سنکرون به عنوان یک قید در طراحی سیستم حفاظتی مدنظر قرار گیرد. شبیهسازيها در نرمافزار DIgSILENT نشان دادند که در تنظیمات بهینه حاصل شده از الگوریتم جستجوي همنوایی ناپایداري گذرا منابع تولید پراکنده سنکرون رخ میدهد. بنابراین در این مقاله پس از بدست آوردن زمان رفع خطاي بحرانی براي خطا در ابتدا میانه و انتهاي تمامی خطوط شبکه خطاهایی که زمان پاكسازي آنها منجر به ناپایداري گذراي منابع تولید پراکنده موجود در شبکه توزیع شده شناسایی شدند. سپس با افزودن تنظیم عملکرد آنی به مشخصه عملکردي رلههاي اصلی مرتبط با خطاهاي مذکور از وقوع ناپایداري گذراي منابع تولید پراکنده در شبکه توزیع به سبب عملکرد دیرهنگام سیستم حفاظت اضافه جریان پیشگیري گردید. مراجع [1] S. A. M. Javadian, M. R. Haghifam, M. Firoozabadi and S. M. T. Bathaee, Analysis of rotection system s risk in distribution networks with DG, International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 44, Issue 1, , Set [2] P. P. Bedekar, S. R. Bhide, Otimum coordination of overcurrent relays in distribution system using dual simlex method, in Proceeding of 2 nd ICETET, , [3] M. Mansour, S. Mekhamer and N. S. El-Kharbawe, A modified article swarm otimizer for the coordination of directional overcurrent relays, IEEE Transaction on Power Delivery, vol. 22, no. 3, , [4] P. Bedekar, S. R. Bhide and V. Kale, Otimum coordination of directional overcurrent relays in distribution system using genetic algorithm, in Proceeding of ICPS,. 1-6, [5] W. El-Khattam and T. Sidhu, Restoration of directional overcurrent relay coordination in distributed generation system utilizing fault current limiter, IEEE Transaction on Power Delivery, vol. 23, no. 2, , [6] W. Najy, H. H. Zeinedin, W. L. Woon, Otimal rotection coordination for microgrids with grid-connected and islanded caability, IEEE Transaction on Industrial Electronics, vol. 60, no. 4, , [7] واحدي حسان نوروزیان رضا جلیلوند ابوالفضل قره پتیان گي ورگ "اراي ه روشی نوین براي بهره برداري و تشخیص حالت جزیره اي تولیدات پراکنده مبتنی بر اینورتر" مجله مهندسی برق و الکترونیک ایران. (2) [8] R. Razzaghi, M. Davaranah, M.Sanaye-Pasand, A novel rotective scheme to rotect small-scale synchronous generator against transient instability, IEEE Transaction on Industrial Electronic, vol. 60, no. 4, , [9] I. Xyngi, A. AIshchenko, M. Poov and L. Sluis, Transient stability analysis of a distribution network with distributed generators, IEEE Transaction on Power System, vol. 24, no. 2, , May [10] I. Xyngi, A. Ishchenko, M. Poov and L. Sluis, Protection, transient stability and fault ride-through issues in distribution networks with disersed generation, 43 rd International universities Power Engineering conference (UPEC 2008), Padova, Italy, Se [11] P. Mahat, Z. Chen, and B. Bak-Jensen, Control and oeration of distributed generation in distribution systems, Electric Power System Research,vol. 81, no. 2, , 2011.