در این مقاله عملکرد رله دیستانس چهارضلعی عددی ارائه شده است. مشخصه رله دیستانس چهارضلعی عددی با اندازه‌گیری مقادیر لحظه‌ای ولتاژ و جریان بر اساس اصل نمونه برداری محقق می‌شود. برای این منظور از دستگاه جمع آوری داده استفاده می‌شود. ولتاژ و جریان سیستم به ترتیب از PT و CT به این دستگاه تغذیه می‌شود. این دستگاه از سیگنال‌های ورودی نمونه برداری کرده و به کامپیوتر تحویل می‌دهد. نرم افزار در ویژوال بیسیک برای برنامه‌ریزی این دستگاه و همچنین محاسبه مقاومت و راکتانس از مقادیر اندازه‌گیری شده ولتاژ و جریان استفاده می‌کند. مقادیر محاسبه شده با مجموعه‌ای از شرایط از پیش تعیین شده مقایسه می‌شوند. این شرایط با توجه به مشخصه رله دیستانس چهارضلعی تنظیم می‌شود. در نهایت، بسته به نتایج مقایسه شده، سیگنال تریپ توسط نرم افزار برای خاموش کردن مدارشکن تولید می‌شود.
سیستم برق نیاز به حفاظت در سطح تولید، انتقال و همچنین توزیع دارد. با پیشرفت تکنولوژی، رله های حفاظتی از الکترومکانیکی، به حالت جامد و رله‌های عددی پیشرفت کرده‌اند. رشد روزافزون سیستم‌های قدرت هم از نظر اندازه و هم از نظر پیچیدگی نیاز به رله‌های سریع و قابل اعتماد را برای محافظت از تجهیزات اصلی و حفظ پایداری سیستم ایجاد کرده است. با توسعه ریزپردازنده های اقتصادی، قدرتمند و پیچیده، علاقه فزاینده‌ای به توسعه رله‌های حفاظتی مبتنی بر ریزپردازنده (همچنین به عنوان عددی شناخته می شود) وجود دارد که به دلیل قابل برنامه‌ریزی بودن انعطاف پذیرتر هستند و نسبت به رله‌های الکترومغناطیسی و استاتیک معمولی برتری دارند. ویژگی‌های اصلی که طراحی و توسعه رله‌های حفاظتی مبتنی بر ریزپردازنده را تشویق کرده‌اند، صرفه‌جویی، فشرده‌بودن، قابلیت اطمینان، انعطاف‌پذیری و عملکرد بهبود یافته نسبت به رله‌های معمولی است.
در سطح انتقال، رله‌های دیستانس نسبت به رله‌های جریان ترجیح داده می‌شوند، زیرا آنها تقریباً به اندازه رله‌های جریان بیش از حد تحت تأثیر تغییرات در شدت جریان اتصال کوتاه نیستند، و بنابراین بسیار کمتر تحت تأثیر تغییرات ظرفیت تولید و پیکربندی سیستم قرار می‌گیرند. این به این دلیل است که رله‌های دیستانس بر اساس امپدانس به جای جریان، انتخاب‌پذیری را به دست می‌آورند.
رشد سریع سیستم های قدرت به دلیل افزایش تقاضا و همچنین اتصالات متقابل منجر به E.H.V شده است. خطوطی که در فواصل طولانی‌تر برای ارائه نیروی عمده استفاده می‌شوند. چنین خطوط طولانی و سنگینی نیاز به توجه بیشتر به مشکلات ناشی از تجاوز به مکان‌های حداکثر بار و نوسانات توان به مشخصه رله فاصله دارد. تلاش برای غلبه بر این مشکلات منجر به مشخصه چهارضلعی شده است که به خوبی با ویژگی خطای خط انتقال مطابقت دارد.
در تمام تحقیقات و تجزیه و تحلیل‌های انجام شده بر روی رله دیستانس چهارضلعی تا به امروز، برخی از خطاهای احتمالی وجود دارد که بیشتر در حین پردازش رخ می‌دهد، یعنی هنگام خواندن سیگنال‌های ولتاژ و جریان در کامپیوتر/ریزپردازنده از دنیای خارج. زیرا در بیشتر کارهای تحقیقاتی ذکر شده در بالا، محقق از سخت افزار مبتنی بر الکترونیک برای خواندن داده ها از PT و CT استفاده کرده است. اگر سیگنال ورودی حاوی مولفه گذرا یا هارمونیک باشد، چنین سخت افزاری خطا در مقدار محاسبه شده امپدانس ایجاد می‌کند.
در حفاظت خطوط انتقال، استفاده از رله‌های دیستانس در مقایسه با انواع دیگر حفاظت مانند رله فعال جریان (رله اضافه جریان) عملی‌ترین و مؤثرترین رله است. اگر از رله های اضافه جریان برای حفاظت انتقال استفاده شود. خط، عملکرد نادرست رخ می‌دهد. این به دلیل این واقعیت است که آنها اساساً فقط به یک کمیت محرک یعنی جریانی که بارها تحت تأثیر مقاومت قوس، امپدانس منبع، انواع خطاها و غیره قرار دارد، بستگی دارند. از سوی دیگر، رله دیستانس از همه این عوامل مراقبت می‌کند. عملکرد بهتری می‌دهد. به همین دلیل است که رله‌های دیستانس برای حفاظت خط انتقال نسبت به سایر انواع رله ترجیح داده می‌شوند. اما عملکرد این رله‌های دیستانس نیز تحت تأثیر عواملی مانند نوسان قدرت و مقاومت قوس است. این مشکل را می‌توان با طراحی رله‌ای که دارای حداقل مساحت در صفحه R-X باشد، به گونه‌ای که کمترین تأثیر را از نوسان برق داشته باشد و از مقاومت قوس نیز مراقبت کند، حل می شود.
در بین انواع رله‌های دیستانس موجود امروزه، رله با مشخصه چهارضلعی، رله‌ای است که کمترین مساحت را در صفحه R-X دارد و تحت تاثیر مقاومت قوس قرار نمی‌گیرد. از این رو، پروژه پیشنهادی با هدف اجرای رله فاصله چهارضلعی عددی است.
رله‌های عددی دارای مزایای جذابی نسبت به روش های مرسوم هستند مانند:
- به حداقل سخت افزار نیاز دارد، از این رو فشرده، مقرون به صرفه و قابل اعتماد است.
- مشخصه با زمان و دما تغییر نمی‌کند.
- قابل برنامه‌ریزی است.
- از نظر تغییرات در محل در مشخصه، انعطاف پذیری زیادی را ارائه می‌دهد.
مشخصه رله دیستانس چهارضلعی
رله دیستانس زمانی عمل می‌کند که امپدانس مشاهده شده توسط رله کمتر از مقدار تنظیم شده باشد، یعنی:
Zr < Zset
جایی که
Zr = امپدانس دیده شده توسط رله = R + jX
Zset = امپدانس خطی که باید محافظت شود.
R و X به ترتیب مقاومت و راکتانس اندازه گیری شده توسط رله هستند. مشخصه رله دیستانس چهارضلعی شامل چهار خط مستقیم است که در شکل زیر نشان داده شده است. ناحیه گشتاور مثبت ناحیه‌ای است که توسط هر چهار خط یعنی چهار ضلعی ABCD پوشیده شده است. اگر امپدانس مشاهده شده توسط رله در داخل منطقه عملیاتی باشد، رله قطع می‌شود.
هر یک از این خطوط را می‌توان با یک معادله توصیف کرد:
- LineAB:X=m1*R
- LineBC:X=constant
- LineCD:X=m2*R+C
- LineDA:X=0
در صورتی که m1 شیب خط AB است، m2 شیب خط CD و C ثابت است.
پردازش سیگنال ولتاژ و جریان
به منظور توسعه مشخصه رله دیستانس چهارضلعی با تکنیک عددی سیگنال ولتاژ و جریان به شکل دیجیتال مورد نیاز است. در این مقاله سیگنال‌های ولتاژ و جریان از طریق دستگاه جمع‌آوری داده USB4711/A همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است به سیستم وارد می‌شوند.
در اینجا هر دو سیگنال ولتاژ (V) و سیگنال جریان (I) به ترتیب از ترانسفورماتور پتانسیل (PT) و ترانسفورماتور جریان (CT) گرفته شده و به دستگاه USB4711/A تغذیه می‌شوند. به منظور کاهش سطح این سیگنال‌ها به سطح قابل قبول دستگاه USB4711/A به سخت افزار کوچکی که در شکل زیر نشان داده شده است نیاز است. در این سخت افزار سیگنال‌های ولتاژ و جریان به صورت زیر پردازش می‌شوند:
سیگنال ولتاژ
از آنجایی که محدوده ولتاژ ورودی این دستگاه 10+/- ولت است، پس از گرفتن ولتاژ در ترمینال خروجی ترانسفورماتور پتانسیل در سطح 110 ولت، مجدداً با استفاده از ترانسفورماتور پتانسیل دیگر تا سطح 5 ولت پایین آورده می‌شود تا تراز انجام شود.
سیگنال جریان
به طور معمول، رتبه ثانویه ترانسفورماتور جریان 1 A یا 5 A است. در پروژه پیشنهادی از CT با درجه ثانویه 1 آمپر استفاده خواهد شد. از آنجایی که USB 4711/A می‌تواند فقط سیگنال ولتاژ را بخواند، یک مقاومت کوچک (1 اهم) در ثانویه ترانسفورماتور جریان وصل می‌شود و ولتاژ در این مقاومت به کانال ورودی آنالوگ USB 4711/A تغذیه می‌شود.
برای خواندن/اسکن هر دو این سیگنال‌های ورودی از کانال ورودی USB4711/A یک نرم افزار توسعه داده شده است. این نرم افزار به طور مداوم هر دو کانال را اسکن می‌کند و آنها را برای تخمین مقادیر مقاومت و راکتانس پردازش می‌کند. تمامی این کارها توسط نرم افزار هماهنگ با زمان انجام می‌شود.
بدون دیدگاه