ترجمه مقاله توان راکتیو در ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم های قدرت

جوانبی از توان راکتیو در ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم های قدرت

Reactive Power Aspects in Reliability Assessment of Power Systems

 

چکیده- توان راکتیو نقش قابل توجهی در بهره برداری سیستم های قدرت ایفا می کند. با این حال، در ارزیابی قابلیت اطمینان، توجه آنچنانی به توان راکتیو نشده است. در ارزیابی های مرسوم قابلیت اطمینان سیستم قدرت، مقادیر کمینه و بیشینه ثابتی به عنوان محدودیت های توان راکتیو ژنراتورها اعمال می شود. نواقص و معایب منابع توان راکتیو به ندرت مورد توجه قرار گرفته اند. دلایل تفصیلی خطاهای شبکه برای یک پیشامد خاص نیز خیلی مطالعه نشده اند. قطع بار توان حقیقی معمولا برای رفع خطاهای شبکه بدون در نظر گرفتن نقش توان راکتیو به کار می رود. در روش های موجود هیچ شاخص قابلیت اطمینان متناظری برای کمبود توان راکتیو تعریف نشده است. کمبود توان راکتیو و ناهماهنگی های ولتاژ حاصل از نواقص منابع توان راکتیو، در این مقاله مورد توجه قرار گرفته اند. شاخص های قابلیت اطمینان جدیدی ارائه می شوند تا نشان دهنده تاثیر کمبود توان راکتیو روی قابلیت اطمینان سیستم باشند. شاخص های قابلیت اطمینان حاصل از کمبود توان راکتیو تعریف و از شاخص های مربوط به کمبود توان حقیقی جدا شده اند. محدویت های توان راکتیو که توسط خروجی توان حقیقی ژنراتور و با استفاده از منحنی P-Q  تعیین می شود، مورد مطالعه قرار گرفته است. یک تکنیک تزریق توان راکتیوی معرفی می شود تا میزان کمبود توان راکتیو و محل آن تعیین شود. برای تشریح تکنیک ارائه شده، یک سیستم 30 شین IEEE اصلاح شده و مورد تحلیل قرار می گیرد. نتایج حاصل از این بررسی باعث می شود در زمینه مدیریت توان حقیقی و راکتیو، اطلاعات مهم و قابل توجهی عاید طراحان و بهره برداران شود.

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

 

1. مقدمه

توان راکتیو یکی از نیازمندی های اساسیس برای پایداری ولتاژ سیستم به شمار می آید. در طی عملکرد پس از اغتشاش و با در نظرگرفتن نواقص احتمالی منابع توان راکتیو، انتظار می رود ذخیره کافی توان راکتیو بتواند یکپارچگی سیستم را حفظ کند. پشتیبانی توان راکتیو و کنترل ولتاژ به عنوان خدمات کمکی خوب بنا شده، یک نقش حیاتی در عملکرد سیستم قدرت ایفا می کنند. در منابع [1]-[8]، تاثیر توان راکتیو روی پایداری و امنیت سیستم به خوبی بررسی شده است. خاموشی های سراسری ناحیه بزرگ معمولا در سیستم های با بار زیاد که ذخیره کافی از توان راکتیو ندارند رخ می دهد. سیستم های با بار زیاد معمولا تقاضای توان راکتیو و تلفات توان راکتیو زیادی در شبکه های انتقال دارند. در طی یک پدیده، مولفه توان حقیقی بارگذاری خط به طور قابل توجهی تغییر نمی کند، در حالی که پخش توان راکتیو می تواند به طور چشمگیری تغییر کند [1]. دلیل آن این است که افت ولتاژ باس حاصل از معیوب بودن یک تجهیز باعث می شود تولید توان راکتیو منتجه از شارژ خط و خازن های شنت کاهش پیدا کند. لذا، حتما باید ذخیره مناسب و کافی از توان راکتیو موجود باشد تا بتواند هنگام یک پدیده یا اغتشاش، نیازمندی های Var را رفع کند. توان راکتیوی که توسط یک سیستم قدرت می تواند تحویل داده شود بستگی دارد به پیکربندی آن سیستم، شرایط عملکرد، و محل منابع توان راکتیو. نتایج بدست آمده از [1]-[8] نشان می دهد که توان راکتیو کلید حل مسائل و مشکلات ولتاژی در عملکرد سیستم بوده و باید ارزیابی قابلیت اطمینان شبکه مورد توجه قرار گیرد.

تکنیک های ارزیابی قابلیت اطمینان به خوبی در [9]-[12] توسعه یافته اند. در این تکنیک ها، مقادیر بیشینه و کمینه ثابتی به عنوان محدوده های توان راکتیو ژنراتورها اعمال می شود. ناهماهنگی های به وجود آمده در شبکه حین وقوع یک پدیده یا اغتشاش معمولا از طریق قطع بار توان اکتیو رفع می شوند و توجه آنچنانی به نقش توان راکتیو نمی شود. ولتاژها، تولید توان راکتیو و پخش بارهای پس از وقوع حادثه با استفاده از تحلیل حساسیت تخمین زده شدند [13]. با به کارگیری تخمین خطی تکه ای، تاثیر محدودیت های تجهیزات روی تخمین ها بدست آمد. تاثیر خازن شنت روی قابلیت اطمینان سیستم توزیع در [14] مورد مطالعه قرار گرفت. تاثیر محدودیت های ولتاژ و محدویت های توان راکتیو روی قابلیت اطمینان سیستم نیز با استفاده از تکنیک پخش بار dc بررسی شد [15]. مقدار مورد انتظار kWh محدود شده در اثر عدم تولید توان راکتیو و مقدار مورد انتظار نامنظمی ولتاژ محاسبه شدند [15].

با این حال، در تکنیک های قابلیت اطمینان موجود به ندرت به مسائل ذیل توجه شده است. اول، بیشتر تکنیک های موجود نواقص(شکست ها) منابع تولید توان راکتیو همچون کندانسورهای سنکرون و جبرانسازهای Var را نادیده گرفته اند. دوم، در حین قطع بار پس از اغتشاش، ناهماهنگی های شبکه در نتیجه کمبود توان حقیقی از ناهماهنگی های مربوط به توان راکتیو ناکافی تمییز داده نشده اند. سوم، هیچ شاخص و تکنیک متناظری برای حل مسائل قابلیت اطمینان منتجه از ناکافی بودن توان راکتیو، وجود ندارد. در نهایت، همبستگی بین توان حقیقی و راکتیو خروجی از یک ژنراتور، که توسط منحنی P-Q مشخص می شود، مورد توجه قرار نگرفته است. لذا، شاخص های قابلیت اطمینان موجود، برای طراحان و بهره برداران سیستم کافی نیست تا اینکه بتوانند تصمیمات معقولی در راستای طراحی و بهره برداری سیستم اتخاذ کنند.

این مقاله تکنیکی را جهت ارزیابی شاخص های قابلیت اطمینان ارائه می کند که هر دو کمبود توان های حقیقی و راکتیو منتجه از نواقص منابع توان حقیقی و راکتیو مثل ژنراتورها، کندانسورهای سنکرون و جبرانسازها را در نظر می گیرد. کمبود توان راکتیو و ناهماهنگی های ولتاژ حاصل از آن در نتیجه معیوب بودن منابع توان راکتیو مورد توجه قرار می گیرند. شاخص های جدید قابلیت اطمینان جهت نشان دادن تاثیر کمبود توان راکتیو روی قابلیت اطمینان سیستم ارائه می شوند. شاخص های قابلیت اطمینان مربوط به توان راکتیو از آنهایی که به کمبود توان حقیقی مربوط هستند، تمییز می شوند. تکنیک تزریق توان راکتیو معرفی می شود تا میزان کمبود توان راکتیو و مکان آن مشخص شود. محدویت توان راکتیو یک ژنراتورکه بر اساس توان حقیقی خروجی آن تعیین می شود، با استفاده از منحنی P-Q مطالعه شده است.

بخش 2 به اختصار مسائل توان راکتیو مربوط به قابلیت اطمینان سیستم را مرور می کند. ست پوینت (نقطه تنظیم) ولتاژ برای قطع بار نیز بحث می شود. در بخش 3، مدل اساسی قابلیت اطمینان برای یک تجهیز شامل منبع توان راکتیو معرفی می شود. شاخص های قابلیت اطمینان مربوط به توان های حقیقی و راکتیو تعریف می شوند. تکنیک فیلترینگ حادثه برای ارزیابی قابلیت اطمینان نیز بحث می شود. تکنیک ارزیابی قابلیت اطمینان در بخش 4 ارائه می شود. روش های قطع بار و تزریق توان شامل هر دوی کمبود توان های حقیقی و راکتیو نیز معرفی می شوند. سیستم 30 شین IEEE اصلاح شده با استفاده از نکنیک های ارائه شده تحلیل شده اند و نتایج در بخش 5 بیان شده اند. بخش 6 نتیجه گیری مقاله را شامل می شود.

2. مسائل توان راکتیو

1. مشخصات توان راکتیو

در بهره برداری از سیستم قدرت، سه جنبه موجود است که توان راکتیو را از توان حقیقی جدا تمییز می دهد که باید در ارزیابی قابلیت اطمینان مورد توجه قرار گیرند. اول، انتقال توان راکتیو در یک مسافت طولانی کارآمد نیست چون تلفات توان راکتیو در خطوط انتقال قابل توجه بوده و ولتاژ باس به توان راکتیو بسیار حساس است. لذا، در شبکه های با اتصال ضعیف کمبود توان راکتیو معمولا بصورت محلی جبران می شود. دوم، نقش اصلی توان راکتیو تامین پایداری/امنیت ولتاژ سیستم های قدرت است. بنابراین، تاثیر توان راکتیو در قابلیت اطمینان سیستم برحسب انرژی تامین نشده، بصورت غیرمستقیم بوده و باید بر اساس کمبود توان راکتیو و ناهماهنگی های ولتاژ محاسبه شود. در نهایت، تلفات توان رکتیو با پیکربندی سیستم و شرایط عملکردی آن تغییر می کند [7],[8]. نیازمندی های توان راکتیو برای بازیابی ولتاژ پس از یک حادثه به شدت بستگی دارند به توزیع ذخیره توان راکتیو در سیستم قدرت. به منظور تعیین معقول و منطقی پخش توان حقیقی و راکتیو و قطع بار پس از حادثه، مشخصات توان حقیقی و راکتیو متناظر با ولتاژ باس و همبستگی آنها باید مورد توجه قرار گیرد. مشخصات توان حقیقی و راکتیو به طور کامل در [16]-[18] مطالعه شده است. منحنی های P-V، Q-V و P-Q که ارتباط بین توان حقیقی، توان راکتیو و ولتاژ را نشان می دهند، در این مقاله برای توزیع توان حقیقی و راکتیو و قطع بار مورد توجه قرار گرفته اند.

 

2. کنترل و قطع بار ولتاژ پایین (Under-Voltage Control and Load Shedding)

پایداری ولتاژ باس یک مساله مهم در بهره برداری سیستم قدرت بوده و باید در ارزیابی قابلیت اطمینان آن مورد توجه قرار گیرد. برای حل مسائل پایداری ولتاژ حاصل از کمبود توان راکتیو تکنیک های حاضر موجود اند. بطور کلی، کنترل پیشگیرانه یا اصلاحی می تواند مشکلات ولتاژ را حل و فصل کند. کنترل پیشگیرانه قصد دارد تا قبل از وقوع ناپایداری ولتاژ، از آن جلوگیری کند، در حالی که کنترل اصلاحی برای پایدار کردن یک سیستم سرسخت پس از حادثه است که این کار با اقداماتی چون کلیدزنی راکتورهای جبرانساز، افزایش نقطه پیک ولتاژ ژنراتور، کنترل ثانویه ولتاژ و توزیع مجدد ژنراتور و .. صورت می گیرد. قطع بار ولتاژ پایین آخرین چاره برای حل مسائل سرسخت ولتاژ است و این موضوع در این مقاله برای تعیین محرومیت های بار حاصل از کمبود توان راکتیو به کار گرفته می شود [19]-[21]. براساس [22]-[24] وقتی حوادث تا مرتبه دوم در نظر گرفته شوند، 10% اختلاف ولتاژ پس از حادثه که کمتر از کمترین ولتاژ نرمال (95 %) باشد، قابل قبول می باشد. در این مقاله هر دوی 85/0 پریونیت و 9/0 پریونیت به عنوان ست پوینت های ولتاژ برای قطع بار به کار می روند.

3. شاخص های قابلیت اطمینان و پایش حادثه

1. مدل قابلیت اطمینان تجهیز

تجهیزی از یک سیستم مثل ژنراتور، خط انتقال یا جبرانساز توان راکتیو را می توان با استفاده از مدل قابلیت اطمینان دو حالته نمایش داد [25] که در شکل 1 دیده می شود. موجود بودن A و موجود نبودن U یک تجهیز را می توان براساس نرخ معیوب بودن λ و نرخ تعمیر μ و به کار گیری معادلات زیر محاسبه کرد:

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

2. پارامترهای قابلیت اطمینان سیستم

برای سیستمی با N تجهیز مستقل، احتمال حالت p_i ، نرخ انحراف λ_i، فرکانس F_i، و کل ظرفیت توان حقیقی موجود سیستم P_i برای حالت i با M تجهیز معیوب را می توان با معادلات زیر محاسبه کرد:

که A_j، U_j، λ_j و μ_j به ترتیب موجودبودن، موجود نبودن، نرخ معیوب بودن و نرخ تعمیر تجهیز j هستند، P_k ظرفیت توان حقیقی ژنراتور k، و Ngi تعداد ژنراتورهای موجود در سیستم برای حالت i است.

It should be noted that the state probability have to be adjusted for a common cause failure.

 

3. شاخص های قابلیت اطمینان

به منظور فراهم کردن اطلاعات قابلیت اطمینان توان های حقیقی و راکتیو سیستم برای طراحان و بهره برداران سیستم، قطع بارهای (load curtailments) توان حقیقی و راکتیو حاصل از کمبود توان حقیقی، به ترتیب به صورت ELC_P و EQC_P تعریف می شوند. قطع بارهای توان حقیقی و راکتیو حاصل از کمبود توان راکتیو یا ناهماهنگی های ولتاژ نیز به ترتیب به صورت EENS_P و EENS_Q تعریف می شوند. Var مورد انتظار تامین نشده در اثر کمبود توان های حقیقی و راکتیو نیز به ترتیب با EV NS_P و EV NS_Q نمایش داده می شوند. کمبود Var مورد انتظار حاصل از ناهماهنگی ولتاژ بصورت EVarS تعریف می شود. این شاخص ها را می توان به کمک معادلات زیر اینگونه تعریف کرد:

 

 

که NC تعداد کل حوادث در نظر گرفته شده است، LC_Pi و QC_Pi به ترتیب قطع بارهای حقیقی و راکتیو حاصل از کمبود توان حقیقی برای حالت i هستند. LC_Qi  و QC_Qi به ترتیب قطع بارهای حقیقی و راکتیو حاصل از کنبود توان راکتیو برای حالت i هستند و VarS_Qi کمبود Var است که موجب ناهماهنگی ولتاژ برای حالت i می شود.

کمبود Var مورد انتظار در هر باس را می توان جهت انتخاب محل بهینه برای نصب جبرانسازهای اضافی توان راکتیو در طراحی و بهره برداری سیستم به کار گرفت.

4. پایش حادثه و فیلترینگ

وقتی عیب های درجه دو و منحنی تغییر ساعتی بار برای یک سال در نظر گرفته شوند آنگاه تعداد حالات عملکردی سیستم برای یک سیستم قدرت بزرگ به شدت افزایش خواهد یافت. لذا، فیلترکردن یا پایش حادثه باید به کار گرفته شود تا تعداد حالات موردنظر که از دقت کافی برخودار باشند کاهش یابد. بیشتر تکنیک های موجود در ارزیابی قابلیت اطمینان برای انتخاب حادثه مبتنی هستند بر احتمالات حالات حادثه. حوادثی با احتمالاتی بیش از مقدار اختصاص داده شده به آن، مورد توجه قرار گرفته و با استفاده از تکنیک انتخابِ حالت، تعیین می شوند [26]. در تحلیل امنیت، تکنیک های متفاوتی [27]، [28] جهت کاهش زمان محاسبه برای پایش به هنگام معرفی شده اند.

با در نظر گرفتن نیازمندی های خاص ارزیابی قابلیت اطمینان، در این مقاله یک شاخص فیلترینگ حادثه ای بر اساس ترکیب احتمال حالت و شاخص عملکرد معرفی می شود که شبیه  [27]برای انتخاب حالات حادثه است. دو نوع حالت برای سیستم وجود دارد: حالاتی با باس های ایزوله که حاصل معیوب بودن خطوط هستند و حالات بدون باس های ایزوله. برای حالاتی که باس ها ایزوله نیستند، شاخص فیلترینگ معرفی شده حاصل ضرب احتمال حالت (state probability) در شاخص شدت (severity index) است. شاخص شدت برای حوادث مختلف بصورت ذیل تعریف می شود،

برای حادثه ای با دو ژنراتور معیوب، شاخص شدت برابر است با نسبت کل ظرفیت توان حقیقی ژنراتورهای معیوب به کل بار توان حقیقی سیستم در حالت نرمال.

برای حادثه ای با دو خط معیوب، شاخص شدت برابر است با نسبت کل توان حقیقی جاری در خطوط معیوب به کل بار توان حقیقی سیستم در حالت نرمال.

برای حادثه ای با یک خط معیوب و یک ژنراتور معیوب، این شاخص برابر است با نسبت توان حقیقی جاری خطمعیوب به علاوه ظرفیت توان حقیقی ژنراتور معیوب به کل بار توان حقیقی سیستم در حالت نرمال.

همه حالات تا عیوب مرتبه دوم به همراه باس های ایزوله باید در نظر گرفته شوند؛ به خاطر قطع کامل بارها در آن باس ها.

4. تکنیک ارزیابی قابلیت تطمینان

1. قطع بار توان حقیقی و راکتیو

به منظور تمییز شاخص های قابلیت اطمینان حاصل از کمبود توان راکتیو و شاخص های حاصل از کمبود توان حقیقی، یک فرایند دو مرحله ای برای قطع بار ارائه می شود. هدف این است که اطلاعات جامعی برای طراحان و بهره برداران سیستم با در نظرگرفتن جریان و منابع آتی PQ فراهم شود.

مرحله 1) کل ظرفیت توان حقیقی موجود در سیستم P_i شامل تولید و ذخیره، با کل تقاضای توان حقیقی سیستم P_di شامل کل بار توان حقیقی و تلفات انتقال، مقایسه می شود. پخش بار ac اجرا می شود تا تلفات انتقال برای حادثه حالت i محاسبه شود. اگر P_i از P_di کمتر باشد، بارهای توان حقیقی در همه باس های بار با استفاده از تکنیک قطع بار تناسبی یا به کمک سایر تکنیک ها قطع می شوند. بار توان راکتیو در هر باس نیز متناظرا بر اساس ضریب توان اولیه قطع می شود. روش تناسبی یک تکنیک معول در قطع بار است که در ارزیابی های قابلیت اطمینان به کار می رود و در این مرحله نیز همین روش به کار گرفته می شود. در این تکنیک، کل کمبود O، که برابر است با P_di-P_i (اختلاف دو توان)، بین همه باس بارها (باس های بار) و بر اساس درصد آنها در کل بار سیستم، تقسیم می شود. بارها در همه باس ها بطور همزمان بر اساس درصدها قطع می شوند.

مرحله 2) پس از قطع بار مرحله اول، تحلیل پخش بار ac انجام شود. تزریقات Q در همه باس های PV و ناهماهنگی های ولتاژ در سایر باس ها بررسی شود. اگر تزریق Q در یک باس PV به بیشترین محدوده آن رسیده باشد، آن را به باس PQ تغییر دهید تا تزریق توان راکتیو آنها اصلاح شود. در طی قطع بار، تزریق Q تغییر خواهد کرد. اگر ولتاژ در برخی باس بارها از ولتاژ ست پوینت آن کمتر باشد، مساله مربوط است به کمبود توان راکتیو محلی. برای حل مسائل کمبود Q نیاز است تا قطع بار صورت گیرد. به خاطر راندمان پایین انتقال توان راکتیو در یک مسافت طولانی، معمولا از قطع بار در گره هایی استفاده می شود که ناهماهنگی های ولتاژ را تجربه می کنند. هر دو بارهای توان حقیقی و راکتیو به تکرار با گام های 1% و با ضریب توان ثابت، قطع می شوند تا زمانی که ناهماهنگی ولتاژ کاملا از بین رود. دلیل آن که انتخاب گام کوچکی در حد 1% انتخاب می شود این است که ولتاژ بسیار به بار توان راکتیو حساس است. اگر گام بزرگتر باشد، در فرایند تکرار نمی توان به آرامی به حد ولتاژ پایین دست یافت. اگر ناهماهنگی ولتاژ در آن باس ها همچنان پس از قطع کامل بارها موجود باشد، لازم است تا بارها را در گره های مجاور خود برحسب مشخصات توان راکیتو محلی قطع کرد. باید توجه کرد که پایداری ولتاژ شدیدا بستگی دارد به توزیع توان اکتیو در سیستم. برای شبکه های پیچیده، برای تعیین گره های مجاور هنگام قطع بار، مفاهیم فاصله الکتریکی و نواحی/ زون های کنترل ولتاژ باید در نظر گرفته شوند. برای رفع مشکلات ولتاژ، می توان تکنیک های بیشتری را برای قطع بار و جبرانسازی راکتیو [21]، [29]-[31] به کار برد. هدف این مرحله این است که اطلاعات لازم را برای طراحان و بهره برداران سیستم با در نظرگرفتن کمبود Q محلی فراهم کند.

همچنان باید توجه کرد که قطع بار آخرین راه کار برای حل مسائل ولتاژ است. همانطور که در بخش 2 بحث شد ست پوینت ولتاژ برای قطع بار تحت ولتاژ بسیار مهم است. برای حالات با باس های ایزوله، بارهای آن باس ها را نمی توان تغذیه کرد.

2. تزریق توان راکتیو

ناهماهنگی های ولتاژ مربوط به کمبود Var را می توان از طریق تزریق یا جبرانسازی محلی Q حل کرد. در این روش، توان راکتیو در گره هایی که ناهماهنگی ولتاژ دارند تزریق می شود تا ولتاژ بازیابی شود. وقتی ولتاژ به مقدار ست پوینت ولتاژ می رسد، توان راکتیو تزریق شده متناظر با آن همان میزان کمبود Q خواهد بود یعنی VarS_Q. باید توجه کرد که تاثر تزریق توان راکتیو روی ولتاژ باس بسیار حساس است به پیکربندی شبکه و توزیع منابع توان راکتیو در سیستم. در این مقاله، توان راکتیو به تدریج و با گام 1% بار راکتیو در باسی که ناهماهنگی ولتاژ دارد تزریق می شود تا زمانی که مشکل ولتاژ آن حل شود. هدف از تریق توان راکتیو این است که اطلاعات اضافی برای بهره برداران و طراحان سیستم فراهم شود تا در طراحی و بهره برداری آینده سیستم، منابع توان راکتیو جدیدی را اضافه کنند.

3. رویه ارزیابی قابیلت اطمینان

رویه تکنیک ارائه شده شامل گام های زیر است:

گام 1) اطلاعات شبکه و تجهیزات مثل قابلیت اطمینان و پارامترها شبکه را وارد کنید.

گام 2) با استفاده از تکنیک فیلترینگ حالت ارائه شده، حالت سیستم را مشخص کنید.

گام 3) پارامترهای اساسی قابلیت اطمینان سیستم را برای حالت i محاسبه کنید.

گام 4) کل ظرفیت توان حقیقی موجود سیستم P_i و کل تقاضای توان حقیقی P_di را به کمک پخش بار ac محاسبه کنید.

گام 5) P_i را با P_di مقایسه کنید. اگر P_i از P_di بزرگتر باشد، به گام بعد بروید. در غیر این صورت، بار حقیقی و راکتیو را به تناسب در همه باس بارها قطع کنید تا زمانی که P_i و P_di متعادل شوند. مقادیر ELC_P، EQC_P، EENS_P و EV NS_P را بروزرسانی(آپدیت) کنید.

گام 6) تحلیل پخش بار ac را اجرا کرده و تزریق توان Q در همه باس های PV را چک کنید. اگر تزریق Q در یک باس  PV در حد بیشینه آن قرار دارد، آن باس را به باس PQ تغییر دهید.

گام 7) ناهماهنگی ولتاژ را تعیین کنید. به گام 8 بروید و کمبود توان راکتیو VarS_Qi را تعیین کنید. در غیر این صورت، به گام 13 بروید.

گام 8) با استفاده از روش تزریق Q مساله ناهماهنگی ولتاژ را حل کنید (گام 8 و گام 9): توان راکتیو 1% را در گره هایی با ناهماهنگی ولتاژ به کمک روش بحث شده در بخش 4 B تزریق کنید و مقدار VarS_Qi را بروز رسانی کنید.

گام 9) ناهماهنگی های ولتاژ را به کمک تحلیل پخش بار ac بررسی کنید. اگر ناهماهنگی همچنان موجود باشد، به گام 8 بروید. در غیر این صورت مقدار کل EVar_S را بروز رسانی کنید.

گام 10) توان راکتیو تزریقی جمع شده باس ها در گام 8 را حذف کرده و به گام 11 روید تا قطع بار (load curtailment) حاصل از ناهماهنگی ولتاژ را تعیین کنید.

گام 11) ناهماهنگی ولتاژ را با استفاده از روش قطع بار محلی (گام 11 و گام 12) رفع کنید: بار حقیقی و راکتیو 1% را در باس هایی که ناهماهنگی ولتاژ را تجربه می کنند و در گام 7 بدست آمده اند به کمک روش ارائه شده در بخش 4 A قطع کنید و مقدار QC_Qi را بروزرسانی کنید.

گام 12) به کمک تحلیل پخش بار ac ناهماهنگی های ولتاژ را بررسی کنید. اگر ناهماهنگی های ولتاژ همچنان موجود باشند، به گام 11 بروید. در غیر این صورت، مقدار کل EVNS_Q را بروز کرده و به گام بعدی روید.

گام 13) اگر همه حوادث مشخص در نظر گرفته شوند، به گام بعدی روید. در غیر این صورت، برای حالت بعدی به گام 3 بروید.

گام 14) شاخص های قابلیت اطمینان سیستم را محاسبه کنید.

اگر در تحلیل قابلیت اطمینان همبستگی P و Q مورد توجه باشد از منحنی P-Q برای تعیین محدوده Q استفاده می شود.

باید توجه کرد که وقتی توان راکتیو در یک باس PV به حد خود می رسد، مسائل اضافه ولتاژ باید بررسی شوند. انتخاب بین دو روش ارائه شده برای حل ناهماهنگی ولتاژ بستگی دارد به مقایسه بین هزینه نصب جبرانسازهای جدید و هزینه قطع مشتری در نتیجه قطع بار. اگر هزینه اولی کمتر از دومی باشد، خازن های جدیدی باید در شبکه نصب شوند.

5. مطالعات سیستم

سیستم 30 شینه IEEE [32] همانطور که در شکل 2 دیده می شود، مورد تحلیل قرار گرفت تا تکنیک ارائه شده تشریح شود. این سیستم به این دلیل انتخاب شد که برای جبرانسازی توان راکتیو مورد نیاز که در نتیجه پیکربندی خاص دو پست نیروگاهی تا بارهای دوردست ایجاد شده است، به کار رود. سیستم دارای پنج باس PV و24  باس PQ است. پیک بارهای توان اکتیو و راکتیو کلی سیستم در حالت نرمال برابر است با 283.4 MW و 126.2 MVar. فرض می شود 4* 60 MW واحد در باس 1 قرار دارند و 3*40 MW در باس 2 تا قابلیت اطمینان ژنراتور مورد ارزیابی قرار گیرد. پارامترهای قابلیت اطمینان برای ژنراتورها و خطوط انتقال [33] در این مقاله به کار رفته اند و در جدول های 5 و 6 دیده می شوند. تاثیرات جوانب مختلف توان راکتیو روی سیستم و قابلیت اطمینان نقطه بار مطالعه شده و در بخش بیان می شوند.

1. تحلیل اساسی قابلیت اطمینان

در این تحلیل محدوده های ثابت توان راکتیو برای ژنراتورها و کندانسورها که در جدول 5 هم مشاهده می شود، به کار گرفته می شوند. در این مورد پیک بار ثابت سالیانه به کار می رود. بار حقیقی و راکتیو در هر باس در حین قطع بار به کمک ضریب توان اولیه ثابت باندل می شوند (کنار هم قرار می گیرند) [32]. حالات تا عیوب درجه دو مورد توجه قرار گرفته اند. نقطه بار و EENS_P، EENS_Q، ELC_P و ELC_Q سیستم، در جدول 1 نشان داده شده اند وقتی که ست پوینت ولتاژ فرض شده است برابر 0.9 p.u. باشد.

از جدول 1 دیده می شود که نقطه بار در باس 5 دارای بیشترین EENS_P می باشد و سپس نقطه بارهای باس های 8 و 7. بیشترین EENS_P در این باس ها به علت سطح بالای بار در آنهاست در مقایسه با سایر نقطه بارها. برخلاف EENS_P، نقطه بار در باس 29 دارای بیشترین EENS_Q می باشد و سپس نقطه بار باس 30 بیشترین مقدار را دارا می باشد. دلیل این است که هیچ جبرانساز توان راکتیو محلی ای در نزدیک ترین باس های همسایه وجود ندارد و خطوط انتقال از سایر جبرانسازها تا این دو باس بسیار طویل هستند. نتایج نشان می دهند که EENS_Q سیستم حدود 8/1% EENS_P می باشد. 21/47% از کل EENS در باس 29 به علت کمبود توان راکتیو می باشد. این موضوع نشان می دهد که جبرانسازی توان راکتیو برای برخی نقطه بارها جهت بازیابی پس از حادثه، حیاتی است. EENS_Q سیستم ایجاد شده در نتیجه حد تولید راکتیو و ناهماهنگی ولتاژ برابر 76/1% کل EENS است.

جدول 2 ، نقطه بار و EVNS_P، EVNS_Q، EQC_P و EQC_Q سیستم را نشان می دهد. مقدار مورد انتظار قطع Var سیستم در نتیجه کمبود توان راکتیو نسبت به مقدار مشابه در نتیجه کمبود توان حقیقی، کمتر است. به این دلیل که بار توان راکتیو در مرحله اول قطع بار، حذف شده است. در یک سیستم قدرت عملی، توان حقیقی و راکتیو باید بر اساس مشخصات بار قطع شوند.

2. قطع بار و جبرانسازی Var

بیشتر تکنیک های ارزیابی قابلیت اطمینان، ناهماهنگی های ولتاژ را از طریق قطع بارهای توان حقیقی و راکتیو (روش 1) رفع می کنند. تزریق توان راکتیو (روش 2) نیز در این مقاله مطالعه می شود تا هما مساله را حل کند. هدف از قطع بار یا تزریق Var بازیابی ولتاژ هر باس به مقدار حد پایین آن است. جدول 3 نقطه بار و EENS کلی سیستم حاصله از دو روش را نشان می دهد. قطع بارهای حقیقی و راکتیو متناظر برای روش 1 و جبرانسازی Var برای روش 2 در نتیجه ناهماهنگی های ولتاژ نیر در جدول 3 بیان شده اند.

اگر توان راکتیو در باس های متناظر تزریق شود تا ناهماهنگی ولتاژ از بین رود، EENS کلی سیستم در مقایسه با روش های مربوط به قطع بار تا حدود 2% کاهش خواهد یافت. کل توان راکتیو تزریقی مورد انتظار برابر 68.039 MVarh/yr است. بیشترین تزریق توان در باس 29 اتفاق می افتد و سپس در باس های 30 و 5. نتایج بدست آمده در واقع اطلاعات لازم برای طراحان سیستم را جهت تخصیص آینده جبرانسازهای توان راکتیو فراهم می کنند.

3. اثر ست پوینت ولتاژ

تاثیر ست پوینت ولتاژ روی شاخص های قابلیت اطمینان نیز مورد مطالعه قرار می گیرد. شاخص های قابلیت اطمینان برای ست پوینت ولتاژ 0.85 pu نیز محاسبه می شوند. EENS_Q سیستم برای ست پوینت ولتاژ 0.85 pu از مقدار 67.4098 MWh/yr برای ست پوینت 0.9 pu به مقدار 9.4078 MWh/yr کاهش می یابد. EVarS سیستم برای ست پوینت 0.85 pu از مقدار 68.0390 MVar/yr برای ست پوینت ولتاژ 0.9 pu به مقدار 8.72 MVar/yr کاهش می یابد. نتایج نشان می دهند که چنانچه سیستم بتواند در ولتاژ پایین 0.85 pu عملکرد پایداری داشته باشد،  بار کمتری حذف خواهد شد و نیاز به تزریق Var کمتری خواهد بود. باید بیان کرد که به علت ست پوینت پایین ولتاژ ، حاشیه قابلیت اطمینان برای پس از حادثه نیز کاهش خواهد یافت.

4. اثر تغییرات بار

به منطور درنظرگرفتن تاثیر توان حقیقی و راکتیو روی قابلیت اطمینان تحت شرایط باری مختلف، شاخص های قابلیت اطمینان مبتنی بر منحنی های دوره ای بار باید محاسبه شوند. منحنی دوره ساعتی بار بر اساس پیک بار سالانه و درصدهای ساعتی، روزانه و ماهانه تعیین می شوند [33]. منحنی دوره ای بار [33] تقریبا با استفاده از 14 سطح باری در اختلاف گامی 5% از بالاترین تا پایین ترین سطح بار نمایش داده می شوند. شاخص های قابلیت اطمینان برای سطوح باری مختلف با استفاده از دو روش مختلف در شکل 3 نشان داده شده اند. وقتی در هر دو روش، سطح بار از 100% به 80% سطح پیک می رسد، EENS کلی سیستم کاهش می یابد. بین نتایج دو روش احتلاف بسیار کمی وجود دارد. وقتی سطح بار برابر یا کمتر از 80% پیک بار باشد، EENS سیستم از روش 1 و روش 2 مقداری برابر دارند چون برای بیشتر حالات حادثه ای هیچ ناهماهنگی ای در شبکه رخ نمی دهد به جز برای حالاتی که باس های ایزوله ایجاد می کنند. شاخص های قابلیت اطمینان کلی سالیانه در جدول 4 نشان داده شده اند. EENS و EVarS کلی سالیانه سیستم در مقایسه با آنهایی که از پیک بار ثابت سالیانه ثابتی استفاده می کنند، بطور قابل توجهی کاهش دارند. بنابراین، نتایج بدست آمده از پیک بار ثابت سالیانه یک تخمین بدبینانه ای حاصل می کنند. با استفاده از منحنی دوره ای ساعتی بار نتایج دقیق تری بدست می آید.

5. اثر همبستگی P-Q ژنراتور

در ارزیابی های مرسوم قابلیت اطمینان سیستم قدرت، بیشترین توان راکتیو فراهم شده توسط یک ژنراتور فرض می شود که ثابت باشد. با این حال، بیشترین توان راکتیو فراهم شده توسط ژنراتور ارتباط نزدیکی دارد با توان حقیقی خروجی آن. وقتی برای یک حالت حادثه ای توان حقیقی خروجی ژنراتور تعیین می شود، توان راکتیو خروجی متناظر با این توان حقیقی از روی منحنی P-Q قابل دستیابی است. وقتی توان حقیقی خروجی کم باشد، توان راکتیو بیشتری بدست می آید. تاثیر توان حقیقی خروجی ژنراتور روی حد توان راکتیو آن در این بخش مطالعه می شود.

ژنراتورهای موجود در باس 1 جهت تشریح تاثیر منحنی P-Q به کار گرفته می شوند. سایر باس های PV تبدیل می شوند به باس های PQ با حدود ثابت Q، که در جدول 7 نشان داده شده است. تنها معایب درجه دوم یک ژنراتور در باس 1 و یک خط جهت تشریح این اثر مورد مطالعه قرار می گیرند.

نتایج بدست آمده با استفاده از منحنی های P-Q ژنراتورها (مورد 1) با موارد مشابه بدست آمده از حدود ثابت توان راکنیو (مرود 2) مقایسه می شوند. نتایج EENS_Q هر دو مورد در شکل4 نشان داده شده اند. EENS_Q برای مورد 2 حدود 5/1 برابر مورد 1 است و بدین معناست که برای مورد 1 نسبت به مورد 2 ، توان راکتیو بیشتری توسط ژنراتورهای موجود در باس 1 تامین می شود. بنابراین، توانایی توان راکتیو ژنراتورها تحت حد ثابت توان راکتیو در مورد 2، به طور کامل مورد بهره برداری قرار نمی گیرد. بیشترین توان راکتیو Q ای که توسط ژنراتورها تحت سطوح باری مختلف فراهم می شود در این سیستم ناچیز پنداشته شده است. با اینکه حد تولید توان راکتیو را می توان از منحنی P-Q و بر اساس توان حقیقی خروجی بدست آورد، شانس ژنراتوری که در محدوده خود کار می کند بسیار کم است.

از این تحلیل می توان چنین نتیجه گرفت که وقتی که محدوده های توان راکتیو با استفاده از منحنی P-Q و براساس توان حقیقی خروجی بدست می آید، قابلیت توان حقیقی و راکتیو ژنراتور در بیشترین حد مورد بهره برداری قرار می گیرد و قطع بار کمترین مقدار را دارد.

 

 

6. اثر پایش حادثه

تکنیک پایش حادثه یا فیلترینگ ارائه شده به کار می رود تا تعداد حالات کاهش یابد. در این تکنیک، تکنیک پخش بار ac اجرا می شود تا توان جاری روی خطوط مشخص شود. شاخص فیلترینگ ارئه شده بر اساس احتمال حالت، ظرفیت ژنراتور، ظرفیت خط و کل بار سیستم و با ساتفاده از روش معرفی شده در بخش 3 D تعیین می شود. EENSs کلی برای حالات حادثه ای از بزرگترین تا کوچکترین آنها در حالت نزولی توسط تکنیک ارائه شده مرتب می شوند. همه حالات انتخاب شده به کمک این تکنیک در واقع شدیدترین حالات هستند؛ چنانچه تعداد ثابتی از حالات برای انتخاب حالت انتخاب شده باشد. EENSs کلی برای تعداد متفاوتی از حالات نیز با آنهایی که از همه حوادث مرتبه دوم بدست آمده اند، مقایسه می شوند. نتایج نشان می دهند که اختلاف تنها 8/3% است وقتی که اولین 51 حالت از بین 1378 حالت مرتبه دوم در نظر گرفته می شوند. بنابراین، تکنیک فیلترینگ حادثه ارائه شده می تواند بطور قابل توجهی تعداد حالات را کاهش دهد تا با دقت قابل قبولی تحلیل شوند. باید عنوان کرد که تکنیک فیلترینگ حادثه مورد نیاز ممکن است با پیکربندی شبکه و محل ژنراتورها تغییر کند و لذا برای سیستم عملی باید با دقت مناسبی مورد مطالعه قرار گیرد.

6. نتیجه گیری ها

این مقاله جنبه هایی از توان راکتیو را در ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم قدرت بررسی می کند. تکنیکی ارائه می شود تا قابلیت اطمینان نقطه بار و سیستم موقع کمبود توان راکتیو در نتیجه نواقص ایجاد شده با منابع توان راکتیو مثل ژنراتورها، کندانسورهای سنکرون و جبرانسازها، ارزیابی شود. شاخص های قابلیت اطمینان حاصل از کمبود توان راکتیو با آنهایی که به کمبود توان حقیقی مربوط اند تمییز داده می شوند.

کمبود توان راکتیو با استفاده از تزریق توان راکتیو در گره هایی که ناهماهنگی ولتاژ دارند تعیین می شود تا برای طراحی و بهره برداری سیستم قدرت داده های بیشتری فراهم شود. تاثیر منحنی P-Q روی قابلیت اطمینان سیستم مطالعه شده است. از سیستم 30 شینه IEEE اصلاح شده برای تحلیل و تشریح تکنیک و مدل ها استفاده می شود. نتایج نشان می دهند که توان راکتیو تاثیر قابل توجهی روی قابلیت اطمینان سیستم دارد و باید حتما در ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم مورد توجه قرار گیرد. شاخص های قابلیت اطمینان جدید ارائه شده اطلاعات و داده های بسیار مهمی را برای طراحان و بهره برداران سیستم قدرت فراهم می کنند تا تصمیماتشان را بگیرند. همچنین این مقاله روش های گوناگونی برای بهره برداران سیستم فراهم می کند تا ناهماهنگی های رخ داده در شبکه را رغ کرده و مکان بهینه برای نصب جبرانسازهای جدید توان راکتیو را پیدا کنند.

ضمیمه

جدول 5 پارامترهای قابلیت اطمینان و محدود های توان راکتیو را نشان می دهد، جدول 6 پارامترهای قابلیت اطمینان خطوط انتقال را نشان می دهد، جدول 7 نیز Q تزریق شده پس ا تبدیل باس های PV به باس های PQ را نشان می دهد.