پایان نامه حفاظت یک ریزشبکه درحالت متصل و مستقل از شبکه

چکیده

کاهش منابع سوخت­های فسیلی، اثرات نامطلوب زیست محیطی و پایین بودن بازدهی شبکه های برق سنتی، تمایل به تولید برق در نزدیکی بار و سطح شبکه توزیع را با استفاده از منابع تجدید پذیر افزایش داده است. یکی از راهکارهای اساسی به منظور حل مشکلات مطرح شده استفاده از ریزشبکه ها می­باشد. به مجموعه ای از منابع کوچک تولید انرژی در سطح ولتاژ توزیع، ریزشبکه گفته می­شود. ریزشبکه در دوحالت متصل به شبکه و جدا ازشبکه بهره برداری می­شود. در این پژوهش یک طرح حفاظت دیفرانسیلی را برای حفاظت ریزشبکه با استفاده از تبدیل حوزه زمان-فرکانس مانند تبدیل S بیان می­کند. در ابتدا جریان باس­های متوالی اندازه گرفته شده و با استفاده از تبدیل S پردازش شده و کانتورهای زمان-فرکانس آنها بدست می­آید. محتوای طیف انرژی کانتورهای زمان-فرکانس سیگنال­های جریان خطا محاسبه شده، سپس انرژی تفاضلی برای ثبت الگوهای خطا در ریزشبکه در حالت متصل به شبکه یا جزیره­ای حساب می­گردد. کارایی روش پیشنهادی در انواع مختلف خطا (متقارن یا نامتقارن) و خطای امپدانس بالا در ریزشبکه در ساختارهای شعاعی یا حلقوی ارزیابی شده است. که یک مقدار حد آستانه مشخص برای انرژی تفاضلی می­تواند برای ارسال سیگنال تحریک در زمان مناسب در حدود 2 تا 3 سیکل از زمان رخداد خطا بسیار مناسب باشد. نتایج بدست آمده نشان داده است که طرح حفاظتی مبنی بر انرژی دیفرانسیلی می­تواند از ریزشبکه در مقابل شرایط خطاهای مختلف به صورت موثر حفاظت کند. بنابراین روش پیشنهادی یک انتخاب مناسب برای حفاظت ناحیه گسترده می­باشد.

برای شبیه سازی ریزشبکه از نرم افزار pscad و به منظور تحلیل نتایج شبیه سازی، از نرم افزار MATLAB استفاده شده است.

واژه‌های کلیدی:

ریزشبکه، تبدیلS ، حفاظت، انرژی تفاضلی

فصل 1:مقدمه

1-1-

سیستم­های قدرت در سرتاسر جهان با مشکل کاهش تدریجی منابع فسیلی روبرو هستند. از طرفی استفاده از منابع فسیلی موجب آلودگی محیط زیست خواهد شد. این مشکلات منجر به تولید توان در سطح ولتاژ توزیع توسط منابع تجدید پذیر انرژی مانند: سلول های فتوولتاییک، مزارع بادی، پیلهای سوختی، سیستم های تولید همزمان توان و حرارت وغیره شده است.

    توسعه ریزشبکه به منظور تامین انرژی در صنعت، آینده روشنی را ترسیم نموده است که برخی از این فواید عبارتند از : تاثیرات محیطی کمتر ریزشبکه نسبت به نیروگاه­های حرارتی بزرگ به دلیل کاهش انتشار گازهای گلخانه­ای، اصلاح پروفیل ولتاژ و کاهش تلفات به دلیل نزدیک­تر شدن فاصله الکتریکی و فیزیکی بین تولید و مصرف، افزایش کیفیت توان به دلیل تمرکز زدایی از تولید و حداقل نمودن زمان­های قطعی و بروز خاموشی در شبکه، همچنین به دلیل بهره برداری از تلفات گرمایی در سیستم­های CHP[1] و کاهش هزینه­های تولید، ریزشبکه در مسائل اقتصادی نیز منافع زیادی را به دنبال خواهد داشت.

1-2-

شبکه­های توزیع سنتی به­صورت شعاعی بهره برداری می­شوند، بنابراین طراحی سیسم حفاظت برای این شبکه­ها چندان پیچیده نیست. اما باتوجه به شتاب توسعه تکنولوژی ریزشبکه در شبکه­های توزیع و به واسطه تغییر در مقدار و جهت پخش توان و همچنین تغییر در سطوح اتصال کوتاه در نقاط مختلف شبکه به هنگام بروز خطا، مشکلاتی در هماهنگی بین ادوات حفاظتی موجود در شبکه­های سنتی به وجود آمده است. ریزشبکه یک شبکه محلی است که شامل واحدهای تولید پراکنده، سیستم­های ذخیره انرژی و بارهای پراکنده بوده که به صورت متصل و یا مستقل از شبکه درحال کار است [[i]].

    در یک ریزشبکه، واحدهای تولیدی کوچکی همراه با یک واسط الکترونیک قدرت (اینورتر) وجود دارند که ریزمنبع نامیده می­شوند. این منابع در مناطق محلی قرار می­­گیرند و مزایایی از قبیل داشتن هزینه پایین برای مصرف کننده و تولیدکننده، ولتاژ کم، قابلیت اطمینان بالا، افزایش افزونگی و قوت سیستم و انعطاف پذیری بالایی دارند [[ii]].

    دو دسته اصلی ریزمنبع وجود دارند. یکی منابع DC  همانند سلولهای سوختی و خورشیدی و دیگری منابع فرکانس بالای AC همانند میکروتوربین­ها هستند که نیاز به یکسوسازی دارند. در هر دو مورد بایستی ولتاژ DC  بدست آمده به ولتاژAC  قابل قبول تبدیل شوند.

    ریز شبکه دو مد کاری دارد. در حالت اتصال به شبکه جهت ارایه سرویس­های جانبی، کاهش پیک شبکه و تبادل اقتصادی توان به شبکه سود می­رساند و در زمان بروز اغتشاش و خاموشی در شبکه اصلی می­تواند از شبکه جدا شود و بصورت مستقل به تامین توان بارهای خود بپردازد.

    با وجود همه مزایای ریزشبکه حفاظت یکی از مهمترین چالشهای آن محسوب می­شود. فلسفه حفاظت ریزشبکه­ها با شبکه­های توزیع سنتی که بصورت شعاعی هستند کاملا متفاوت است. دلایل این تفاوت عبارتند از :

از آنجا که ریزشبکه­ها برخلاف شبکه­های سنتی علاوه بر بارها شامل منابع نیز می­باشند، شارش دو طرفه توان در فیدرهای ریزشبکه برعملکرد تجهیزات حفاظتی ریزشبکه تاثیرگذار است. حضور ریزشبکه­ها باعث تبدیل شبکه­های پسیو به شبکه­های اکتیو می­شود.

 با تغییر ریزشبکه از حالت متصل به شبکه به حالت جزیره­ای، ظرفیت اتصال کوتاه شبکه نیز تغییر می­یابد. این امر سبب می­شود که استفاده از رله­های اضافه جریان سنتی که تنها به یک ظرفیت اتصال کوتاه تنظیمی حساس­اند در ریزشبکه­ها امکان پذیر نباشد.

    در شبکه­های توزیع پسیو جهت جریان خطا تنها در یک جهت و از سمت منبع به نقطه خطا می­باشد. در این شرایط تشخیص خطا تنها از طریق دامنه جریان عبوری از فیدر خطا دیده صورت می­پذیرد. اما در فیدرهای ریزشبکه شامل منابع تولید پراکنده جهت جریان های خطا دو طرفه بوده به نحوی که جریان­های خطا از هر دوطرفه وارد نقطه خطا دیده می­شوند درصورت برطرف نشدن چنین خطایی، منابع تولیده پراکنده توسط کنترلرهای مربوطه از فیدر جداشده که این منجر به افت چشمگیری در تولید ریزشبکه می­گردد [[iii]].

    بنابراین ارائه راه حلی جهت حفاظت یک ریزشبکه که توانایی تشخیص محل خطا و جداسازی آن را داشته امری اجتناب ناپذیر است. بنابراین تشخیص خطا در یک ریزشبکه می­بایست در حالت مستقل و متصل به شبکه و برای ساختارهای حلقوی و شعاعی، کارایی داشته باشد و باید تمامی بارها، خطوط ومنابع آن در حالت مستقل از شبکه هم محافظت شود.

امروزه شبکه­های قدرت از شبکه های توزیع پسیو (غیرفعال) پایدار با انتقال یک طرفه توان الکتریکی، به شبکه­های توزیع فعال با انتقال دوطرفه الکتریسیته تبدیل گشته­اند. از آنجا که انرژی الکتریکی توسط شبکه اصلی برای مصرف کننده ها تولید می­شود، شبکه­های توزیع بدون واحدهای DG[2] پسیو هستند. هنگامی که واحدهای DG در مدار قرار می­گیرند منجر به فلوی دو سویه توان گشته و شبکه­های توزیع پسیو را به شبکه­های توزیع فعال تبدیل می­کنند.

    ریزشبکه­ها برای تضمین امنیت شبکه، عملکرد بهینه، کاهش انتشار مواد آلاینده و همچنین تغییر ریزشبکه از یک حالت به حالت دیگر نیازمند یک کنترل گسترده می­باشند. این کنترل توسط کنترل کننده مرکزی [3]((CC و همچنین کنترل کننده منابع کوچک تولید انرژی ((MCs که به تجهیزات ذخیره­ساز انرژی و منابع تولید پراکنده متصل شده­اند انجام می­گیرد. همان­طور که از نام­های این دو کنترل کننده مشخص است، MC ها وظیفه کنترل منابع تولید پراکنده را برعهده دارند. CC ها نیز عملکرد و حفاظت کلی ریزشبکه را از طریق  MCها تحت نظر دارد. وظیفه اصلی CCحفظ کیفیت توان و قابلیت اطمینان از طریق کنترل توان- فرکانس ((P-F کنترل ولتاژ و هماهنگی حفاظتی است.CC  همچنین برای تولید اقتصادی منابع تولید پراکنده برنامه­ریزی می­کند و به مبادله توان بین ریزشبکه و شبکه اصلی نیز کمک می­نماید. بنابراین CC نه تنها باعث ایجاد هماهنگی حفاظتی در کل ریزشبکه می­شود بلکه وظیفه کنترل تمام  MCها را برای برآورده نمودن تقاضای بار مشترکین برعهده دارد. بدین ترتیب CC بهینه سازی انرژی را برای ریزشبکه فراهم نموده وفرکانس و ولتاژ بارهای مشترکین را در سطح مطلوبی نگاه می­دارد. این کنترل کننده همچنین قابلیت بهره برداری به صورت خودکار را نیز دارا می­باشد این کنترل کننده دائما عملکرد MC ها را ازطریق دو ماژول اصلی مدیریت انرژی (EMM) و هماهنگی حفاظتی ( PCM) تحت نظر دارد [[iv]].

1-3- [4](PCM)

ماژول PCM بر حفاظت کل ریزشبکه نظارت دارد. عملکرد حفظت ریزشبکه با شبکه­های سنتی که به صورت شعاعی هستند کاملاَ با دلایل زیر متفاوت است:

ازآنجا که ریزشبکه­ها بر خلاف شبکه­های سنتی علاوه بر بار­ها شامل منابع نیز می­باشند، شارش دوطرفه توان در فیدرهای ریزشبکه برعملکرد تجهیزات حفاظتی ریزشبکه تاثیر گذار است.

حظور ریزشبکه­ها باعث تبدیل شبکه­های پسیو به شبکه های اکتیو می­شود.

با تغییر ریزشبکه از حالت متصل به شبکه به حالت جزیره­ای، ظرفیت اتصال کوتاه شبکه نیز تغییر می­یابد. این امر سبب می­شود که استفاده از رله­های اضافه جریان سنتی که تنها به یک ظرفیت اتصال کوتاه تنظیمی حساس­اند در ریزشبکه­ها امکان­پذیر نباشد.

یکی از ویژگی­های اصلی در PCM ایجاد تمایز بین نیازمندی­های حفاظتی ریزشبکه در دوحالت متصل به شبکه و جزیره­ای می­باشد.

1-4-

در حالت متصل به شبکه، ماژول PCM توانایی شناسایی و عملکرد در پنج رخداد ممکن را دارا می­باشد.

این رخدادها عبارتند از:

شرایط عادی ریزشبکه

وقوع خطا در فیدر ریزشبکه

وقوع خطا در شبکه اصلی

وقوع خطا در باس ریزشبکه

سنکرونیزاسیون مجدد

PCM وظیفه تعیین زمان پاسخ دهی هر منبع تولید پراکنده وهمچنین مدارشکن واقع در نقطه PCC[5] را برعهده دارد [[v]].

شکل (1-1) سیستم حفاظتی ریزشبکه [4].

1-4-2-

درشرایط عادی ریزشبکه از طریق مدارشکن  در نقطه PCC به شبکه اصلی متصل می­باشد. همچنین فیدرهای A،B وC ریزشبکه نیز به ترتیب از طریق مدارشکن­های ،  و  به باس ریزشبکه متصل شده اند. کلیه مدارشکن­ها در هنگام عملکرد ریزشبکه در حالت متصل به شبکه در حالت وصل می­باشند و بارهای موجود در ریزشبکه توسط منابع تولید پراکنده و شبکه اصلی تغذیه می­گردند.

1-4-3-

در شبکه­های توزیع پسیو، جهت جریان خطا تنها در یک جهت و از سمت منبع به نقطه خطا دیده می­باشد. در این شرایط تشخیص خطا تنها از طریق دامنه جریان خطای عبوری از فیدر خطا دیده صورت می­پذیرد. اما در فیدرهای ریزشبکه شامل منابع تولید پراکنده، جهت جریان خطا دوطرفه بوده به نحوی که جریان­های خطا از هر دو طرف وارد نقطه خطا دیده می­شوند. در صورت برطرف نشدن چنین خطایی، منابع تولید پراکنده توسط MC های مربوطه، از فیدر جداشده که این منجر به افت چشمگیری در تولید ریزشبکه می­گردد.

    برای جلوگیری از این رویداد، فیدرهای A و C توسط مدارشکن به زون­های مختلف تقسیم می­شوند. برای تشخیص زون خطا و برطرف نمودن آن، مدارشکن­ها شامل رله­های اضافه جریان جهت­دار می­باشند. چنانچه زون خطا دیده شده شامل یک منبع تولید پراکنده باشد، آن منبع توسط MC مربوطه از مدار خارج شده اما بارهای آن به باس ریزشبکه متصل بوده وتوسط آن تغذیه می­گردند.

    به منظور عملکرد مناسب، PCM تنظیمات کلیه راه­های موجود در ریزشبکه را درجه بندی کرده به طوری که زون خطا دیده قبل از جداشدن کلیه منابع تولید پراکنده از فیدر و یا قبل از جداشدن کل ریزشبکه از شبکه اصلی ایزوله گردد. این استراتژی کمترین افت در تولید و همچنین حفظ پایداری ریزشبکه را تضمین می­کند. با این وجود برای خطا در فیدرهای A و C چنانچه کلیه منابع تولید پراکنده متصل به فیدر در یک طرف نقطه خطا واقع شوند تمامی این منابع توسط MC های مربوطه شان قطع شده و با بازشدن مدارشکن فیدر خطا دیده، آن فیدر از باس ریزشبکه جدا می­گردد. اما چنانچه خطایی در فیدر B رخ دهد، از آنجا که این فیدر شامل هیچگونه منبع تولید پراکنده نمی­­باشد به آسانی با بازشدن  قابل برطرف شدن است.

1-4-4-

به هنگام رخداد خطا در شبکه اصلی، مدارشکن  باز شده و ریزشبکه از شبکه اصلی جدا می­گردد. استراتژی حفاظتی در این حالت بسیار ساده است. رله مدارشکن  دائماً دامنه و جهت جریان در هر فاز را مانیتور کرده و چنانچه این مقدار بیشتر از حد تعیین شده باشد یک فرمان قطع به مدارشکن  ارسال می­کند.

    تنظیمات رله باید به گونه­ای توسط PCM تعیین شود که عمل جداسازی ریزشبکه از شبکه اصلی بدون هیچگونه قطعی در بارهای با اولویت انجام گیرد. همچنین این طرح حفاظتی سبب می­شود تا قبل از جداسازی ریزشبکه از شبکه اصلی، منابع تولید پراکنده از مدار خارج نشوند. در غیر این صورت میزان تولید ریزشبکه و همچنین طول عمر مدارشکن­ها کاهش می­یابد.

1-4-5-

به هنگام رخداد خطا در باس ریزشبکه مدارشکن  بازشده و ریزشبکه از شبکه اصلی جدا می­گردد. همچنین فیدرهای A و C به ترتیب توسط مدارشکن های  و  از باس ریزشبکه جدا می­شوند در این حالت به هنگام رخداد خطا هر گونه خطا در ریزشبکه PCM تنظیم رله مدارشکن  را برای هماهنگی با شبکه اصلی تغییر می­دهد. همچنین رله مدارشکن  با تجهیزات حفاظتی برای منابع تولید پراکنده نیز هماهنگ می­گردد که این امر باعث کاهش تلفات تولید و جلوگیری از قطعی های ناگهانی می­شود.

1-4-6-

پس از رفع خطا PCM وظیفه وصل مجدد ریزشبکه و سنکرون نمودن آن با شبکه اصلی از طریق طرح سنکروچک را برعهده دارد. این عمل به محض پایداری شبکه و بازگشت آن به شرایط عادی انجام می­گیرد. با این وجود این عمل با توجه به طبیعت فیدر و بارها می­تواند از چند ثانیه تا چند دقیقه به طول انجامد. PCM شامل یک طرح کنترلی برای سنکرون نمودن کلیه منابع تولید پراکنده با شبکه اصلی از طریق اندازه­گیری دامنه، زاویه فاز، فرکانس و مولفه­های ترتیب ولتاژ در دو طرف مدارشکن  می­باشد. PCM توانایی انجام این عمل را به صورت دستی یا اتوماتیک دارا می­باشد.

1-4-7-

به هنگام عملکرد ریزشبکه در حالت جزیره­ای، سطح جریان اتصال کوتاه به مقدار قابل توجهی کاهش می­یابد. دلیل این عمل، وجود منابع تولید پراکنده شامل تجهیزات الکترونیک قدرت می­باشد. از آنجا که مقدار جریان اتصال کوتاه ریزشبکه در حالت جزیره­ای بسیار کم است، تشخیص این مقدار جریان خطا، توسط رله­های اضافه جریان سنتی امکان پذیر نخواهد بود. چرا که رله­های اضافه جریان خطاهای با جریان اتصال کوتاه را در مدت زمان طولانی تری تشخیص می­دهند. بنابراین برای حفاظت ریزشبکه در حالت جزیره­ای می­بایست از طرح های حفاظتی دیگر نظیر حفاظت امپدانس، حفاظت دیفرانسیلی ولتاژ و جریان، نصب رله­های حساس به مولفه صفر و حفاظت اضافه جریان جهت دار استفاده کرد. فلسفه عملکرد اصلی PCM به طور خلاصه در متن زیر بیان شده است:

شرایط عادی ریزشبکه

در این شرایط ریزشبکه در حالت جزیره­ای بهره برداری می­شود. مدارشکن  در حالت قطع بوده و فیدر های A،B  و C  باس ریزشبکه متصل هستند. وکلیه بارها توسط منابع تولید پراکنده موجود در ریزشبکه تغذیه می­گردند.

وقوع خطا در فیدر ریزشبکه

حفاظت فیدر ریزشبکه در حالت جزیره­ای شبیه به حالت متصل به شبکه است با این تفاوت که در حالت جزیره­ای به دلیل مقدار کم جریان اتصال کوتاه، رله­ها باید از حساسیت بیشتری برخوردار باشند. بطور کلی اهداف اصلی حفاظت شامل جلوگیری از کاهش در میزان تولید و تعداد قطعی­ها می­باشد.

در طراحی PCM پیچیدگی ساختار ریزشبکه، تعداد منابع تولید پراکنده و نوع تکنولوژی مورد استفاده آنها، تعداد بارهای با اولویت وهمچنین مشخصه­ای پاسخ دهی تجهیزات حفاظتی می­بایست در نظر گرفته شوند.

انواع سناریوها برای جزیره­ای شدن ریزشبکه مورد بررسی قرار می­گیرند که عبارتند از:

جداسازی سریع از فیدرهای خطا دیده

جلوگیری از جداسازی نادرست

جداسازی تحت شرایط غیر خطا

جداسازی ریزشبکه­های صادر کننده توان به شبکه اصلی

سنکرونیزاسیون مجدد

1-4-8-

یکی از مهمترین سرویس­های فراهم شده توسط ریزشبکه، تامین پیوسته توان برای بارهای با اولویت در شرایط خطا می­باشد. چنانچه بارهای موجود در ریزشبکه دارای حساسیت ولتاژ بسیار بالا باشند به نحوی که نیازمند زمان جداسازی کمتر ازms 50 مطابق با استاندارد (SEMI­ F47) باشند، استفاده از تجهیزات حفاظتی موجود امکان پذیر نمی­باشد. بطور معمول زمان مورد نیاز برای عملکرد رله تحت شرایط اضافه ولتاژ و ولتاژ کم حداکثر دو سیکل است. همچنین قطع مدار توسط مدارشکن­های ولتاژ متوسط  (MV) حدود 3 تا 5 سیکل پس از دریافت سیگنال تحریک طول می­کشد. بنابراین چنانچه ریزشبکه به یک مدار شکن حالت جامد سریع در نقطه PCC مجهز نگردد، سایر تجهیزات حفاظتی ریزشبکه می­بایست به گونه­ای عمل کنند تا از افت ولتاژ کمتر از 50 درصد برای سه سیکل و یا بیشتر جلوگیری نمایند.

برای دستیابی به یک حفاظت مناسب موارد زیر باید در نظر گرفته شود:

جداسازی در چه زمانی لازم نیست.

جداسازی در چه زمانی الزامی است.

1-4-9-

در برخی از موارد که خطا بین PCC و مدارشکن پست واقع نشود، به جداسازی نیازی نخواهد بود. به عنوان مثال چنانچه خطایی بر روی فیدر مجاور ریزشبکه که از همان پست تغذیه می­شود رخ دهد و باعث ایجاد افت ولتاژ گردد، نصب محافظ­های افت ولتاژ یا جایگزین نمودن ترانسفورماتورهای ستاره – ستاره با ترانسفورماتورهای مثلث – ستاره در نقطه PCC و افزودن یک مدارشکن ولتاژ زیاد روشهای مناسبی جهت جلوگیری از افت ولتاژ به شمار می­روند. به هنگام وقوع خطاهای زمین در شبکه اصلی، وجود ترانسفورماتورهای ستاره – مثلث سبب می­شوند که ولتاژ­های فاز به زمین در ریزشبکه به کمتر از 58 درصد مقدار نامی افت نکنند.

    نصب محافظ­­های افت ولتاژ هزینه زیادی را به دنبال خواهد داشت. در حال حاظر دو نوع محافظ افت ولتاژ وجود دارد که نوع اول برای حفاظت در مدت زمان­های کم و نوع دیگر برای حفاظت در مدت زمان­های طولانی است.

    جایگزین نمودن ترانسفورماتورهای ستاره ­- ستاره با ترانسفورماتورهای مثلث ­- ستاره راه حل ارزانتری است. از آنجا که استاندارد تجهیزات SEMI F47 افت ولتاژ به میزان کمتر از 70 درصد مقدار نامی را تنها تا مدت 2/0 ثانیه مجاز دانسته است، عملکرد حفاظتی شبکه می­بایست به اندازه کافی سریع باشد [[vi]].

1-5- ­ای

 پدیده جزیره­ای یکی از پیامدهای ناشی از استفاده تولیدات پراکنده در شبکه های توزیع می­باشد. جزیره­ای شدن هنگامی اتفاق می­افتد که یک (چند) تولید پراکنده، قسمتی از بار شبکه را که از شبکه اصلی جدا شده­اند، تغذیه نمایند. جزیره­ای شدن تولیدات پراکنده می­تواند اتفاقی یا بطور از پیش تعیین شده (با برنامه ریزی قبلی) باشد. در بسیاری از موارد جزیره­ای شدن بر سیستم اثر نامطلوب می­گذارد. بنابراین پدیده جزیره­ای شدن تولیدات پراکنده باید در بازه زمانی مقرر شده بر اساس استانداردها، شناسایی شود. حتی در شرایطی که جزیره­ای شدن بطور عمدی باشد، باید در کمترین زمان ممکن تشخیص داده شود تا کنترل کننده تولید پراکنده با یک گذرای نرم از حالت کنترلی متصل به شبکه به مورد بهره برداری جزیره­ای تغییر وضعیت دهد [[vii]].

1-6- جزیره­ای شدن

جزیره­ای شدن در تولیدات پراکنده متصل به شبکه، هنگامی پدید می­آید که بخشی از شبکه که شامل تولیدات پراکنده می­باشد از شبکه اصلی جدا شود، اما تولیدات پراکنده برای برقرار نگهداشتن بارها در جزیره ایجاد شده به طور مستقل به کار خود ادامه دهند تا بارها را تغذیه نمایند. عدم تمایل به ادامه کار کردن جزیره­ای تولیدات پراکنده، مسئله کاملاً مشخصی می­باشد. دلیل این امر آن است که پدیده جزیره­ای، باعث ایجاد مشکلاتی خواهد شد که در زیر مختصراً آورده شده­اند [[viii]].

اختلال در کیفیت توان

اثر منفی بر روی بارهای مهم

ایجاد خطرات جانی برای پرسنل بهره بردار یا ساکنان محلی

بنابراین در هنگام از دست رفتن شبکه بالادست، باید عملکرد جزیره­ای تولیدات پراکنده تشخیص داده شود و در سریعترین زمان ممکن، فرمان قطع یا تغییر وضعیت بهره برداری تولید پراکنده صادر گردد.

1-7- تشخیص جزیره­ای شدن

برای تشخیص جزیره­ای شدن تولیدات پراکنده، معمولاً از رله­های ولتاژی[6] و فرکانسی[7]  نیز در کنار سایر روشها، استفاده می­شود. تغییرات در فرکانس و دامنه ولتاژ می­تواند به عنوان معیاری برای تشخیص عملکرد جزیره­ای مدنظر قرار گیرد. در بسیاری از موارد، هنگامی که تولید پراکنده به همراه بخشی از بار، به صورت یک جزیره توان در می­آید، نمی­تواند بدون تغییر در ولتاژ و یا فرکانس خود، بارهای محلی مورد نظر را تغذیه نماید. بنابراین با تجاوز مقدار فرکانس و ولتاژ از حد آستانه، این رله­ها فرمان قطع را صادر می­نمایند. در زمان جدا شدن تولیدات پراکنده از شبکه، هر تغییری در بار، باعث تغییر در فرکانس و ولتاژ تولیدات پراکنده درون جزیره می­شود. در مواردی که از تولیدات پراکنده با ظرفیت پایین استفاده شود، روشهای فوق (استفاده از تغییرات دامنه ولتاژ و فرکانس) اغلب برای شناسایی پدیده جزیره­ای مورد استفاده قرار می­گیرد .حال اگر تغییر بار در زمان جدا شدن، به اندازه­ای نباشد که تغییرات دامنه ولتاژ و فرکانس از محدوده استاندارد خود تجاوز کنند، این کمیت ها در محدوده مجاز کاری خود باقی می­مانند و روشهای تشخیص جزیره­ای فوق الذکر ناکارآمد خواهند بود. یعنی اگر بین خروجی تولیدات پراکنده و بار در جزیره ایجاد شده، یک تعادل کامل وجود داشته باشد، تغییرات در ولتاژ و فرکانس آنقدر کوچک خواهد بود که رله­های (فرکانسی /ولتاژی) قادر به تشخیص حالت جزیره­ای نخواهند بود. اگر تولید پراکنده قادر به تغذیه بار موجود در جزیره ایجاد شده، بدون تغییر قابل توجه در ولتاژ و فرکانس خود باشد، این دو روش حفاظتی ناکارآمد می­گردند. در نتیجه بایستی به دنبال روش­های دیگری برای تشخیص پدیده جزیره­ای باشیم که در هر حالت باری، قادر به تشخیص شرایط جزیره­ای باشند. به طور کلی اگر پس از به وجود آمدن شرایط جزیره­ای در شبکه ، تغییرات بارها از دید تولید پراکنده بزرگ باشد، شرایط جزیره­ای شدن به راحتی با بررسی پارامترهای مختلف قابل تشخیص خواهد بود. برخی از این پارامترها عبارتند از:

دامنه ولتاژ

اختلاف فاز

تغییرات فرکانس

اما در صورتی که تغییرات بار کوچک باشد، روشهای متعارف فوق به سختی قادر به تشخیص شرایط جزیره­ای شدن خواهند بود. غالباً خطای ایجاد شده در شبکه توزیع توسط رله­های حفاظتی که در نزدیک ترین نقطه به خطا هستند، تشخیص داده می­شود. در برخی موارد قطع خطا منجر به تشکیل یک جزیره توان متشکل از تعدادی تولیدات پراکنده و قسمتی از بار خواهد شد. در این حالت تولیدات پراکنده سعی می­کنند بارهای موجود در این جزیره را تغذیه کنند. در بیشتر موارد، این تولیدات پراکنده در شرایط اضافه بار قرار می­گیرند که باعث می­شود ولتاژ و فرکانس پایین آمده و در نهایت به شرایط توقف و قطع این تولیدات پراکنده منجر شود. حالت دیگر آن است که ظرفیت تولیدات پراکنده در جزیره از توان مورد تقاضا در جزیره (میزان بار) کمی بالاتر باشد، در این حالت تولیدات پراکنده به کار خود ادامه داده و رله­های ولتاژی و فرکانسی نمی­توانند این تغییرات را تشخیص دهند [[ix]].

    با توجه به این که مقدار آستانه تشخیص جزیره­ای به بار، تولید و درنهایت ترکیب بار و تولید بستگی دارد، تنظیم مقدار آستانه با توجه به شرایط مختلف بار، تولید پراکنده و آرایش سیستم، کاری بسیار دشوار می­­باشد. به علاوه، مقدار آستانه تنظیم شده باید دارای قابلیت اطمینان جهت تشخیص شرایط جزیره­ای باشد. از طرف دیگر طرح درنظر گرفته شده برای تشخیص جزیره­ای شدن، باید طوری باشد که در اغتشاشات سیستم در حالت اتصال شبکه عملکرد نامطلوب نداشته باشد [[x]].

[1] Combined Heat and Power

[2] Distributed Generation

[3] Central Controller

[4] Protection co-ordination module

[5] Point of Common Coupling

[6] Over / Under Voltage

[7] Over / Under Frequency

Abstract:

Reduction of fossil fuel resources, undesirable effects of Ecological and low efficiency of traditional electricity networks, has increased tendency to produce electricity near load and distribution network by using renewable sources.

Microgrid is a strategy for solving the mentioned problems. Microgrids are some small energy sources at the distribution voltage level. Microgrid is used in the form of

connected network and isolated network. The research introduces a differential scheme for Microgrid protection by using time-frequency transform such as S-transform.

Initially, the current of consecutive buses are measured and then processed through S-transform to generate time-frequency contours. The content of time-frequency contours energy spectral are computed for fault current signals.

Then, differential energy is calculated to register the fault patterns in the microgrid at e tconnected and isolated status. The efficiency of the proposed method is evaluated in different kinds of faults (concurrent and non concurrent) and high-impedance faults in microgrid network at radial or annular structures.

A specified threshold amount for differential energy can be suitable for sending stimulus signal at the proper time within two or three cycles from the fault occurrence time. The results indicate that protection based on differential energy can protect microgrid from different faults conditions effectively. Therefore the proposed system is a suitable choice for extensive protection zone. Pascad software is used for simulation of microgrid and Matlab software is used for simulation results analysis.

Keywords: Microgrid, Conservation, Energy Difference, S-Transform