• Home
  • Simulation and Modeling of Optimal Protective Coordination of Overcurrent Relays for the Integration of Distributed Generation Sources in Distribution Systems

Share To

Article Url


Manuscript ID : 140309121192288 Visit : 182 Page: 18 - 35

https://doi.org/10.71691/teeges.2026.1192288

Article Type: Original Research

Simulation and Modeling of Optimal Protective Coordination of Overcurrent Relays for the Integration of Distributed Generation Sources in Distribution Systems

Subject Areas : Power Engineering

Hamidreza Sezavar 1 , Saeed Hasanzadeh 2

1 - Department of Electrical and Computer Engineering, Qom University of Technology, Qom, Iran.
2 - Department of Electrical and Computer Engineering, Qom University of Technology, Qom, Iran.

Received: 2024-11-02 Accepted : 2025-01-14 Published : 2026-06-21

Keywords: Overcurrent relays, Distributed generation, Fault detection, Power system, Algorithm modeling,

Abstract :

The performance of overcurrent relays is crucial in fault detection and protection of power networks. With the increasing integration of Distributed Generation (DG) sources into distribution networks, new challenges have emerged in the operation of these relays. The presence of DG sources can reduce fault currents, leading to delays in relay operation. This delay can potentially cause damage to existing equipment due to the prolonged fault in the network. Additionally, DG sources may cause malfunctions in relays, resulting in the disconnection of a healthy feeder instead of the faulty one. This paper introduces and models an algorithm that allows the integration of DG sources into the network without altering the overcurrent relay settings. The goal of this algorithm is to determine the optimal location for connecting DG sources to the network. In this study, the proposed algorithm was implemented in MATLAB, and the model was validated using DigSilent software. The results of this research can contribute to optimizing the performance of distribution systems and mitigating issues related to network protection with the presence of distributed generation sources.

References:


[1] M. H. Moradi, M. Abedini, and S. M. Hosseinian, "A combination of evolutionary algorithm and game theory for optimal location and operation of DG from DG owner standpoints," IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 7, no. 2, pp. 608-616, 2015. doi: 10.1109/TSG.2015.2422995
[2] M. Uzair, L. Li, M. Eskandari, J. Hossain, and J. G. Zhu, "Challenges, advances and future trends in AC microgrid protection: With a focus on intelligent learning methods," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 178, p. 113228, 2023. doi: 10.1109/TSG.2014.2357813
[3] H. H. Zeineldin, H. M. Sharaf, D. K. Ibrahim, and E. E.-D. Abou El-Zahab, "Optimal protection coordination for meshed distribution systems with DG using dual setting directional over-current relays," IEEE transactions on smart grid, vol. 6, no. 1, pp. 115-123, 2014. doi: 10.1109/TSG.2014.2357813
[4] H. Zhan et al., "Relay protection coordination integrated optimal placement and sizing of distributed generation sources in distribution networks," IEEE Transactions on Smart grid, vol. 7, no. 1, pp. 55-65, 2015. doi: 10.1109/TSG.2015.2420667
[5] C. Reiz and J. B. Leite, "Optimal coordination of protection devices in distribution networks with distributed energy resources and microgrids," IEEE Access, vol. 10, pp. 99584-99594, 2022. doi: 10.1109/ACCESS.2022.3203713
[6] P. Thararak and P. Jirapong, "Implementation of optimal protection coordination for microgrids with distributed generations using quaternary protection scheme," Journal of Electrical and Computer Engineering, vol. 2020, no. 1, p. 2568652, 2020. doi: 10.1155/2020/2568652
[7] T. E. Sati and M. A. Azzouz, "Optimal protection coordination for inverter dominated islanded microgrids considering N-1 contingency," IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 37, no. 3, pp. 2256-2267, 2021. doi: 10.1109/TPWRD.2021.3108760
[8] F. Alasali et al., "The recent development of protection coordination schemes based on inverse of AC microgrid: A review," IET Generation, Transmission & Distribution, vol. 18, no. 1, pp. 1-23, 2024. doi: 10.1049/gtd2.13074
[9] A. Kurmaiah and C. Vaithilingam, "Design of adaptive protection coordination scheme using SVM for an AC microgrid," Energy Reports, vol. 11, pp. 4688-4712, 2024. doi:10.1016/j.egyr.2024.04.021
[10] O. Merabet, A. Kheldoun, M. Bouchahdane, A. Eltom, and A. Kheldoun, "An adaptive protection coordination for microgrids utilizing an improved optimization technique for user-defined DOCRs characteristics with different groups of settings considering N-1 contingency," Expert Systems with Applications, vol. 248, p. 123449, 2024. doi:10.1016/j.eswa.2024.123449
[11] H. Fayazi, M. Moazzami, B. Fani, and G. Shahgholian, "Coordination of protection equipment in synchronous generator-based microgrids with regard to maintaining first swing stability," Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 14, no. 53, pp. 1-14, 2023. doi: 20.1001.1.23223871.1402.14.54.2.8
[12] P. Kumar and A. S. Rana, "Review of optimization techniques for relay coordination in consideration with adaptive schemes of Microgrid," Electric Power Systems Research, vol. 230, p. 110240, 2024. doi: 10.1016/j.epsr.2024.110240
[13] A. K. Soni, A. Mohapatra, and S. N. Singh, "Protection Coordination in AC Microgrid via Novel Voltage-Supervised Directional Over-Current Relays," IEEE Transactions on Power Delivery, 2024. doi: 10.1109/TPWRD.2024.3368624
[14] I. N. Trivedi, S. V. Purani, and P. K. Jangir, "Optimized over-current relay coordination using Flower Pollination Algorithm," in 2015 IEEE International Advance Computing Conference (IACC), 2015, pp. 72-77: IEEE. doi: 10.1109/IADCC.2015.7154671
[15] J. Duan, K. Zhang, and L. Cheng, "A novel method of fault location for single-phase microgrids," IEEE Transactions on smart grid, vol. 7, no. 2, pp. 915-925, 2015. doi: 10.1109/TSG.2015.2480065
[16] P. Li, D. Xu, Z. Zhou, W.-J. Lee, and B. Zhao, "Stochastic optimal operation of microgrid based on chaotic binary particle swarm optimization," IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 7, no. 1, pp. 66-73, 2015. doi: 10.1109/TSG.2015.2431072

Full-Text:
الگوي تهيه مقالات

حمیدرضا سزاوار، سعید حسن زاده

img0 

 

Technovations of Electrical Engineering in Green Energy System

img0 

Research Article                                                                         (2026) 5(1):18-35

 

Simulation and Modeling of Optimal Protective Coordination of Overcurrent Relays for the Integration of Distributed Generation Sources in Distribution Systems

Hamidreza Sezavar1, Assistant Professor, Saeed Hasanzadeh1, Associate Professor

 

1 Department of Electrical and Computer Engineering, Qom University of Technology, Qom, Iran.

 

Abstract: 

The performance of overcurrent relays is crucial in fault detection and protection of power networks. With the increasing integration of Distributed Generation (DG) sources into distribution networks, new challenges have emerged in the operation of these relays. The presence of DG sources can reduce fault currents, leading to delays in relay operation. This delay can potentially cause damage to existing equipment due to the prolonged fault in the network. Additionally, DG sources may cause malfunctions in relays, resulting in the disconnection of a healthy feeder instead of the faulty one. This paper introduces and models an algorithm that allows the integration of DG sources into the network without altering the overcurrent relay settings. The goal of this algorithm is to determine the optimal location for connecting DG sources to the network. In this study, the proposed algorithm was implemented in MATLAB, and the model was validated using DigSilent software. The results of this research can contribute to optimizing the performance of distribution systems and mitigating issues related to network protection with the presence of distributed generation sources.

 

Keywords: Overcurrent relays, Distributed generation, Fault detection, Power system, Algorithm modeling

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Received: 2 November 2024

img0Revised: 21 December 2024

Accepted: 14 January 2024

Corresponding Author: Dr. Hamidreza Sezavar, sezavar@qut.ac.ir

DOI: https://doi.org/10.71691/teeges.2026.1192288

img0 


 

img0 

فناوری‏های نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز

         ..مقاله پژوهشی...       

 

شبیه­سازی و مدلسازی هماهنگی حفاظتی بهینه رله­های اضافه جریان به منظور ورود منابع تولید پراکنده در سیستم‌های توزیع

حمیدرضا سزاوار۱، استادیار، سعید حسن زاده۱، دانشیار

1- دانشکده مهندسي برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی قم، قم، ايران

 

چكيده: عملکرد رله‌های اضافه جریان در تشخیص و حفاظت شبکه‌های قدرت از اهمیت بالایی برخوردار است. با توجه به گسترش منابع تولید پراکنده (DG) در شبکه‌های توزیع، چالش‌های جدیدی در عملکرد این رله‌ها به وجود آمده است. حضور این منابع در شبکه می‌تواند باعث کاهش جریان خطا شده و در نتیجه باعث تأخیر در عملکرد رله‌ها گردد. این تأخیر می‌تواند منجر به آسیب به تجهیزات موجود در شبکه به دلیل تداوم خطا شود. همچنین، منابع تولید پراکنده می‌توانند باعث ایجاد اختلال در رله‌ها شوند، به‌طوری‌که رله‌هایی که به‌طور معمول باید فیدر معیوب را از شبکه جدا کنند، فیدر سالم را قطع کنند. این مقاله به معرفی و مدلسازی الگوریتمی می‌پردازد که با حفظ عملکرد صحیح رله‌های اضافه جریان، شرایط حضور منابع تولید پراکنده در شبکه را فراهم می‌کند. هدف این الگوریتم تعیین بهترین مکان برای اتصال منابع تولید پراکنده به شبکه است. در این تحقیق، الگوریتم مدنظر در محیط متلب پیاده‌سازی و سپس صحت‌سنجی مدل در نرم‌افزار دیگسایلنت انجام شده است. نتایج حاصل از این تحقیق می‌تواند به بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌های توزیع انرژی و کاهش مشکلات مربوط به حفاظت شبکه‌های توزیع با حضور منابع تولید پراکنده کمک کند.

 

واژه هاي كليدي: تشخیص خطا، تولید پراکنده، رله اضافه جریان، مدلسازی الگوریتم

 

 

 

 

 

 

 

 

تاریخ ارسال مقاله: ۱۲/0۸/140۳

img0تاریخ بازنگری مقاله: 01/۱۰/140۳

تاریخ پذیرش مقاله: ۲۵/۱۰/140۳

نویسنده­ی مسئول: دکتر حمیدرضا سزاوار، sezavar@qut.ac.ir

DOI: https://doi.org/10.71691/teeges.2026.1192288

img0 


 

1-       مقدمه

حفاظت1 نقشی اساسی در یک شبکه­ی قدرت ایفا می­کند. یکی از قسمت­های مهم حفاظت شبکه­های قدرت رله­های اضافه جریان2 هستند. یکی از اصول مهم استفاده از این رله­ها تنظیم و هماهنگی دقیق آن­ها با یکدیگر است تا ضمانت اجرای صحیح و حفاظت دقیق شبکه را به وجود آوردند [1]. با توجه به گستردگی کنونی سیستم­های قدرت و به خصوص نیازمندی تولید انرژی در شبکه­های توزیع، ورود و تاثیر منابع تولید پراکنده3 در شبکه­های نامبرده غیر قابل انکار است. ورود منابع تولید پراکنده به شبکه‌های قدرت، نه تنها باعث ایجاد تغییرات اساسی در نحوه توزیع بار و مدیریت انرژی می‌شود، بلکه تأثیر چشمگیری بر عملکرد رله‌های اضافه جریان نیز دارد [2]. این منابع، به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود، می‌توانند در نحوه شناسایی و پاسخ‌دهی این رله‌ها به اضافه بارها تأثیر بگذارند. به‌ویژه، ممکن است تنظیمات زمانی رله‌ها، که برای تشخیص و قطع سریع مدار در شرایط بحرانی طراحی شده‌اند، تحت تأثیر تغییرات ایجاد شده توسط این منابع قرار گیرد و منجر به عدم کارایی یا تأخیر در عملکرد آن‌ها شود. در نتیجه، به‌دست آوردن و حفظ تنظیمات مناسب برای رله‌ها در حضور این منابع جدید، از اهمیت بالایی برخوردار است [3]. در واقع در صورتیکه مدیریت صحیح در جایگذاری منابع تولید پراکنده صورت نگیرد، ورود آن­ها به شبکه توزیع باعث به وجود آوردن اثرات منفی حفاظتی، به خصوص در حفاظت رله­های اضافه جریان، می­شود. به طور معمول حضور منابع تولید پراکنده می‌تواند در اندازه و یا جهت تولید جریان اتصال کوتاه تاثیر فراوانی بگذارد و باعث عملکرد غیرصحیح این رله­ها شود [4].

در [5] یک مدل ریاضی بهینه به منظور هماهنگی ادوات حفاظتی در شبکه توزیع به همراه منابع انرژی توزیع شده که در دو حالت متصل به شبکه و جزیره­ای کار می­کنند، پیشنهاد شده است. نتایج این تحقیق نشان دهنده هماهنگی کافی دستگاه­های حفاظتی غیرفعال و کم­هزینه است. با توجه به نیاز به عملکرد منعطف ریزشبکه4­ها به همراه در دسترس بودن واحدهای تولید پراکنده، در [6] یک طرح حفاظتی چندجهته با رله­های اضافه جریان و یک استراتژی کنترلی جدید پیشنهاد شده است که به منظور حفاظت در برابر خطا در ریزشبکه­ها توسعه داده شده است. در [7] یک طرح حفاظتی برای ریزشبکه­های جزیره­ای مبتنی بر ژنراتورهای توزیع شده با رابط اینورتری ارائه شده است و در نهایت روی یک سیستم نمونه در سیستم توزیع شهری در کانادا با موفقیت تست شده است. در [8] نمونه­های از روش­های حفاظتی مدرن بر پایه­ی هماهنگی حفاظتی تطبیقی [9] با استفاده از تکنیک­های بهینه­سازی5 [10] مختلف استفاده شده است. در [11] با توجه به انواع المان­های حفاظتی، مناسب­ترین و دقیق­ترین ترکیب حفاظتی در ریزشبکه­های مبتنی بر ژنراتور سنکرون بر اساس پارامتر حفظ پایداری نوسان اول، پیشنهاد شده است. با توجه به اهمیت حفاظت ریزشبکه­ها، در [12] مروری بر بهینه­سازی هماهنگی رله در ریزشبکه­ها انجام گرفته است و مطالعه­ای کامل با توجه به اهمیت رویکردهای تطبیقی و هوشمند در این موضوع انجام گرفته است و همچنین در [13] امکان­سنجی استفاده از مجموعه تنظیمات حفاظتی در ریزشبکه­ها و منابع تولید پراکنده، در دو حالت متصل به شبکه و جزیره­ای بررسی و تحلیل شده است.

رله­های اضافه جریان بایستی قادر باشند که بین حالت‌های عادی سیستم و غیر عادی آن تفاوت قائل شوند و معمولاً شرایط غیر عادی زمانی اتفاق می­افتد که در شبکه خطایی رخ داده باشد. این رله­ها بایستی ویژگی­های یک حفاظت قوی از جمله سرعت حساسیت، دقت و ... را داشته باشند. معمولاً این رله­ها را به دو صورت استفاده می‌کنند، اولیه و پشتیبان. در صورتی­که رله­ی اولیه به هر دلیلی نتواند به صورت صحیح عمل کند، رله‌های بعدی که به عنوان رله‌های پشتیبان هستند وارد عمل می­شوند و با یک اختلاف زمانی خطا را برطرف می­کنند [14]. به منظور بهره­برداری صحیح و همچنین قابلیت اطمینان بالا در رفع خطا میزان اختلاف زمانی عملکرد رله­ها بایستی هماهنگ شود تا مواردی رخ ندهد که در آن رله­ی پشتیبان به اشتباه و قبل از عملکرد رله­ی اصلی عمل کند و این شرایط نباید در هیچ یک از حالت­های سیستم رخ دهد. یکی از اثرات منفی حضور منابع تولید پراکنده در شبکه­ی قدرت افزایش جریان اتصال کوتاه شبکه در برخی از خطاها و در بعضی از مکان­های خطا می­باشد [15]. در این مواقع ممکن است حضور منابع تولید پراکنده باعث ایجاد اشکال در کلیدهای قدرت نیز شود. در بعضی از موارد وجود منابع تولید پراکنده موجب کاهش جریان عبوری از رله و در نتیجه باعث ایجاد تاخیر در عملکرد رله میشود و در نتیجه خطا در مدت زمان بیشتری در شبکه باقی می­مانند و ممکن است به تجهیزات موجود در شبکه صدمه وارد شود. در مواردی هم منابع تولید پراکنده موجب ایجاد خطا در رله‌هایی می‌شوند که نامربوط به خطا بوده و موجب می‌شود که فیدر سالم به جای فیدر معیوب از شبکه جدا شود. در این شرایط معمولاً تعویض رله­های حفاظتی و یا تغییر آنها (به طور مثال استفاده از رله­های جهتی6) موجب بهبود عملکرد حفاظتی می­شود. 

در این تحقیق، هدف اصلی ارائه مدلی است که به کمک الگوریتم‌های مناسب پیاده‌سازی‌شده در نرم‌افزار متلب و دیگ سایلنت، قابلیت‌ها و شرایط ورود مولدهای تولید پراکنده به شبکه‌های برق را بررسی کند. این مدل به‌گونه‌ای طراحی خواهد شد که ورود منابع تولید پراکنده به سیستم، هیچ‌گونه تأثیری بر سیستم‌های حفاظتی موجود نداشته باشد و همچنین رله‌های اضافه جریان دستخوش تغییرات یا تنظیمات جدید نشوند. به عبارتی، این تحقیق به دنبال آن است تا شرایط لازم برای حضور موفق و ایمن منابع انرژی تجدیدپذیر و دیگر انواع تولید پراکنده را شناسایی کند، به‌طوری‌که این منابع به‌راحتی و بدون ایجاد اختلال در عملکرد و ایمنی سیستم‌های حفاظتی، به شبکه برق اضافه شوند. در این راستا، پارامترهای مختلفی که ممکن است بر روی عملکرد رله‌ها و سیستم‌های حفاظتی تأثیر بگذارند، مطالعه خواهند شد و الگوهای مخصوصی برای شبیه‌سازی و ارزیابی کارایی این منابع در شرایط متنوع و مختلف طراحی خواهد شد. نتایج این تحقیق می‌تواند به مهندسان و طراحان سیستم‌های قدرت کمک کند تا با اطمینان بیشتری مولدهای تولید پراکنده را در شبکه‌های فعلی و آینده یکپارچه‌سازی کنند، بدون آنکه اصول ایمنی و پایداری شبکه به خطر بیفتد.

2- بررسی و تحلیل مشکل ورود منبع تولید پراکنده

تنظیم و هماهنگ­سازی وسایل حفاظتی در یک شبکه­ی به هم پیوسته کاری پیچیده است. امروزه با افزایش استفاده از منابع تولید پراکنده و اتصال آن­ها به شبکه­های قدرت پیچیدگی دو چندان شده است. در این شرایط تلاش می‌شود که به دلایل اقتصادی از تعویض رله­های حفاظتی، به خصوص رله­های اضافه جریان، در هنگام حضور منابع تولید پراکنده جلوگیری شود. اما همانطور که اشاره شد، یکی از مشکلات اساسی در اینگونه موارد، برهم خوردن هماهنگی زمانی رله­ها می­باشد که باعث عملکرد ناصحیح آن­ها در حضور منابع تولید پراکنده می‌شود. در شبکه‌های توزیع سنتی معمولا در ابتدای فیدرها از رله­های اضافه جریان استفاده می­شود که با رله­های در طول فیدر هماهنگی زمانی شده­اند. با ورود منابع تولید پراکنده مشکلاتی برای هماهنگی رله­ها به وجود می­آید که ممکن است زمان قطع رله­ها را تحت‌تأثیر قرار دهد. معمولا یکی از مشکلات حضور منابع تولید پراکنده، عدم دسترسی و یا کاهش دسترسی رله­ی ابتدای فیدر به نقاط پایین دستی و یا انتهای فیدری است که در آن منابع تولید پراکنده قرار دارد. یکی از نکات دیگری که باعث بروز اشتباه در عملکرد رله‏های اضافه جریان می­شود، ایجاد خطا در سایر فیدرها است که ممکن است به اشتباه فیدر متصل یه منابع تولید پراکنده نیز قطع دهد و همچنین افزایش سطح اتصال کوتاه و تاثیر روی عملکرد کلیدهای متصل به باسبار­ها نیز می­تواند یکی دیگر از دلایل به خطر افتادن حفاظت صحیح شبکه باشد.

2-1- کاهش دسترسی و افزایش زمان عملکرد رله­ی ابتدای فیدر

شکل 1 قسمتی از یک شبکه را نشان می­دهد که در حالت عدم حضور منابع تولید پراکنده رله A ­در ابتدای فیدر قرار گرفته است. تنظیم مناسب برای این رله در هنگام ایجاد خطای اتصال کوتاه سه فاز در نظر گرفته شده­است. در صورتی که منابع تولید پراکنده وارد شبکه شود می­توان نشان داد که بخشی از سهم جریان اتصال کوتاه شبکه را منابع تولید پراکنده تولید می­کند و این باعث کاهش جریان اتصال کوتاه گذرنده از رله­ی ابتدای فیدر می­شود و در واقع افزایش زمان عملکرد رله ابتدای فیدر را به همراه دارد که این افزایش زمان عملکرد باعث ایجاد صدمه به تجهیزات موجود در شبکه می­شود.

2-2- تغذیه معکوس منابع تولید پراکنده تولید کننده در حالت ایجاد خطا در فیدر دیگر

در زمانی که خطای اتصال کوتاه در فیدری غیر از فیدر مربوط به منابع تولید پراکنده ایجاد می‌شود، یکی از منابع تولید پراکنده تغذیه خطا خود منابع تولید پراکنده است. در صورتیکه رله­های ابتدایی فیدر از نوع جهتی نباشند رله­ی متصل به ابتدای فیدر منابع تولید پراکنده ممکن است به اشتباه قطع بدهد. شکل ۲ نشان می‌دهد که در صورت ایجاد خطا باید هماهنگی حفاظتی بین رله­های A, B  برقرار شود در این حالت نباید ظرفیت منابع تولید پراکنده از حدی افزایش یابد تا باعث ایجاد اختلال در عملکرد این رله­ها نشود.

 

img0 

شکل (1): تغذیه مستقیم منبع تولید پراکنده و تاثیر آن روی عملکرد رله

 

img0 

شکل (2): تغذیه معکوس منبع تولید پراکنده و تاثیر آن روی عملکرد رله

 

2-3- افزایش سطح اتصال کوتاه

یکی از نکات مهم که همواره در شبکه­های قدرت در حضور منابع تولید پراکنده با آن روبه­رو هستیم، افزایش سطح اتصال کوتاه شبکه است. افزایش جریان اتصال کوتاه باعث عملکرد ناصحیح کلیدهای قدرت متصل به باسبار­ها می­شود و ممکن است به این کلیدها آسیب­های جدی وارد شود. ورود منابع تولید پراکنده به شبکه باعث تغییر در جهت و اندازه­ی جریان اتصال کوتاه عبوری از خطوط می­شود. در شبکه­های سنتی، معمولا اندازه­گیری میزان جریان اتصال کوتاه نامی شبکه، تنها از میزان جریان تامین شده از باسبار مرجع بدست آمده است. اما در هنگام اضافه شدن منابع تولید پراکنده به شبکه، این میزان جریان ناشی از خود منابع تولید پراکنده نیز می­باشد. بنابراین باید با توجه به اندازه و مکان منابع تولید پراکنده، مراقب بود تا میزان جریان اتصال کوتاه شبکه از میزان نامی آن فراتر نرود.

3- آنالیز خطا

به منظور طراحی یک الگوریتم مناسب برای رفع مشکلات اشاره شده در قسمت 2 ابتدا باید مکان و امپدانس خطا را در شبکه محاسبه کنیم. زمان عملکرد و یا زمان قطع رله­های اضافه جریان وابسته به جریان گذرنده از رله است. این جریان در شرایط مختلف متفاوت است. این شرایط شامل محل خطا، نوع خطا، امپدانس خطا و همچنین تعداد منابع تولید پراکنده تامین­کننده­ی خطا است. بنابراین برای محاسبه عملکرد زمان رله‌ها باید انواع شرایط خطا در شبکه مورد ارزیابی قرار بگیرد تا بتوان با توجه به تمام شرایط ذکر شده، شرایطی را فراهم کرد که رله­ها عملکردی صحیح و مناسب برای برخورد با خطا و حفاظت از شبکه را داشته باشند.

با توجه به اینکه هدف ایجاد خطا در فواصل ۱۰۰ متری از منابع تولید پراکنده در طول شبکه است، سه نوع خطا در نظر گرفته شده است. حالت اول زمانی اتفاق می­افتد که خطا بین منابع تولید پراکنده و باسبار مرجع صورت می­گیرد. حالت دوم زمانی است که خطا بین منابع تولید پراکنده و انتهای همان فیدر متصل به منابع تولید پراکنده به وجود می‌آید و حالت آخر مربوط به زمانی است که خطا در فیدر و یا انشعاب دیگر رخ می­دهد. در شکل 3 فرض شده است که منابع تولید پراکنده در باسبار شماره ۷ قرار گرفته است و انواع خطاها در این شکل نمایش داده شده است.

3-1- تشخیص محل خط و محاسبه امپدانس خطا

با توجه به اینکه برای هماهنگ­سازی دقیق رله­های اضافه جریان نیاز به ایجاد خطا در طول تمام فیدرها و انشعاب­ها می­باشد، باید در ابتدا فاصله بین مکان منابع تولید پراکنده تا باسبار مرجع، تا انتهای فیدر متصل به منابع تولید پراکنده و همچنین تا فیدرهای دیگر را به دست بیاوریم. محاسبه این فواصل کمک می­کند بتوان در فواصل صد متری منابع تولید پراکنده خطای اتصال کوتاه سه فاز در شبکه ایجاد نمود و با محاسبه امپدانس خطای تامین شده توسط منابع تولید پراکنده و باسبار مرجع جریان اتصال کوتاه گذرنده از رله­ها را محاسبه کرد. بدین منظور دو امپدانس , ZSlack ZDG را برای هریک از سه حالت خطا محاسبه می‌کنیم. 

در حالت اول فرض شده بود که خطا بین منابع تولید پراکنده و باسبار مرجع اتفاق افتاده است. این حالت خطا در شکل 3 با رنگ قرمز مشخص شده است. با اعمال خطای سه فاز در هر صد متر از منابع تولید پراکنده در طول این فاصله امپدانس منابع تولید پراکنده و مرجع با در نظر گرفتن امپدانس خطا محاسبه می شود. محاسبه امپدانس خطای منابع تولید پراکنده و باسبار مرجع در حالت­های دوم و سوم نیز به همین ترتیب صورت می­گیرد. در حالت دوم که خطا در بین محل منابع تولید پراکنده و انتهای همان فیدر متصل به منابع تولید پراکنده ایجاد شده است، معمولا باعث کاهش جریان رله­ی ابتدای فیدر و در نتیجه افزایش زمان عملکرد و یا کاهش دسترسی آن می‌شود. این نوع خطا در شکل با رنگ آبی نشان داده شده است. خطای نوع سوم زمانی اتفاق می­افتد که یک خطای اتصال کوتاه در فیدر دیگر (غیر از فیدری که منابع تولید پراکنده در آن قرار دارد) صورت گیرد. امپدانس این خطا نیز با رنگ سبز در شکل 3 نشان داده شده است. این خطا باعث عملکرد نابجایی رله متصل به فیدری که منابع تولید پراکنده در آن قرار دارد می شود و تغذیه معکوس منابع تولید پراکنده نامیده می­شود.

img0 

شکل (3): نمایش حالت­های مختلف ایجاد خطا

 

3-2- محاسبه جریان گذرنده از رله ها و زمان عملکرد آنها

با توجه به قسمت قبل و محاسبه­ی امپدانس خطای منابع تولید پراکنده و باسبار مرجع می­توان در هر حالت، جریان گذرنده از رله­ها و در نتیجه زمان عملکرد آن­ها را محاسبه کرد. شکل 4 مدار معادل شبکه در هر یک از حالت­های ایجاد خطا در حضور منابع تولید پراکنده را نشان می­دهد. در این شکل امپدانس­­­های اشاره شده در شکل 3 قرار داده شده است و همچنین مقدار راکتانس توالی منفی ژنراتورها به منظور تحلیل خطا در نظر گرفته شده است. با توجه به مدار معادل سیستم، می­توان میزان جریان خطای تامین شده توسط منابع تولید پراکنده و باسبار مرجع را محاسبه نمود و برای محاسبه­ی زمان عملکرد رله­ها به کار گرفت. باید به این نکته نیز اشاره نمود که در زمان ایجاد خطا در شبکه، در هر یک از انواع سه­گانه­ی خطای نامبرده شده، تعدادی از رله­ها عمل می­کنند. با توجه به شکل 3 مشخص است که رله­ی اول و دوم در هر سه خطا عمل می­کنند اما رله­ی سوم فقط در خطای نوع سوم عمل می­کند.

img0 

شکل (4): مدار معادل شبکه در هر یک از حالت­های ایجاد خطا در حضور منابع تولید پراکنده

 

زمان عملکرد رله­ها از معادله (1) به دست می­آید. در این معادله ضریب تنظیم زمانی7 (TDS) با توجه به تنظیم اولیه­ی رله­ها متغیر است و با توجه به شرایط شبکه مورد مطالعه محاسبه می­شود. در شبکه­های توزیع شعاعی تنظیم رله­های اضافه جریان با اختلاف زمانی حدودا بین 200 تا ۴۰۰ میلی­ثانیه انجام می­شود. در رابطه 1، زمان عملکرد رله­ها تابع جریان اندازه­گیری شده توسط ترانسفورماتور اندازه­گیری جریان است. به منظور هماهنگی رله­ها از نرم افزار دیگسایلنت8 استفاده شده است. در شرایطی که خطا در داخل شبکه) از باسبار ۲ به بعد( صورت بگیرد، باید رله OC1 به عنوان پشتیبان رله های OC2 و OC3 باشد. بدین منظور با استفاده از میزان جریان نامی خطوط متصل به رله های ۱ و ۲ و ۳، ترانسفورماتور­های جریان آن­ها به نسبت 300 به 1 و 200 به 1 و 100 به 1 تنظیم می­شوند. شکل 5 نشان­دهنده­ی تنظیم هماهنگ رله­ها می­باشد که با فاصله زمانی مناسب که متناسب با TDS است، مشخص شده است. بنابراین در این حالت می­توان جریان پیک آپ رله­ها را به ترتیب برابر 300، 200 و 100 آمپر در نظر گرفت.[2]

(1)                                                                                        

 

img0 

شکل (5): زمانبندی تنظیم هماهنگ رله­ها

4- الگوریتم پیشنهادی

هدف اصلی طراحی الگوریتم در این مقاله بهبود تلفات شبکه­ی مورد مطالعه با در نظر گرفتن مشکلات مربوط به رله­های حفاظتی با اضافه کردن منابع تولید پراکنده است. ورود منابع تولید پراکنده به شبکه ممکن است مشکلاتی برای رله­های حفاظتی به وجود بیاید که به این مشکلات در بخش 2 اشاره شد. در واقع تنظیم زمانی هماهنگ رله­های اضافه جریان با ورود منابع تولید پراکنده دچار اختلال میشود و به همین منظور بایستی تابع هدف مسئله شامل یکسری توابع جریمه باشد که از به هم خوردن هماهنگی حفاظتی رله­ها جلوگیری کند. تابع هدف شامل یک قسمت اصلی است که همان کمینه کردن تلفات شبکه است. همچنین شامل چند قسمت فرعی میباشد که به عنوان توابع جریمه در نظر گرفته می­شوند، در واقع این توابع جریمه باعث می‌شود که تا به هدف ما به سمت از بین رفتن شرایط هماهنگی زمانی رله­ها نرود و هماهنگ­سازی رله­ها که قبل از ورود منابع تولید پراکنده صورت گرفته است دچار اختلال نشود. در این قسمت به بررسی اجزای تشکیل دهنده تابع هدف می پردازیم.

4-1- تلفات شبکه

به منظور محاسبه تلفات شبکه باید در الگوریتم پیشنهادی از یک پخش بار استفاده کرد در این مقاله از پخش بار نیوتون رافسون استفاده شده است و فرض شده است که تلفات شبکه حاصل از تلفات خطوط است و بنابراین با محاسبه جریان گذرنده از خود رو انتقال می­توان طبق رابطه (2) تلفات شبکه را محاسبه کرد[16].

                                                                                                                  (2)

 

4-2- افزایش زمان عملکرد رله ها

زمانی که منابع تولید پراکنده وارد شبکه می‌شود، قسمتی از جریان خطا توسط منابع تولید پراکنده تامین می‌شود و در نتیجه باعث کاهش جریان خطای تامین شده توسط باسبار مرجع و یا به عبارتی رله­ی ابتدای فیدر می­شود. این امر موجب افزایش زمان عملکرد رله­های ابتدای فیدر می­شود. بنابراین یکی از توابع جریمه را به میزان افزایش زمان عملکرد رله­های ابتدای فیدر تخصیص داده و با استفاده از رابطه (3) افزایش زمان عملکرد رله­ها را کنترل کرده و اجازه افزایش زیاد آنها داده نمی­شود. تابع جریمه معرفی شده در رابطه (3) برابر با حاصل ضرب افزایش زمان عملکرد رله iام در کل بار متصل به فیدر مذکور است.

                                               (3) 

 

4-3- کاهش اختلاف زمانی عملکرد رله­ها

زمانی که خطا در فیدری غیر از فیدر متصل به منابع تولید پراکنده به وقوع می­پیوندد، باعث می­شود رله­های متصل به فیدر منابع تولید پراکنده عملکرد اشتباه کرده و در صورت تنظیم نامناسب و یا ظرفیت بالای منابع تولید پراکنده این رله­ها فرمان اشتباه دهند. در این وضعیت باید اختلاف زمان عملکرد رله­ها با یکدیگر مرتبا مقایسه شود تا این زمان­ها از حد مشخصی کمتر نشوند یا به عبارت دیگر رله­ها دچار عدم هماهنگی زمانی نشوند. رابطه (4) نشان می‌دهد که زمان عملکرد رله­ها باید در حالت معمول دارای اختلافی برابر فاصله زمانی هماهنگی9  (CTI) باشد که میزان آن تقریبا بین 0.2 تا 0.5 ثانیه است. در این مقاله میزان این زمان برابر 0.25 ثانیه در نظر گرفته شده است.

 

           (4)

 

با استفاده از مفهوم هماهنگی زمانی تعریف شده در رابطه (۴) تابع جریمه­ی دوم را به صورتی تعریف می‌کنیم که در صورتیکه اختلاف زمان عملکرد رله­ها از میزان زمان CTI در نظر گرفته شده کمتر شود، یک مقدار خطا به تابع هدف اضافه شود تا از به هم خوردن هماهنگی حفاظتی رله­ها جلوگیری شود.

4-4- سطح اتصال کوتاه

افزایش سطح اتصال کوتاه باعث صدمه­زدن به تجهیزات موجود در شبکه می­شود. با ورود منابع تولید پراکنده به سیستم سطح اتصال کوتاه آن افزایش می یابد. با توجه به جریان اتصال کوتاه نامی هریک از خطوط شبکه­ی مورد مطالعه، می­توان تابع جریمه­ای برای افزایش سطح اتصال کوتاه بیان کرد. در صورتی که منابع تولید پراکندهمورد نظر باعث افزایش قابل ملاحظه­ی جریان اتصال کوتاه خطوط شود، این تابع جریمه باعث افزایش تابع هدف شده و درنتیجه از ورود چنین منابع تولید پراکنده به شبکه جلوگیری می شود. رابطه (5) تابع جریمه برای افزایش جریان اتصال کوتاه خطای سه فاز را نشان میدهند. با استفاده از این تابع می‌توانیم شرایط اتصال کوتاه هر یک از خطوط شبکه را بعد از ورود منابع تولید پراکنده بررسی کرده و در صورتی که این جریان­ها از جریان نامی اتصال کوتاه خطوط بیشتر شود، مقدار جریمه به تابع هدف اضافه می‌شود. در این حالت خطاهای اتصال کوتاه سه فاز در هر باسبار اعمال می­شود و سپس میزان خطای اتصال کوتاه در هر یک از خطوط اندازه­گیری شده و با مقدار نامی جریان­ها مقایسه می‌شود.

                                                  (5)

علت اصلی استفاده از توان 3 در تابع جریمه به قرار زیر است:

·       قدرت تصاعدی: استفاده از توان سه باعث می‌شود که افزایش در اختلاف بین جریان­ها به‌طور نمایی تأثیر بیشتری بر تابع جریمه داشته باشد. این به این معناست که اگر جریان اتصال کوتاه از مقدار مشخص افزایش یابد، تأثیر منفی که روی سیستم می‌گذارد، به‌طرز چشم‌گیری قابل توجه خواهد بود. این ساختار نه‌تنها مقدار خطا را نشان می‌دهد، بلکه شدت آن را نیز مشخص می‌کند.

·       نتیجه‌گیری درباره ناپایداری: این تابع همچنین به تحلیل‌ها در مورد ناپایداری و امنیت سیستم کمک می‌کند. اگر جریان‌های اتصال کوتاه به‌طور مکرر بیشتر از حد مجاز شوند، تابع جریمه به‌سرعت افزایش می‌یابد و نشان‌دهنده بارگذاری یا خطاهای مکرر در سیستم است.

در این مقاله از الگوریتم ژنتیک10 و متلب برای بهینه­سازی تابع هدف بیان شده در (6)، استفاده شده است.روال الگوریتم اجرایی بیان شده در بخش 4 نیز در شکل 6 بیان شده است. با توجه به اهمیت توابع جریمه، باید آن­ها را وارد تابع هدف مساله کرد. این اهمیت برای تابع Coordination Error بسیار بیشتر از دو تابع دیگر است. زیرا هدف اصلی مساله برهم نخوردن هماهنگی حفاظتی رله­ها است.

     (6)                                                                                                         

برای شبیه­سازی فرض­های زیر در نظر گرفته شده است : 1- منابع تولید پراکنده از نوع سنکرون هستند. 2- مود کنترلی آن­ها Pcosθ است با ضریب توان 0.95 3-راکتانس زیر سنکرون ژنراتورها برابر 0.168 پریونیت است و راکتانس زیرسنکرون باسبار مرجع برابر 1.31 پریونیت می­باشد.

img0 

شکل (6): فلوچارت پیشنهادی به منظور اجرای الگوریتم شبیه­سازی

 

 

 

5- نتایج شبیه­سازی

5-1- مدل مورد مطالعه

شبکه مورد مطالعه شامل یک فیدر اصلی است که از پست فوق توزیع (باسبار مرجع) شروع می­شود و این فیدر شامل دو انشعاب نیز می­باشد. در شکل 7 شماتیک شبکه نشان داده شده­است. در این شکل سه رله­ی اضافه جریان به ترتیب در ابتدای فیدر اصلی و همچنین در ابتدای انشعاب­ها قرار گرفته­اند. این رله­ها به نام های oc1, oc2, oc3 در شکل مشخص شده­اند. در ادامه در جدول 1 و 2 مشخصات مربوط به شبکه قرار گرفته است. در این شبکه ولتاژ نامی و توان ظاهری نامی به ترتیب برابر ۲۰ کیلوولت و 100 مگاولت آمپر می باشد.

 

img0 

شکل (7): شماتیک شبکه مورد مطالعه

 

جدول (1): مشخصات ولتاژ و توان شبکه مورد مطالعه

باسبار

ولتاژ(pu)

زاویه (Deg)

توان اکتیو (MW)

توان  (MVAr)

1

0

0

0

0

2

0.9988

-0.0297

0.3572

0.6021

3

0.9973

-0.0682

0

0.1400

4

0.9962

-0.0935

0.1526

0.3150

5

0.9948

-0.1267

0.1093

0.3325

6

0.9935

-0.1567

0.4314

0.7613

7

0.9926

-0.1781

0.3814

0.7875

8

0.9924

-0.1842

0.2101

0.2800

9

0.9921

-0.1939

0.1093

0.3325

10

0.9980

-0.0517

0.3814

0.7875

11

0.9975

-0.0668

0.1681

0.2240

12

0.9968

-0.0857

0.1749

0.5324

13

0.9965

-0.0978

0.3429

0.8051

14

0.9916

-0.2033

0.3814

0.7875

15

0.9924

-0.1813

0.2100

0.2800

16

0.9924

-0.1844

0.1526

0.3150

جدول (2): مشخصات امپدانس شبکه مورد مطالعه

باسبار اولیه

باسبار ثانویه

مقاومت (pu)

اندوکتانس (Pu)

جریان اتصال کوتاه نامی (kA)

طول (km)

1

2

0.0104

0.0120

11.15

0.138

2

3

0.0228

0.0263

9.82

0.302

2

10

0.0228

0.0263

9.81

0.302

3

4

0.0158

0.0182

9.27

0.21

4

5

0.0226

0.0261

8.58

0.30

5

6

0.0234

0.0270

7.95

0.31

6

7

0.0194

0.0224

7.48

0.26

7

8

0.0112

0.0130

7.23

0.15

7

15

0.0166

0.0191

7.12

0.22

8

9

0.0203

0.0235

6.82

0.27

9

14

0.0301

0.0348

6.28

0.40

10

11

0.0228

0.0263

9.04

0.30

11

12

0.0345

0.0399

8.05

0.46

12

13

0.0299

0.0346

7.33

0.40

15

16

0.0241

0.0279

6.65

0.32

5-2- تحلیل نتایج

جدول­های شماره­­ی 3 و 4 و 5  نشان­دهنده­ی نتایج شبیه­سازی و ظرفیت و مکان منابع تولید پراکنده و همچنین تابع هدف می­باشد با این تفاوت که CTI برای این جداول متفاوت است. در این جداول، به ترتیب برای CTIهای۲۵۰ و ۳۰۰ و 350 میلی ثانیه است، مشاهده می‌شود که در جدول اول که کمترین CTI را دارد، بیشترین اجازه­ی ورود در آرایش­های مختلف TDS وجود دارد، اما برای جدول آخر که CTI ۳5۰ میلی ثانیه است برای بیشتر آرایش­های TDSها اجازه ورود منابع تولید پراکنده وجود ندارد. در واقع چالش اصلی مسئله تعیین و مقایسه شرایط مختلف حضور منابع تولید پراکنده در شبکه است به طوری که توابع جریمه وارد مسئله و تابع هدف نشوند. به همین دلیل دو متغیر از مسئله را علاوه بر ظرفیت و مکان منابع تولید پراکنده را تغییر دادیم که این دو متغیر، CTI  و TDS اولیه رله‏های اضافه جریان می باشند. 

جدول (3): نتایج ظرفیت و مکان منابع تولید پراکنده برای CTI 250 میلی­ثانیه

TDS

DG

توان تلفاتی (kW)

تابع هدف

OC1

OC2

OC3

ظرفیت (MVA)

باسبار

∞

∞

∞

4.47

7

6.1029

6.1029

0.30

0.05

0.05

3.67

7

6.8401

6.8942

0.25

0.05

0.05

3.67

7

6.8401

6.8906

0.20

0.05

0.05

3.67

7

6.8401

6.8871

0.17

0.05

0.05

3.68

8

7.0738

7.1173

0.15

0.05

0.05

-

-

29.2590

-

0.30

0.10

0.10

4.46

7

6.1352

6.2111

0.25

0.10

0.10

4.46

7

6.1352

6.2066

0.23

0.10

0.10

4.46

7

6.1352

6.2049

0.22

0.10

0.10

4.46

7

6.1352

6.2040

0.21

0.10

0.10

3.11

11

23.5125

23.8186

0.20

0.10

0.10

-

-

29.2590

-

جدول (4): نتایج ظرفیت و مکان منابع تولید پراکنده برای CTI 300 میلی­ثانیه

TDS

DG

توان تلفاتی (kW)

تابع هدف

OC1

OC2

OC3

ظرفیت (MVA)

باسبار

∞

∞

∞

4.47

7

6.1029

6.1029

0.30

0.05

0.05

3.20

7

7.9575

8.0033

0.25

0.05

0.05

3.20

7

7.9575

8.0004

0.20

0.05

0.05

3.20

7

7.9575

7.9971

0.17

0.05

0.05

-

-

29.2590

-

0.15

0.05

0.05

-

-

29.2590

-

0.30

0.10

0.10

4.46

7

6.1352

6.2111

0.25

0.10

0.10

4.46

7

6.1352

6.2066

0.23

0.10

0.10

-

-

29.2590

-

0.22

0.10

0.10

-

-

29.2590

-

0.20

0.10

0.10

-

-

29.2590

-

 

جدول (5): نتایج ظرفیت و مکان منابع تولید پراکنده برای CTI 350 میلی­ثانیه

TDS

DG

توان تلفاتی (kW)

تابع هدف

OC1

OC2

OC3

ظرفیت (MVA)

باسبار

∞

∞

∞

4.47

7

6.1029

6.1029

0.30

0.05

0.05

2.89

8

8.9191

8.9830

0.25

0.05

0.05

2.89

8

8.9191

8.9479

0.20

0.05

0.05

-

-

29.2590

-

0.17

0.05

0.05

-

-

29.2590

-

0.15

0.05

0.05

-

-

29.2590

-

0.30

0.10

0.10

4.46

7

6.1352

6.2111

0.25

0.10

0.10

-

-

29.2590

-

0.23

0.10

0.10

-

-

29.2590

-

0.22

0.10

0.10

-

-

29.2590

-

0.20

0.10

0.10

-

-

29.2590

-

 

طبیعتاً افزایش CTI، شرایط حضور منابع تولید پراکنده را در شبکه مشکل­تر می­سازد. با افزایش CTI توقع داریم که با حضور منابع تولید پراکنده رله­ها بتوانند در فاصله زمانی مشخص­شده فرمان دهند و تاخیر زمانی رله‌های پشتیبان و اولیه حداقل برابر این مقدار بماند. بنابراین افزایش این مقدار باعث می‌شود تنها در شرایطی اجازه­ی حضور منابع تولید پراکنده در شبکه وجود داشته­باشد که فاصله TDS رله­های پشتیبان و اولیه زیاد باشد. رله­های اضافه جریان که مشخصه­ا­ی به صورت رابطه ۱ دارند، دارای تأخیر زمانی متفاوتی هستند و این تاخیر زمانی ثابت نیست و متناسب با جریان اتصال کوتاه عبوری از رله تغییر می­کنند. به صورتی که اگر جریان اتصال کوتاه عبوری از رله­های اولیه و پشتیبان زیاد باشد، تاخیر زمانی عملکرد آن­ها کمتر است و در زمان که این جریان کم باشد تاخیر زمانی آنها زیاد می­شود. بنابراین تاخیر زمانی در این مشخصه­ها عددی ثابت نیست و تابع جریان عبوری از رله­ها می­باشد. جریان اتصال کوتاه ممکن است در شرایطی با توجه به تغییرات موجود در شبکه که یکی از آن­ها ورود منابع تولید پراکنده است، کاهش یا افزایش یابد. در این مواقع نباید اجازه داده شود که زمان عملکرد رله­ها از CTI کمتر شود تا دچار ناهماهنگی زمانی حفاظت برای رله­های اضافه جریان نشود. از طرفی باید توجه کرد که افزایش زمان یا به عبارتی اختلاف زمانی عملکرد رله‌ها نیز نمی‌تواند مورد قبول باشد، زیرا افزایش زمان عملکرد باعث ایجاد مشکلاتی در تجهیزات شبکه می شود. بنابراین علاقه‌مند هستیم که از رله­های سریع برای رفع خطا استفاده کنیم. زمانی که می­خواهیم به شبکه­ای با رله­هایی با تنظیم سریع، منابع تولید پراکنده وارد کنیم، با توجه به چیدمان TDSها متوجه موضوعی می­شویم. جالب است که زمانی که رله­های اولیه (OC2,OC3) دارای سرعت بالایی هستند، یعنی زمان عملکرد آنها یا به عبارتی TDS آنها کم است، با وجود زیاد بودن زمان عملکرد رله­ی پشتیبان باز هم اجازه­ی ورود منابع تولید پراکنده با ظرفیت بالا نسبت به حالتی که TDS رله­های اولیه بیشتر است داده نمی­شود. به طور مثال زمانی که چیدمان TDSها برابر (0.3-0.05-0.05) است به نسبت حالتی که (0.3-0.1-0.1) است، علارقم اختلاف زمانی زیاد بین رله­ی پشتیبان و اولیه، باز هم در حالت اول توان نامی منابع تولید پراکنده کمتر است. بنابراین هرچه رله­های اولیه دارای سرعت بالاتری باشند با ورود منابع تولید پراکنده احتمال به خطر افتادن هماهنگی حفاظتی افزایش می­یابد. علت اصلی این پدیده برای حالتی است که خطا در غیر از فیدر متصل به منابع تولید پراکنده رخ می دهد و حالتی است که در اصطلاح هردو رله­های اولیه همزمان عمل می­کنند و رله­ی متصل به منابع تولید پراکنده نقش رله­ی پشتیبان را دارد.

جدول ۶ این موضوع را بیشتر روشن می­سازد. در این جدول که برای CTI ۲۵۰ میلی ثانیه رسم شده است، فرض شده است که رله­ی پشتیبان OC1 دارای زمان عملکرد بسیار زیادی است. بنابراین در این حالت TDS بین رله­های اولیه و پشتیبان بسیار زیاد می­شود. با این وجود میزان ظرفیت منابع تولید پراکنده­ی ورودی به شبکه در حالیکه رله­های اولیه بسیار سریع هستند، کم است و با افزایش زمان عملکرد رله­ها ظرفیت منابع تولید پراکنده نیز افزایش پیدا میکند. شکل 8 هم نمایی سه بعدی از TDS، ظرفیت منابع تولید پراکنده و میزان تلفات شبکه را نشان می­دهد که مشخص می­کند با افزایشTDS ، اجازه­ی ورود منابع تولید پراکنده با ظرفیت زیاد و در نتیجه کاهش تلفات داده می­شود.

جدول (6): نتایج شبیه­سازی با فرض افزایش زمان عملکرد رله پشتیبان OC1

TDS

DG

توان تلفاتی (kW)

OC1

OC2

OC3

ظرفیت (MVA)

باسبار

∞

0.01

0.01

1.73

9

14.2642

∞

0.02

0.02

2.14

9

12.0177

∞

0.03

0.03

2.61

8

9.9538

∞

0.04

0.04

3.10

7

8.2653

∞

0.05

0.05

3.67

7

6.8403

∞

0.06

0.06

4.27

7

6.1495

∞

0.07

0.07

4.46

7

6.1352

∞

0.08

0.08

4.46

7

6.1352

∞

0.09

0.09

4.46

7

6.1352

∞

0.10

0.10

4.46

7

6.1352

 

علت اصلی وقوع چنین پدیده ای مربوط به بحث بخش 2 و قسمت 2-2 می­باشد که در واقع همان موضوع تغذیه معکوس منابع تولید پراکنده در هنگام ایجاد خطا در فیدری غیر از فیدر متصل به منابع تولید پراکنده، بود. در واقع در چنین حالتی رله­های اولیه OC2 و OC3 که پیش از ورود منابع تولید پراکنده به صورت مستقل از هم عمل می‌کردند و با رله­ی پشتیبان OC1 تنظیم زمانی شده بودند، حال با ورود منابع تولید پراکنده به عنوان رله­ی پشتیبان یکدیگر باید عمل کند. در شکل ۲ نشان داده شده است که اگر خطایی در فیدر B رخ دهد رله­ی A به عنوان رله­ی پشتیبان عمل می‌کند و باید با فاصله زمانی حداقل برابر CTI بعد از رله­ی B )در صورتی که به هر دلیلی این رله عمل نکند) عمل کند. این موضوع فقط به هنگام ورود منابع تولید پراکنده باعث ایجاد مشکلاتی می‌شود، و همانطور که مشخص است این مشکلات در صورتی که رله­های ما سریع باشند بیشتر خود را نشان می­­دهند.

 

img0 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل (8): نمایی سه بعدی از TDS، ظرفیت منابع تولید پراکنده و میزان تلفات شبکه

 

6- نتیجه­گیری

در این مقاله به بررسی شرایط ورود منابع تولید پراکنده به یک شبکه­ی نمونه با در نظرگرفتن رله­های اضافه جریان و همچنین بدون ایجاد تغییر در تنظیمات اولیه رله­ها پرداخته شده­است. با توجه به حفاظت شبکه­های شعاعی، به وسیله­ی نرم افزار دیگسایلنت اقدام به هماهنگ­سازی رله­های اضافه جریان شده است. سپس با استفاده از تحلیل محل خطا و امپدانس خطا با ورود منابع تولید پراکنده به شبکه، خطای اتصال کوتاه سه­فاز در فواصل ۱۰۰ متری از مکان منابع تولید پراکنده ایجاد می­شود و با توجه به شرایط برقراری هماهنگی حفاظتی رله­ها، ظرفیت و مکان منابع تولید پراکنده مورد نظر به دست می­آید. پروسه­ی بهینه­سازی به منظور عدم تریپ نابجای رله‌ها در حضور منابع تولید پراکنده با استفاده از الگوریتم ژنتیک اجرا شده است. روش پیشنهادی به ارزیابی شرایط اولیه رله­ها و تنظیم اولیه­ی آن­ها می­پردازند و نشان می­دهد که با ورود منابع تولید پراکنده به شبکه با توجه به تنظیم رله­های اولیه و پشتیبان منابع تولید پراکنده می‌تواند تاثیر به سزایی در عملکرد مناسب رله­ها داشته باشد. یکی از اثرات مهم، تغذیه معکوس خطا توسط منابع تولید پراکنده است که موجب می­شود رله­هایی با تنظیم حساس دچار مشکل بیشتر نسبت به رله­هایی با تنظیم زمان عملکرد بالاتر شوند. بنابراین در شبکه­هایی با رله­های حساس میزان ظرفیت منابع تولید پراکنده مورد استفاده کاهش میابد و در نتیجه میزان کاهش تلفات شبکه که یکی از اهداف مسئله است در اثر ورود منابع تولید پراکنده در این شرایط کاهش میابد. روش پیشنهادی می­تواند نشان دهنده ترکیبی از ورود منابع تولید پراکنده به شبکه باشد، بدون اینکه با مشکل تعویض رله­های شبکه که از نظر اقتصادی نیز به صرفه نیستند، برخورد داشته باشیم.

 

مراجع

 

[1]        M. H. Moradi, M. Abedini, and S. M. Hosseinian, "A combination of evolutionary algorithm and game theory for optimal location and operation of DG from DG owner standpoints," IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 7, no. 2, pp. 608-616, 2015. doi: 10.1109/TSG.2015.2422995

[2]        M. Uzair, L. Li, M. Eskandari, J. Hossain, and J. G. Zhu, "Challenges, advances and future trends in AC microgrid protection: With a focus on intelligent learning methods," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 178, p. 113228, 2023. doi: 10.1109/TSG.2014.2357813

[3]        H. H. Zeineldin, H. M. Sharaf, D. K. Ibrahim, and E. E.-D. Abou El-Zahab, "Optimal protection coordination for meshed distribution systems with DG using dual setting directional over-current relays," IEEE transactions on smart grid, vol. 6, no. 1, pp. 115-123, 2014. doi: 10.1109/TSG.2014.2357813

[4]        H. Zhan et al., "Relay protection coordination integrated optimal placement and sizing of distributed generation sources in distribution networks," IEEE Transactions on Smart grid, vol. 7, no. 1, pp. 55-65, 2015. doi: 10.1109/TSG.2015.2420667

[5]        C. Reiz and J. B. Leite, "Optimal coordination of protection devices in distribution networks with distributed energy resources and microgrids," IEEE Access, vol. 10, pp. 99584-99594, 2022. doi: 10.1109/ACCESS.2022.3203713

[6]        P. Thararak and P. Jirapong, "Implementation of optimal protection coordination for microgrids with distributed generations using quaternary protection scheme," Journal of Electrical and Computer Engineering, vol. 2020, no. 1, p. 2568652, 2020. doi: 10.1155/2020/2568652

[7]        T. E. Sati and M. A. Azzouz, "Optimal protection coordination for inverter dominated islanded microgrids considering N-1 contingency," IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 37, no. 3, pp. 2256-2267, 2021. doi: 10.1109/TPWRD.2021.3108760

[8]        F. Alasali et al., "The recent development of protection coordination schemes based on inverse of AC microgrid: A review," IET Generation, Transmission & Distribution, vol. 18, no. 1, pp. 1-23, 2024. doi: 10.1049/gtd2.13074

[9]        A. Kurmaiah and C. Vaithilingam, "Design of adaptive protection coordination scheme using SVM for an AC microgrid," Energy Reports, vol. 11, pp. 4688-4712, 2024. doi:10.1016/j.egyr.2024.04.021

[10]        O. Merabet, A. Kheldoun, M. Bouchahdane, A. Eltom, and A. Kheldoun, "An adaptive protection coordination for microgrids utilizing an improved optimization technique for user-defined DOCRs characteristics with different groups of settings considering N-1 contingency," Expert Systems with Applications, vol. 248, p. 123449, 2024. doi:10.1016/j.eswa.2024.123449

[11]        H. Fayazi, M. Moazzami, B. Fani, and G. Shahgholian, "Coordination of protection equipment in synchronous generator-based microgrids with regard to maintaining first swing stability," Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 14, no. 53, pp. 1-14, 2023. doi: 20.1001.1.23223871.1402.14.54.2.8

[12]        P. Kumar and A. S. Rana, "Review of optimization techniques for relay coordination in consideration with adaptive schemes of Microgrid," Electric Power Systems Research, vol. 230, p. 110240, 2024. doi: 10.1016/j.epsr.2024.110240

[13]        A. K. Soni, A. Mohapatra, and S. N. Singh, "Protection Coordination in AC Microgrid via Novel Voltage-Supervised Directional Over-Current Relays," IEEE Transactions on Power Delivery, 2024. doi: 10.1109/TPWRD.2024.3368624

[14]        I. N. Trivedi, S. V. Purani, and P. K. Jangir, "Optimized over-current relay coordination using Flower Pollination Algorithm," in 2015 IEEE International Advance Computing Conference (IACC), 2015, pp. 72-77: IEEE. doi: 10.1109/IADCC.2015.7154671

[15]        J. Duan, K. Zhang, and L. Cheng, "A novel method of fault location for single-phase microgrids," IEEE Transactions on smart grid, vol. 7, no. 2, pp. 915-925, 2015. doi: 10.1109/TSG.2015.2480065 

[16]        P. Li, D. Xu, Z. Zhou, W.-J. Lee, and B. Zhao, "Stochastic optimal operation of microgrid based on chaotic binary particle swarm optimization," IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 7, no. 1, pp. 66-73, 2015. doi: 10.1109/TSG.2015.2431072

 

 

زیرنویس‏ها

img0فناوری‏های نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز، سال پنجم، شماره ۱، بهار ۱۴۰۵                                            17

[1]  Protection 

[2]  Overcurrent Relay

[3]  Distributed Generation

[4]  Micro Grid

[5]  Optimization

[6]  Directional over-current relays

[7]  Time Dial Setting

[8]  Digsilent 

[9]  Coordination Time Interval 

[10]  Genetic Algorithm


Sanad

Sanad is a platform for managing Azad University publications

Links

Related Centers

Technical Support

Official pages

The rights to this website are owned by the Raimag Press Management System.
Copyright © 2021-2025

Home| Login| About Us| Contact Us|
[فارسی] [العربية] [fa] [ar]