یک طرح مسدود کننده برای تقویت امنیت رله فاصله ای تحت شرایط فشار سیستم

عملیات نادرست منطقه 3 رله های فاصله ای یکی از دلایل اصلی اختلالات گسترده و قطعی های برق در سیستم های برق در سرتاسر دنیا بوده است. تحت برخی شرایط بدون خطا، امپدانس اندازه گیری شده می تواند وارد منطقه 3 شود و باعث قطعی کاذب خطوط انتقال شود. این قضیه می تواند در شرایط سیستم تحت فشار از قبیل نوسان برق ، بارگذاری بیش از حد و افت ولتاژ رخ دهد. از این جهت، نیازی مبرم به بهبود امنیت منطقه 3 وجود دارد. این مقاله معرفی سطح تصمیم دو بعدی، تکنیک جدیدی را مبنی بر اجزای تحمیل شده مقدار ولتاژ برای ایجاد تمایز بین شرایط بدون خطا از رویدادهای خطادار ارائه می کند. به این جهت، نه تنها سرعت تغییر مقدار ولتاژ بلکه الگوی تغییر آن نیز در منطق تصمیم گنجانده می شود. این روش پیشنهادی، قادر به فراهم سازی حساسیت و امنیت در تشخیص موارد بدون خطا می باشد و مانع از قطع ناخواسته رله در چنین شرایطی می گردد. سیستم تست 39 باس New-England برای نشان دادن اثرگذاری این روش استفاده می گردد. یافته های به دست آمده نشان می دهند که این روش پیشنهادی قادر به ایجاد تمایز با اطمینان بین شرایط تحت فشار و رویدادهای خطادار برای توزیعات سیستم برق متفاوت می باشد و به طور قابل توجهی امنیت رله فاصله ای را بهبود می بخشد.

طرح های محافظت فاصله ای (از راه دور) به طور مرسوم به گونه ای طراحی شده اند تا پشتیبانی از راه دور را برای تمام خطوط انتقال (TL ها) متصل به پایانه ی دور به منظور تقویت قابلیت اطمینان سیستم محافظت شبکه برق فراهم سازند. به این منظور، پوشش دادن طولانی ترین خط بعدی در ایستگاه فرعی بعدی توسط رله های فاصله ای مطلوب می باشد. مطابقاً، دسترسی منطقه 3 به رله فاصله ای می تواند به حد بار TL بسط یافته و نزدیک گردد. در چنین مواردی، احتمال آن وجود دارد که امپدانس مشاهده شده توسط رله وارد مشخصه های عملیاتی اش تحت شرایط سیستمی تحت فشار می شود؛ برای مثال نوسان برق، شرایط بارگذاری بیش از حد، و افت فشار. این قضیه می تواند منجر به عملیات نامطلوب رله فاصله ای شود و ممکن است منجر به قطع های پشت سرهم در سیستم برق گردد [1-4]. یکی از دلایل اصلی عملیات نادرست رله های فاصله ای، تداخل بار است [5]. تحت شرایط نرمال، به دلیل تداخل بار از عملیات نادرست رله فاصله ای با کاهش دسترسی منطقه 3 جلوگیری می شود [6]. اما رله های فاصله ای عددی، اکثرا یک مولفه تداخل بار را فراهم می کنند که طبق آن قطع رله مسدود می گردد، اگر در ضمن آن ولتاژ دنباله مثبت نزدیک به ولتاژ اسمی باشد، امپدانس اندازه گیری شده در منطقه بار از پیش تعیین شده واقع می گردد. به این صورت، مشخصه قطع رله با مستثنی کردن منطقه بار متناظر با ماکسیمم بار با بالاترین ضریب توان در سطح امپدانس اصلاح می گردد [7-10]. با اینحال تحت شرایط عملیاتی شدید سیستم برق، امپدانس بار می تواند وارد منطقه قطع رله شده و آن را فعال کند، زیرا چنین شرایطی به طور متداول و رایج در محاسبات راه اندازی پیش بینی نمی شوند. در [11]، یک منطقه تداخل تطبیقی مبنی بر تحلیل امنیت وضعیت پایدار پیشنهاد می گردد. عملکرد کامل و مناسب این تکنیک به سیستم ارتباطی وابسته است زیرا برای گرفتن تصمیم مناسب نیازمند سیگنال هایی از پایانه دور می باشد. تداخل دینامیکی امپدانس اندازه گیری شده در مشخصه های عملیات رله به دلیل نوسانات برق بعد از یک اختلال نیز می تواند باعث قطع ناخواسته توسط رله های فاصله ای شود. معیار مرسوم مورد استفاده برای شناسایی شرایط نوسان برق مبنی بر سرعت تغییر امپدانس ظاهری مشاهده شده توسط رله می باشد [12-14]. اکثر رله های صنعتی در برخی جاها از این معیار برای ایجاد تمایز بین خطا و نوسان برق استفاده می کنند. در رله فاصله ای GE D60، اگر کانون امپدانس بیش از یک زمان معینی را بین مشخصه های بیرونی و درونی تابع مسدود کننده نوسان برق (PSB) بگذراند، شرایط نوسان برق شناسایی می شود [8]. رله ABB REL670 تقریباً از همین رویکرد استفاده می کند اما چون نوسانات اولیه معمولا به اندازه نوسانات آخر سریع نیستند، از زمان متفاوتی برای نوسانات متوالی استفاده می کند [9]. در رله SIEMENS 7SA612، بردار امپدانس محاسبه شده در بازه های چرخه ای ¼ کنترل شده است. اگر تغییر از یک نمونه به نمونه بعدی از مقدار از پیش تعیین شده کوچکتر باشد، و همچنین از یکی از دو جزء مقاومت و رئاکتانس بردار امپدانس (R,X) که جهت خود را در یک پنجره ی اندازه گیری تغییر داده بزرگتر نباشد، نوسان برق تشخیص داده می شود [10]. با اینحال، یافتن موقعیت های مناسب برای این الگوریتم ها نیازمند مطالعات پایداری دقیق برای تمام سناریوهای نوسان برق ممکن در سیستم می باشد که کار ساده ای در یک سیستم برق بزرگ نیست [15]. در [16] نشان داده شده است که مقاومت مشاهده شده توسط رله طی شرایط نوسان برق مصرانه در حال تغییر است درحالیکه طی رویدادهای خطا تقریبا ثابت می باشد. با اینحال، تشخیص نوسانات برق مبنی بر این ویژگی برای تصمیم گیری درست و مناسب نیازمند زمان زیادی می باشد [17]. جعفری و همکاران [18] طرحی را مستقل از سرعت تغییر پارامترهای سیستم برق گزارش کردند که مبنی بر کانون مرکز مسیر پذیرش می باشد. علارغم آن، این طرح برای خطاهای منطقه 3 که در آن مرکز مسیر پذیرش می تواند فراتر از مشخصه پذیرش خط انتقال باشد تائید نمی شود. با استفاده از مورفولوژی ریاضی (MM) ، یک روش تشخیص نوسان برق در [19] پیشنهاد می گردد که نوسانات را با تحلیل شکل های موجی جریان شناسایی می کند و خطاها را با تحلیل شکل های موجی ولتاژ تشخیص می دهد. اما پروسه ی طراحی و انتخاب مولفه ساختارسازی در موروفولوژی ریاضی برای کاربرد در سیستم برق واقعی خیلی پیچیده است. در [20]، الگوریتمی مبنی بر ماشین بردار پشتیبانی (SVM) برای ایجاد تمایز بین خطا و نوسان برق پیشنهاد می شود. سه نمونه جریان فاز برای مدت نیمه چرخه نوسان برق/ بعد از خطا، به عنوان ورودی برای SVM داده می شوند. با اینحال، دسته بندی کننده SVM نیازمند آموزش آفلاین با استفاده از مجموعه داده بزرگ می باشد تا بتواند الگوهای مشابه را تحت شرایط متفاوت شناسایی کند. یک طرح رله تفاضلی هوشمند مبنی بر داده کاوی با استفاده از اندازه گیری های هر دو پایانه در [21] ارائه می شود تا کنترل نظارتی را برای عملیات رله های فاصله ای ارائه کند. این طرح قادر است شرایط نوسان برق را در یک زمان قابل قبول شناسایی کند، اما اینکار یک تکنیک محلی نمی باشد. در [15] روشی مبنی بر سرعت نسبی یک ماشین معادل ساختگی که نشانگر کل سیستم توسط معادل باس نامتناهی تک ماشین (SMIB) آن از مکان رله می باشد برای ایجاد تمایز بین نوسانات برق پایدار از نوسانات برق غیرپایدار پیشنهاد شده است. اگر سرعت نسبی از یک تقاطع رد شود، نوسان به عنوان نوسان برق پایدار دسته بندی می شود، در غیراینصورت به عنوان نوسان ناپایدار دسته بندی می شود. اما این روش برای تصمیم گیری نیازمند زمان طولانی می باشد، همچنین رله فاصله ای را طی نوسانات برق ناپایدار مسدود نمی کند. ناپایداری ولتاژ به عنوان یکی از دلایل اصلی برای اکثر قطعی های برق سیستم های برق جدید در سرتاسر دنیا شناسایی شده است. تحت شرایط ولتاژ تحت فشار، مقدار ولتاژ در اکثر باس ها کاهش میابد و در نتیجه امپدانس مشاهده شده توسط رله کاهش میابد. در نتیجه امپدانس اندازه گیری شده می تواند وارد منطقه 3 رله های فاصله ای شود و باعث قطع نامطلوب و ناخواسته خط انتقال گردد. در [22] یک الگوریتم تطبیقی مبنی بر سرعت تغییر مقدار ولتاژ برای ایجاد تمایز بین ناپایداری ولتاژ و رویدادهای خطا و جلوگیری از عملیات نادرست منطقه 3 پیشنهاد می گردد. در [23] استفاده از سرعت تغییر مقدار جریانات نیز پیشنهاد می شود، تا الگوریتم را مطمئن تر کند. اما این قضیه باعث می شود الگوریتم طی سوئیچ بارهای بزرگ که در آن جریان ناگهان افزایش میابد، بیشتر مستعد عملیات نادرست شود. همچنین نمی تواند شرایط نوسان برق را تشخیص دهد و یک الگوریتم دیگر برای مسدودکردن نوسان برق نیاز است. در [24] یک شاخص پایداری ولتاژ برای شناسایی شرایط ولتاژ تحت فشار و مسدود کردن عملیات رله پیشنهاد می گردد. Nikoladis [25] پیشنهاد کرد که اگر برخی از شرایط از پیش تعیین شده برآورده شدند، مشخصه ی منطقه 3 را اصلاح کند که حاکی از آن است یکی موقعیت شدید سیستمی در حال تحول و تکامل است. این روش شرایط تحت فشار ولتاژ را مبنی بر سرعت تغییر امپدانس ظاهری طی گذار بین دو منطقه نظارتی شناسایی می کند. اما یافتن تنظیمات مناسب برای مناطق نظارتی تمام رله های فاصله ای در یک سیستم برق عظیم، نیازمند مطالعات دینامیکی دقیق می باشد و به شدت ملال آور است. در [26]، روشی مبنی بر سیستم اندازه گیری مساحت گسترده (WAMS) پیشنهاد شده است که در آن رله های حیاتی که مستعد کنترل مساحت گسترده هستند، با استفاده از تخمین وضعیت شناسایی می شوند و سپس کنترل مساحت گسترده برای مسدود کردن این رله ها استفاده می گردد. در [27]، یک محافظت پشتیبان منطقه گسترده مبنی بر همگام ساز فازوری ارائه می شود که خطاها را با مقایسه ی ولتاژ محاسبه شده ی هر باس از بیش از یک مسیر شناسایی می کند. در [28]، یک روش مبنی بر منطق فازی که شاخص های مختلف از قبیل زاویه، فرکانس، ولتاژ و اطلاعات دمپینگ به دست آمده از داده WAMS را ترکیب می کند برای جلوگیری از عملیات نادرست رله طی شرایط نوسان برق استفاده می گردد. طرح هوشمندانه پیشنهاد شده در [29] به نام ماشین یادگیری بی نهایت متوالی آنلاین (OSELM) ، منطقه 3 را در زمان ناپایداری ولتاژ و همچنین شرایط نوسان برق مسدود می کند. این روش برای اینکه بهتر کار کند نیازمند داده از PMU های مختلف نصب شده در شبکه انتقال می باشد. اگرچه رویکردهای مبنی بر WAMS می توانند به دستیابی به محافظت پشتیبان امن کمک کنند، اما عملکرد قابل اطمینان آنها به شدت به قابلیت اطمینان سیستم ارتباطی وابسته است. بنابراین اگر اتصال برخی از واحد های اندازه گیری از مرکز کنترل قطع شود، آنها با وابستگی به قرارگیری واحدهای اندازه گیری، ممکن است نتوانند صحیح عمل کنند. این مقاله یک تکنیک قدرتمند و ساده جدیدی را برای تقویت امنیت رله فاصله ای منطقه 3 با استفاده از اندازه گیری های محلی معرفی می کند. به منظور ایجاد تمایز بین رویدادهای خطا از شرایط سیستم تحت فشار، یک سطح تصمیم دو بعدی پیشنهاد می شود که از مقادیر ولتاژ های زیاد تحمیل شده پیشنهاد می شود. رخداد خطا مبنی بر مسیر نمونه های شاخص های تعریف شده در این مرحله شناسایی می شود. به این صورت، تغییر در ولتاژ طی چرخه های بعدی به طور همزمان مشاهده می شود. مطابقاً، نه تنها سرعت تغییر مقدار ولتاژ بلکه الگوی تغییر آن نیز در منطق تصمیم گیری ادغام می شود، که به ارائه ی قابلیت اطمینان و حساسیت بالاتر در تمایز رویدادهای خطا کمک می کند. این تکنیک پیشنهادی با استفاده از سیستم تست 39 باس New-England برای رویدادهای مختلف سیستم برق ارزیابی می شود. یافته های امیدوار کننده به دست آمده نشان می دهند که این تکنیک پیشنهادی به خوبی قادر به ایجاد تمایز بین شرایط خطادار و بدون خطا می باشد و می تواند امنیت عملیات منطقه 3 رله فاصله ای را طی شرایط سیستم تحت فشار تقویت کند.