شبیه¬سازی و مدلسازی هماهنگی حفاظتی بهینه رله¬های اضافه جریان به منظور ورود منابع تولید پراکنده در سیستمهای توزیع
محورهای موضوعی : مهندسی برق قدرت
حمیدرضا سزاوار
1
,
سعید حسن زاده
2
1 - دانشکده مهندسي برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی قم، قم، ايران
2 - دانشکده مهندسي برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی قم، قم، ايران
کلید واژه: تشخیص خطا, تولید پراکنده, رله اضافه جریان, مدلسازی الگوریتم,
چکیده مقاله :
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.
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.
[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
حمیدرضا سزاوار، سعید حسن زاده |
Technovations of Electrical Engineering in Green Energy System |
|
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
Revised: 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
| 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
تاریخ 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
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.
شکل (1): تغذیه مستقیم منبع تولید پراکنده و تاثیر آن روی عملکرد رله
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.
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.
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)
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.
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.
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.
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
فناوریهای 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
