روشی برای محافظت از سیستم قدرت با استفاده از رله دیجیتال

روشی برای محافظت از سیستم قدرت با استفاده از رله دیجیتال – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

روشی برای محافظت از سیستم قدرت با استفاده از رله دیجیتال

چکیده

ابزارهای مدلسازی به عنوان ادوات مفیدی جهت درک اساسی سیستم قدرت، مخصوصاً برای مهندسین تازه کار، به حساب می آیند. چنین ابزارهایی به این مهندسین کمک می نمایند تا قابلیت مدوله سازی سیستم تحت شرایط عادی و معیوب را داشته باشند. این مقاله ارائه دهنده روشی برای محافظت از سیستم قدرت با استفاده از رله دیجیتال و با توجه به مراحل اکتساب مختلف داده در زمینه دیجیتال سازی یک سیگنال می باشد. در گذشته، رله های الکترومکانیکی به طور شایع مورد استفاده قرار گرفته بودند، اما هم اکنون این گونه از رله ها جایگزین رله های دقیق و پرسرعت دیجیتال گردیده اند. در این زمینه حصول عملکرد سریع رله بعنوان یک ویژگی مطلوب مد نظر می باشد، مخصوصاً برای آن دسته از خطاها و عیوبی که ممکن است منجر به از کار افتادن سیستم شوند. رله های دیجیتال مزیت های دیگری را نیز ارائه می دهند که برحسب تنظیمات متعدد متغیرها و اندازه متراکم قابلیت بررسی آنها وجود دارد. در این مقاله، عملکرد رله در یک مولد همزمان / سنکرون ۱۱ kV، متصل به برق ۲۲۰ kV، از طریق یک تراسفورماتور افزاینده مورد آزمایش قرار می گیرد.

کلمات کلیدی: رله های معکوس قدرت، مدلسازی رله، رله های دیجیتال

۱- مقدمه

رله های محافظتی نقش بسیار مهمی را در عملیات ایمن و پایای سیستم قدرت ایفا می نمایند. سیستم های ناایمن یا معیوب محافظتی ممکن است سبب وخامت بیشتر اوضاع گردیده و منجر به از کار افتادن سیستم شوند. کلیه شرایط معیوب منجر به حصول چنین موقعیت هایی نخواهند شد. عیب هایی که سبب بروز چنین موقعیت هایی می شوند شامل N-1 احتمال خط، اضافه بارها، جریان معکوس قدرت (اتلاف ورودی مکانیکی) و موارد دیگر می باشند. [۱]. در این ارتباط، یک طرح متعارف محافظتی بعنوان نوعی چیدمان مطلوب برای انواع مختلف رله ها، نظیر رله اضافه یا پایین بودن ولتاژ، رله اضافه یا پایین بودن فرکانس و موارد دیگر مد نظر است. در دهه ۹۰، غالب رله های استفاده شده در سیستم قدرت جزء رله های الکترومکانیکی بوده اند، در عین حال آنها متعاقباً جایگزین رله های حالت جامد گردیدند. هم اکنون هر دو نوع این رله ها جایگزین رله های دیجیتالی شده اند. رله های دیجیتالی در ارتباط با عیوب سیستم قدرت از مزیت های عملیاتی مختلفی نظیر سرعت، کوچکی اندازه و پایایی عملیاتی بهره مند هستند [۲-۳]. این رله ها همچنین ارائه دهنده مزیت خاصی برحسب حساسیت و کنترل آنها در محدوده گسترده می باشد.

ابزارهای شبیه سازی ارائه دهنده کمک بزرگی مخصوصاً برای مهندسین تازه کار و محققین به منظور آشناسازی آنها با عملیات حقیقی سیستم قدرت می باشند [۴]. به عنوان یک محقق، رفتار سیستم را می بایست تحت سناریوهای مختلف تحت نظر قرار داده و بعلاوه می بایست قابلیت کار با نتایج آن نیز حاصل گردد. برنامه مطلب (MATLAB) همچنین ارائه دهنده جعبه ابزار SystemAnalysis قدرت برمبنای شبیه سازی برای مهندسین سیستم قدرت می باشد. با این حال این جعبه ابزار دارای مدوله های مرتبط با رله های محافظتی نمی باشد. در این مقاله، طراحی رله معکوس دیجیتال قدرت (RPR)  بر روی نرم افزار  MATLAB/Simulink  ارائه  می گردد. متعاقباً چندین فرایند دیجیتال سازی در پردازش سیگنال نیز ارائه خواهد شد. چنین مراحلی در این مقاله مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

روشی برای محافظت از سیستم قدرت با استفاده از رله دیجیتال

۲- رله جهت دار (ANSI CODE – 32)

رله های معکوس قدرت برای تشخیص عملکرد ژنراتور همزمان معمولاً در سیستم قدرت به کار گرفته می شوند. این وضعیت به طور معمول به هنگامی رخ می دهد که سیستم راه انداز اصلی (موتور یا توربین) دچار عیب می شود، با این حال سیم پیچ آهنربایی یا سیم پیچ میدان هنوز به سیستم راه انداز متصل می باشد. چنین موردی عملکرد موتوری خاصی را سبب شده و بر این مبنا ماشین مربوطه از رفتاری مشابه با یک موتور سنکرون متصل به یک سیستم بزرگ قدرت برخوردار می گردد. در چنین  شرایطی،  توربین ها به عنوان بار فعال آن ماشین عمل می نمایند. عملکرد موتوری قابلیت اکتساب توان از سیستم به منظور به حرکت درآوردن موتور رانشی اصلی را دارد، در عین حال چنین موردی ممکن است سبب صدمه دیدگی جدی موتور شود. از اینرو، بروز نامطلوب چنین شرایطی ممکن است سبب بالا رفتن دما بیش از حد در توربین بخار می گردد. بنابراین چنین شرایطی را می بایست به سرعت تشخیص داده و GCB نیز می بایست قابلیت قطع و وصل سریع را داشته باشد [۵]. موتورهای دیزلی و توربین های گازی از نقطه نظر صدمه دیدگی فوری کمتر در معرض خطر هستند، اما وجود سوخت مصرف نشده ممکن است سبب بروز آتش سوزی یا خطر انفجار شود.

جدول ۱ نشان دهنده جزئیات مشکلات بالقوه برای انواع مختلف سیستم های راه انداز و مشخصه های نوعی برای محافظت معکوس قدرت می باشد [۶]. RPR عمدتاً به میزان ۲۰ الی ۵۰% توان موتور که به وسیله سیستم راه انداز اولیه مورد نیاز است تنظیم می شود. در اینجا کلمه [توان موتوری] به معنای مقدار حداقلی قدرت مورد نیاز به وسیله ژنراتور به منظور راه اندازی سیستم محرک اولیه در یک سرعت مشخص دور در دقیقه می باشد. این داده ها عمدتاً از تولید کننده سیستم راه انداز تهیه می شوند [۶].

روشی برای محافظت از سیستم قدرت با استفاده از رله دیجیتال

۳- اصل رله معکوس قدرت

یک رله معکوس قدرت به عنوان رله جهت دار به شمار می آید که جهت نظارت بر جریان قدرت از ژنراتور (موازی با ژنراتور دیگر یا سیستم تولید برق) به کار گرفته شده و در موردی که شرایط غیرعادی وجود داشته باشد قابلیت انجام فرایند مناسب و مرتبط را خواهد داشت. تحت شرایط غیرمعمول، جهت تغییرات قدرت از باسبار به ژنراتور تغییر خواهد یافت. این شرط عمدتاً به هنگامی رخ می دهد که محرک اولیه با مشکل مواجه شده باشد. توان واقعی حاصل آمده از شبکه در مقایسه با سرعت ژنراتور بسیار اندک می باشد. با این وجود جریان استاتور به طور معمول شاهد شیفت فاز ۱۸۰ درجه ای  به  عنوان  زاویه  گشتاور  حداکثری  (MTA)  می باشد، همان گونه که در شکل ۱ نشان داده شده است. چنین موردی موکد آن است که در صورتی که ما از یک رله جهت دار با MTA 180 استفاده نمائیم (با ویژگی های مربوط به زاویه فاز ژنراتور) بنابراین چنین موردی قابلیت تشخیص اتلاف محرک اصلی به هنگامی که فازور جریان معکوس می گردد و به منطقه تریپ وارد می گردد را خواهد داشت. با این وجود، میزان این فازور جریان معکوس شده در مقایسه با جریان مستقیم کاملاً اندک می باشد، چرا که ژنراتور تنها مقدار مکفی حقیقی توان جهت مرتفع سازی اتلاف ها را حاصل آورده و بر این مبنا اقدام به چرخش توربین می نماید. بنابراین، رله جهت دار برای تشخیص اتلاف محرک اصلی می بایست دارای مقدار زیاد حساسیت در مقایسه با رله های جهت دار استفاده شده برای کاربرد اضافه جریان باشد [۱۰].

روشی برای محافظت از سیستم قدرت با استفاده از رله دیجیتال

۴- مدلسازی برای رله توان معکوس

جهت مدل سازی رله توان معکوس، RPR به سه بخش جزء جهت دار، جزء تاخیر و بلوک نگهداری، همان گونه که در شکل ۴ نشان داده شده است، تقسیم  می شود.

الف. جزء جهت دار

در جزء جهت دار، ولتاژ پایین و سیگنال های جریان از سیگنال های CT و PT به یک موج مربع کامل تبدیل شده و مقادیر ±۱ را تشکیل می دهند. سیگنال های دو سطحی متعاقباً جهت تعیین یک خروجی  در طی هم پوشانی و  برای بازه غیر هم پوشانی ضرب شده و انتگرال ضرب حاصله از ۰ عددی به  متعاقباً بدست می آید. محدوده فوقانی این انتگرالگیر به مقدار  تنظیم گردیده به گونه ای که تحت شرایط جریان بار معمولی بخش انتگرال عمدتاً کمتر از ۰ باقی ماند. با این وجود، تحت شرایط جریان توان معکوس، خروجی انتگرال تمایل به افت داشته تا آنکه به مقدار آستانه  دست یابد. مورد کنونی L به ۰۱/۰ تنظیم شده، با این حال هر مقدار را می توان برمبنای میزان توان معکوس در نظر داشت. دیاگرام بلوکی برای پیاده سازی جزء جهت دار در شکل ۵ نشان داده شده است و شبیه سازی بر روی نرم افزار Simulink نیز در شکل ۶ ارائه گردیده است.

ب. جزء تاخیر

هدف جزء تاخیر ممانعت از ارسال یک سیگنال تریپ اشتباه از سوی رله به CB در طی فاز گذرا یا شرایط عیب موقت می باشد. منطق پیاده سازی جزء تاخیر در شکل ۷ (سمت چپ) ارائه شده است.

خروجی جزء جهت دار (ورودی جزء تاخیر) به یک بلوک تصمیم (سوییچ ۴) ارسال می شود که خروجی آن ، در حالت طبیعی و ، در حالت غیر طبیعی (توان معکوس) می باشد. این خروجی در مقابل به صورت انتگرال خواهد بود. مقدار انتگرال قابل مقایسه با سطح آستانه  می باشد، که مقدار آن مساوی با مقدار زمان تاخیر مورد نظر است. به هنگامی که مقدار این انتگرال کمتر از سطح T باشد، خروجی جزء تاخیر به میزان ۱ خواهد بود که خود معرف شرایط طبیعی می باشد.

تحت شرایط ثبات، از آن جایی که ورودی دریافتی در انتگرالگیر به میزان  می باشد. بنابراین مقدار انتگرالگیر مساوی با  (کمتر از مقدار ) خواهد بود، بنابراین خروجی جزء تاخیر متناظر با ۱ می باشد.

با این حال تحت شرایط غیر عادی دائمی، ورودی به انتگرالگیر برابر با  و پس از  ثانیه، مقدار انتگرال فراتر از T خواهد بود، که سبب خواهد شد تا جزء تاخیر اقدام به تولید خروجی  نماید که معرف شرایط معیوب در حالت عیب و خطای موقت و شرایط گذرا می باشد.

ج. بلوک نگهدارنده

هدف بلوک نگهدارنده حفظ وضعیت ثبات رله پس از تریپ رله می باشد. علت این امر آن است که به هنگامی که CB باز شده باشد، دیگر خطایی وجود نخواهد داشت، که خود معرف یک شرایط معمولی می باشد و بنابراین رله اقدام به ارسال سیگنال  به CB می نماید که موجب بسته شدن آن خواهد شد.

منطق پیاده سازی بلوک نگهداری در شکل ۷ (سمت راست) نشان داده شده است. مقدار  از بلوک تاخیر در ابتدا معکوس گردیده و متعاقباً انتگرالگیری می شود. به مجرد آنکه مقدار انتگرال فراتر از مقدار  شود، o/p بلوک نگهداری از  به  تغییر می یابد. با این وجود در اینجا انتگرالگیر قابلیت ریست نمودن را نخواهد داشت بنابراین به هنگامی که انتگرال فراتر از مقدار آستانه  گردد، هرگز قابلیت برگشت به آن مقدار را نداشته و از این رو خروجی بلوک نگهداری عمدتاً مقدار  خواهد داشت.

این بلوک سوییچ، بین جزء تاخیر و نگهداری، صرفاً جهت ممانعت از تریپ خطای رله در طی اغاز دوره گذار مورد استفاده قرار می گیرد.

روشی برای محافظت از سیستم قدرت با استفاده از رله دیجیتال

۵- شبیه سازی ها و نتایج

برای آزمایش شبیه سازی رله طراحی شده یک ماشین سنکرون ۲۰۰MVA  kV11 بکار گرفته شده است که متصل به شبکه برق ۲۲۰kV  با استفاده از یک ترانسفورماتور فزاینده ۱۱/۲۲۰kV  همان گونه که در شکل ۸ نشان داده شده است می باشد. جزئیات این سیستم در ضمیمه مشخص شده است.

این رله تحت سناریوهای مختلفی تست می شود. شرایط تست، نتایج و مباحث به شرح ذیل است.

الف. مورد ۱:

چنین موردی به عنوان یک ویژگی معمول به حساب می آید که در آن ورودی مکانیکی به ژنراتور از ۰٫۲pu به ۰٫۸pu در یک مدت زمان ۲۰ ثانیه تغییر می یابد. توان ورودی و خروجی و همچنین وضعیت رله در شکل ۹ مشخص شده است. در این مورد، رله با تریپ روبرو نخواهد شد، با این وجود توان خروجی در ابتدا در حدود نقطه توازن نوسان می یابد.

ب. مورد ۲:

در مورد دوم، ورودی مکانیکی به ژنراتور شاهد تغییر از ۰٫۵pu به ۰٫۱pu در مدت زمان ۹۰ ثانیه خواهد بود. توان ورودی خروجی و ضعیت رله در شکل ۱۰ نشان داده شده است.

در این مورد رله دچار تریپ نمی شود. با این وجود در محدوده ۹۰ ثانیه ای، توان الکتریکی معکوس می گردد (-۰٫۲pu). چنین موردی شامل سیستم با ثبات نیز خواهد بود. ورودی انتگرال جزء جهت دار در شکل ۱۱ مشخص شده است. در این جا می توان مشاهده نمود که ورودی انتگرال به صورت مقطعی قابلیت تغییر جهت را دارد (-ve) اما متعاقباً به صورت ثابت حفظ می شود (+ve).

ج. مورد ۳:

در مورد سوم، ورودی مکانیکی به ژنراتور از ۰٫۵pu به -۰٫۱pu ظرف ۹۰ ثانیه تغییر می یابد. توان ورودی / خروجی و وضعیت رله در شکل ۱۲ نشان داده شده است.

در این جا می توان مشاهده نمود که رله قابلیت تریپ در حدود ۷ ثانیه پس از بروز خطا به مدت ۹۰ ثانیه را خواهد داشت. ورودی انتگرال جزء جهت دار نیز در شکل ۱۳ مشخص شده است. این مورد را می توان مشاهده نمود که الگوی هم پوشانی در توافق با شکل ۳ ب می باشد و بر این مبنا رله شاهد تریپ خواهد بود.

د. مورد ۴:

مورد چهارم یک مورد انباشته جهت نشان دادن عملکرد رله توان معکوس تحت شرایط مختلف می باشد. ورودی مکانیکی به مدت چندین بار از ۰ الی ۱۴۰ ثانیه با توجه به تغییرات ژنراتور متغیر خواهد بود.

روشی برای محافظت از سیستم قدرت با استفاده از رله دیجیتال

۶- نتیجه گیری

این مقاله روشی را برای محافظت سیستم قدرت با استفاده از رله دیجیتال و با به کارگیری نرم افزار MATLAB/SIMULINK ارائه نموده است. مدل رله پیشنهادی از طریق ملاحظه مثال های مختلف و مطالعات موردی مشخص گردیده است. فرایند رقمی سازی نیز به تفصیل مورد بحث قرار می گیرد. با مقایسه این مورد با دیگر مدل های رله قدرت در نرم افزار موجود، MATLAB ارائه دهنده مزیتی بر حسب پایایی و انعطاف پذیری می باشد. محققین می بایست قابلیت اصلاح پارامترهای آزمایش به هنگام طراحی رله را داشته باشند. این مدل ها در تعامل با منابع آنلاین سیستم MATLAB جهت پشتیبانی از ابزارهای سیستم قدرت می باشند. جهت تکمیل چنین مدلی لازم است تا مطالعات موردی را نیز در نظر داشت [۱۲]. این مدل ها به مهندسین تازه کار اجازه می دهد تا قابلیت رشد مهارت های تحلیلی خود را داشته باشند و در این راستا بتوانند رفتار سیستمی تحت شرایط نرمال و گذرا را مشاهده نمایند.

روشی برای محافظت از سیستم قدرت با استفاده از رله دیجیتال