تکنیک توسعه طرح خودکار حذف بار و جزیره‌ای کردن به منظور پیشگیری از خاموشی (سراسری) برق

چکیده

عبارات شاخص 

مقدمه

تکنیک ارائه شده

تعیین مقادیر آستانه

تشکیل جزیره

روند تعیین تنظیمات انواع مختلف رله‌ها

کاربرد تکنیک ارائه‌شده

 تعیین تنظیمات رله

 اعتبارسنجی طرح خودکار حذف بار

 نتیجه‌گیری

زیرنویس شکل‌ها:

شکل1. فرکانس نزولی بدست آمده از داده‌های ثبت شده داده‌نگار دیجیتالی خطا، در طی خاموشی سراسری در روز 14 دسامبر سال 2007. 

شکل2. فلوچارت نشان دهنده گام‌های مختلف تکنیک. 

شکل3. سیستم قدرت شعاعی بنگلادش.

شکل4. پاسخ‌های فرکانسی سیستم قدرت بنگلادش با حذف بار مبتنی بر تنها رله‌‌های حساس به فرکانس.

شکل5. عملکرد طرح ترکیبی رله‌های حساس به فرکانس و افت فرکانس بر روی سیستم قدرت بنگلادش. 

شکل6. عملکرد طرح حذف بار تحت سناریوهای مختلف. 

شکل7. عملکرد طرح حذف بار در بار 500 مگاوات و شرایط شبکه کاهش‌یافته.

شکل8. عملکرد رله‌های ترکیبی حساس به فرکانس و افت فرکانس در طرح جزیره‌ای کردن. 

شرایط غیرطبیعی در یک سیستم قدرت معمولا به تدریج باعث افت فرکانس سیستم شده و در نهایت منجر به خاموشی سراسری سیستم در یک شرایط وخیم خواهد شد. این مقاله تکنیکی برای توسعه طرح خودکار حذف بار و جزیره‌ای کردن ارائه می‌دهد تا از خاموشی پیشگیری کرده و سیستم را تحت شرایط غیرطبیعی پایدار نگه دارد. این تکنیک، توالی و شرایط کاربرد انواع طرح‌های حذف بار و راهبردهای جزیره‌ای کردن را ارائه می‌دهد. تکنیک نامبرده بر اساس شیوه‌های کنونی بین‌المللی توسعه یافته است. این تکنیک به سیستم قدرت بنگلادش (BPS) اعمال شده و یک حذف بار خودکار و طرح جزیره‌ای کردن توسعه می‌یابد. کارائی طرح توسعه یافته به کمک شبیه‌سازی شرایط غیرطبیعی مختلف در سیستم قدرت بنگلادش بررسی می‌شود.

اخیرا، به دلیل عیب در شبکه ملی بنگلادش، سه خاموشی سراسری در آن رخ داده است. دو مورد اول در یک روز اتفاق افتاد، صبح و عصر روز 15 نوامبر سال 2007، یعنی فردای روزی که طوفان سیدر اتفاق افتاده بود. خاموشی سوم نیز در 14 دسامبر سال 2007 به وقوع پیوست. داده‌نگار دیجیتالی خطا (DFDR) که در چهار محل مشخص شبکه نصب شده‌ بودند، فرکانس، جریان و ولتاژ چند سیکل قبل از وقوع خاموشی‌ها را ثبت کردند. داده‌نگار دیجیتالی خطا تنها وقتی شروع به ثبت داده‌ می‌کند که فرکانس سیستم از مقادیر آستانه‌های پایین و یا بالای از پیش تعیین‌شده عبور کرده باشد. فرکانس ثبت شده توسط داده‌نگار دیجیتالی خطا برای خاموشی مورد سوم در شکل1 نشان داده شده است. این سه خاموشی باعث قطع کلی سیستم به اندازه 110 گیگاوات ساعت شدند. خسارت کلی با در نظر گرفتن خسارت درآمدها و خسارات وارد شده به مصرف‌کنندگان در اثر این قطعی حدود 9/15 میلیون دلار برآورد شده است. بازگردانی کامل سیستم به صورت یکجا امکانپذیر نبود؛ و لذا سیستم به صورت بخش به بخش وارد مدار شده و به حالت نرمال رسید. هیچدام از خسارات درآمدی یا هزینه‌های قطعی فوق شامل از هم پاشیدگی جزئی سیستم نمی‌شدند. حذف- ‌‌بار ضروری برای پیشگیری از تنزل فرکانس یک عمل مرسوم در سراسر جهان است. هدف از حذف بار این است که میزان تولید و بار (تقاضا) متعادل شود. از آنجا که در لحظه وقوع اغتشاش میزان اضافه بار معلوم نیست، بار بصورت تدریجی کاهش می‌یابد تا فرکانس پایدار شود. برای پیاده‌سازی طرح حذف بار تکنیک‌های مختلفی موجود است. سه دسته مهم از این طرح‌های حذف بار عبارتند از [1]: 1) سنتی؛ 2) نیمه تطبیقی؛ 3) تطبیقی. از بین این سه طرح، طرح سنتی بیشتر رایج است [2]، چون ساده بوده و نیازمند رله‌های پیشرفته نیست. طرح سنتی به محض اینکه فرکانس سیستم از یک آستانه مشخص کمتر شد، مقدار مشخصی از بار را حذف می‌کند. اگر این جداسازی (حذف) بار کافی بادش، فرکانس پایدار شده و یا به عبارتی افزایش می‌یابد. اگر این حذف بار کافی نباشد، تنزل فرکانس در یک نرخ کمتری ادامه می‌یابد. وقتی فرکانس تنزل‌کننده به آستانه دوم برسد، بلوک دوم بار هم جدا می‌شود. این فرایند تا زمانی ادامه می‌یابد که اضافه‌بار کاملا رفع شده باشد و یا همه رله‌های حساس به فرکانس (FS) عمل کرده باشند [3]. مقادیر آستانه و مقدار نسبی باری که باید حذف شود به صورت آفلاین (مترجم: خارج از خط) و بر اساس تجربه و شبیه‌سازی تعیین می‌شوند. طرح حذف بار سنتی به علت نداشتن اطلاعاتی در رابطه با دامنه اغتشاش دارای محافظه‌کارترین تنطیمات است [4]. با اینکه این روش در پیشگیری از حذف بار غیرعمدی در مواجه با اغتشاشات کوچک که دارای زمان تاخیر نسبتا طولانی و آستانه فرکانس پایین‌تری هستند، موثر است، اما قادر نیست بین نوسانات طبیعی و اغتشاشات بزرگ سیستم قدرت تبعیض قائل شود. بنابراین، این روش مستعد حذف بار کم در اغتشاشات بزرگ است. طرح حذف بار نیمه تطبیقی [5] از نرخ کاهش فرکانس به عنوان معیاری از کمبود تولید بهره می‌برد. فعالسازی این طرح بستگی به نرخ تغییر فرکانس (ROCOF) به محض دستیابی فرکانس به یک آستانه مشخص، دارد. با توجه به مقدار نرخ تغییر فرکانس، مقدار بار مشخصی حذف می‌شود. یعنی، این طرح سرعتی را بررسی می‌کند که در آن فرکانس از مقدار آستانه تجاوز کرده باشد: هرچه سرعت بیشتر باشد، بار بیشتری حذف می‌شود. معمولا، معیار نرخ تغییر فرکانس در اولین آستانه فرکانس ارزیابی می‌شود، موارد بعدی ادامه عبور از آستانه‌ها به صورت سنتی هستند. در این طرح، آستانه‌های نرخ تغییر فرکانس و اندازه بلوک‌های بار که باید در آستانه‌های مختلف حذف شوند بر اساس شبیه‌سازی و تجربه و به صورت آفلاین تعیین می‌شوند. اما وقتی مقدار واقعی بلوک‌های باری که باید حذف شوند توسط رله دروپ (افت) فرکانس (FD) و بسته به نرخ تغییر فرکانس مشخص شد، این طرح با سیستم سازگار و منطبق می‌شود. برخی اوقات، به صورت زمان واقعی و از طریق تفکیک کنترل‌شده سیستم به تعدادی جزیره در کنار تریپ دادن تولید و/ یا حذف بار، می‌توان از خاموشی جلوگیری کرد [6], [7]. تفکیک سیستم به تعدادی جزیره می‌تواند چاره آخر [8] و یا اقدام اول باشد [9]. اساس جزیره کردن یکتا نبوده و بستگی به ساختار بهره‌برداری دارد. مقالات زیادی در رابطه با کاربرد تکنیک‌های مختلف حذف بار و روش‌های جزیره‌ای کردن برای پایداری و پیشگیری از خاموشی سراسری سیستم قدرت در نوشتجات [4,6,8-11] قابل دستیابی است، به خصوص در دو دهه اخیر. با این حال، با توجه به دانش نویسنده، پاسخ کلی برای مساله خاموشی یا ناپایداری یک سیستم قدرت که توصیف کننده توالی و شرایط اعمال حذف بار و روش‌های جزیره‌ای کردن باشد تاکنون در نوشتجات گزارش نشده است و هر تکنیک و یا روش، تنها پاسخی به یک شرایط خاص مربوط به پایداری سیستم قدرت ارائه می‌دهد. این مقاله تکنیکی وابسته به فرکانس را برای توسعه یک طرح خودکار حذف بار و جزیره‌ای کردن ارائه می‌دهد تا تحت شرایط غیرطبیعی سیستم را به حالت پایدار برگردانده و از خاموشی سراسری پیشگیری کند. این تکنیک، توالی و شرایط اعمال طرح‌های مختلف حذف بار و راهبردهای جزیره‌ای کردن را با هم ترکیب می‌کند. تکنیک نامبرده بر اساس شیوه‌های کنونی بین‌المللی توسعه یافته است که از دامنه و نرخ نزولی تغییر فرکانس در یک شرایط غیرطبیعی بهره می‌برد تا به صورت آفلاین تنظیمات رله را تعیین کند. در این کار برای پیاده‌سازی تکنیک تنها از رله‌های حساس به فرکانس (FS) و افت فرکانس (FD) استفاده می‌شود. این تکنیک به سیستم قدرت بنگلادش (BPS) اعمال می‌شود و طرح خودکار حذف بار و جزیره‌ای کردن توسعه می‌یابد. یعنی، تنظیمات رله‌ها به کمک تکنیک ارائه شده برای سیستم قدرت بنگلادش تعیین می‌شوند. طرح توسعه یافته به کمک شبیه‌سازی شرایط مختلف غیرطبیعی در سیستم قدرت بنگلادش اعتبارسنجی می‌شود. نتایج شبیه‌سازی در [12] ارائه شده است.