ترجمه مقاله کنترل غیرمتمرکز توان راکتیو برای سیستم اتوماسیون توزیع

کنترل غیرمتمرکز توان راکتیو برای سیستم‌های اتوماسیون توزیع پیشرفته

Decentralized Reactive Power Control for Advanced Distribution Automation Systems

 

چکیده-  در این مقاله یک طرح کنترل غیرمتمرکز توان راکتیو برای کنترل بهینۀ خازن سوئیچ‌شده در سیستم ارائه می‌شود تا تلفات سیستم حداقل شده و پروفیل ولتاژ در سطح قابل قبولی حفظ شود. تکنیک ارائه شده مبتنی است بر قراردادن یک واحد پایانه دوردست (RTU) روی هر DG و در هر خازن خط. این واحد پایانه‌های دوردست که از طریق پروتکل‌های مخابراتی با هم هماهنگ می‌شوند تشکیل یک سیستم چندعامله (مالتی‌ایجنت) را می‌دهند. برای تخمین تغییرات پروفیل ولتاژ در اثر تزریق توان راکتیو در باس خازن، الگوریتم نوین غیرمتمرکز پیشنهاد شده است. برای نشان دادن اعتبار و کارائی تکنیک ارائه شده در این مقاله، نتایج شبیه‌سازی بیان شده‌اند.

 

عبارات کلیدی- تولید پراکنده، سیستم‌های توزیع، سیستم چندعامله، کنترل توان راکتیو.

 

تولید پراکنده

کنترل توان راکتیو

 

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

 

 

1. فهرست نمادها

 

P_n,n+1                 توان اکتیو عبوری از باس RTU_n به باس RTU_n+1. در معادلات ما، اگر عبور توان راکتیو از پایین‌دست به بالادست باشد، این توان مثبت و در غیر این صورت منفی در نظر گرفته می‌شود.

 

Q_n,n+1                 توان راکتیو عبوری از باس RTU_n به باس RTU_n+1. در معادلات ما، اگر عبور توان راکتیو از بالادست به پایین‌دست باشد، این توان مثبت و در غیر این صورت منفی در نظر گرفته می‌شود.

 

V_{(n) old}                ولتاژ باس n قبل از اتصال خازن.

X_n-1,n                 راکتانس بخشی از خط که بین باس‌های n-1 و n قرار دارد.

R_n-1,n                 مقاومت بخشی از خط که بین باس‌های n-1 و n قرار دارد.

Q_{(n-1,n) old}            توان راکتیو جاری از باس n-1 به باس n قبل از اتصال خازن.

P_{(n-1,n) old}             توان اکتیو جاری از باس n-1 به باس n قبل از اتصال خازن.

V_{(n) new}               ولتاژ باس n پس از اتصال خازن.

Losses-index_Qc    شاخص تلفات متناظر با توان راکتیو تزریقی در باس خازن معادل با Q_c.

 

2. مقدمه

 

امروزه شبکه قدرت دچار تجدیدساختار کاملی شده است. به دلیل ملاحظات فنی، اقتصادی و زیست‌محیطی، این تجدیدساختار منجر به مفهوم جدیدی به نام شبکه هوشمند خواهد شد. در [1]، اتوماسیون توزیع پیشرفته (ADA) به عنوان "قلب سیستم تحویل توان هوشمند" توصیف شده است. به طور کلی، اتوماسیون توزیع پیشرفته مفهومی است که باعث خواهد شد سیستم توزیع کاملا کنترل‌پذیر و منعطف شود. در اتوماسیون توزیع پیشرفته همه تجهیزات کنترلی و عملیات کنترل به صورت خودکار هستند تا عملکرد بهینه سیستم حاصل شود. در راهبردهای پیشرفته کنترلی، فناوری‌های جدید و طرح‌های مخابراتی، سیستم توزیع پیشرفته باعث قابلیت اطمینان بالا، حداقل شدن تلفات، بهره‌برداری بهینه از اموال سیستم توزیع، و به کارگیری مقادیر زیادی از انرژی تجدیدپذیر در سیستم‌های توزیعِ موجود خواهد شد.

برای دستیابی به مفهوم اتوماسیون توزیع پیشرفته، لازم است تا بسیاری از تجهیزات سیستم توزیع هوشمند شوند. این تجهیزات می‌تواند شامل تجهیزات مدیریت کیفیت توان و تجهیزات مانیتورینگ و یا تجهیزات کنترل ولتاژ و توان راکتیو باشد. لذا، مفهوم اتوماسیون توزیع پیشرفته، در بخشی از آن، به صورت یک پایگاه هوشمند بزرگ توزیع گسترش خواهد یافت که در آن وظایف عملکردی سیستم توزیع قابل دستیابی خواهد بود. در نتیجه، نیاز به تکنیک‌های کنترلی پیشرفته است تا بتوان از هوشمندی شبکه توزیع در سیستم استفاده کرد تا عملکرد سیستم به صورت بهینه انجام گیرد.

در طی دهه‌های اخیر، کنترل Var به عنوان یکی از وظایف عملکردی مهم سیستم توزیع مشخص شده است. کنترل موثر Var باعث کاهش تلفات شده و پروفیل ولتاژ را بهبود می‌دهد، در نتیجه کیفیت توان تحویلی و قابلیت اطمینان کلی سیستم افزایش می‌یابد. در حقیقیت، نفوذ رو به رشد تولید پراکنده (DG) در سیستم‌های توزیع در سال‌های اخیر نیاز به طرح‌های موثر برای عملیات توان راکتیو را حیاتی‌تر می‌کند. در واقع، حضور تولید پراکنده در فیدرهای توزیع، پروفیل ولتاژ آن را به شدت تغییر می‌دهد و لذا توانمندی‌های حسگری ولتاژ بانک‌های خازنی را متوقف می‌کند، که اساسا بستگی به کاهش پروفیل ولتاژ فیدر دارد. علاوه بر آن، هماهنگی موثر بین خازن‌های فیدر و تولیدات پراکنده می‌تواند اجازه مشارکت تولیدات پراکنده بیشتری را در سیستم دهد. بیشتر تحقیقات انجام شده در زمینه کنترل Var در رابطه با برنامه‌ریزی[2] توان راکتیو بوده است. مساله یافتن اندازه و مکان بهینه خازن به طور گسترده در نوشتجات [2]-[4] مطالعه شده است.

از طرف دیگر، عملکرد تجهیزات کنترل توان راکتیو خیلی مورد توجه قرار نگرفته است. یک کار معمول در بهره‌برداری این بوده است که بانک‌های خازنی بر اساس سیگنال‌های محلی مثل زمانی از روز یا دامنه جریان عمل کنند تا خازن‌ها در حالت بار بیشینه متصل شده و در بار کمینه جدا شوند. در حال حاضر، نیاز به اتخاذ طرح‌های موثری برای کنترل توان راکتیو است تا با داشتن یک سیستم توزیع قابل‌اطمینان‌تر و موثرتر اهداف شبکه هوشمند برآورده شود.

برای کنترل بهینه توان راکتیو در حضور تولید پراکنده، در نوشتجات مختلف راهکارهای مختلفی گزارش شده است. ایحاد طرح کنترل توان راکتیو به عنوان یک مساله بهینه‌سازی متمرکز در کارهای مختلف ارائه شده است [5]-[8]. در این تکنیک‌ها، یک نقطه مرکزی وضعیت تجهیزات کنترل‌کننده توان راکتیو را پایش کرده، یک پیش‌بینی بار برای یک افق مشخص تدارک دیده، مساله بهینه‌سازی توان راکتیو را براساس شرایط پیش‌بینی‌شده حل کرده و در نهایت تنظیمات بهینه برای تجهیزات کنترل‌کننده توان راکتیو را تعیین می‌کند. مشکلات این طرح عبارتند از اینکه، اولا، برای سیستم‌های بزرگ روش متمرکز بسیار بغرنج خواهد بود. ثانیا، با دانستن اینکه این روش مبتنی بر پیش‌بینی بار است، به خصوص در حضور تولیدات پراکنده تجدیدپذیر با توان خروجی متغیر، هیچ تضمینی برای صحت پاسخ وجود ندارد.

یک روش نوظهور دیگر این است که مساله در حالت غیرمتمرکز حل شود. در [9]، یک دسیپاچینگ غیرمتمرکز چندعامله توان راکتیو DG برای پشتیبانی از ولتاژ سیستم ارائه شده بود. مشکل آن روش این است که فرض می‌کند یک نقطه مدیریت موجود است که پیشنهاداتی را از تولیدات پراکنده دریافت می‌کند و پاسخ کلی بهینه را محاسبه می‌کند، که کم و بیش یک روش متمرکز برای حل مساله است. در کاری دیگر [10]، یک روش غیرمتمرکز برای کنترل توان راکتیو خروجی DG ارائه شده است تا افزایش ولتاژ ناشی از اتصال DG را تسکین دهد. این روش کنترلی قابل کاربرد در کنترل دیگر تجهیزات کنترل توان راکتیو سیستم، مثل خازن‌ها، نیست. در این مقاله، ما طرح متمرکز کنترل بهینه توان راکتیو را ارائه می‌کنیم. این طرح، بانک‌های خازنی سوئیچ‌شده و شاید دیگر تجهیزات کنترل توان راکتیو را به صورت زمان واقعی کنترل می‌کند. این روش بر شرایط بارگذاری موجود مبتنی است تا در عین حفظ پروفیل ولتاژ در محدوده مجاز تعریف شده برای فیدر، تلفات سیستم را حداقل کند. طرح ارائه شده بر هماهنگی بین RTU واقع در هر DG و در هر خازن شنت فیدر استوار است تا یک سیستم چندعامله (مالتی‌ایجنت) ایجاد کند.

ساختار این مقاله به صورت ذیل است: بخش III تکنیک تخمین پروفیل ولتاژ بر اساس قرائت‌های RTU واقع در باس‌های DG و باس‌های دارای خازن را تشریح می‌کند. پس از آن، تخمین تغییر پروفیل ولتاژ در اثر تزریق توان راکتیو در باس خازن، در بخش IV بحث شده است. بر اساس نتایج بخش‌های III و IV، ساختار سیستم ارائه شده برای کنترل توان در بخش V ارائه شده است. الگوریتم کنترل توان راکتیو در بخش VI برای موردی بیان شده است که تک خازن‌ها حضور دارند و این بحث در بخش VII تعمیم داده شد هاست. مطالعات شبیه‌سازی در بخش VIII صورت گرفته است که تکنیک ارائه شده را اعتبار می‌بخشد. نتایج مقاله نیز در بخش IX بیان شده است.

 

3. تخمین پروفیل ولتاژ

 

در این بخش با درنظر گرفتن نقاط ولتاژ بیشینه و کمینه پروفیل ولتاژ فیدر، دو نتیجه مهم به اثبات خواهد رسید. شایان ذکر است که اطلاع از نقاط ولتاژ بیشینه و کمینه پروفیل ولتاژ برای دستیابی به تنظیم ولتاژ و کنترل توان راکتیو فیدر بسنده می‌کند. ما با نقاط بیشینه ولتاژ کار را آغاز می‌کنیم. نتیجه بعدی نشان می‌دهد که نقاط بیشینه پروفیل ولتاژ تنها در باس‌های دارای DG یا در باس‌هایی که به آنها خازن متصل است، رخ می‌دهند. اثبات این نتیجه در مرجع [3] وجود دارد.

 

1. نتیجه 1: برای پروفیل ولتاژ یک فیدر، نقاط بیشینه ولتاژ تنها در باس‌های دارای DG ، در باس‌هایی که به آنها خازن متصل است و باس پست اتفاق می‌افتند، البته به این شرط که نسبت R/X فیدر در طول کل فیدر ثابت باشد.

 

اکنون به نقاط کمینه ولتاژ بازمی‌گردیم. به طور کلی، نقاط کمینه ولتاژ تنها در انتهای فیدر و نیز بین هر دو باس دارای DG می‌تواند رخ دهد. ولتاژ نقاط انتها را می‌تواند توسط RTU قرائت کرد و یا به طور جایگزین می‌توان آن را به شیوه مشابه نقاط کمینه بین واحدهای DG ، تخمین زد. برای نقاط کمینه قرار گرفته بین باس‌های داری DG یا باس‌های دارای اتصال خازن، نتیجه ذیل شرط لازم و کافی برای حضور این نقاط را بدست می‌دهد. اثبات این نتیجه را می‌توان در [3] یافت.

 

2. نتیجه2: بین دو باس دارای DG یک نقطه ولتاژ کمینه موجود است اگر و تنها اگر، برای هر دو DG، ولتاژ باس مجاور DG، در جهت DG دیگر، کمتر از ولتاژ باس DG باشد. به عبارت دیگر، برای شکل1 و براساس این نتیجه بیان شده، در یکی از باس‌های 2، 3، 4، 5 یا 6 یک نقطه ولتاژ کمینه وجود دارد، اگر و تنها اگر، ولتاژ باس1 بزرگتر از ولتاژ باس2 بوده و اینکه ولتاژ باس 7 بزرگتر از ولتاژ باس6 باشد.

 

 

کل1. بخشی از سیستم توزیع

 

به طور مشابه همین نتیجه را می‌توان برای نقاطی که بین دو باس دارای خازن و یا بین یک باس دارای خازن و یک باس دارای DG اعمال کرد. توجه شود که از نقطه نظر تنظیم ولتاژ دانستن محل دقیق نقطه کمینه ولتاژ اهمیتی ندارد. اهمین نتایج فوق این است که یک روش تضمین‌شده برای بررسی وجود نقطه کمینه ولتاژ فراهم می‌کند. در واقع، تنها دانستن وجود نقاط کمینه ولتاژ کافی نیست. لازم است ما مقدار نقطه کمینه ولتاژ را نیز بدانیم. در روش ارائه شده ما تنها با قرائت مقادیر در محل باس DG یا باس خازن، مقدار نقطه ولتاژ کمینه را تخمین می‌زنیم. در واقع، این بخش از روش ارائه شده را می‌توان برای هر شبکه بر اساس اطلاعات موجود در ارتباط با مشخصات بارگذاری به‌گونه خاص طراحی کرد. با این حال، ما تخمین را به کار خواهیم بست که بدترین حالت را برای مقدار نقطه ولتاژ کمینه بدست می‌دهد لذا آن را می‌توان به عنوان یک مرز پایین مناسب برای نقطه ولتاژ کمینه در نظر گرفت.

 

 

شکل2. بخشی از سیستم توزیع

 

فرض خواهیم کرد که بار بین دو عنصر (DG یا خازن) دقیقا در وسط آنها قرار گرفته باشد. برای شکل2، بر اساس این فرض، مقدار نقطه ولتاژ کمینه بین DG1 و DG2، اگر موجود باشد، با محاسبه از سمت DG1 به صورت ذیل بیان می‌شود:

 

 

 

همچنین، مقدار نقطه ولتاژ کمینه محاسبه شده با DG2 بدین ترتیب است:

 

 

 

در نهایت با جایگذاری رابطه (1) و (2) در (3) خواهیم داشت

 

 

 

معادله (4) تنها با استفاده از داده‌های اندازه‌گیری شده در باس‌های عناصر، تخمینی برای مقدار نقطه ولتاژ کمینه (در صورت وجود) بین دو عنصر بدست می‌دهد. شایان ذکر است که بین دو عنصر طرح‌های مختلف بارگذاری، مثل توزیع یکنواخت، را می‌شد فرض کرد. انتخاب طرح بارگذاری مفروض بسته به شبکه متفاوت است.

 

4. تخمین تغییر پروفیل ولتاژ ناشی از تزریق توان راکتیو

 

به منظور توسعه یک طرح متمرکز کنترل توان راکتیو، لازم است تا برای تخمین میزان تغییر پروفیل ولتاژ ناشی از تزریق توان راکتیو در باس خازن، یک روش غیرمتمرکز ارائه شود.  به علت اتصال خازن به فیدر، توان راکتیو جاری از باس پست (station bus) به میزان توان راکتیو تزریق شده در باس خازن کاهش خواهد یافت. همچنین، همه توان‌ راکتیوهای عبوری بین هر دو باس بالاست باس خازن به مقدار توان راکتیو تزریق شده در باس خازن کاهش خواهد یافت. از طرف دیگر، توان راکتیو جاری در پایین‌دست خازن تحت تاثیر قرار نخواهد گرفت. لذا، توان راکتیو Q_C تزریق شده را می‌توان در یک وضعیت برهم‌نهی نگریست، به گونه‌ای که به سمت منبع جاری است. بر اساس این مفهوم ما قادر هستیم پروفیل ولتاژ هر فیدر را به صورت ذیل تحلیل کنیم؛ اختلاف ولتاژ بین هر دو باس n و n-1، بالادست باس خازن که البته با خازنی که فعلا در مدار حاضر نیست، را می‌توان به این ترتیب نوشت

 

 

 

 

 

معادله (13) میزان تغییر ولتاژ هر باس بالادست خازن را برحسب میزان توان راکتیو تزریق شده در باس خازن و راکتانس فیدر فراهم می‌کند. از طرف دیگر، تغییر ولتاژ در هر باس پایین‌دست باس خازن مشابه تغییر ولتاژ در خود باس خازن است. این نتیجه مستقیما از این حقیقت سرچشمه می‌گیرد که توان راکتیو جاری در پایین‌دست خازن به علت اتصال خازن تغییری نخواهد کرد. به کمک رابطه (13)، ما ساختار طرح غیرمتمرکز کنترل توان راکتیو را در بخش V ارائه خواهیم کرد تا قادر باشیم ولتاژ جدید هر باس که ناشی از تزریق توان راکتیو در باس خازن اتفاق می‌افتد را محاسبه کنیم.

 

5. ساختار سیستم ارائه‌شده

 

بر اساس نتایج بخش‌های III و IV، ما ساختار سیستم ترسیم شده در شکل3 را ارائه می‌کنیم. این سیستم شامل یک RTU در هر DG و هر خازن بوده و نیز دارای یک لینک مخابراتی بین هر دو RTU است که دارای ارتباط خط برق بین عناصر (DG ها یا خازن‌ها) آنهاست. هر RTU مسئول اندازه‌گیری محلی عنصر مربوط به خود، انجام محاسبات، اجرای برخی عملیات منطقی و مخابره با RTU همسایه خود یا با پست است. شکل4 پارامترهای اندازه‌گیری توسط هر RTU را تشریح می‌کند. برای مثال، هر RTU ولتاژ باس عنصر خود، توان‌های اکتیو و راکتیو عبوری در خطوط متصل به باس عنصر خود، و ولتاژهای باس‌های همسایه با باس عنصر خود را اندازه‌گیری می‌کند. توجه شود که ولتاژ باس‌های همسایه تنها به این دلیل برای RTU لازم است که نحوه تغییرا پروفیل ولتاژ را بدست آورد، اینکه در حال افزایش یا کاهش است، لذا، اندازه‌گیری یک نقطه روی فیدر مجاور RTU بسنده خواهد کرد.

 

شکل3. ساختار سیستم ارائه شده.

 

 

 

شکل4. جزئیات اندازه‌گیری‌های RTU

 

 

 

شکل5. نمودار نشان دهنده ساختار مخابراتی بین RTU ها.

 

بر اساس اندازه‌گیری‌های هر RTU، RTU قادر خواهد بود تا:

1. نقطه ولتاژ بیشینه پروفیل ولتاژ را اندازه‌گیری کند؛ ولتاژ باس DG یا باس خازن.
2. یک بخش از شرط احتمال وجود نقطه ولتاژ کمینه در پروفیل ولتاژ بین عنصر خود و هر عنصر همسایه را بررسی کند.
3. مقدار نقطه ولتاژ کمینه در هر سمت عنصر خود را، چنانچه موجود باشد، تخمین بزند.

 

ساختار مخابراتی بین RTU ها را می‌توان با نمودار شکل5 توضیح داد. این ساختار مخابراتی درختی را نشان می‌دهد که در آن پست همان ریشه درخت است، هر بخش فیدر یک شاخه بوده و هر RTU یک گره است.

در کار قبلی انجام شده توسط نویسندگان این مقاله، همین ساختار برای دستیابی به کنترل غیرمتمرکز ولتاژ برای فیدرهای چندگانه به کار رفته بود [11].

 

6. عملکرد بهینه بانک‌های خازنی سوئیچ‌شده در الگوریتم فیدرهای توزیع: موردی با یک خازن

 

هدف اصلی الگوریتم اجرا شده توسط RTU این است که خازن را قادر سازد تا توان راکتیو تزریقی را بر اساس شرایط سیستم تعیین کند. توان راکتیو بهینه مقداری است که دارای شرایط ذیل باشد:

1. تلفات فیدر را کمینه کند.
2. باعث تخطی پروفیل ولتاژ در طول فیدر نشود.

در ابتدا، ما باید برای تلفات متناظر با هر تزریق توان راکتیو در باس خازن، معیاری را معرفی کنیم. در این کار، از آنجا که ما ولتاژ تمام گره‌های سیستم را اندازه‌گیری نمی‌کنیم، قادر نیستیم تا مقدار دقیق تلفات را محاسبه کنیم. با این حال، دانستن اینکه چه میزان توان راکتیو باعث کمینه شدن تلفات می‌شود، برای اهداف کار ما کافی است. در این کار ما اختلاف ولتاژ بین باس‌ها را به عنوان یک معیار تقریبی برای تلفات خطوط در نظر خواهیم گرفت. وقتی اختلاف ولتاژ بین باس‌ها کم شود، تلفات نیز کاهش خواهد یافت. لذا، در الگوریتم‌های ذیل، ما به دنبال تزریق توان راکتیو در خازنی هستیم که اختلاف ولتاژ بین باس‌ها را کمینه کند. به عبارت دیگر، مقدار توان راکتیو تزریقی در خازن همان عاملی است که باعث کمینه شدن شاخص تلفات، که در ذیل تعریف می‌شود، خواهد شد:

شاخص تلفات[3]:

 

 

که در این رابطه N تعداد کل نقاط کمینه و بیشینه ولتاژ در پروفیل ولتاژ فیدر است. ثانیا، برای اینکه RTU یک خازن، میزان توان راکتیو تزریقی را به گونه‌ای تعیین کند که از پروفیل ولتاژ تخطی نکند، RTU باید از مقادیر بیشینه و کمینه پروفیل ولتاژ متناظر با هر تزریق توان راکتیو ممکن در باس خازن آگاه باشد. به طور خلاصه، هدف الگوریتم ارائه شده این است که خازن را قادر سازد تا سه مقدار اصلی متناظر با هر تزریق توان راکتیو را تعیین کند؛ ولتاژ بیشینه فیدر، ولتاژ کمینه فیدر و مقدار شاخص تلفات. این الگوریتم کار خود را با دورترین RTU از پست آغاز می‌کند. با توجه به محل RTU ها نسبت به خازن، پنج نوع RTU مختلف وجود دارد. سه نوع آن عبارتند از: RTU انتهای فیدر؛ یعنی RTU واقع در پایین‌دست خازن، RTU خازن؛ یعنی RTU واقع در بالادست خازن؛ و RTU پست. در ذیل، الگوریتم اجرا شده توسط هر نوع RTU تشریح می‌شود.

 

1. RTU انتهای فیدر:

1. ولتاژ باس خود را قرائت و ذخیره خواهد کرد؛
2. نقطه ولتاژ کمینه بین خود و RTU بالادست خود را با استفاده از نتیجه 2 بخش III بررسی خواهد کرد، سپس در صورت وجود چنین نقطه‌ای مقدار آن را تخمین خواهد زد؛
3. ولتاژ خود و ولتاژ تخمین زده‌ شدۀ نقطه کمینه به همراه علامت[4]ی که نشانگر وجود نقطه ولتاژ کمینه است، به RTU بالادست خود ارسال خواهد کرد.

 

2. RTU واقع در پایین‌دست خازن:

1. ولتاژ باس خود را قرائت و ذخیره خواهد کرد؛
2. اگر علامت نقطه ولتاژ کمینه دریافت شده از RTU پایین‌دست بالا باشد (یعنی نقطه ولتاژ کمینه وجود داشته باشد)، شرایط را برای وجود یک نقطه ولتاژ کمینه از سمت خود بررسی کرده و برای مقدار نقطه ولتاژ کمینه تخمینی را محاسبه خواهد رکد و لذا، ولتاژ نقطه کمینه بین خود و RTU پایین‌دست را به کمک رابطه (3) بروزرسانی خواهد کرد؛
3. نقطه ولتاژ کمینه بین خود و RTU بالاست خود را بررسی خواهد کرد و سپس این نقطه را در صورت وجود تخمین خواهد زد؛
4. موارد ذیل را به RTU بالادست خود ارسال خواهد کرد: مقدار ولتاژ خود، مقادیر ولتاژهای دریافت شده از RTU پایین‌دست، و ولتاژ تخمین زده شدۀ نقطه کمینه بین خود و RTU بالادست به همراه یک علامت که نشان دهنده وجود نقطه ولتاژ کمینه است.

 

با پیروی از رویه فوق، RTU خازن همه نقاط کمینه و بیشینه پروفیل ولتاژ بخشی از فیدر پایین‌دست خازن را دریافت خواهد کرد.

 

3. RTU خازن:

1. سه وظیفه اول مربوط به RTU پایین‌دست خازن که در بالا تشریح شد را انجام خواهد داد.
2. متناظر با هر کدام از تزریق‌های ممکن توان راکتیو خازن، متغیری موسوم به ولتاژ بیشینه کلی فیدر ایجاد خواهد کرد؛
3. متناظر با هر کدام از تزریق‌های ممکن توان راکتیو خازن، متغیری موسوم به ولتاژ کمینه کلی فیدر ایجاد خواهد کرد؛
4. متناظر با هر کدام از تزریق‌های ممکن توان راکتیو به کمک رابطه (13) ولتاژ جدید باس خازن را محاسبه خواهد کرد؛
5. همان‌طور که در بخش IV اشاره شد، تغییر ولتاژ برای نقاط پایین‌دست خازن همانند تغییر ولتاژ باس خازن است. لذا خازن می‌تواند ولتاژ نقاط پایین‌دست باس خود را بر اساس داده‌های دریافتی خود از RTU پایین‌دستی‌اش بروزرسانی کند.
6. با داشتن ولتاژهای جدید متناظر با تزریق احتمالی توان راکتیو برای بخشی از فیدر پایین‌دست خازن، RTU خازن می‌تواند متغیرهای ولتاژهای کمینه و بیشینه کلی فیدر را بروزرسانی کند.
7. با داشتن ولتاژهای جدید متناظر با تزریق احتمالی توان راکتیو برای بخشی از فیدر پایین‌دست خازن، RTU خازن می‌تواند به کمک رابطه (14) شاخص تلفات را برای آن بخش محاسبه کند.
8. موارد ذیل را به RTU بالادست خود ارسال خواهد کرد: ولتاژ بیشینه کلی فیدر، ولتاژ کمینه کلی فیدر، شاخص تلفات، لیست همه تزریق‌های احتمالی توان راکتیو در باس خود، ولتاژ باس خازن.

 

4. RTU واقع در بالادست خازن:

1. سه وظیفه اول مربوط به RTU پایین‌دست خازن که در بالا تشریح شد را انجام خواهد داد.
2. متناظر با هر کدام از تزریق‌های ممکن توان راکتیو، به کمک رابطه (13) ولتاژ جدید باس خازن را محاسبه خواهد کرد؛
3. اگر نقطه ولتاژ کمینه‌ای در پایین‌دست RTU فعلی موجود باشد، این RTU ولتاژهای جدید نقطه کمینه متناظر با تزریق احتمالی توان راکتیو در خازن را به کمک رابطه (13) محاسبه خواهد کرد.
4. با توجه محاسبات خود از ولتاژهای جدید در باس خود و در نقطه کمینه پایین‌دست آن، متغیرهای ولتاژهای کمینه و بیشینه کلی فیدر را بروزرسانی خواهد کرد.
5. اگر نقطه کمینه‌ای در پایین دست RTU فعلی موجود باشد، این RTU علاوه بر محاسبه شاخص تلفات بین خود و آن نقطه کمینه، شاخص تلفات بین نقطه کمینه و RTU پایین‌دست را نیز محاسبه خواهد کرد. در هر صورت،  نتیجتا شاخص تلفات دریافت شده از RTU پایین‌دست را بروزرسانی خواهد کرد.
6. موارد ذیل را به RTU بالادست خود ارسال خواهد کرد: ولتاژ بیشینه کلی فیدر، ولتاژ کمینه کلی فیدر، شاخص تلفات، لیست همه تزریق‌های احتمالی توان راکتیو در باس خود، ولتاژ باس خود.

 

5. RTU پست:

1. سه سه وظیفه اول مربوط به RTU پایین‌دست خازن که در بالا تشریح شد را انجام خواهد داد.
2. اگر نقطه ولتاژ کمینه‌ای در پایین‌دست RTU فعلی موجود باشد، این RTU ولتاژهای جدید نقطه کمینه متناظر با تزریق احتمالی توان راکتیو در خازن را به کمک رابطه (13) محاسبه خواهد کرد.
3. با توجه محاسبات خود از ولتاژهای جدید در باس خود و در نقطه کمینه پایین‌دست آن، متغیرهای ولتاژهای کمینه و بیشینه کلی فیدر را بروزرسانی خواهد کرد.
4. اگر نقطه کمینه‌ای در پایین دست RTU فعلی موجود باشد، این RTU علاوه بر محاسبه شاخص تلفات بین خود و آن نقطه کمینه، شاخص تلفات بین نقطه کمینه و RTU پایین‌دست را نیز محاسبه خواهد کرد. در غیر این صورت، شاخص تلفات بین خود و RTU پایین‌دست را محاسبه خواهد کرد. در هر صورت،  نتیجتا شاخص تلفات دریافت شده از RTU پایین‌دست را بروزرسانی خواهد کرد.
5. در این نقطه RTU پست دارای ولتاژ بیشینه کلی فیدر، ولتاژ کمیه کلی فیدر و شاخص تلفات برای کل فیدر خواهد بود. لذا RTU پست مقدار تزریق توان راکتیو بهینه که متناظر با کمترین تلفات بوده، و در عین حال، از پروفیل ولتاژ تخطی نکند، را تعیین خواهد کرد.
6. تزریق توان راکتیو بهینه را به RTU پایین‌دست ارسال خواهد کرد تا آن را به خازن محول کند.

 

6. نکات:

1. محدود‌کردن تعداد عملیات کلیدزنی خازن برای برآورده کردن عملیات سودمند به آسانی در الگوریتم ارائه شده قابل اعمال است. به سادگی یک شمارنده در RTU خازن می‌تواند وجود داشته باشد تا تعداد عملیات کلیدزنی که در یک دوره از پیش‌ تعیین‌شده رخ داده است را بشمارد. اگر این تعداد به تعداد مجاز عملیات کلیدزنی رسیده باشد، خازن به وضعیت استراحت خواهد رفت.
2. ضرورتی به پیش‌تعریف RTU به عنوان اینکه بالادست یا پایین‌دست خازن باشد، نیست. در واقع، این کار بصورت پویا قابل انجام است. یکی از راه‌های انجام این کار این است که یک علامت خازن موجود باشد که نشان دهد خازن پایین‌دست واقع است. تنها RTU ای که مجاز است این علامت را بالا (high) تنظیم کند (یعنی نشان دهنده پایین‌دست بودن خازن باشد)، RTU خازن است. وقتی پیام‌ها از انتهای فیدر انتشار می‌یابند، هر RTU محل خود را به صورت ذیل اعلام خواهد کرد: تا زمانی که علامت خازن پایین باشد، آنگاه محل RTU در پایین‌دست خازن است.

 

7. عملکرد بهینه بانک‌های خازنی سوئیچ‌شده در الگوریتم فیدرهای توزیع: مورد کلی

 

در این بخش یک الگوریتم کلی بیان می‌شود تا در حالتی که بیش از یک خازن در فیدر وجود دارد مساله حل شود. با پیروی از همان تحلیل‌های بخش IV، می‌توان دید که (7) یک معادله کلی و عمومی است که تغییر ولتاژ را در یک باس مشخص برحسب تغییر ولتاژ در باس بالادست آن بدست می‌دهد. با داشتن توان راکتیو جاری بین یک باس و باس بالادست آن،  این معادله را می‌توان جهت تخمین تغییر ولتاژ در آن باس مشخص به کار برد.

به منظور محاسبه تغییر ولتاژ ناشی از تزریق‌های توان راکتیو در یک RTU خاص به کمک رابطه (7)، لازم است تا تغییر ولتاژ در RTU بالادست آن RTU مشخص باشد. لذا، این الگوریتم پیشنهادی در دو فاز (مرحله) انجام می‌گیرد؛ فاز پیشرو و فاز بازگشت. این دو فاز به صورت زیر تشریح می‌شوند:

 

1. فاز پیشرو: این فاز را می‌توان به صورت ذیل توصیف کرد:

1. RTUها پروفیل ولتاژ فیدر را به همان روشی که در بخش VI بحث شد تخمین می‌زنند. جزئیات بیشتر در مورد الگوریتم تخمین پروفیل ولتاژ را می‌توان در [11] یافت.
2. علاوه بر این، هر خازن یک لیست از تزریق‌ توان راکتیو‌های ممکن را به RTU بالادست ارسال خواهد کرد.
3. هر RTU لیست تزریق‌های توان راکتیو دریافتی را ذخیره خواهد کرد تا در فاز بازگشت به کار گیرد.
4. وقتی یک RTU خازن لیستی از تزریق‌های احتمالی توان راکتیو را از RTU پایین‌دست دریافت می‌کند، این لیست دریافت شده را با لیست مربوط به تزریق‌های احتمالی توان راکتیو خازن خود ترکیب کرده و این لیست ترکیبی را به RTU بالادست خود ارسال می‌کند.

 

در نتیجه، در انتهای فاز پیشرو هر RTU دارای ولتاژ ذخیره خود و لیستی از ترکیب تزریق‌های توان راکتیو از خازن‌های پایین‌دست خود خواهد بود. لذا، هر RTU برای محاسبه تغییرات ولتاژ خود در اثر تزریق‌های توان راکتیو به کمک رابطه (7)، تنها نیاز به اطلاعات میزان تغییرات ولتاژ RTU بالادست خود دارد. فاز پیشرو در پست به اتمام خواهد رسید.

 

2. فاز بازگشت: فاز بازگشت از پست آغاز شده و در جهت پایین‌دست منتشر می‌شود. این فاز را می‌توان به صورت ذیل توصیف کرد:

1. هر RTU تغییر ولتاژ RTU بالادست را دریافت خواهد کرد. توجه شود که باس پست فرض شده است که سرسخت باشد و تغییر ولتاژ آن برابر صفر است.
2. پس از دریافت میزان تغییر ولتاژ RTU بالادست، هر RTU قادر خواهد بود تا تغییر ولتاژ خود را متناظر با لیست تزریق توان راکتیو ذخیره شده در فاز پیشرو را به کمک رابطه (7) محاسبه کند.
3. RTUها قادر خواهند بود تا شاخص تلفات را به شیوه مشابه توصیف شده در بخش VI محاسبه کنند.
4. سرانجام، پایین‌دست‌ترین خازن علاوه بر شاخص تلفات فیدر متناظر با هر ترکیب ممکن از تزریق‌های توان راکتیو خازن‌ها فیدر، دارای ولتاژهای کمینه و بیشینه نیز خواهد بود. 
5. لذا، خازن پایین‌دست قادر خواهد بود تا تعیین کند که کدام ترکیب از تزریق‌های توان راکتیو همه خازن‌ها بهینه است و لذا تصمیم خود را به خازن‌های بالادست ارسال خواهد کرد.

 

برای بحث تفصیلی در این مورد، خواننده به [12] ارجاع داده می‌شود.

 

8. نتایج شبیه‌سازی

 

در این بخش چند نتیجه شبیه‌سازی گزارش خواهد شد تا طرح ارائه شده برای کنترل توان راکتیو تصدیق شود. شکل6 نشان‌دهنده سیستم تحت مطالعه است؛ دو DG به باس‌های 5 و 9 متصل بوده و یک خازن به باس 7 وصل شده است. بارهای متصل به هر باس در جدول I بیان شده‌‌اند. برای همه موارد پیش‌رو ما داده‌های ذیل را فرض می‌کنیم:

• ولتاژ باس پست = 05/1 پریونیت؛
• ولتاژ بیشینه مجاز = 06/1 پریونیت؛
• ولتاژ کمینه مجاز = 94/0 پریونیت.

 

 

 

شکل6. سیستم به کار رفته برای شبیه‌سازی‌ها.

 

جدول1

مقادیر توان اکتیو و راکتیو در هر باس سیستم

 

 

 

 

1. تغییر پروفیل ولتاژ ناشی از تزریق توان راکتیو

 

در این مورد، ما می‌خواهیم تا توانائی الگوریتم را در تخمین میزان تغییر در پروفیل ولتاژ در اثر تزریق توان راکتیو در باس خازن را مورد ارزیابی قرار دهیم. مقادیر مختلف توان راکتیو در باس خازن تزریق شده و پروفیل ولتاژ  تخمینی توسط الگوریتم ارائه شده  با پروفیل ولتاژ بدست آمده از الگوریتم استاندارد پخش بار مقایسه می‌شوند.شکل‌های7-9 این نتایج را نشان می‌دهند. از این شکل‌ها واضح است که الگوریتم ارائه شده در مقایسه با روش پخش بار قادر است تا پروفیل ولتاژ فیدر را به خوبی تقریب بزند و این که الگوریتم پیشنهادی نیاز به داده‌های کمتری داشته و در یک وضعیت غیرمتمرکز عمل می‌کند.

 

 

 

شکل7. پروفیل ولتاژ سیستم تست: توان راکتیو خازن = 0.

 

 

 

شکل8. پروفیل ولتاژ سیستم تست: توان راکتیو خازن = 20.

 

 

 

شکل9. پروفیل ولتاژ سیستم تست: توان راکتیو خازن = 65.

 

2. کنترل بهینه توان راکتیو

 

در این بخش ما الگوریتم ارائه شده برای کنترل توان راکتیو را مورد آزمون قرار می‌دهیم.

• مورد 1: برای همان سیستم به کار رفته در فوق، هدف این است که توان راکتیو بهینه که در عین حفظ پروفیل ولتاژ منجر به کمینه شدن تلفات می‌شود، تعیین شود.

پس از اجرای الگوریتم RTU خازن برای هر تزریق احتمالی توان راکتیو داده‌های ذیل را دریافت خواهد کرد:

 

 

مشخص است که تنظیمات بهینه به صورت Q = 65 kVAR است. برای تصدیق این نتایج از یک الگوریتم پخش بار استفاده شد تا تلفات متناظر با هر تزریق توان راکتیو محاسبه شود، نتایج به صورت زیر بدست آمده است:

 

 

شکل10 نشان دهنده پروفیل ولتاژ بدست آمده از الگوریتم پخش بار و الگوریتم تخمین ولتاژ ارائه شده است.

 

 

 

شکل10. پروفیل ولتاژ سیستم تست: توان راکتیو خازن = 65.

 

• مورد2: در این مورد ما عملکرد تکنیک ارائه شده در واکنش به تغییرات توان خروجی DG را ارزیابی می‌کنیم. بدین منظور، فرض کنید که DG1 به مقدار 200 کیلووات و DG2 به مقدار 300 کیلووات توان اکتیو تزریق می‌کنند. براساس تزریق‌های جدید توان و پس از اجرای الگوریتم‌های ارائه شده، RTU خازن برای هر تزریق ممکن توان راکتیو داده‌های ذیل را دریافت خواهد کرد:

 

 

با اینکه Q = 65 باعث تلفات کمتری می‌شود، اما پروفیل ولتاژ متناظر با آن قابل قبول نخواهد بود چون از حد مجاز افزایش ولتاژ یعنی 1.06 p.u. تجاوز می‌کند. واضح است که تنظیمات بهینه برابر Q = 40 kVAR است. برای تصدیق این نتایج از یک الگوریتم پخش بار استفاده شد تا تلفات متناظر با هر تزریق توان راکتیو محاسبه شود، نتایج به صورت زیر بدست آمده است:

 

 

شکل11 نشان‌دهنده پروفیل بدست آمده از الگوریتم پخش بار و الگوریتم تخمین ولتاژ ارائه شده است.

 

 

 

شکل11. پروفیل ولتاژ سیستم تست: توان راکتیو خازن = 40.

 

 

 

شکل12. سیستم به کار رفته برای مطالعات شبیه‌سازی مورد 3.

 

3. مورد3: شکل12 نشان‌دهنده سیستم تحت مطالعه است. مقادیر بارها و میزان تولید در جدول II بیان شده است. برای همه موارد ما فرض می‌کنیم که داده‌ها به صورت ذیل باشند:

• ولتاژ باس پست = 055/1 پریونیت؛
• ولتاژ بیشینه مجاز = 06/1 پریونیت؛
• ولتاژ کمینه مجاز = 94/0 پریونیت.

 

پس از اجرای الگوریتم توصیف شده در بخش VII ، RTU تنظیم‌کننده داده‌ها (به صورت جدویل زیر) را متناظر با هر توزیق ممکن توان راکتیو دریافت خواهد کرد. بر اساس این داده‌ها، توان راکتیو بهینه برابر Q1 = 0 و Q2 = 40 است. پروفیل ولتاژهای تخمینی و واقعی متناظر با این مورد در شکل13 نشان داده شده‌اند. باید توجه کرد که بر اساس تلفات واقعی بدست آمده از برنامه پخش بار استاندارد، تلفات متناظر با موردی که Q1 = 35 kVAR و Q2 = 40 kVAR مورد با کمینه جهانی است. الگوریتم نمی‌تواند به این نقطه دست یابد چون باید نقاط کمینه ولتاژ را از پروفیل ولتاژ تخمین بزند، لذا، محاسبه شاخص تلفات به صورت تقریبی است. با اینکه خطا قابل توجه نیست، می‌توان با به کارگیری موثر داده‌های مشخص شبکه، با فرض یک توزیع بار واقعی‌تر بین RTU ها، تخمین بهتری برای نقطه کمینه بدست آورد.

 

جدول2

مقادیر بار و تولید سیستم شکل12

 

 

 

 

شکل13. پروفیل ولتاژ سیستم شکل12 با Q1 = 0، Q2 = 40 kVAR.

 

9. نتیجه‌گیری

 

در این مقاله یک طرح کنترل غیرمتمرکز ارائه شد تا خازن‌های سوئیچ‌شده فیدر توزیع به طور موثری کنترل شده و در نتیجه حین حفظ پروفیل ولتاژ فیدر، تلفات سیستم کمینه شود. طرح پیشنهادی مبتنی بر هماهنگی چند RTU واقع در باس‌های DG و باس‌های خازن است. این RTU ها تشکیل یک سیستم چندعامله (مالتی‌ایجنت) می‌دهند. الگوریتم نوین غیرمتمرکز برای تخمین تغییر پروفیل ولتاژ در اثر تزریق توان راکتیو در باس خازن ارائه شد. نتایج شبیه‌سازی نشان دهنده کارائی تکنیک ارائه شده در مدیریت بهینه منابع توان راکتیو سیستم است. تکنیک پیشنهادی با کنترل بهینه خازن‌های سوئیچ‌شده سیستم برای حفظ پروفیل ولتاژ قابل‌قبول، کمینه‌کردن تلفات سیستم و به کارگیری DG های بیشتر در سیستم‌های توزیع با هماهنگی موثر بین DG ها و خازن‌ها، به تحقق اتوماسیون پیشرفته توزیع کمک خواهد کرد.

 

 

 

 

---

[1] Multi-agent

[2] planning

[3] Losses-index

[4] flag