ترجمه مقاله حذف بار و جزیره‌ای کردن به منظور پیشگیری از خاموشی برق

تکنیک توسعه طرح خودکار حذف بار و جزیره‌ای کردن به منظور پیشگیری از خاموشی (سراسری) برق

Technique to Develop Auto Load Shedding and Islanding Scheme to Prevent Power System Blackout

 

چکیده- شرایط غیرطبیعی در یک سیستم قدرت معمولا به تدریج باعث افت فرکانس سیستم شده و در نهایت منجر به خاموشی سراسری سیستم در یک شرایط وخیم خواهد شد. این مقاله تکنیکی برای توسعه طرح خودکار حذف بار و جزیره‌ای کردن ارائه می‌دهد تا از خاموشی پیشگیری کرده و سیستم را تحت شرایط غیرطبیعی پایدار نگه دارد. این تکنیک، توالی و شرایط کاربرد انواع طرح‌های حذف بار و راهبردهای جزیره‌ای کردن را ارائه می‌دهد. تکنیک نامبرده بر اساس شیوه‌های کنونی بین‌المللی توسعه یافته است. این تکنیک به سیستم قدرت بنگلادش (BPS) اعمال شده و یک حذف بار خودکار و طرح جزیره‌ای کردن توسعه می‌یابد. کارائی طرح توسعه یافته به کمک شبیه‌سازی شرایط غیرطبیعی مختلف در سیستم قدرت بنگلادش بررسی می‌شود.

عبارات شاخص- حذف باز خودکار، جزیره‌ای کردن، نرخ تغییر فرکانس، حذف بار فرکانس پایین.

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

 

1. مقدمه

اخیرا، به دلیل عیب در شبکه ملی بنگلادش، سه خاموشی سراسری در آن رخ داده است. دو مورد اول در یک روز اتفاق افتاد، صبح و عصر روز 15 نوامبر سال 2007، یعنی فردای روزی که طوفان سیدر اتفاق افتاده بود. خاموشی سوم نیز در 14 دسامبر سال 2007 به وقوع پیوست.

داده‌نگار دیجیتالی خطا[1] (DFDR) که در چهار محل مشخص شبکه نصب شده‌ بودند، فرکانس، جریان و ولتاژ چند سیکل قبل از وقوع خاموشی‌ها را ثبت کردند. داده‌نگار دیجیتالی خطا تنها وقتی شروع به ثبت داده‌ می‌کند که فرکانس سیستم از مقادیر آستانه‌های پایین و یا بالای از پیش تعیین‌شده عبور کرده باشد. فرکانس ثبت شده توسط داده‌نگار دیجیتالی خطا برای خاموشی مورد سوم در شکل1 نشان داده شده است.

این سه خاموشی باعث قطع کلی سیستم به اندازه 110 گیگاوات ساعت شدند. خسارت کلی با در نظر گرفتن خسارت درآمدها و خسارات وارد شده به مصرف‌کنندگان در اثر این قطعی حدود 9/15 میلیون دلار برآورد شده است. بازگردانی کامل سیستم به صورت یکجا امکانپذیر نبود؛ و لذا سیستم به صورت بخش به بخش وارد مدار شده و به حالت نرمال رسید. هیچدام از خسارات درآمدی یا هزینه‌های قطعی فوق شامل از هم پاشیدگی جزئی سیستم نمی‌شدند.

حذف- ‌‌بار ضروری برای پیشگیری از تنزل فرکانس یک عمل مرسوم در سراسر جهان است. هدف از حذف بار این است که میزان تولید و بار (تقاضا) متعادل شود. از آنجا که در لحظه وقوع اغتشاش میزان اضافه بار معلوم نیست، بار بصورت تدریجی کاهش می‌یابد تا فرکانس پایدار شود. برای پیاده‌سازی طرح حذف بار تکنیک‌های مختلفی موجود است. سه دسته مهم از این طرح‌های حذف بار عبارتند از [1]:

1. سنتی؛
2. نیمه تطبیقی؛
3. تطبیقی.

از بین این سه طرح، طرح سنتی بیشتر رایج است [2]، چون ساده بوده و نیازمند رله‌های پیشرفته نیست. طرح سنتی به محض اینکه فرکانس سیستم از یک آستانه مشخص کمتر شد، مقدار مشخصی از بار را حذف می‌کند. اگر این جداسازی (حذف) بار کافی بادش، فرکانس پایدار شده و یا به عبارتی افزایش می‌یابد. اگر این حذف بار کافی نباشد، تنزل فرکانس در یک نرخ کمتری ادامه می‌یابد. وقتی فرکانس تنزل‌کننده به آستانه دوم برسد، بلوک دوم بار هم جدا می‌شود. این فرایند تا زمانی ادامه می‌یابد که اضافه‌بار کاملا رفع شده باشد و یا همه رله‌های حساس به فرکانس (FS) عمل کرده باشند [3]. مقادیر آستانه و مقدار نسبی باری که باید حذف شود به صورت آفلاین (مترجم: خارج از خط) و بر اساس تجربه و شبیه‌سازی تعیین می‌شوند. طرح حذف بار سنتی به علت نداشتن اطلاعاتی در رابطه با دامنه اغتشاش دارای محافظه‌کارترین تنطیمات است [4]. با اینکه این روش در پیشگیری از حذف بار غیرعمدی در مواجه با اغتشاشات کوچک که دارای زمان تاخیر نسبتا طولانی و آستانه فرکانس پایین‌تری هستند، موثر است، اما قادر نیست بین نوسانات طبیعی و اغتشاشات بزرگ سیستم قدرت تبعیض قائل شود. بنابراین، این روش مستعد حذف بار کم در اغتشاشات بزرگ است.

طرح حذف بار نیمه تطبیقی [5] از نرخ کاهش فرکانس به عنوان معیاری از کمبود تولید بهره می‌برد. فعالسازی این طرح بستگی به نرخ تغییر فرکانس (ROCOF) به محض دستیابی فرکانس به یک آستانه مشخص، دارد. با توجه به مقدار نرخ تغییر فرکانس، مقدار بار مشخصی حذف می‌شود. یعنی، این طرح سرعتی را بررسی می‌کند که در آن فرکانس از مقدار آستانه تجاوز کرده باشد: هرچه سرعت بیشتر باشد، بار بیشتری حذف می‌شود. معمولا، معیار نرخ تغییر فرکانس در اولین آستانه فرکانس ارزیابی می‌شود، موارد بعدی ادامه عبور از آستانه‌ها به صورت سنتی هستند. در این طرح، آستانه‌های نرخ تغییر فرکانس و اندازه بلوک‌های بار که باید در آستانه‌های مختلف حذف شوند بر اساس شبیه‌سازی و تجربه و به صورت آفلاین تعیین می‌شوند. اما وقتی مقدار واقعی بلوک‌های باری که باید حذف شوند توسط رله دروپ (افت) فرکانس[2] (FD) و بسته به نرخ تغییر فرکانس مشخص شد، این طرح با سیستم سازگار و منطبق می‌شود.

برخی اوقات، به صورت زمان واقعی و از طریق تفکیک کنترل‌شده سیستم به تعدادی جزیره در کنار تریپ دادن تولید و/ یا حذف بار، می‌توان از خاموشی جلوگیری کرد [6], [7]. تفکیک سیستم به تعدادی جزیره می‌تواند چاره آخر [8] و یا اقدام اول باشد [9]. اساس جزیره کردن یکتا نبوده و بستگی به ساختار بهره‌برداری دارد.

مقالات زیادی در رابطه با کاربرد تکنیک‌های مختلف حذف بار و روش‌های جزیره‌ای کردن برای پایداری و پیشگیری از خاموشی سراسری سیستم قدرت در نوشتجات [4,6,8-11] قابل دستیابی است، به خصوص در دو دهه اخیر. با این حال، با توجه به دانش نویسنده، پاسخ کلی برای مساله خاموشی یا ناپایداری یک سیستم قدرت که توصیف کننده توالی و شرایط اعمال حذف بار و روش‌های جزیره‌ای کردن باشد تاکنون در نوشتجات گزارش نشده است و هر تکنیک و یا روش، تنها پاسخی به یک شرایط خاص مربوط به پایداری سیستم قدرت ارائه می‌دهد.

این مقاله تکنیکی وابسته به فرکانس را برای توسعه یک طرح خودکار حذف بار و جزیره‌ای کردن ارائه می‌دهد تا تحت شرایط غیرطبیعی سیستم را به حالت پایدار برگردانده و از خاموشی سراسری پیشگیری کند. این تکنیک، توالی و شرایط اعمال طرح‌های مختلف حذف بار و راهبردهای جزیره‌ای کردن را با هم ترکیب می‌کند. تکنیک نامبرده بر اساس شیوه‌های کنونی بین‌المللی توسعه یافته است که از دامنه و نرخ نزولی تغییر فرکانس در یک شرایط غیرطبیعی بهره می‌برد تا به صورت آفلاین تنظیمات رله را تعیین کند. در این کار برای پیاده‌سازی تکنیک تنها از رله‌های حساس به فرکانس (FS) و افت فرکانس (FD) استفاده می‌شود. این تکنیک به سیستم قدرت بنگلادش (BPS) اعمال می‌شود و طرح خودکار حذف بار و جزیره‌ای کردن توسعه می‌یابد. یعنی، تنظیمات رله‌ها به کمک تکنیک ارائه شده برای سیستم قدرت بنگلادش تعیین می‌شوند. طرح توسعه یافته به کمک شبیه‌سازی شرایط مختلف غیرطبیعی در سیستم قدرت بنگلادش اعتبارسنجی می‌شود. نتایج شبیه‌سازی در [12] ارائه شده است.

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

2. تکنیک ارائه شده

شرایط غیرطبیعی در یک سیستم قدرت معمولا منجر به افت فرکانس سیستم می شود. راهکار معمول برای حفظ سیستم از این وضعیت، حذف بار است. با این حال، در برخی موارد وقتی سیستم قادر باشد با فراهم کردن ورودی‌های اضافی از انرژی جنبشی ذخیره شده و یا از ذخیره گردان و یا با کاهش فرکانس سیستم در محدوده مجاز، پایدار باقی بماند، دیگر نیازی به حذف بار نخواهد بود. در برخی موارد، مقدار حذف بار ممکن است نامناسب باشد، یعنی بیشتر و یا کمتر از مقدار موردنیاز، تا با حفظ فرکانس در محدوده قابل‌قبول، سیستم را پایدار نگه دارد.

در برخی موارد، حذف بار به تنهایی نمی‌تواند سیستم را از یک فروپاشی سراسری حفظ کند. در این صورت، ممکن است سیستم به تعدادی جزیره تفکیک شود. مزایای اصلی جزیره‌شدن عبارت است از: 1) تسهیل در حداقل کردن نامتعادلی تولید- بار در یک جزیره نسبت به یک سیستم یکپارچه بزرگ و 2) تسریع در بازیابی سیستم با ترکیب جزیره‌ها نسبت به حالتی که کل سیستم را باید از یک وضعیت خاموشی سراسری به صورت یکجا بازیابی کرد [11].

تکنیک ارائه شده در این مقاله از نوع خلاقانه بوده و همه این مسائل را در نظر گرفته و یک پاسخ جامع برای ناپایداری سیستم قدرت فراهم می‌کند. این تکنیک مبتنی بر سه طرح است: 1) حذف بار سنتی، 2) حذف بار نیمه سنتی، و 3) تفکیک شبکه. طرح حذف بار سنتی از طریق رله‌های حساس به فرکانس اجرا می‌شود. این طرح وقتی فعال می‌شود که فرکانس سیستم، f، از یک مقدار آستانه مشخص، f_TH، کمتر شود. پیاده‌سازی طرح‌های دیگر نیازمند رله‌های افت فرکانس (FD) است.

الف. گام‌های متوالی

طرح ارائه شده به صورت مرحله به مرحله و به صورت متوالی پیاده‌سازی می‌شود. فعالسازی تعداد گام‌ها بستگی به وضعیت سیستم دارد. گام‌های مختلف این تکنیک به صورت ذیل است.

گام 1) فرکانس سیستم و نرخ تغییر فرکانس به ترتیب توسط رله‌های حساس به فرکانس و رله افت فرکانس به طور پیوسته پایش می‌شوند.

گام 2) طرح سنتی حذف بار وقتی فعال می شود که f < f_TH و |df/dt| < m₀. اگر f < f_TH و m₀ < |df/dt| < M باشد، به جای طح سنتی طرح حذف بار مبتنی بر نرخ تغییر فرکانس فعال می‌شود. m₀ و M مقادیر آستانه مربوط به نرخ تغییر فرکانس هستند. دامنه M بسیار بیشتر از m₀ است. طرح تفکیک شبکه تنها وقتی فعال می‌شود که f < f_TH بوده و نرخ تغییر فرکانس از M فراتر رود. یعنی، طرح تفکیک به شرطی اجرا می‌شود که f < f_TH و |df/dt| > M.

گام 3) به محض اینکه حذف بار مبتنی بر نرخ تغییر فرکانس فعال شد، سیستم شروع به اندازه‌گیری زمان می‌کند. پس از تاخیر زمانی از پیش‌تعیین شده (TD)، k₁، اگر همچنان فرکانس سیستم کمتر از مقدار آستانه، f_TH، باشد، طرح حذف بار سنتی فعالسازی می‌شود.

گام 4) پس از دیگر مقدار تاخیر زمانی از پیش‌تعیین‌شده TD، k₂، که k₂ از k₁ بزرگتر است، فرکانس سیستم مجدد بررسی می‌ود. در این لحظه، اگر فرکانس سیستم کمتر از f_TH بوده و نرخ تغییر فرکانس منفی باشد، آنگاه طرح تفکیک‌سازی فعال می‌شود.

گام 5) به محض آنکه طرح تفکیک شبکه آغاز شد، چنانچه فرکانس سیستم جزیره شده بیشتر از مقدار فرکانس نامی باشد، میزان تولید به خوبی تنظیم و اصلاح می‌شود. اگر در یک سیستم جزیره‌شده f < f_TH و |df/dt| < m_i باشد، طرح حذف بار سنتی فعال می‌شود. در اینجا، m_i مقدار آستانه نرخ تغییر فرکانس جزیره i ام است. با این حال، اگر f < f_TH و |df/dt| > m_i باشد، آنگاه طرح حذف بار مبتنی بر نرخ تغییر فرکانس فعال می‌شود.

گام 6) پس از اجرای حذف بار مبتنی بر نرخ تغییر فرکانس در یک جزیره، چنانچه زمان سپری شده بیشتر از تاخیر زمانی از پیش‌ تعیین شده TD، k₃ باشد و فرکانس همچنان کمتر از مقدار آستانه باشد، در آن جزیره طرح حذف بار سنتی فعال می‌شود.

توالی اجرای گام‌های مختلف تکنیک ارائه شده در شکل2 نمایش داده شده است تا این تکنیک به خوبی تشریح شده باشد.

ب. تعیین مقادیر آستانه

اولین آستانه فرکانس، f_TH، یک فرکانس حد سیستم قدرت است. به این معنا که اکر فرکانس به زیر این مقدار برسد، بدون فعالسازی رله‌های حذف بار سیستم قادر نخواهد بود تا به حالت ماندگار بازگردد. تجهیزاتی که به افت فرکانس حساسیت بیشتری دارند عبارتند از ژنراتور، خدمات جانبی و توربین‌های بخار [2], [13]. خدمات جانبی یک نیروگاه برق از نظر حداقل فرکانس مجاز، نسبت به ژنراتورها شرایط بدتر و سفت و سخت‌تری دارند؛ در واقع، در فرکانس 5/47 هرتز دچار عیب و عملکرد نادرست می‌شوند (و در حالتی که فرکانس سیستم 60 هرتز باشد این اتفاق در فرکانس 57 هرتز رخ می‌دهد)، در حالی که وضعیت وقتی بحرانی می‌شود و اثرات پی در پی را به دنبال دارد که فرکانس حدود 46- 44 هرتز باشد (55- 53 هرتز در سیستم با فرکانس 60 هرتز).

در هر وضعیت فرکانسی بین فرکانس نامی و f_TH، انتظار می‌رود سیستم از طریق انرژی ذخیره‌شده خود و یا ذخیره گردان موجود در آن، به صورت خود-پایدار بوده و  نیازی به عملکرد رله‌ها نباشد. با این حال، انرژی ذخیره‌شده و ذخیره گردان بسیار وابسته به سیستم هستند. بنابراین، مقدار دقیق‌تر و صحیح‌تر f_TH را شاید بتوان از طریق تجربه و شبیه‌سازی تعیین کرد.

در [4]، مقدار آستانه نرخ تغییر فرکانس، یعنی m₀، به کمک یک مدل کاهش‌یافته برای یک واحد بازگرم‌کن[3] تعیین می‌شود. با فرض ثابت بودن اینرسی سیستم، H، این روش به این صورت عمل می‌کند که اگر 30% توان حقیقی سیستم مختل شود، سیستم از مقدار آستانه نرخ تغییر فرکانس تجاوز خواهد کرد. با اینکه در یک سیستم کوچک، وقتی چندین ماشین سنکرون از شبکه جدا می‌شوند مقدار H ثابت نمی‌ماند [3]، با این حال، این می‌تواند روشی برای تعیین m₀ باشد.

تکنیک ارائه شده ترجیح می‌دهد تا m₀ را به صورت ابتکاری و از یک سری نتایج شبیه‌سازی تعیین کند و m₀ را به عنوان کوچکترین مقدار نرخ تغییر فرکانس در نظر می‌گیرد که برای آن سیستم قادر نخواهد بود به کمک روش حذف بار سنتی به محدوده فرکانسی حالت ماندگار بازگردد. مقدار آستانه m_i، متناظر با جزیره i ام نیز کمترین مقدار نرخ تغییر فرکانس است که در آن وضعیت بخش تفکیک‌شده i ام سیستم قدرت قادر نیست به کمک طرح حذف باز سنتی و پس از جزیره‌شدن شرایط حالت ماندگار برگردد.

این تکنیک در بخش 2 الف این مقاله پیشنهاد می‌کند که اگر روش‌های حذف بار سنتی و مبتنی بر نرخ تغییر فرکانس قادر نباشند سیستم را ار وضعیت غیرطبیعی به شرایط حالت دائم بازگردانند، جزیره‌ای کردن آخرین راهکار برای تجات سیستم است. گام 2 این زیربخش نیز نشان می‌دهد که اگر نرخ تغییر فرکانس خیلی زیاد باشد، به جای استفاده از طرح‌‌های سنتی و مبتنی بر نرخ تغییر فرکانس، جزیره‌ای کردن باید اولین گام در این راستا باشد. مقدار آستانه M برای چنین موردی به صورت ابتکاری و بر اساس تجربه و نتایج شبیه‌سازی تعیین می‌شود.

توجه شود که همه مقادیر آستانه ذکر شده در بالا، به صورت آفلاین (خارج از خط) تعیین می‌شوند.

ج. تعیین میزان حذف بار و تاخیرهای زمانی

میزان حذف بار گام‌های مختلف طرح سنتی یکسان نیست و هر گام با یک تاخیر زمانی خاصی اجرا می‌شود. تاخیر زمانی متناظر با یک گام ممکن است با گام دیگر متفاوت باشد. میزان حذف بار طرح مبتنی بر نرخ تغییر فرکانس نیز نسبت به طرح سنتی متفاوت است. انواع روش‌های حذف بار در جهان موجود است که مجموعه‌ای از آنها در [1] بیان شده است.

حساسیت فرکانس سیستم به تغییر بارهای واقع در نقاط مختلف سیستم ارزیابی می‌شود. در [14]، گزارش شده است که حذف بارهای نزدیک به ژنراتورِ از دست رفته (مترجم: یعنی ژنراتوری که سنکرون خود را با شبکه از دست داده است و یا ژنراتوری که از مدار خارج شده است) موثرتر واقع می‌شود. همچنین مشخصات پاسخ فرکانسی سیستم برای خروج‌ها و قطعی‌های نقاط مختلف سیستم ارزیابی می‌شوند.

حذف بار طرح‌های نیمه‌تطبیقی سنتی و مبتنی بر نرخ تغییر فرکانس در جدول I بیان شده‌اند. میزان حذف بار در هر گام یعنی، x₁، x₂، x₃ و x₄ به صورت آفلاین و بر اساس نتایج شبیه‌سازی و تجربه مهندسین اجرائی تعیین می‌شود. کارهایی که اکنون در جهان انجام می‌گیرد می‌توان اساس شبیه‌سازی‌ها باشد. تاخیرهای زمانی y₁ و y₂ نیز به کمک نتایج شبیه‌سازی ارزیابی می‌شوند. کمترین مقدار تاخیر زمانی به هر حال بستگی به سخت‌افزار دارد.

د. تشکیل جزیره

در مرجع [10] به طور گسترده اشاره شده است که جزیره‌کردن یکی از راه‌های پیشگیری از خاموشی سراسری در شرایط بسیار بد و غیرطبیعی است. اما سوال این است که کدام باس‌ها هستند که شبکه باید از آنها تفکیک شده و تشکیل جزیره دهد.

ایجاد جزیره یکتا نیست. بخش‌بندی گرافی [15-17] ، برشماری کمترین تعداد کات‌ست [18] و گروه‌بندی ژنراتورها [19]-[21] روش‌های مهم در جزیره‌ای کردن هستند. ماهیت این روش‌ها یافتن لینک/ لینک‌های ضعیف بین نواحی مختلف یک سیستم قدرت است. با این حال، اگر سیستم در حالت طبیعی به صورت شعاعی باشد، شناسائی باس/ باس‌هایی که سیستم بتواند با بررسی دقیق عدم تطابق بین بارها و میزان تولید نواحی مختلف، از آنها تفکیک شود، کار ساده‌تری است.

ه. روند تعیین تنظیمات انواع مختلف رله‌ها

فرکانس/ فرکانس‌های فعالسازی با تاخیرهای مناسب زمانی رله‌های حساس به فرکانس، یا به عبارتی تنظیمات رله‌ها ارزیابی می‌شود. برای بررسی تنظیمات این رله‌ها، همه حوادث ممکن، مثل انواع مختلف خطاها، بازپس‌گیری مقادیر مختلف تولید، و افزودن مقادیر مختلفی بار شبیه‌سازی شدند. به علت وقوع هر حادثه، فرکانس سیستم پایش می‌شود. سپس فرکاسن نزولی (کاهشی) باید به کمک حذف بار مناسب در محدوده فرکانس هدف (نهایی) پایدار شود. مقدار مناسب حذف بار را شاید بتوان از سعی و تلاش‌های مختلف حذف بار با مقادیر متفاوت و در محل‌های گوناگون بدست آورد. یعنی، سطح فرکانسی و محل‌ بارهایی که از منظر پایداری سیستم بسیار موثر هستند باید از طریق سعی و خطا و به صورت ابتکاری تعیین شوند. شایان ذکر است که محدوده فرکانس نهایی، محدوده قابل‌قبول فرکانس حالت عملکرد طبیعی باید توسط تجربه مرکز دیسپاچینگ بار[4] (LCD) از پیش تعریف شده باشند.

در طی شبیه‌سازی حوادث برای تحلیل پایداری، باید توجه داشت در صورتی که حوادث مختلفی رخ دهد، برای پایدارسازی سیستم، تنها عملکرد رله حساس به فرکانس کافی نخواهد بود. در این موارد، فعالسازی رله‌های افت فرکانس (FD) نیز لازم است. تنظیمات رله‌های افت فرکانس نیز از طریق شبیه‌سازی حوادث مختلف و پس از حذف بار ارزیابی می‌شود. باید توجه کرد که میزان حذف بار به تنظیمات رله افت فرکانس حساس است. یعنی، فعالسازی رله افت فرکانس در فرکانس بالاتر، یعنی در زمان‌های زودتر، نیازمند حذف کمتری از بار نسبت به فعالسازی در حالت فرکانس کمتر است. همچنین باید بیان کرد که در بیشتر موارد، لازم است تا عملکرد رله حساس به فرکانس پس از عملکرد رله افت فرکانس صورت گیرد.

برای برخی حوادث استفاده از تنها طرح‌های حذف بار به منظور پایداری سیستم کافی نیست. در این موارد، چاره این است که سیستم قدرت به نواحی مختلفی تفکیک شود تا پایداری سیستم برقرار باشد. این نواحی یا از نظر بار غنی هستند (بار زیادی دارند) یا تولید. اینکه بار باید حذف شود یا تولید، باید شناسائی شود. مجددا، فرکانس فعالسازی و آستانه شیب فرکانس از طریق شبیه‌سازی حوادث تعیین می‌شوند.

3. کاربرد تکنیک ارائه‌شده

تکنیک ارائه شده در بخش2 به شبکه برق بنگلادش اعمال می‌شود. این سیستم کوچک بوده و دارای ظرفیت نصب‌شده 5250 مگاوات و پیک تقاضای سالیانه 4300 مگاوات است. سیستم انتقال شبکه برق بنگلادش باعث تشکیل یک شبکه یکپارچه با دو سطح ولتاژ 132 و 230 کیلوولت شده است. این شبکه کل برق کشور را تامین می‌کند و از لحاظ جغرافیایی توسط رودخانه‌های پامدا و جامونا به دو ناحیه تقسیم شده است. یعنی، سیستم انتقال دارای دو ناحیه اصلی است که از طریق دو خط واصل موسوم واسط شرق به غرب 1 و 2 به هم متصلند.

شبکه برق بنگلادش به صورت شعاعی است. شکل3 نشان دهنده شبکه برحسب تعداد نواحی است. این شکل به وضوح نشان می‌دهد که نواحی همچون جزیره‌هایی هستند که به صورت شعاعی به ناحیه داکا وصل شده‌اند. وضعیت جزیره‌های مختلف از منظر ظرفیت تولیدی و بارهای یک روز معمولی در جدول II بیان شده‌ است. جدول نشان می‌دهد که اغلب جزیره‌ها از نظر بار غنی هستند (بار زیادی نسبت به میزان تولید دارند). یک جزیره بار غنی جزیره‌ای است که میزان تولید توان آن کمتر از بار آن است و جزیره تولید غنی نیز دارای میزان تولیدی بیشتر از بار موجود در آن است.

الف. مشخصات پاسخ فرکانسی سیستم قدرت بنگلادش

پاسخ فرکانسی به دو شیوه مختلف بررسی می‌شود: 1) تغییر بار در باس‌های 33 کیلوولت به صورت یکی یکی و 2) قطعی‌های (خروج‌های) اجباری ظرفیت.

تغییر بار نشان می‌دهد که برای یک مقدار یکسان حذف بار در باس‌‌های 33 کیلوولت، میزان تغییر فرکانس سیستم با هم متفاوت است. ملاحظه می‌شود که بارهای نزدیک به نیروگاه‌های برق تاثیر سریع‌تر و بیشتری روی تغییر فرکانس سیستم دارند. علاوه بر این، از آنجا که یک باس بار خاص دارای مقدار بار وصل شده مشخصی به آن است، سهم آن در افزایش فرکانس از طریق حذف بار خود، بستگی به میزان بار آن باس دارد. با توجه به ملاحظات فوق، همه پست‌های 33 کیلوولت را می‌توان مطابق جدول III در پنج دسته جای داد. یعنی، دسته هر پست بر اساس مجاورت آن پست به نیروگاه‌های برق و مقدار بار متصل به آن مشخص می‌شود.

پایداری گذرای سیستم قدرت بنگلادش از طریق خروج ظرفیت تولیدی از 5% تا 35% تولید موجود (با گام‌های 5%) و یا از طریق افزودن ناگهانی بار از 5% تا 40% بار موجود (در گام‌های 5%) مورد ارزیابی قرار گرفت. تحلیل پخش بار حالت دائم نیز تنها یکبار و قبل از مطالعات پایداری گذرا اجرا شد. باید ذکر کرد که افزودن ناگهانی 40% بار، از منظر بیشترین تقاضای حال حاضر، بیشترین مقداری است که می‌توان افزود.

این مطالعات نشان می‌دهد که تا کسری 7% میزان تولید، فرکانس سیستم بدون نیاز به حذف بار، خود را پایدار و بالای1/49 هرتز حفظ می‌کند. بیشترین نرخ تغییر فرکانس برای این شرایط کمتر از 2/0 هرتز در ثانیه است. بنابراین، کمترین مقدار فرکانس نهائی و فرکانس آستانه f_TH در 1/49 هرتز تنظیم می‌شود و اولین آستانه برای نرخ تغییر فرکانس، m₀، برابر 2/0 هرتز بر ثانیه انتخاب می‌شود.

جدول IV نشان دهنده محاسبات ساده باری است که باید فورا حذف شود تا سیستمی را که دچار کسری 7% میزان تولید است همچنان پایدار نگه دارد. برای مثال، در کاهش ناگهانی 35% تولید (1435 مگاوات) مقدار حذف باری که باید صورت گیرد 1250 مگاوات است تا اینکه کسری تولید در محدوده 7% باقی بماند. این محاسبه ساده به منظور ارزیابی کیفی میزان حذف فوری بار لازم جهت دستیابی به محدوده فرکانس نهائی، به کار می‌رود.

 

ب. تعیین تنظیمات رله

ملاحظه شد که در صورت کاهش ناگهانی تولید و/ یا افزایش ناگهانی بار، فرکانس سیستم از طریق طرح خودکار حذف بار به مقدار 1/49 هرتز افزایش می‌یابد. پس از آن، انتظار می‌ورد که اپراتورهای مرکز دیسپاچینگ بار مرکزی (CLDC) با اعمال اقدامات لازم و کنترل دستی برخی فیدرها در نواحی مختلف کنترل اوضاع را بر عهده گیرند.

برای تعیین تنظیمات رله حساس به فرکانس، با چهار مجموعه تنظیمات رله حساس به فرکانس شبیه‌سازی‌ها تکرار شدند:

1. (49، 8/48، 6/48) هرتز؛
2. (1/49، 49، 9/48) هرتز؛
3. (6/48، 4/48، 2/48) هرتز؛ و
4. (7/48، 6/48، 5/48) هرتز.

در ابتدا، هر مجموعه به صورت مستقل و تنها با رله‌های حساس به فرکانسی که به پست‌های 33 کیلوولت اصلی متصل بودند تست شدند. مقدار حذف بار در هر آستانه یک مجموعه به کمک شبیه‌سازی با مقادیر مختلف حذف بار تعیین شد.

شکل4 نشان دهنده پاسخ‌های فرکانسی سیستم قدرت بنگلادش در حالتی است که حذف بار بر اساس تنها رله‌های حساس به فرکانس صورت می‌گیرد. مشاهده شد که برای افزایش 40% ای بار، سیستم تنها زمانی می‌تواند پایداری خود را حفظ کند که تنظیمات به صورت (1/49، 49، 9/48) هرتز با 15% حذف بار در هر آستانه برای این مجموعه باشد. از شکل ملاحظه می‌شود که وقتی اغتشاش شدیدتری مثل خروج 32% ظرفیت تولیدی رخ می‌دهد، این تنظیمات قادر نیستند فرکانس سیستم را به فرکانس نهایی (هدف) 1/49 هرتز افزایش دهند.

برای اغتشاشات بزرگ که رله حساس به فرکانس (FS) قادر به حفظ پایداری سیستم نیست، از رله FD (افت فرکانس) برای حفظ پایداری استفاده می‌شود. برای سیستم قدرت بنگلادش، این اغتشاشات می‌تواند عبارت باشد از افزایش ناگهانی بیش از 40% بار و یا خروج یکباره یا پله به پله بیش از 32% ظرفیت توان تولیدی در شرایط پیک بار.

پس از یک سری شبیه‌سازی‌ها و در نظر گرفتن پاسخ‌های فرکانسی سیستم، تنظیمات رله‌های افت فرکانس در هر پنج نوع پست تعیین می‌شوند.

شیب آستانه برای فعالسازی رله‌های افت فرکانس با در نظر گرفتن اغتشاش‌هایی تعیین می‌شود که دارای شدت پایینی هستند تا به این ترتیب اغتشاش‌های با شدت بیشتر که منجر به شیب تندتر می‌شوند را نیز بتوان انطباق داده و اصلاح کرد. برای سیستم قدرت بنگلادش، شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که در بین اغتشاشاتی که منجر به ناپایداری می‌شوند، افزایش ناگهانی و یکباره بار نسبت به خروجی متوالی ژنراتورها شدت کمتری دارد. شایان ذکر است که برای یک سیستم قدرت 50 هرتز، فرکانس فعالسازی را می‌توان به سادگی 5/0 هرتز کمتر از فرکانس نامی قرار داد، یعنی بر روی 5/49 هرتز.

بنابراین شیب‌های آستانه برای رله‌های افت فرکانس با توجه به حداقل شیب بدست آمده از منحنی‌های فرکانس تعیین شدند. این منحنی‌ها حاصل شبیه‌سازی‌های پایداری گذرا هستند که این شبیه‌سازی‌ها در حالت افزایش ناگهانی بار تا 40% بدون هیچ رله‌ حساس به فرکانس و یا رله افت فرکانس انجام گرفتند.

شکل5 نشان دهنده عملکرد طرح ترکیب رله‌های حساس به فرکانس و افت فرکانس بر روی سیستم قدرت بنگلادش و تحت یک شرایط معمول پیک بار است. این شکل نشان می‌دهد که اگر رله‌های افت فرکانس در ترکیب با رله‌های حساس به فرکانس در باس‌های 33 کیلوولت اصلی به کار روند، سیستم قدرت می‌تواند برای اغتشاش‌های حاصل از افزایش ناگهانی بار تا 60% و یا اغتشا‌ش‌های ناشی از خروج ناگهانی (یکباره) ژنراتورها تا 6/46 % پایداری خود را حفظ کرده و فرکانس در مقداری بیش از 49 هرتز نشست کند. همچنین از این شکل دیده می‌شود که برای کاهش ناگهانی و بیش از 6/43% تولید، برای مثال در این مورد 2/44%، طرح توسعه یافته حذف بار قادر نیست فرکاسن سیستم را به مقدار فرکانس هدف (نهائی) 1/49 هرتز افزایش دهد.

در وضعیتی که از طریق تنظیمات رله فوق، پایداری سیستم قابل حصول نباشد، تفکیک نواحی تنها راهکار برای پایداری سیستم است. یعنی، اگر وضعیتی رخ دهد که فرکانس نزولی نتواند از طریق طرح حذف بار مبتنی بر پیاده‌سازی رله‌های حساس به فرکانس و افت فرکانس متوقف شودۀ آنگاه بخش‌های بار غنی و تولید غنی سیستم لازم است با تریپ خطوط 132 و 230 کیلوولت مابین آنها از هم تفکیک شوند.

از طریق نصب رله‌های افت فرکانس در دو انتهای خطوط مربوطه و حفظ آستانه شیب فرکانس آنها (|df/dt|) در 6/0 هرتز در ثانیه، تفکیک نواحی را می‌توان محقق ساخت. این مقدار آستانه از شبیه‌سازی‌های گوناگون حاصل می‌شود. پس از چند شبیه‌سازی، مشخص شد که تفکیک نواحی شرقی و غربی سیستم قدرت بنگلادش بهترین راهکار است.

تنظیمات رله انواع مختلف رله‌ها برای طرح حذف بار وابسته بر فرکانس که از شبیه‌سازی زیادی حاصل شده‌اند در جداول V-VII ارائه شده است. توجه شود که در این مطالعه، بار موجود در یک پست به عنوان عاملی برای حفظ پایداری سیستم تلقی می‌شود؛ 45% از بار برای حذف بار به کمک رله حساس به فرکانس و 50% از بار برای حذف بار به کمک رله افت فرکانس اختصاص داده می‌شود.

ستون اول جدول VI نشان دهنده انواع رله‌های افت فرکانس متناظر با انواع مختلف پست‌ها مشخص شده در جدول III می‌باشد. این جدول به وضوح نشان می‌دهد که تنظیمات هر دسته از رله‌های افت فرکانس از دسته‌های دیگر متفاوت است.

ج. اعتبارسنجی طرح خودکار حذف بار

تنظیمات رله ارائه شده در جدول‌های VI و VII به کمک شبیه‌سازی سناریوهای مختلف مورد ارزیابی قرار گرفت.

1. حوادث متوالی: به منظور ارزیابی عملکرد این طرح در طی حوادث متوالی، سناریوهای مختلفی توسعه یافت. شکل6 نشان دهنده عملکرد طرح حذف بار تحت برخی از سناریوهاست، مثلا سناریوهای مورد A، مورد B، مورد C و مورد D. به طور مختصر، مورد A اشاره دارد به خروج متوالی 15 ژنراتور در فاصله زمانی 1340 سیکل که منجر به از دست رفتن 95/29% تولید می‌شود. مورد B اشاره دارد به خروج متوالی 18 ژنراتور در یک فاصله 1340 سیکل که منجر به از دست رفتن 9/37% تولید می‌شود. مورد C اشاره دارد به خروج 18 ژنراتور در فاصله 2190 سیکل که منجر به خروج 9/37% تولید می‌شود. مورد D اشاره دارد به افزایش ناگهانی 5% در بار و خروج متوالی 18 ژنراتور در فاصله 1350 سیکل که منجر به کسر 9/37% تولید می‌شود.

شکل6 نشان می‌دهد که طرح حذف بار می‌تواند از فروپاشی پیوسته فرکانس سیستم پیشگیری کرده، آن را پایدار کرده و بهبود دهد. یعنی، طرح حذف بار می‌تواند فرکانس سیستم را حول 49 هرتز حفظ کرده و از خاموشی سراسری سیستم در طی خروج‌های متوالی ژنراتورها و افزایش بار در شرایط پیک بار سیستم قدرت بنگلادش جلوگیری کند.

2. مواقع ضروری: عملکرد طرح حذف بار در طی مواقع ضروری یک بار 500 مگاوات و شرایط کاهش یافته شبکه در شکل7 ارائه شده است. چنین شرایطی به این علت رخ داد که در طی طوفان سیدر در نوامبر سال 2007 ، به خاطر خطاهای همزمان در مکان‌های مختلف شبکه، برخی از بخش‌های سیستم قدرت بنگلادش از طریق عملکرد مدارشکن‌ها از هم تفکیک شدند. ملاحظه شد که طرح حذف بار می‌تواند در شرایط ضروری، فرکانس سیستم را تا 90% افزایش در بار پایدار نگه دارد. این طرح در طی خروج ژنراتور 66 مگاواتی عملکرد خوبی دارد. همچنین این طرح قادر است در حالت خروج 89 مگاوات، فرکانس سیستم را در 64/49 هرتز حفظ کند.

مورد F اشاره دارد به موقعیتی که فرکانس سیستم در مدت 20 ثانیه به علت 10% افزایش در بار به 42/49 هرتز می‌رسد، و در این حالت فرکانس، 66 مگاوات تولید از دست می‌رود. حتی در این شرایط غیرطبیعی شبکه، طرح حذف بار فرکانس سیستم را در 89/48 هرتز حفظ می‌کند که یک وضعیت غیرقابل قبول برای فرکانس است.

3. سناریوی نیازمند تفکیک: تنظیمات رله افت فرکانس برای تفکیک نواحی برای یک خروج متوالی 5/47% مورد آزمون واقع شد. در این مورد، نواحی خوالنا- باریشال و بنگال شمالی، مطابق شکل3، از چهار ناحیه دیگر تفکیک می‌شوند. یعنی، دو جزیره شکل می‌گیرد: یکی با نواحی خوالنا- باریشال و بنگال شمالی و دیگری با سایر چهار ناحیه. شکل8 نزول فرکانس سیستم را بدون جزیره‌شدن و وضعیت فرکانس جزیره شامل چهار ناحیه را در لحظات مختلف که در نهایت به محدوده فرکانسی هدف افزایش می‌یابد را نشان می‌دهد.این شکل آشکارا نشان می‌دهد که تفکیک نواحی به همراه حذف بار می‌تواند جزایر تفکیک شده را پایدار سازد.

 

4. نتیجه‌گیری

شرایط غیرطبیعی ایجاد شده در یک سیستم قدرت در اثر خطا یا افزایش/کاهش ناگهانی بار و یا خروج‌های اجباری ظرفیت تولید و یا وقوع همزمان همه اینها باعث خسارات بسیار عظیمی به بهره‌برداران و مصرف‌کنندگان می‌شود. چنانچه این شرایط غیرطبیعی منجر به خاموشی سراسری شبکه شود، میزان این خسارات فوق العاده زیاد خواهد شد.

این مقاله تکنیکی را ارائه می‌دهد که در آن یک طرح خودکار حذف بار و جزیره‌ای کردن را می‌توان برای یک سیستم توسعه داد تا تحت شرایط غیرطبیعی منجر به بازگشت سیستم به حالت عملکرد پایدار شود. این تکنیک ارائه شده بر اساس دامنه و نرخ تغییر فرکانس نزولی در طی شرایط غیرنرمال توسعه یافت. این تکنیک نیازمند طرح‌های حذف بار سنتی و مبتنی بر نرخ تغییر فرکانس است تا سیستم را در وضعیت غیرطبیعی به حالت پایدار باز گرداند. با این حال، در یک وضعیت بسیار وخیم، شبکه تفکیک شده و جزایری را شکل می‌دهد و هر جزیره را به شرایط پایدار می‌رساند. پیاده‌سازی این تکنیک ساده بوده و نیازمند رله‌های حساس به فرکانس و افت فرکانس است. این تکنیک نحوه توالی و شرایط پیاده‌سازی انواع طرح‌های حذف بار و راهبردهای جزیره‌ای کردن را بیان می‌کند. ای مقاله تعدادی راهبرد برای فعالسازی طرح حذف بار ارائه می‌دهد تا مقدار حذف بار حداقل شود.

این تکنیک به سیستم قدرت بنگلادش اعمال می‌شود و در کنار آن یک طرح خودکار حذف بار و جزیره‌ای شدن توسعه می‌یابد. این طرح با شبیه‌سازی سناریوهای مختلف منجمله سه خاموشی اخیر سیستم قدرت بنگلادش مورد آزمون واقع می‌شود. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که این طرح قابلیت دست و پنجه نرم‌کردن با هر نوع شرایط غیرطبیعی در یک سیستم قدرت را دارا می‌باشد.

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

 

زیرنویس شکل‌ها:

شکل1. فرکانس نزولی بدست آمده از داده‌های ثبت شده داده‌نگار دیجیتالی خطا، در طی خاموشی سراسری در روز 14 دسامبر سال 2007.

شکل2. فلوچارت نشان دهنده گام‌های مختلف تکنیک.

شکل3. سیستم قدرت شعاعی بنگلادش.

شکل4. پاسخ‌های فرکانسی سیستم قدرت بنگلادش با حذف بار مبتنی بر تنها رله‌‌های حساس به فرکانس.

شکل5. عملکرد طرح ترکیبی رله‌های حساس به فرکانس و افت فرکانس بر روی سیستم قدرت بنگلادش.

شکل6. عملکرد طرح حذف بار تحت سناریوهای مختلف.

شکل7. عملکرد طرح حذف بار در بار 500 مگاوات و شرایط شبکه کاهش‌یافته.

شکل8. عملکرد رله‌های ترکیبی حساس به فرکانس و افت فرکانس در طرح جزیره‌ای کردن.

 

 

 

 

---

[1] Digital Fault Data Recorder

[2] Frequency Droop

[3] Reheat unit

[4] Load Dispatch Center