پایان نامه پیشنهاد روشی برای حفاظت خط انتقال مجهز به خازن سری

پایان ‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته برق

گرایش قدرت

چکیده

خطوط انتقالی که توسط رله‌های دیستانس حفاظت می‌شوند، دارای محدودیت‌هایی در حضور جبران‌سازی سری هستند. هنگامی‌که حلقه‌ی خطا شامل خازن سری است، امپدانس دیده شده به وسیله‌ی رله‌ی دیستانس، کاهش می‌یابد. سطح جبران‌سازی در هر لحظه، به تعداد خازن‌های متصل در آن زمان بستگی دارد. بنابراین برای عملکرد صحیح رله‌ی دیستانس، داشتن اطلاعات در مورد سطح جبران‌سازی موجود در خط انتقال ضروری است. تطبیق دادن تنظیمات در رله‌های عددی با استفاده از اطلاعات جمع‌آوری شده از طریق سیستم‌های ارتباطی ممکن است. PMU یک تجهیز الکتریکی است که دامنه و فاز ولتاژ و جریان را با سرعت بالا اندازه‌گیری کرده و بر روی آنها برچسب زمانی با دقت یک میکروثانیه می‌زند. در این پایان‌نامه، از اطلاعات فازوری بدست آمده از دو انتهای خط انتقال با استفاده از کاربرد PMU در سیستم‌های قدرت، برای محاسبه‌ی امپدانس خط و سطح جبران‌سازی به ازای شرایط مختلف استفاده شده‌ است، تا تنظیمات ناحیه‌ی حفاظتی 2 و 3 رله متناسب با خط ‌جبران‌شده‌ی سری، تطبیق یابد. روش پیشنهادی جهت درست‌آزمایی در دو سیستم نمونه کوچک و بزرگ پیاده‌سازی شده است. از نتایج بدست آمده می‌توان مشاهده کرد که روش پیشنهادی با مقدارخطای قابل قبولی، درصد جبران‌سازی خط انتقال را تخمین می‌زند. سپس با اصلاح تنظیمات رله‌ی دیستانس متناسب با شرایط سیستم، رله عملکرد درستی نسبت به خطاهای مختلف دارد.

کلید واژه- حفاظت خط انتقال مجهزخازن سری، واحد اندازه‌گیری فازور، حفاظت تطبیقی

1         فصل اول: مقدمه

حفاظت خطوط انتقال که وظیفه انتقال توان الکتریکی را بر عهده دارند، همیشه مورد توجه مهندس‌های برق بوده و دارای اهمیت بسیاری است. امروزه برای افزایش پایداری، کاهش تلفات و انتقال حداکثری توان در سیستم، از انواع جبران‌کننده‌های سری در خطوط انتقال استفاده می‌‌شود. به کارگیری خازن‌های سری در خطوط انتقال، به‌خصوص در خطوط انتقال طولانی، اقدامی مؤثر و اقتصادی برای افزایش قابلیت انتقال خطوط و بهبود پایداری گذرا و ماندگار سیستم محسوب می‌شود. علاوه‌بر‌ این، استفاده از جبران‌کننده سری موجب کاهش افت ولتاژ خط و بهبود پروفیل ولتاژ خط نیز می‌شود. علیرغم مزایای فوق در بهبود عملکرد سیستم، خازن سری و تجهیزات حفاظتی مشکلاتی جدی نیز برای حفاظت خطوط ایجاد می‌کند.

 عملکرد رله‌ی دیستانس که متداول‌ترین رله‌ی حفاظتی در شبکه انتقال است معمولاً به شدت تحت تأثیر جبران‌‌سازسری خازنی قرار می‌گیرد و این مسأله می‌تواند باعث عملکرد اشتباه رله‌ی دیستانس شود. مهم‌ترین مشکل ایجاد شده از جبران‌سازی سری خط، آن است که امپدانس اندازه‌گیری شده توسط رله، دیگر نشان دهنده فاصله‌ی واقعی نقطه‌ی خطا تا محل رله نیست زیرا مقاومت و راکتانس ظاهری دیده شده توسط رله در طی دوره خطا، تحت تأثیر تغییرات ولتاژ خازن سری قرار می‌گیرد. اغلب مشکلاتی که رله‌های خطوط جبران‌ شده‌ی ‌سری با آنها روبه‌رو می‌شوند شامل پدیده‌هایی مانند کوچک شدن ناحیه‌ی حفاظتی، معکوس شدن ولتاژ یا جریان، نوسانات زیرسنکرون و حالت‌های گذرای ناشی از عملکرد تجهیزات حفاظتی خازن(MOV[1]) است.

امروزه با استفاده از اطلاعات دقیق و به‌موقع می‌توان حفاظت مناسبی داشته و از خسارت‌های احتمالی جلوگیری کرد. پیشرفت سریع سیستم‌های مخابراتی در جهان و ابداع روش اندازه‌گیری فازوری به کمک واحد‌های اندازه‌گیری فازور (PMU[2]) با استفاده از سیگنال همزمانی سیستم موقعیت‌یاب جهانی(GPS[3]) ، تحول عظیمی در رویت‌پذیری و کنترل شبکه‌های گسترده‌ی قدرت ایجاد کرده است. این تکنولوژی همچنان با شتاب قابل ملاحظه‌ای در حال رشد است. به‌طوری‌که در آینده‌ی نزدیک، سیستم سریع کنترل هماهنگ شبکه، به‌طور قطع جایگزین روش‌های معمول و کم اثر کنترل محلی و امکانات محدود سیستم‌های فعلی SCADA/EMS برای ایجاد سیستم‌های فراگیر کنترل زمان واقعی و همچنین کنترل‌های کندتری نظیر کنترل ثانویه ولتاژ در شبکه‌های قدرت خواهد شد. این سیستم‌ها قادر به محدودسازی ادامه اغتشاشات وارده و ممانعت از بروز ناپایداری‌هاست. یک واحد اندازه‌گیری فازور، سیگنال‌های الکتریکی را در یک شبکه‌ی برق اندازه‌گیری می‌کند (در مهندسی برق، از چنین اندازه‌گیری‌هایی به نام فازور همزمان[4] نیز یاد می‌شود). همچنین توسط پالس‌های دریافتی از سیستم موقعیت‌یاب جهانی[5] بر روی آنها برچسب زمانی می‌زند تا بتوان داده‌های فازور PMUهای نصب شده در سطح شبکه را بر اساس زمان مرتب کرد. سپس با انجام محاسبات بر روی آنها، عملکرد نظارت، حفاظت وکنترل سیستم قدرت را بهبود بخشید. از کاربردهای بسیار مهم PMU در شبکه‌ی برق، مانیتورینگ مقادیر دامنه و اختلاف زاویه بصورت  لحظه‌ای[6] است که می‌تواند از خاموشی‌های سراسری[7] احتمالی جلوگیری کند، زیرا اپراتورهای شبکه به‌سرعت در زمان کمتر از چند ثانیه قادر خواهند بود وضعیت بحرانی را تشخیص دهند و از گسترش حادثه جلوگیری کنند. در‌ضمن از PMU می‌توان در ارزیابی پایداری شبکه، تشخیص عیب، بررسی حادثه پس از وقوع، تعیین مدل شبکه، مدیریت اضطراری بر خط و حذف بار استفاده کرد.

امروزه با توسعه‌ی واحد‌های اندازه‌گیری فازور به عنوان ابزار اندازه‌گیری دقیق، تحقیقات بر روی کاربردهای اندازه‌گیری با آن رو به افزایش است. دقت اندازه‌گیری ولتاژ و جریان این امکان را فراهم می‌کند که محاسبات دقیق پارامتر‌های خط انجام شده و تصمیم‌گیری در سیستم حفاظتی بهبود یابد.

1-1    ضرورت تحقیق

در خطوط جبران‌سازی‌ شده سری با خازن، امپدانس مشاهده شده توسط رله‌ی دیستانس بستگی به سطح جبران‌سازی شده در خطوط انتقال دارد. این سطح جبران‌سازی شده به تعداد خازن سری متصل به شبکه وابسته است. برای عملکرد درست رله‌ی دیستانس و افزایش کارایی سیستم حفاظت و بهبود آن، داشتن اطلاعات زمان‌ واقعی در یک زمان، در هر سطح جبران‌سازی شده در خطوط انتقال ضروری است.

می‌توان برای بهبود و افزایش توانایی سیستم حفاظت خطوط انتقال جبران‌سازی شده با خازن سری، از واحدهای اندازه‌گیری فازور(PMU[8]) که دارای ویژگی‌های مناسب در اندازه‌گیری پارامترها با نرخ نمونه‌برداری بالا هستند، جهت محاسبه‌ی سطح جبرا‌ن‌سازی‌شده‌ی خط انتقال استفاده کرد و اطلاعات بدست آمده را در تنظیم ناحیه‌های حفاظتی 2 و 3 رله‌ی دیستانس به‌کار برد. از اطلاعات بدست آمده نمی‌توان جهت بهبود ناحیه‌ی حفاظتی 1 رله‌ی دیستانس استفاده کرد زیرا عملکرد رله در این ناحیه‌ی حفاظتی آنی بوده و زمان لازم جهت پردازش داده‌ها وجود ندارد.

در این پایان‌نامه با استفاده از واحد اندازه‌گیری فازور (PMU)، روشی جهت بهبود حفاظت خطوط جبران‌سازی شده با خازن سری، ارائه شده است. این روش با نرخ نمونه‌برداری بالا از ولتاژ و جریان به صورت فازوری در یک زمان یکسان، سطح جبران‌سازی خط را تخمین زده و حفاظت دیستانس را با شرایط کنونی تطبیق می‌دهد.

1-2    ساختار پایان‌نامه

فصل دوم، روش‌های مختلف ارائه شده جهت بهبود حفاظت خطوط جبران‌سازی شده مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. در این فصل ابتدا حفاظت دیستانس خط انتقال مجهز به خازن سری شرح داده  و در ادامه واحدهای اندازه‌گیری فازور معرفی می‌شود. سپس تحقیقات انجام شده برای بهبود حفاظت خطوط جبران‌سازی شده بررسی شده است.

در فصل سوم، سپس طرح حفاظت پیشنهادی بر اساس کاربردهای واحدهای اندازه‌گیری فازور در سیستم قدرت، ارائه می‌شود. سپس در انتها جهت پیاده‌سازی روش پیشنهادی در سیستم‌های بزرگ‌تر، روشی جهت جایابی بهینه واحدهای اندازه‌گیری فازور بیان می‌شود.

 در فصل چهارم، نتایج شبیه‌سازی در دو سیستم نمونه بیان شده است.  فرض شده است که خازن در وسط خط انتقال قرار دارد. سپس روش پیشنهادی در سیستم نمونه اول در چهار حالت مختلف از جبران‌سازی، در نرم‌افزار PSCAD/EMTDC مورد بررسی قرار گرفته است. حالت اول سطح جبران سازی خط 30%، حالت دوم سطح جبران‌سازی 40% ، حالت سوم سطح جبران‌سازی 70% و حالت چهارم خط بدون جبران‌سازی است. محدوده قطع از نمونه‌برداری‌های انجام شده توسط PMU تخمین زده شده و با محدوده قطع واقعی مورد برسی قرار می‌گیرد. سپس روش پیشنهادی در یک سیستم استاندارد 9 باسه IEEE در سه سطح 30%، 40% و صفر درصد مورد بررسی قرار می‌گیرد. جهت این انجام کار ابتدا مکان بهینه برای PMUها با استفاده از الگوریتم برنامه ریزی عدد صحیح بدست می‌آید. روش در نرم‌افزار DIgSILENT Power Factory پیاده‌سازی می‌شود.

در فصل پنجم، نتیجه‌گیری و پیشنهادات بیان‌ می‌شود. در انتها مشخصات دو سیستم نمونه در پیوست آمده است.

فصل 2

روش‌های ارائه شده برای بهبود حفاظت خط انتقال جبران‌ شده با خازن سری

(مروری بر تحقیقات انجام شده)

2         فصل دوم: روش‌های ارائه شده برای بهبود حفاظت خط انتقال جبران‌ شده با خازن‌ ‌سری

در این فصل ابتدا حفاظت دیستانس و چالش‌های این حفاظت در خطوط مجهز به خازن سری، بیان  می‌شود. در ادامه واحدهای اندازه‌گیری فازور وکاربردهای این واحدها در حفاظت توضیح داده می‌شود. سپس روش‌های ارائه شده برای بهبود حفاظت خط انتقال جبران‌شده با خازن سری بررسی می‌شود.

2-1    حفاظت دیستانس و اساس عملکرد آن

رله‌ی‌ دیستانس برای حفاظت خطوط انتقال به کار می‌رود و از آنجا که فاصله عیب را با اندازه‌گیری امپدانس مشخص می‌کند، بدین نام مشهور شده‌ است. به‌طور کلی وقتی اتصالی در شبکه رخ می‌دهد این‌گونه رله‌ها نقش حفاظتی خط و تعیین فاصله اتصالی تا رله را به عهده دارند. معمولا حفاظت اصلی خطوط انتقال رله‌های دیستانس و حفاظت پشتیبان این خطوط رله‌های اضافه‌جریان هستند. دلیل این امر آن است که زمان عملکرد رله‌های دیستانس بر روی خطی که رله روی آن است بسیار کم و زمان عملکرد رله‌ی اضافه‌جریان نسبتا زیاد است.

همان‌طور که بیان شد اساس عملکرد رله‌ی دیستانس، اندازه‌گیری مقدار امپدانس خط انتقال است. رله‌ی دیستانس دارای دو وروردی ولتاژ و جریان است که در محل رله، اندازه‌گیری می‌شود. رله، امپدانس خط را از نسبت تبدیل ولتاژ و جریان و اندازه فاز آن محاسبه می‌کند.

شکل ‏2‑1: رله دیستانس

مقادیر امپدانس در محور مختصاتR,X  (مقاومت و راکتانس) نمایش داده ‌می‌شود. بر همین اساس رله دیستانس به انواع مختلفی تقسیم‌بندی می‌شود.

شکل ‏2‑2: مشخصه رله دیستانس(مهو)

2-1-1                       اصول عملکرد رله‌ی دیستانس

همان‌طوری‌که در شکل 2-1 نمایش داده شده، ولتاژ و جریان در محل رله اندازه‌گیری و سپس امپدانس محاسبه می‌شود. امپدانس اندازه‌گیری شده با امپدانس تنظیمی رله مورد مقایسه قرار گرفته و در صورتی که امپدانس اندازه‌گیری شده کمتر از امپدانس تنظیمی باشد، رله وضعیت پیش‌آمده را خطا تشخیص می‌دهد.

با توجه به خطای نسبت تبدیل ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری جریان و ولتاژ، اندازه‌گیری امپدانس با دقت کافی انجام نمی‌شود، خطای محاسبه امپدانس به میزان 10% تا 15% است. به همین دلیل خطاهای رخ داده در پایان خط و یا در ابتدای خط بعدی قابل تفکیک و تشخیص نیستند. از این‌رو یک ضریب اطمینان[9] در تنظیمات ناحیه حفاظتی[10] اول  رله به میزان 10% تا 15% در نظر گرفته می‌شود. این امر باعث می‌شود تا خطاهای رخ داده در پایان خط، از خطاهای رخ داده در ابتدای خط بعدی از تفکیک شوند. برای تشخیص خطا در پایان خط و یا در ابتدای خط بعدی از تنظیمات ناحیه‌ی حفاظتی دوم استفاده می‌شود[1].

امپدانس تنظیمی رله‌ی دیستانس و تاخیر زمانی در هر ناحیه‌ی حفاظتی متفاوت است. ناحیه‌ی حفاظتی به‌نحوی که در شکل‌های 2-3 و 2-4 نشان داده شده تنظیم می‌شوند. زمان عملکرد رله به فاصله بین محل اندازه‌گیری (رله) و خطا وابسته است. سه ناحیه حفاظتی رله‌ی دیستانس به صورت زیر تنظیم می‌شوند:

ناحیه‌ی حفاظتی اول، 80% خط AB و با زمان قطع کلید .

ناحیه‌ی حفاظتی دوم، برابر 100% خط اول+20% کوتاه‌ترین خط دوم با زمان قطع کلید .

ناحیه‌ی حفاظتی سوم، 100%خط اول + بلند‌ترین خط دوم + 40% کوتاه‌ترین خط بعدی با زمان قطع را پوشش می‌دهند.

شکل ‏2‑3: تنظیمات رله دیستانس

شکل ‏2‑4: ناحیه‌ ‌بندی حفاظتی رله دیستانس

برای خطاهای مختلف در هر مکان از خط انتقال، باید دستور قطع صادر شود. وظیفه‌ی دیگر ناحیه‌های حفاظتی‌ بعدی، حفاظت پشتیبان برای خطوط مجاور است، به عنوان مثال دومین ناحیه‌ی حفاظتی علاوه‌بر حفاظت 10% تا 15% انتهای خط اول، حفاظت باس و بخشی از خط دوم را بر عهده دارد. علاوه‌بر ناحیه‌ی حفاظتی اول و دوم، ناحیه‌ی حفاظتی سوم به منظور تشخیص خطا در سر تا سر خط بعدی در نظر گرفته می‌شود.

2-1-2                       جبران کننده خازن سری

برای افزایش ظرفیت خطوط انتقال و پایداری سیستم از جبران‌ساز‌های‌ سری مانند خازن سری در خطوط انتقال استفاده می‌شود. این جبران‌ساز‌ها می‌توانند در انتها یا وسط خط انتقال نصب شوند.

امپدانس (راکتانس) بانک خازنی منفی (  ) است، که بخشی از راکتانس القایی طول خط بوده و طبق رابطه ، باعث کاهش مقدار امپدانس خط انتقال شده که در نتیجه باعث کاهش تلفات و افزایش توان انتقالی خط انتقال می‌شود. بانک خازنی در ابتدا، وسط، انتها و یا دو طرف خط انتقال نصب می‌شود.

به  نسبت   ضریب و یا درجه جبران‌سازی خط می‌گویند، که ضریب جبران‌سازی در محدوده

7/0  25/0 قرار دارد [2[. از مزایای اضافه شدن خازن سری می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

شکل 2-5 یک شبکه شعاعی با جبران‌ساز خازن سری را نشان می‌دهد.  به ترتیب مقاومت خط، راکتانس خط و راکتانس خازنی هستند.

شکل ‏2‑5: شبکه شعاعی جبران‌سازی شده با خازن سری

اختلاف ولتاژ بین منبع و بار توسط دیاگرام فازوری به صورت زیر است:

(2-1)     

.

(2-2)            

بنابراین اختلاف ولتاژ:

(2-3)                                                                                                           

از معادله‌ی (2-3) نتیجه گرفته می‌شود که تنظیم ولتاژ، رابطه مستقیم با جبران‌سازی دارد. با توجه به تغییرات زیاد بارها، نوسانات ولتاژ خواهیم داشت. به همین منظور جهت بهبود بخشیدن به کیفیت بارها می‌توان از جبران‌ساز خازن سری در خط انتقال استفاده کرد [2[.

در شکل 2-6، تاثیر جبران‌کننده خازن سری بر پروفیل ولتاژ برای شبکه شعاعی با بار القایی نشان داده شده است.

شکل ‏2‑6: پروفیل ولتاژ برای شبکه شعاعی باجبران‌ساز سری

همان‌طور که در شکل مشاهده می‌شود در محل بانک خازنی به دلیل راکتانس منفی ولتاژ افزایش یافته، که به عنوان ولتاژ مثبت در نظر گرفته می‌شود. جبران‌ساز سری به وسیله ارسال توان راکتیو منفی در پایان خط باعث بهبود ضریب توان می‌‌شود.

در حالت بدون جبرا‌‌ن‌سازی‌سری[11]، راکتانس کل خط برابر با  خواهد بود اما در حالت با جبران‌سازی[12] سری راکتانس کل خط برابر با  است، می‌توان نتیجه گرفت که  در حالت جبران‌سازی شده کمتر از حالت بدون جبران‌سازی شده است[2[ و [3]. کاهش راکتانس، تاثیر مستقیم بر امپدانس اندازه‌گیری شده توسط رله‌ی دیستانس دارد.

خازن سری در خط انتقال با کاهش راکتانس القایی باعث بالا رفتن توان انتقالی خط می‌شود. سیستم انتقال توان نشان داده شده در شکل 2-7، بدون جبران‌ساز خازن‌سری است و توان اکتیو انتقالی توسط معادله‌ی (2-4) بیان می‌شود و در شکل 2-8 سیستم انتقال توان با جبران‌ساز خازن سری است که معادله‌ی (3-5) بیان‌گر توان اکتیو آن است.

شکل ‏2‑7: سیستم انتقال توان بدون جبران‌سازی

(2-4)                                                                                                   

شکل ‏2‑8: سیستم انتقال توان با جبران‌سازی

(2-5)                                                                                                   

در خط انتقال با جبران‌ساز سری، با افزایش توان انتقالی خط، تغییرات زاویه  و تغییرات ولتاژ باس متصل به بار کمتر است، نتیجه در شکل 2-9 نشان داده شده است.

شکل ‏2‑9: -  (a)منحنی توان-زاویه (b) منحنی توان – ولتاژ

از دیگر مزایای استفاده از جبران‌ساز سری می‌توان به مواردی مانند، افزایش ظرفیت انتقال خط، افزایش کنترل پخش توان و کنترل ولتاژ، کاهش تلفات، کاهش تاثیرات محیطی، کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری (مانند احداث خط جدید) در خطوط انتقال اشاره کرد [4].

همه مزایا ذکر شده، حاکی از کاهش راکتانس کل خط است، اما این کاهش راکتانس مشکلاتی در زمان تنظیمات رله‌ی دیستانس به دلیل تاثیر مستقیم بر امپدانس اندازه‌گیری توسط رله‌ی دیستانس ایجاد می‌کند.

2-1-3                       حفاظت خازن سری

در طول دوره‌ی خطا، جریان خطای عبوری از خازن، باعث تولید اضافه ولتاژ در ترمینال‌های خازن‌سری می‌شود. اضافه ولتاژهای ظاهر شده در خط محافظت شده، باعث بروز قوس در شاخک‌های موازی بانک خازنی سری می‌شود، بنابراین برای محدود کردن ولتاژ دو سر خازن از حفاظت متال اکسید وریستر( [13]MOV) استفاده می‌شود. به دلیل اثرات راکتانس جبران‌ساز، تجهیزات حفاظتی خازن سری، مانند MOV، بر امپدانس اندازه‌گیری شده در خطای اتصال کوتاه تاثیرگذار هستند. مشخصه‌ی غیرخطی ولتاژ و جریان MOV، از خازن سری در برابر اضافه ولتاژها محافظت می‌‌کند. MOV ولتاژ دو سر خازن را در محدوده‌ی مجاز حفظ می‌کند. زمانی که اضافه ولتاژ در دو سر خازن‌سری رخ می‌دهد، در ولتاژهای تعیین شده  MOVشروع به هدایت می‌کند. ولتاژ محافظ به طور معمول بالاتر از شرایط عادی بهره‌برداری از شبکه است [5].

در شکل 2-10 تجهیزات مورد استفاده برای حفاظت بانک خازنی سری در برابر اضافه ولتاژ نشان داده شده است. خطاهای اتصال کوتاه شدید باعث اضافه ولتاژ بالا در ترمینال بانک خازنی می‌شود. با عبور جریان بالا از MOV و یا بروز قوس در شاخک‌ها، رله‌ی اضافه جریان تحریک شده و باعث عملکرد کلید بای‌پس شده که در این حالت بانک خازنی از مدار خارج می‌شود.

شکل ‏2‑10: حفاظت جبران‌ساز خازنی سری در برابر اضافه ولتاژ

در خطاهای اتصال کوتاه شدید، امپدانس دیده شده توسط رله، از مقدار امپدانس جبران‌شده به مقدار امپدانس جبران نشده به سرعت تغییر می‌کند. طی همین شرایط به دلیل سری شدن بخش محدود کننده جریان خطا با امپدانس خط، رله، امپدانس دیده شده را بزرگ‌تر می‌بیند. اما شرایط دشوارتر زمانی است که قوس در شاخک‌ها، هنگام جریان خطا روی ندهد و رله‌ی دیستانس امپدانس خطا را با وجود بانک خازنی اندازه‌گیری کند.

2-1-4                       چالش‌های حفاظت دیستانس با حضور جبران‌ساز خازن سری

عملکرد حفاظت خطوط با جبران‌سازی سری بستگی به عوامل زیر دارد:

سطح جبران‌کنندگی، محل قرار گرفتن جبران‌ساز، متعلقات حفاظت خازن، پیکربندی سیستم، بار خطوط، محل ترانسفورماتورهای قدرت، طرح‌های تله‌پروتکشن، کلید باز و بست و غیره، علاوه‌بر این مهندس‌های حفاظت با چالش‌های متفاومتی ممکن است رو‌به‌رو شود، به دلیل آن که در هنگام خطا، رله‌ی دیستانس، امپدانس خطا را با وجود بانک خازنی سری (خطاهایی که در آن MOV هدایت نمی‌کند) درخط اندازه‌گیری می‌کند.

سیستم با جبران‌ساز سری تحت تاثیر مسائل مختلفی است از قبیل معکوس شدن ولتاژ و جریان که به طور قابل توجهی منجر به عمل کرد نادرست رله، در موقعیت‌های مختلف می‌شود.

معکوس شدن ولتاژ، زمانی رخ می‌دهد که همه امپدانس‌های بین منبع ولتاژ و خطا اندوکتیو هستند، اما به‌طور همزمان امپدانس بین باس و نقطه خطا، خازنی است. معکوس شدن ولتاژ باعث می‌شود که رله‌ی حفاظتی خط، خطا را در جهت عکس ببیند.

معکوس شدن جریان زمانی رخ می‌دهد که، جریان در محل رله پیش‌فاز است. به دلیل راکتانس خازنی بزرگ در حلقه خطا، جریان90 درجه از ولتاژ منبع جلوتر است. جریان زمانی معکوس می‌شود که شرط زیر بر‌قرار باشد:

(2-6)                                                                                                         

به طور کلی احتمال رخ دادن معکوس جریان نادر است، به دلیل آنکه طی چنین شرایطی افزایش زیاد جریان باعث عملکرد MOV و کلید بای‌پس خازن شده، در نتیجه خازن از مدار خارج می‌شود. اما در مواردی ممکن است که در اثر اتصال کوتاه با مقاومت خطای بزرگ جریان اتصال کوتاه آنقدر کوچک باشد که منجر به عمل کردن تجهیزات حفاظتی خازن نشود که در این صورت پدیده معکوس شدن جریان یک مشکل جدی و غیر قابل تشخیص توسط رله خواهد بود.

2-1-5                       مشکل تنظیمات حفاظت دیستانس شبکه با جبران‌ساز سری

یک جبران‌ساز خازن سری، امپدانس خالص خطا را برای همه خطاهای بعد از خود کاهش می‌دهد. در نتیجه با توجه به مقدار جبران‌سازی سری، محل خطا برای خطاهای بعد از جبران‌ساز، نزدیک به رله دیده می‌شود. وضعیت نا معلوم خازن سری، که آیا در حال سرویس دادن است یا خیر، باعث تنظیمات پیچیده ناحیه‌ی حفاظتی اول می‌شود. اگر خازن در حال سرویس دادن باشد، باعث افزایش دید و اگر خازن در مدار نباشد باعث کاهش دید رله‌ی دیستانس خواهد شد.

شکل ‏2‑11: امپدانس اندازه‌گیری شده رله 1) بدون جبران‌ساز 2) با جبران‌ساز

امپدانس دیده شده توسط رله‌ی دیستانس در خط جبران نشده بزرگتر است از خط جبران شده است. در هنگام بروز خطا و در صورت هدایت کردن MOV، امپدانس اندازه‌گیری، بیشتر از حالتی است که MOV هدایت نمی‌کند. شکل 2-11 امپدانس اندازه‌گیری شده توسط رله‌ی دیستانس با مشخصه امپدانسی را نشان می‌دهد، خط شماره‌ی 1 در حالی است که با بروز خطا، MOV هدایت کرده و با تحریک رله‌ی اضافه جریان کلید بای‌پس در حالت وصل قرار گرفته تا خازن از سرویس خارج شود، در نتیجه امپدانس کل خط برابر مجموع امپدانس خط و بخش امپدانس محدود کننده جریان خطا است. در خط شماره‌ی2، خطا شدید نبوده و MOV هدایت نکرده است، بنابراین امپدانس کل خط برابر مجموع امپدانس خط و بخش خازن سری است. در پایان می‌توان این‌چنین بیان کرد که با داشتن تنظیمات ثابت برای رله در حالت بدون جبران‌سازی، که خازن در مدار است، رله دچار افزایش برد و زمانی که خازن از سرویس خارج می‌شود رله دچار کاهش برد می‌شود [3] و [7] .

2-2    واحدهای اندازه‌گیری فازور[14]

پیشرفت سریع سیستم‌های مخابراتی در جهان و ابداع روش اندازه‌گیری فازوری به کمک معرفی واحدهای اندازه‌گیری فازور (PMU) و با استفاده از سیگنال همزمانی سیستم موقعیت‌یاب جهانی[15] (GPS) تحول عظیمی در رویت‌پذیری و کنترل شبکه‌های گسترده قدرت ایجاد کرده است (شکل 2-12).  این تکنولوژی همچنان با شتاب قابل ملاحظه‌ای در حال رشد است. به‌طوری‌که در آینده نزدیک، سیستم کنترل سریع هماهنگ شبکه، که قادر به محدودسازی ادامه اغتشاشات وارده و ممانعت از بروز ناپایداری‌هاست، جایگزین روش‌های معمول و کم اثر کنترل محلی و امکانات محدود سیستم‌های فعلی SCADA/EMS برای ایجاد سیستم‌های فراگیر کنترل زمان واقعی و همچنین کنترل‌های کندتری نظیر کنترل ثانویه ولتاژ در شبکه‌های قدرت خواهد شد. یک واحد اندازه‌گیری فازور سیگنال‌های الکتریکی را در یک شبکه برق اندازه‌گیری می‌کند. در مهندسی برق،  از چنین اندازه‌گیرهایی به نام فازور همزمان[16] نیز یاد می‌شود[24].

شکل ‏2‑12: نصب PMU در شبکه برق و ارتباط آنها با GPS

PMU یک تجهیز الکتریکی است که دامنه و فاز ولتاژ و جریان را با سرعت بالا اندازه‌گیری کرده و توسط پالس‌های دریافتی از سیستم موقعیت یاب جهانی بر روی آنها برچسب زمانی با دقت یک میکروثانیه می‌زند تا بتوان داده‌های فازور PMUهای نصب شده در سطح شبکه را بر اساس زمان مرتب کرده و با انجام محاسبات بر روی آنها، عملکرد نظارت، حفاظت وکنترل سیستم قدرت را بهبود بخشید (شکل 2-13).

شکل ‏2‑13: اندازه‌گیری فازوری ولتاژ و جریان توسط PMU

2-2-1فازور

فازور یک عدد مختلط با دامنه و فاز مشخص، که برای نمایش یک سیگنال سینوسی متناوب در یک فرکانس خاص است. از نظر ریاضی شکل موج یک سیگنال AC در یک فرکانس خاص به فرم زیر نوشته می‌شود:

(3-7)

که در آن  دامنه حداکثر سیگنال،  فرکانس سیگنال بر حسب رادیان بر ثانیه و  زاویه فاز بر حسب رادیان و نقطه شروع شکل موج است. مقدار موثر (rms) برابر با   است که در محاسبه توان اکتیو و راکتیو یک مدار AC بکار می‌رود (شکل 2-14) .

شکل ‏2‑14: سیگنال فازور خروجی از PMU

2-2-2ساختار PMU

شکل 2-15 ساختار کلی یک واحد اندازه‌گیری فازور را نشان می‌دهد. ساختار داخلی PMU مانند رله‌های دیجیتال است با این تفاوت که PMU مجهز به گیرنده GPS است. ورودی‌های آنالوگ، مقادیر جریان و ولتاژ سیم‌پیچ‌های ثانویه ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ سه فاز ایستگاه هستند که به‌صورت اندازه‌گیری‌های توالی مثبت انتقال می‌یابند. ساختار اصلی یک واحد اندازه‌گیری فازوری (PMU) از یک پردازشگر سیگنال دیجیتال تشکیل شده است. این پردازشگر دیجیتالی از سیگنال‌های ولتاژ و جریان با نرخ ۲۸۸۰ نمونه در هر ثانیه نمونه‌برداری می‌کند. که این نرخ معادل ۴۸ نمونه در هر سیگنال است. کمیت‌های آنالوگ ولتاژ و جریان قبل از نمونه‌برداری از یک فیلتر ضد تداخل عبور داده می‌شود تا به این ترتیب فرکانس‌های گذرا از اطلاعات اصلی سیگنال‌های ولتاژ و جریان حذف شود. سپس توسط A/D، 16 بیتی اطلاعات آنالوگ به داده‌های دیجیتال تبدیل می‌شود. سایر کمیت‌های الکتریکی از قبیل توان اکتیو و راکتیو و غیره توسط پردازشگر دیجیتال محاسبه می‌شود و از طریق مودم به پردازشگر محلی و یا منطقه‌ای ارسال می‌شود. از سیگنال سنکرون‌کننده GPS برای همزمان‌ کردن اطلاعات ارسال شده توسط واحدهای PMU استفاده می‌شود

برخلاف رله‌ها، یک PMU ممکن است دارای جریان‌های چندین فیدر خروجی و ولتاژهای باس‌های مختلف باشد. با استفاده از ترانسفورمرها، سیگنال‌های ولتاژ و جریان به ولتاژهایی متناسب با ورودی مبدل آنالوگ به دیجیتال (در حدود 10 ولت) تبدیل می‌شوند. حذف فرکانس‌های گذرا از فرکانس اصلی توسط فیلتر ضدتداخل انجام می‌شود. نرخ نمونه‌برداری بر اساس پاسخ فرکانسی فیلتر تنظیم می‌شود .فیلترهای آنالوگ با فرکانس قطع کمتر از فرکانس نمونه‌برداری است. نرخ نمونه‌برداری، تعداد پالس‌ها در فاصله زمانی یک ثانیه است که توسط اسیلاتور و با استفاده از سیگنال دریافتی از GPS تعیین می‌شود و نمونه‌برداری همزمان و سریع، با دقت یک میکروثانیه انجام می‌شود [16].

سنکروفازور اندازه‌گیری شده باید برچسب زمانی هماهنگ جهانی یا [17]UTC را به همراه داشته باشد. این برچسب معمولاً‌ از سه قسمت تشکیل شده است، زمان SOC، کسری از ثانیه و وضعیت زمان. زمان [18]SOC برابر با کل ثانیه‌های گذشته از اول ژانویه 1970 است که با یک عدد چهار بایتی بیان می‌شود.کسری از ثانیه نیز یک عدد صحیح است که نشان می‌دهد زمان گذشته (از ثانیه قبلی) چند برابر زمان موسوم بهTIME-BASE  است. در واقع هر ثانیه به تعدادی TIME-BASE تقسیم می‌شود که عددی صحیح است. در استانداردIEC61850-2000  مقدار TIME-BASE برابر با 224 قرار داده شده است. همزمان‌سازی با UTC نکته‌ای بسیار مهم در اندازه‌گیری سنکروفازورهاست. در واقع خطای 1 میکروثانیه در این همزمان‌سازی می‌تواند منجر به خطای 022/0 درجه در 60  هرتز یا 018/0 درجه در 50 هرتز شود[25].

     [1]- Metal Oxide Varistor

[2] -Phasor Measurement Unit

[3]- Global Positioning System

[4] - Synchrophasor

[5] - Global Positioning System

[6] -Real Time

[7]- ‌blackout

                 [8] -Phasor Measurement Unit

[9] - Security Margin

[10] -Zone

[11] - Without Series Compensation   

[12] - With Series Compensation   

[13] -Metal Oxide Varistor

[14]- Phasor Measurement Unit (PMU)

[15] - Global Positioning System

[16] - Synchrophasor

[17] - Universal Time Coordinated

[18] - Second of century

Abstract

Transmission lines protected by distance relays find limitations in the presence of series compensation. The impedance seen by the distance relay is modulated when the fault loop includes the series capacitor. The level of compensation at any instant depends on the number of capacitors connected at that time and at times the bank of capacitors may be bypassed leading to uncompensated line situation. Therefore for correct operation of the distance relay the information on the level of compensation present in the transmission line is essential. PMU is an electrical device that measures phase and amplitude of voltage and current with high speed and labels them with 1 micro second precision time stamp. In this thesis, phasor data obtained from two ends of the transmission line is used to calculate the line impedance and compensation level in different conditions in order to adapt zone-2 and zone-3 relay settings corresponding to series compensated line. In order to verify proposed method, it is implemented in two small and large typical systems. From the results obtained, it is observed that the proposed method estimates the transmission line compensation degree with high accuracy and acceptable error. Then by modifying distance relay setting corresponding to system conditions, the relay will have the correct operation against different faults.

Keyword- Phasor Measurement Unit, Series Compensation, Protection of transmission lines with series capacitors, Adaptive Protection