ج ه ع ی و ی» ع وم و ناوری ی دا ند و ن» سال ششم شماره 4 زمستان 1394 ص 255-263 الگوریتم سریع براي تشخیص خروج از سنکرون ژنراتور هنگام بمباران الکترومغناطیسی 3 2 *1 حبیبا... اعلمی محسن آقازاده رضا دشتی 1- استادیار دانشگاه جامع امام حسین (ع) 2- کارشناس ارشد 3- استادیار دانشگاه علم و صنعت ایران (دریافت: 93/11/27 پذیرش: 94/06/22) چکیده بمبهاي الکترومغناطیسی از یک پالس الکترومغناطیسی قوي براي تخریب هدف استفاده میکنند. موقع استفاده از چنین بمبهایی به دلیل به وجود آمدن شار مغناطیسی قوي جریان زیادي در خطوط انتقال ظاهر میشود که براي تجهیزات مختلف الکتریکی و الکترونیکی میتواند مخرب باشد. در این مقاله الگوریتمی جدید معرفی میشود تا ضمن حفظ انسجام شبکه الکتریکی از بروز نقص در تجهیزات الکتریکی نظامی در طی بمباران الکترومغناطیسی جلوگیري شود. در این تحقیق که از مفهوم معیار سطوح برابر اصلاح شده در حوزه زمان بهره میبرد فرض شده است رلههاي حفاظتی خطوط انتقال قادر به تشخیص اضافه جریانها بوده و فرمانهاي لازم را به مدارشکنها ارسال میکنند تا خطوط مربوطه را جدا کنند. با استفاده از الگوریتم پیشنهادي به جاي استفاده از معیار سطوح برابر در حوزه فرکانس از سطوح برابر در حوزه زمان استفاده شده نوسانهاي سریع توان بررسی شده و بر اساس نتایج بهدست آمده از آن خروج از سنکرون ژنراتورها به سرعت تشخیص داده میشود. سپس حفاظتهاي لازم براي پایداري سامانه و جلوگیري از فروپاشی شبکه به عمل میآید. نتایج شبیهسازي و مقایسه روش پیشنهادي با روش استاندارد مستطیل مرکزي نشان میدهد که روش پیشنهادي نسبت به روشهاي مشابه قبلی از دقت و سرعت بالاتري برخوردار بوده نیازي به کاهش ابعاد سامانه چند ماشینه ندارد و کارایی لازم براي حفظ انسجام شبکه را دارد. کلید واژهها: معیار سطوح برابر خروج از سنکرون پایداري بمباران الکترومغناطیسی. Abstract A Fast Algorithm for Detecting Loss of Synchronism of Generator during Electromagnetic Bombing H. A. Alami, M. Aghazadeh, R. Dashti Imam Hossein University (Received: 16/02/2015; Accepted: 13/09/2015) Electromagnetic bombs use a powerful electromagnetic pulse to destroy the target. When using this kind of bombs, due to presence of strong magnetic flux, high voltages and currents appear on the transmission lines, which are harmful and destructive for all kinds of electrical and electronic equipment. In this paper a new algorithm is introduced with which robustness of electrical network and its electrical components are preserved in a possible electromagnetic attack. In this work,that used from Time-Based Improved Equal Area Criterion (TBIEAC) idea, it is assumed that protective relays of transmission lines are able to detect the over currents and send commands to circuit breakers for disconnecting related lines. Here, with the use of presented algorithm, fast power swings are scrutinized. Based on the results obtained, a decision is made to identify if the specified generator is subjected to a loss of synchronism or not. The simulation results show that the proposed method has higher response and precision compared with the previous methods. Keywords: Equal Area Criterion, Loss of Synchronism, Stability, Electromagnetic Bomb. * Corresponding Author E-mail: halami@ihu.ac.ir Advanced Defence Sci.& Tech., 2015, 3, 255-263
مجله علمی پژوهشی «علوم و فناوريهاي پدافند نوین» سال ششم شماره 4 زمستان 1394 256 1. مقدمه دامنه وسیعی از اغتشاشات بزرگ و کوچک ممکن است در یک سامانه قدرت و در طی شرایط عملکرد رخ دهد. برخی از این خطاها میتواند باعث خروج از سنکرون ژنراتورها از سایر بخشهاي سامانه 1 شوند. در یک موقعیت خروج از سنکرون لازم است ژنراتور یا نواحی سامانه که به طور غیرسنکرون با هم کار میکنند فورا جدا شوند تا از قطعیهاي گسترده و آسیب رسیدن به تجهیزات پیشگیري شود [1]. نوسانهاي بزرگ توان پایدار یا ناپایدار میتوانند موجب عملکردهاي ناخواسته رلهها در نقاط مختلف شبکه شوند که اغتشاشات سامانه را هرچه بیشتر تشدید کرده و منجر به قطعیهاي متوالی و در نتیجه خاموشی سراسري شبکه شوند [2]. متخصصان در حدود نیم قرن پیش به این نکته پی بردند که اگر یک بمب هستهاي منفجر شود امواج الکترومغناطیسی که در اثر انفجار پدید میآید تمامی مدارهاي الکترونیک را در یک محدوده خاص نابود میسازد. بزودي این نکته روشن شد که مناسبترین امواج الکترومغناطیس براي ساخت بمبهاي الکترومغناطیس امواج با فرکانس در حدود گیگا هرتز است. این نوع امواج قادرند به درون انواع دستگاههاي الکترونیک نفوذ کنند و آنها را از کار بیندازند. براي تولید امواج با فرکانس گیگا هرتز نیاز به تولید پالسهاي الکتریکی بود که تنها 100 پیکو ثانیه تداوم پیدا کنند. یک شیوه تولید این نوع پالسها استفاده از دستگاهی به نام «مولد ژنراتور مارکس» بود. گذشته از تولید پالسهاي الکترومغناطیسی طی انفجارهاي هستهاي روشهاي دیگري نیز براي تولید پالسهاي الکترومغناطیسی وجود دارد که میتوان آنها را هدفمندتر از محدودهاي اندك و فرکانسهایی خاص بهکار برد. فناوري اساسی که تولید پالسهاي الکترومغناطیسی در سلاحها توسط آنها صورت میگیرد غالبا عبارتند 2 از: مولدهاي فشردهسازي شار (FCG) ژنراتورهاي Magnet-Hydrodynamic و دستهاي از وسایل پر قدرت 3 مایکروویو (HPM) که در رأس آنها نوسانساز با کاتد مجازي یا ویرکتور (Vircator) قرار دارد البته روشهاي نوین تولید پالسهاي الکترومغناطیسی قدرتمند و نیز پالسهاي الکترومغناطیسی تولید شده در سامانه استفاده از شتاب دهندههاي ذرات باردار پر انرژي میباشد که میتواند حتی به سامانههاي پوششدار و حفاظت شده عادي نیز نفوذ کرده و تخریب لازم روي سامانههاي الکتریکی و الکترونیکی را بر جاي گذارد [3]. بمبهاي الکترومغناطیسی از یک پالس الکترومغناطیسی قوي براي تخریب هدف استفاده میکنند. موقع استفاده از چنین بمبهایی به دلیل به وجود آمدن شار مغناطیسی قوي ناشی از استفاده از چنین بمبهایی جریان زیادي در خطوط انتقال ظاهر میشود که براي تجهیزات مختلف الکتریکی و الکترونیکی میتواند مخرب باشد. جریان شدید حاصل از انفجار بمب الکترومغناطیسی میتواند آسیبهاي جدي بر تجهیزات شبکه قدرت مانند کلیدها ترانسفورماتورها کابلها خطوط هوایی دستگاههاي اندازهگیري و تجهیزات کنترلی وارد نماید [3]. وقتی خط انتقالی در معرض بمب الکترومغناطیسی قرار میگیرد به دلیل ایجاد الکترونهاي آزاد حاصل از بمب ممکن است خط دچار اتصال کوتاه شود. این خطاي شدید موجب یک نوسان سریع توان میشود که به نوبه خود کار رله براي تشخیص خطا را دشوار میکند. در نتیجه ژنراتورهاي یک ناحیه ممکن است با وضعیت خروج از سنکرون مواجه شوند که در صورت عدم انجام عملیات پیشگیرانه شاید باعث خاموشی سراسري سامانه قدرت شود. بنابراین لازم است تا الگوریتمیسریع طراحی شود تا این نوسانات سریع توان تشخیص داده شود. حفاظت خروج از سنکرون به عنوان کمک و راهکاري براي پایداري سامانه طراحی شده است. رلههاي خروج از سنکرون شرایطی را تشخیص میدهند که در آن ژنراتورهاي یک بخش از سامانه شتابدار میشوند در حالی که ژنراتورهاي بخش دیگري از سامانه کند شده و شتاب خود را کاهش میدهند موقع بروز شرایط خروج از سنکرون رله یا ژنراتور را ایزوله میکند و یا سامانه را در نقاط از پیش تعیین شده جداسازي میکند [4]. زاویه توان در طی (δ) نوسان توان نوسان کرده و منجر به نوسان کمیتهاي الکتریکی مثل فرکانس ولتاژ جریان و امپدانس در نقاط مختلف سامانه قدرت میشود. بیشتر روشهاي تشخیص خروج از سنکرون مبتنی بر حس کردن نوسانات و یا نرخ تغییر یکی از کمیتهاي سامانه هستند [5]. یکی از معایب روشهاي مرسوم تشخیص نوسان توان نیاز به بررسیهاي تخصصی سامانه براي تعیین تنظیمات رله است. علاوه بر این این تنظیمات ثابت هستند و موقع تغییرات مداوم شرایط عملکردي سامانه سازگار نخواهند بود [6]. منطق فازي و شبکههاي عصبی مصنوعی نیز به منظور تشخیص شرایط خروج از سنکرون به کار میروند [7]. این روشها نیازمند فرآیند سنگین و زمانبر آموزش هستند تا همه سناریوهاي ممکن نوسان را آموزش دهند. بنابراین با افزایش اتصالات داخلی سامانه این فرایند آموزش دشوار شده و پیچیدگی این روشها نیز افزایش مییابد [8]. اخیرا روشهاي مبتنی بر واحد اندازهگیري فازور 4 (PMU) براي تشخیص موقعیت خروج از سنکرون بهکار گرفته شده است. این روشها نیازمند تجهیزات مخابراتی زیادي در نقاط مختلف سامانه هستند تا اطلاعات را بهدست آورند و مبتنی بر اندازهگیريهاي محلی نیستند [9]. با استفاده از نمایش صفحه فضاي حالت سرعت ژنراتور و زاویه توان روشی براي حفاظت از خروج از سنکرون بهدست میآید. زاویه بحرانی رفع خطا با استفاده از این قاعده محاسبه میشود که کل انرژي سامانه در لحظه رفع خطا باید برابر حداکثر انرژي پتانسیل سامانه باشد. زمان بحرانی رفع خطا متناظر با مقدار زاویه بحرانی رفع خطا به طور مستقیم از کالیبره کردن زمانی سرعت نسبی در برابر منحنی پاسخ زاویه توان بهدست میآید. اثبات شده است که این 4 Phasor Measurement Unit 1 Loss of Synchronism 2 Flux Compression Generator 3 Hi Power Microwave
257 الگوریتم سریع براي تشخیص خروج از... حبیبا... اعلمی و همکاران طرح نسبت به طرح دو کورکننده بسیار سریعتر است. این روش براي تشخیص اولین شرایط خروج از سنکرون یک سامانه دو ناحیهاي با استفاده از اطلاعات گسترده سامانه بهکار میرود. در این روش نیاز است دو ژنراتور به صورت یک سامانه معادل تک ماشین باس بینهایت نمایش داده شود [10]. شرایط خروج از سنکرون حاصل از نوسان ناپایدار توان نیازمند تشخیص سریع نوسان توان و پس از آن جداسازي کنترل شده نواحی مختلف سامانه در مکانهاي از قبل پیشبینی شده است. با این حال به منظور جداسازي عملکرد محلی رلههاي دیستانس باید توسط تابع مسدود کننده خروج از سنکرون مسدود شود. این کار روشهاي تشخیص نوسان توان و خطاهاي متعادل را بر اساس روابط ریاضی اراي ه میدهد [11]. تشخیص خطا و عملکردهاي حفاظت خروج از سنکرون دو الزام مهم در رلههاي دیستانس هستند که به شرایط نوسان توان میپردازند. بخش اول روي توسعه تابع مسدود کننده خروج از سنکرون مبتنی بر آنتروپی موجک با استفاده از نوسان پایدار توان و راهاندازي تابع در طی نوسان ناپایدار توان متمرکز است. بخش دوم از شاخص مبتنی بر آنتروپی تکین موجک براي تمیز بین خطا و نوسان توان بهره میبرد [12]. بیشتر روشهاي فوقالذکر نیازمند تحلیل گسترده سامانه براي تنظیمات رله هستند و در نتیجه براي سامانههاي قدرت چندماشینه مسي له پیچیدهاي را براي تنظیمات رله به وجود میآورند. تشخیص 1 خروج از سنکرون مبتنی بر شرایط معیار سطوح برابر (EAC) کلاسیک در حوزه زاویه توان روشی جدید است که نیازمند منحنیهاي زاویه توان (P e -δ) قبل و پس از اغتشاش سامانه براي رله معلوم میباشد. منحنیهاي P e δ- به پیکربندي سامانه بستگی دارند بنابراین لازم است تجهیزات زیاد اندازهگیري و مخابراتی در نقاط مختلف موجود باشد تا اطلاعات سامانه فعلی را دریافت کنند [13]. روشی مو ثر براي تشخیص ناحیه دچار خروج از سنکرون شده با تحلیل ویژگی تغییر اختلاف زاویه فاز شاخه در مکانهاي مختلف شبکه در زمان از دست دادن پایداري سامانه بهدست می آید. این روش نشان میدهد که بخش خروج از سنکرون تنها میتواند در وسط خطوط واقع بین گروهها رخ دهد [14]. روش پایش ناحیه گسترده براي تشخیص خروج از سنکرون بر 2 اساس WAMS نیز امکانپذیر است. در حقیقت این روش یک سامانه کنترل خروج از سنکرون ناحیه گسترده توسعه یافته است. این روش یک روش تشخیص برخط براي نوسان توان ماشین مبتنی بر الگوریتم دستهبندي است [15]. روش نوین حفاظت خروج از سنکرون در سامانههاي انتقال ولتاژ بالا چندپایانهاي نیز مطرح است. این روش داراي مزیت اندازهگیريهاي سنکروفازور سراسر سامانه است. از دادههاي اندازهگیري شده براي اجراي چندین الگوریتم تشخیص نقطهبهنقطه استفاده میشود. این روش مبتنی بر این پدیده است که در طی از دست رفتن پایداري سامانه اختلاف فرکانس اختلاف ولتاژ و اختلاف جریان در هر نقطه سامانه ظاهر میشود [16]. طرح حفاظت خروج از سنکرون مبتنی بر انرژي نیز از روشهاي جدید میباشد. این روش مبتنی بر پایش پویاي زمان واقعی سامانه است که از طریق پیادهسازي یک تخمینگر حالت دینامیکی حاصل میشود. این تخمینگر تنها از اندازهگیريهاي محلی استفاده کرده و نیازي به اندازهگیريهاي همزمان PMU ندارد [17]. نوآوري این تحقیق استفاده از مفهوم معیار سطوح برابر اصلاح شده در حوزه 3 زمان (یعنی به جاي استفاده از معیار سطوح برابر در حوزه فرکانس از سطوح برابر در حوزه زمان استفاده شود) میباشد. معیار سطوح برابر در حوزه زمان به جاي منحنیهاي منحنیهاي P e -δ P e -t مبتنی بر است و از اطلاعات محلی توان الکتریکی خروجی استفاده میکند. روش معیار سطوح برابر حوزه زمان نیاز به اطلاعات پارامترهاي دیگر سامانه قدرت مثل امپدانس خط پارامترهاي ماشین معادل و غیره ندارد. توان الکتریکی خروجی از اطلاعات ولتاژ و جریان محلی اندازهگیري شده در محل رله و انرژي گذرا که ناحیه زیر P e -t منحنی.2 است محاسبه میشوند و نوسان بسته به نواحی محاسبه شده به عنوان پایدار یا ناپایدار دستهبندي میشود. مو ثر بودن الگوریتم معرفی شده براي یک سامانه یک باس 4 بی نهایت تک ماشینه ) (SMIB و یک سامانه با باس بی نهایت سه 5 ماشینه با استفاده از ابزار شبیهساز نرمافزاري PSCAD نشان داده شده است. مطالعات شبیهسازي نشان میدهد که روش پیشنهادي براي تشخیص شرایط خروج از سنکرون ساده و سریع است. همچنین نتایج بهدست آمده روي سامانه باس بی نهایت سه ماشینه نشان میدهد که براي استفاده مستقیم این روش براي سامانههاي چند ماشینه نیازمند هیچگونه کاهش سامانه نیست. روش تحقیق شکل (1) یک چیدمان SMIB را نشان می دهد که براي نشان دادن معیار سطوح برابر معرفی شده در حوزه زمان بهکار میرود [18]. در شکل (1) ولتاژ نقطه ارسال (Es) نسبت به ولتاژ نقطه دریافت ) R E) به اندازه δپیشفاز است. زاویه δ را زاویه نسبی روتور یا زاویه توان گویند. توان خروجی حالت داي م ژنراتور P e بوده و با توان مکانیکی ورودي به ژنراتور (P m ) برابر است. 3 Time-Based Improved Equal Area Criterion (TBIEAC) 4 Single-Machine-Infinite-Bus 5 Power Systems Computer Aided Design 1 Equal Area Criterion 2 Wide-Area Monitoring Systems
مجله علمی پژوهشی «علوم و فناوريهاي پدافند نوین» سال ششم شماره 4 زمستان 1394 258 که در آن سرعت روتور در طی گذراست. از رابطههاي (1 و 2) رابطه زیر حاصل میشود: (3) سامانه داراي دو خط موازي است امپدانسهایی برابر با وسط خط TL-I و X 1 X 2 TL-II A و TL-II به ترتیب با میباشد. یک خطاي سه فاز در اعمال میشود. با باز شدن همزمان کلیدهاي و B خطا با یک تا خیر رفع میشود. اگر رابطه (1) با استفاده از روشهاي انتگرالگیري عددي حل شود پاسخ گذرا متناظر با اغتشاش در پیکربندي SMIB بهدست میآید [18]: (1) که در آن M ثابت اینرسی ژنراتور و فرکانس سامانه است [14]. مزیت معیار سطوح برابر در حوزه δ این است که پایداري سامانه را بدون حل رابطه نوسان توصیف میکند. مشکلات مربوط به معیار سطوح برابر در حوزه δ جهت تشخیص شرایط خروج از سنکرون در بخش قبلی بحث شد. شکل 2. منحنیهاي P e δ براي سامانه پایدار [13] باس بینهایت ژنراتور شکل 1. دیاگرام تک خطی سامانه تک ماشین باس بی نهایت (SMIB) الگوریتم عنوان شده مبتنی بر منحنی P e t است و این اطلاعات را میتوان مستقیما از اندازهگیريهاي محل رله بهدست آورد. بنابراین الگوریتم معرفی شده براي یافتن منحنی P e t نیازمند حل رابطه نوسان نیست. شکل (2) منحنیهاي P e δ را براي سامانه پایدار نشان میدهد. شکل (3) منحنیهاي نشان میدهد. P e δ را براي یک سامانه ناپایدار شکل 3. منحنیهاي P e δ براي سامانه ناپایدار [13] از این دو منحنی براي بررسی معیار سطوح برابر در حوزه استفاده میشود. منحنیهاي δ Pe t متناظر با دو منحنی در Pe δ شکلهاي (4 و 5) نشان داده شدهاند و این منحنیها براي توصیف الگوریتم معرفی شده بهکار میروند. شکل 4. در شکلهاي (2 و 3) δ 0 زاویه توان در لحظه رفع خطا و معرف زاویه توان قبل از خطا δ c δ max توان است. معیار سطوح برابر در حوزه بودن سامانه δ برابر است با میدهد. براي یک سامانه ناپایدار ناحیه بوده و ناحیه معرف نمایانگر بیشترین نوسان زاویه بیان میکند که براي پایدار π-δ 0 قبل از و ناحیه بزرگتر از ناحیه رخ در δ max δ اتفاق میافتد. بیشترین نوسان -π δ 0 براي نوسان پایدار کمتر از π- δ 0 است.[19] عبارتهاي ریاضی براي ارزیابی نواحی در حوزه و زمان را میتوان از رابطه نوسان (1) بهدست آورد. اگر انحراف سرعت روتور برابر باشد آنگاه منحنیt P e براي سامانه پایدار [18] با انتگرالگیري از رابطههاي (3 و 4) رابطه زیر حاصل میشود: (4) ناحیه از رابطه (4) با قرار دادن حدود انتگرال از تا t 0 t 1 بهدست میآید (شکلهاي (4 و 5)). 0 t زمان شروع خطا (زاویه توان متناظر برابر است با تجاوز میکند. و δ 0 t 1 زمانی است که P m از خط P e (2)
259 الگوریتم سریع براي تشخیص خروج از... حبیبا... اعلمی و همکاران براي شرایط خروج از سنکرون به صورت زیر است: ( 10) که در آن t 0 زمانی است که براي بار اول اتفاق میافتد t max زمانی است که = 0 A t (پایدار) یا زمانی که و (خروج از سنکرون) در رابطههاي (9 و 10) میباشد Δt نمایانگر فاصله زمانی نمونهبرداري شکل 5. منحنی P e t براي سامانه ناپایدار [18] توجه شود که در t 0 روتور سرعت سنکرون است. (5) وقتی انحراف سرعت صفر میباشد چون سرعت P m P e مشابه ناحیه باشد ناحیه t 1 تا t = t 0 براي بهدست میآید. مثبت است. به طور از رابطه (4) با قرار دادن حدود انتگرال از تا t 1 t max (6) که در آن t max زمانی است که δ = δ max باشد. وقتی P m P e باشد ناحیه t max تا t = t 1 براي منفی است. براي یک سامانه پایدار در t max سرعت روتور سرعت سنکرون میباشد بنابراین انحراف سرعت صفر است. براي شرایط خروج از سنکرون سرعت روتور در t max از سرعت سنکرون بیشتر است. بنابراین کل ناحیه براي شرایط پایدار و خروج از سنکرون از رابطههاي (5 و 6) به صورت زیر بهدست میآید: است زمانی که پس از آن مقدار جدید P e براي رله خروج از سنکرون فراهم میشود. در رابطه (9) و حد t max براي مورد پایدار همواره به خاطر تقریب انتگرالگیر با جمع به طور دقیق برابر صفر نمیشوند. به صورت زیر اصلاح میشوند: ( 11) که در آن A t و 0 زمانی که A t-δt> 0 t max (پایدار) است. رابطههاي (10 و 11) در کنار شرایط براي t 0 و t max شکل دهنده الگوریتم معرفی شده براي تشخیص خروج از سنکرون هستند. بر اساس الگوریتم معرفی شده با توجه به شرایط پایدار یا خروج از سنکرون همیشه تصمیمی در t max (زمان متناظر با δ) max با خطایی برابر Δt یا کمتر گرفته میشود. بنابراین الگوریتم کلی را میتوان به صورت روندنماي شکل (6) مطرح کرد. در رابطه (9) فرض شده است که ژنراتورها بدون تلفات هستند. با این حال در یک سامانه واقعی P e محاسبه شده از طریق اندازهگیريهاي محلی در لحظه شروع خطا باید تلفات و سایر بارهاي (بار خانگی و غیره) متصل به ژنراتور را اصلاح کرد. ( 7) براي شرایط خروج از سنکرون به صورت زیر است: ( 8) رابطههاي (7 و 8) معادلات معیار سطوح برابر در حوزه زمان هستند و بیان میکند در طی دوره گذرا اگر برابر باشند سامانه پایدار میشود. اما اگر ناحیه و طی منحنی P e t منحنی بزرگتر از ناحیه شود سامانه به شرایط خروج از سنکرون نمیرود. ناحیه زیر P e t نمایانگر انرژي است. بنابراین میتوان این مفهوم را معیار موازنه انرژي در حوزه زمان نامید. تعادل در انرژي گذرا باعث نوسان پایدار میشود در حالی که یک نامتعادلی در انرژي گذرا باعث نوسان خروج از سنکرون خواهد شد. P e انتگرالها در رابطههاي (7 و 8) با استفاده از جمع سطوح ساده میشوند و قبل از شروع خطا میتوان P m را برابر P e قرار داد. حدود زمانها نیز برحسب بیان میشوند. بنابراین براي شرایط پایدار مجموع دو ناحیه و برابر میشود با: شکل 6. روندنماي الگوریتم پیشنهادي ( 9)
مجله علمی پژوهشی «علوم و فناوريهاي پدافند نوین» سال ششم شماره 4 زمستان 1394 260 در مطالعات وقتی فرض میشود شرایط ناپایدار است که دامنه بیشترین اغتشاش (تغییر در P e از مقدار اصلی) بیشتر از %10 باشد. به این طریق از محاسبات اضافی مربوط به نویز و سایر نوسانات دینامیکی اجتناب میشود. در پیادهسازي عملی این روش در ترکیب با یک عنصر راهانداز رله بهکار خواهد رفت بنابراین تنها براي مواقع خطا عمل میکند. معیار ناپایداري بحث شده در این بخش نشان میدهد که روش ساده بوده و به سرعت به جواب میرسد. بنابراین براي استفاده در اهداف حفاظتی خروج از سنکرون بسیار مناسب است..3 نتایج و بحث الگوریتم اراي ه شده روي یک سامانه سه ماشین متصل به باس بی نهایت در دو حالت پایدار و خروج از سنکرون آزمایش شده است و نتایج آن اراي ه میشود. از یک سامانه سه ماشینه متصل به باس بی نهایت همانند شکل (7) استفاده شده است تا مو ثر بودن الگوریتم روي یک سامانه پیچیده نشان داده شود. البته براي شبیهسازي میتوان از شبکههاي نمونه بزرگتر استفاده کرد. اما بزرگی یا کوچکی سامانه در این روش اثري ندارد و هدف نشان دادن قدرت الگوریتم اراي ه شده در تشخیص نوسان تنها یک ژنراتور است. بنابراین سامانه هر تعداد باس که داشته باشد و هر تعداد ژنراتور در حال کار باشند تا ثیري در عملکرد این الگوریتم ندارد. پارامترهاي سامانه در زیر آورده شده است: پارامترهاي سامانه سه ماشینه توان پایه = 635 مگاولتآمپر توان نامیژنراتور = 1 555 مگاولتآمپر توان نامیژنراتور = 2 635 مگاولتآمپر توان نامیژنراتور = 3 66 مگاولتآمپر ولتاژ باس = 24 کیلوولت Z1=0.048+ j0.48ω, Z2=0.00576+ j0.573ω, Z3=0.0288+ j0.288 Ω Z4=0.0576+ j0.576ω, Z5=0.0142+ j0.142 Ω, Z6=0.0192+ j0.192ω, Z7=j0.0957Ω رله خروج از سنکرون نصب شده است تا شرایط خروج از سنکرون ژنراتور را تشخیص دهد. الگوریتم اراي ه شده روي منحنی (Gen2) مربوط به ژنراتور 1-3. موارد پایدار Gen2 اعمال میشود. براي اولین مورد شبیهسازي خطاي سه فاز در باس 1 اعمال میشود. بار پیش از خطا برابر 1/5pu بوده و مدت زمان خطا 0/1 ثانیه است. منحنیهاي است. از منحنی براي هر سه ژنراتور در شکل (8) نشان داده شده مربوط به ژنراتور 2 ناحیه برابر با A 1 pu-s 0/0568 میباشد. پس از 0/2882 ثانیه ناحیه کل برابر صفر شده و نوسان به عنوان نوسان پایدار تشخیص داده میشود. در جدول (1) سناریوهاي شبیهسازي در حالت پایدار و در جول (2) سناریوهاي شبیهسازي در حالت خروج از سنکرون آورده شده است. جدول 1. سناریوهاي شبیهسازي در حالت پایدار ژنراتور 2 بار پیش از خطا pu مدت زمان خطا ثانیه 1/2 0/25 1/5 0/1 شکل 7. دیاگرام تک خطی یک سامانه سه ماشین متصل به باس بی نهایت [18] بار پیش از خطا برابر 1/2 قرار داده شده است. خطاي pu سه فاز در باس 1 اعمال میشود و پس از 0/25 ثانیه رفع میگردد. منحنی شده است. از منحنی براي این مورد در شکل (9) نشان داده مربوط به ژنراتور 2 بهدست میآید که ناحیه A 1 برابر است با 0/1632 pu-s و پس از 0/6642 ثانیه ناحیه کل برابر صفر میشود و بنابراین این مورد هم نوسان پایدار تشخیص داده میشود. جدول 2. سناریوهاي شبیهسازي در حالت خروج از سنکرون بار پیش از خطا pu مدت زمان خطا ثانیه 1/2 0/3 1/5 0/25 2-3. موارد منجر به خروج از سنکرون در اینجا نیز دو شبیهسازي انجام میشود تا شرایط خروج از سنکرون با استفاده از الگوریتم معرفی شده نشان داده شود. در اولین شبیهسازي بار پیش از خطا در سامانه برابر است با 1/5 pu خطاي سه فاز در باس 1 اتفاق میافتد و پس از 0/25 ثانیه رفع میشود. منحنیهاي براي این شبیهسازي در شکل (10) نشان داده شدهاند. از منحنی مربوط به ژنراتور Gen2 ناحیه ناحیه A 1 برابر 0/2020 pu-s و A 2 برابر 0/0116 pu-s هستند. پس از شرایط خروج از سنکرون تشخیص داده میشود و ناحیه کل A برابر با 0 1905/ pu-s میشود. در مورد بعدي بار پیش از خطا برابر 1/2 pu قرار داده شده است. خطاي سه فاز در باس 1 اعمال میشود و پس از 0/3 ثانیه رفع میشود. شکل (11) منحنیهاي منحنی ناحیه مربوط به ژنراتور را براي این مورد نشان میدهد. از ناحیه Gen2 بریکر ژنراتور 3 ژنراتور 1 برابر با 0/2053 pu-s و برابر 0/0025 pu-s است. پس از مدت زمان 0/3602 ثانیه این مورد به عنوان یک شرایط خروج از سنکرون تشخیص داده
261 الگوریتم سریع براي تشخیص خروج از... حبیبا... اعلمی و همکاران میشود. خلاصهاي از نتایج شبیهسازي شرایط پایدار و خروج از سنکرون براي یک سامانه سه ماشینه باس بی نهایت در جدول (3) لیست شده است. با توجه به جدول (3) با افزایش مدت زمان خطا وضعیت از حالت پایدار به حالت خروج از سنکرون میرسد. ملاحظه میشود که در حالت پایدار سطوح و با هم برابرند و در حالت خروج از سنکرون مقدار مطلق ناحیه بیشتر از ناحیه است و در نتیجه پدیده خروج از سنکرون اتفاق میافتد. نکته مهم این است که الگوریتم اراي ه شده قادر است در زمان مناسب و با توجه به اندازهگیريه يا مربوط به حوزه زمان ولتاژ و جریان خروجی ژنراتور حالات پایدار و خروج از سنکرون را تشخیص داده و اعلام کند. به ای ن ترتیب میتوان در حالت خروج از سنکرون ژنراتور یا ژنراتورهاي مربوطه را از مدار خارج کرد تا مانع خروج دیگر ژنراتورهاي سامانه از حالت سنکرون شد. در نتیجه تنها انرژي الکتریک ی ناحیهاي خاص تحت تا ثیر (خاموشی) قرار میگیرد و نواحی دیگر نجات مییابند. ای ن موضوع در رابطه با مساي ل نظامی اهمیت بیشتري هم مییابد. به ویژه آنکه خاموشی بخشی از شبکه برق نباید به بخشه يا کند و تجهیزات واقع در آنها دچار اختلال شوند. 3-3. مقایسه نتایج با طرح مستطیل مرکزي حساس سرایت شکل 9. منحنیهاي براي بار پیش از خطاي 1/2 pu و زمان رفع خطاي 0/25 ثانیه شکل 10. منحنیه يا خطاي 0/25 ثانیه (محور افقی برحسب ثانیه). براي بار پیش (محور افقی برحسب ثانیه). از خطاي 1/5 pu و زمان رفع براي مقایسه عملکرد یک رله امپدانسی با طرح مستطیل مرکزي در یک سر خط TL-I (شکل (12)) قرار میگیرد که %80 خط را حفاظت میکند. نوسان توان در اعمال یک خطا در وسط خط TL-I TL-II مدارشکنهاي A و B بهدست میآید. از طریق و عملکرد همزمان با تا خیر زم انی نسبت به وق وع خطا با استفاده از تنظیمات یاد شده شبیهسازيهاي مختلفی براي مقایسه الگوریتم اراي ه شده با طرح مستطیل مرکزي انجام میگیرد. در شبیهسازي اول ز اویه توان پیش از خطا برابر = 30 δ و زمان رفع خطا برابر 14 سیکل (0/233 ثانیه) قرار داده میشود. براي تشخیص اینکه آیا سامانه دچار خروج از سنکرون است یا نه طرح مستطیل مرکزي 4/93 ثانیه طول میکشد. مکان هندسی نوسان در شکل (13) نشان داده شده است. شکل 11. منحنیه يا خطاي 0/3 ثانیه (محور افقی برحسب ثانیه) براي بار پیش از خطاي 1/2 pu و زمان رفع شکل 8. منحنیهاي براي بار پیش از خطاي 1/5 pu و زمان رفع خطاي 0/1 ثانیه (محور افقی برحسب ثانیه) شکل 12..مکان هندسی امپدانس براي شرایط خروج از سنکرون و تنظیمات کورکننده (طرح مستطیل مرکزي).
مجله علمی پژوهشی «علوم و فناوريهاي پدافند نوین» سال ششم شماره 4 زمستان 1394 262 1/2 0/3 0/205-0/002 0/202 0/360 خروج از سنکرون جدول 3. خلاصه نتایج شبیه سازي سامانه سه ماشین باس بی نهایت بار پیش از خطا pu مدت زمان خطا ثانیه ناحیه 1/5 0/25 0/202-0/011 0/190 1/2 0/25 0/163-0/163 0 1/5 0/1 0/056-0/056 0 pu-s A 1 ناحیه 2 pu-s A A=A 1+A 2 زمان تصمیم ثانیه نوع تصمیم 0/382 0/664 0/288 پایدار پایدار خروج از سنکرون شکل 13..مکان هندسی نوسان خروج ازسنکرون براي مدت زمان خطاي 14 سیکل و = 30 δ در شکل (12) موارد زیر وجود دارد: مقاومت درونی راست مقاومت بیرونی راست مقاومت بیرونی چپ مقاومت درونی چپ راکتانس درونی بالا راکتانس بیرونی بالا مستطیلهاي انتهایی 0/3 پریونیت = 0/4 پریونیت = = 0/3 پریونیت = 0/4 پریونیت = 0/2 پریونیت = 0/3 پریونیت = 1/94 پریونیت. (RRI) (RRO) (LRI) (LRO) (TXI) (TXO) (BX) نوسان به تنهایی 27/5 سیکل (0/458 ثانیه) طول میکشد تا بین دو مستطیل مرکزي نوسان کند. براي این مورد الگوریتم اراي ه شده تنها 0/6 ثانیه براي تشخیص خروج از سنکرون زمان میبرد. در مورد بعدي زمان رفع خطا به 16 سیکل (0/26 ثانیه) افزایش مییابد. مکان هندسی نوسان 20/98 سیکل (0/349 ثانیه) طول میکشد تا به طور کامل بین دو مستطیل مرکزي جابهجا شود و تصمیم مبنی بر خروج از سنکرون در 4/70 ثانیه اتخاذ میشود در حالی که الگوریتم اراي ه شده تنها 0/5 ثانیه براي تصمیمگیري زمان میبرد. افزایش زمان رفع خطا باعث تشدید نوسان میشود بنابراین مکان هندسی نوسان در 17/37 سیکل (0/289 ثانیه) بین دو مستطیل جابهجا میشود. طرح مستطیل مرکزي 4/58 ثانیه و الگوریتم اراي ه شده 0/47 ثانیه براي تصمیمگیري زمان نیاز دارد. نتایج در جدول (4) اراي ه شده است. نتایج نشان میدهد که الگوریتم اراي ه شده نسبت به طرح استاندارد مستطیل مرکزي دقیقتر و سریعتر است. توجه شود که زمان تصمیمگیري براي یک طرح مستطیل مرکزي به دستورالعملهاي بهکار رفته براي تنظیمات رله بستگی دارد. در کنار این یافتن تنظیمات لازم براي روش مستطیل مرکزي خیلی سرراست و آسان نیست. این تنظیمات به پارامترهاي سامانه بستگی دارد حال آنکه الگوریتم اراي ه شده مستقل از پارامترهاي سامانه است که یک مزیت فوقالعاده خوب به شمار میآید. به این ترتیب وقتی بمباران الکترومغناطیسی صورت گیرد و بخشی از خط اضافهجریانهایی را تجربه کند طوري که این اتفاقات در نهایت ممکن است باعث خروج از سنکرون ژنراتور یا ژنراتورهایی شود آنگاه الگوریتم اراي ه شده براي ر هل خروج از سنکرون ژنراتور با توجه به مزایایی که براي آن برشمرده شد میتواند در زمان مناسب تشخیص مناسب را انجام دهد. جدول 4. مقایسه الگوریتم پیشنهادي با طرح مستطیل مرکزي زاویه توان پیش از خطا (δ) تعداد سیکل خطا مدت زمان خطا ثانیه زمان تصمیمگیري (طرح مستطیلی) ثانیه زمان تصمیمگیري (الگوریتم پیشنهادي) ثانیه 30 درجه 18 0/30 4/58 0/47 30 درجه 16 0/26 4/70 0/50 30 درجه 14 0/23 4/93 0/60 نتیجهگیري 4. در این مقاله الگوریتمی جدید معرفی شد تا انسجام شبکه الکتریکی حفظ شده و از نقص تجهیزات الکتریکی نظامی در طی بمباران الکترومغناطیسی جلوگیري شود. با اصلاح شرایط معیار سطوح برابر کلاسیک به حوزه زمان روشی براي تشخیص خروج از سنکرون ژنراتورها اراي ه و کارایی آن روي یک سامانه سه ماشین متصل به باس بی نهایت آزمایش شد. این الگوریتم قادر است بر اساس اطلاعات ولتاژ و جریان در محل رله به خوبی بین نوسانات پایدار و خروج از سنکرون تبعیض قاي ل شود. این تحلیل نشان داد که الگوریتم پیشنهادي به هیچ پارامتري از خط و یا مطالعات خارج از خط سامانه نیاز ندارد. مطالعات شبیهسازي با استفاده از الگوریتم پیشنهادي و روش استاندارد مستطیل مرکزي روي یک پیکربندي سه ماشین متصل به باس بی نهایت نشان داد که الگوریتم اراي ه شده را میتوان به خوبی به یک سامانه چندماشینه اعمال کرد بدون آنکه نیاز به کاهش ابعاد سامانه باشد.
263 الگوریتم سریع براي تشخیص خروج از... حبیبا... اعلمی و همکاران [10] Shrestha, B.; Gokaraju, R.; Sachdev, M. Out-of-Step Protection Using State-Plane Trajectories Analysis ; IEEE Trans. Power Delivery 2013, 27, 1083-1093. [11] Gautam, S.; Brahma, S. M. Out-of-Step Blocking Function in Distance Relay Using Mathematical Morphology ; IET Gen. Trans. Dis. 2012, 6, 313-319. [12] Dubey, R.; Samantaray, S. R. Wavelet Singular Entropy-based Symmetrical Fault-Detection and Out-of-Step Protection during Power Swing ; IET Gen. Trans. Dis. 2013, 7, 1123-1134. [13] Kirby, B.; Zou, L.; Cao, J.; Kamwa, I. Development of a Predictive Out-of-Step Relay Using Model Based Design ; 2nd IEEE PES Int. Conf. and Exhibition 2011, 1-6. [14] Xiangxia, M.; Zhanjun, Q. Forecast of Out-of-Step Section in Complicated Power System ; Intelligent System Design and Engineering Application (ISDEA), Second Int. Conf. 2012, 266-269. [15] Yingtao, W.; Yong, T.; Lijie, D.; Chuankai, Z.; Zhen, C.; Yuanchao, H. "A Wide-Area Coordinated Out-of-Step Control System"; Power System Technology (POWERCON), Int. Conf. 2014, 691-695. [16] Krata, J.; Balcerek, P.; Gajic, Z. The New Frequency Difference Based Out-of-Step Protection For Multi Terminal Transmission System ; Developments in Power System Protection (DPSP 2014), 12th IET Int. Conf. 2014, 1-6. [17] Farantatos, E.; Huang, R.; Cokkinides, G. J.; Meliopoulos, A. P. A Predictive Out-of-Step Protection Scheme Based on PMU Enabled Dynamic State Estimation ; Power and Energy Society General Meeting IEEE, 2011, 1-8. [18] Cheng, S.; Sachdev, M. S. Out-of-Step Protection using the Equal Area Criterion ; In Proc. Canadian Conf. Electrical and Computer Eng. 2005, 1488 1491. [19] Grigsby, L. L. Power System Stability and Control ; 3th Ed., CRC Press, 2012. 5. مراجع [1] Elmore, W. A. Protective Relaying Theory and Applications ; 2nd Ed., New York: Marcel Dekker, 2004. [2] Blackburn, J. L.; Domin, D. J. Protective Relaying: Principles and Applications ; 4 th Ed., CRC Press, 2014. [3] Aalami, H. A.; Ramezani, H. Assess Vulnerable Points of Power Generation and Transmission Centers in the Military Attacks and Solutions for the Improvement of Passive Defense Indices ; Passive Defense Conf., Imam Hossein Univ. 2012 (In Persian). [4] Holbach, J. New Out of Step Blocking Algorithm for Detecting Fast Power Swing Frequencies ; In Proc. Power Systems Conf.: Advanced Metering, Protection, Control, Communication, and Distributed Resources 2006, 182 199. [5] Liu, Y. Aspects on Power System Islanding for Preventing Wide Spread Blackout ; In Proc. IEEE Int. Conf. Networking, Sensing and Control 2006, 1090 1095. [6] Mechraoui, A. A New Principle for High Resistance Earth Fault Detection during Fast Power Swings for Distance Protection ; IEEE Trans. Power Delivery 1997, 12, 1452 1457. [7] Paudyal, S.; Ramakrishna, G.; Sachdev, M. S. Application of Equal Area Criterion Conditions in the Time Domain for Out-of- Step Protection ; IEEE Trans. Power Delivery 2010, 25, 600 609. [8] Rebizant, W. Fuzzy Logic Application to Out-of-Step Protection of Generators ; In Proc. IEEE Power Eng. Soc. Summer Meeting, 2001, 2, 927 932. [9] Padiyar, R.; Krishna, S. Online Detection of Loss of Synchronism Using Energy Function Criterion ; IEEE Trans. Power Delivery 2006, 21, 46 55.