تشخیص نوسان توان پایدار از ناپایدار [بخش دوم]

در مقاله قبلی در مورد علل و ویژگی‌های نوسانات قدرت و نوسان توان در شبکه برق صحبت کردیم و در این مقاله عملکرد حفاظتی هر کدام از عناصر قدرت و پاسخ طرح‌های حفاظتی خاص را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

عملکرد حفاظتی

در این بخش، پاسخ طرح‌های حفاظتی خاص از جمله ملاحظات الگوریتم‌های خاص مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

حفاظت ولتاژ

نوسانات قدرت باعث نوسانات در اندازه ولتاژ در طول مسیر بین ژنراتورهای شرکت کننده می‌شود. هنگامی که یک نوسان برق ناپایدار رخ می‌دهد، مکانی در مرکز نوسان برق وجود دارد که در آن کاهش شدید ولتاژ رخ می‌دهد. در این مکان شکل موج ولتاژ چیزی شبیه به آنچه در شکل زیر نشان داده شده است ظاهر می‌شود. در مکان های دورتر از مرکز، افت ولتاژ کمتر شدید است.

ولتاژ تمایلی به بالا رفتن از سطح قبل از رویداد در طول نوسانات برق ندارد، مگر اینکه رویداد دیگری مانند قطع شدن یک بار بزرگ به دلیل کاهش بار زیر فرکانس، خاموش شدن بانک راکتور یا ژنراتور در نزدیکی ضریب توان پیشرو وجود داشته باشد. بنابراین خطاها، حفاظت بیش از حد ولتاژ به طور کلی نباید به دلیل نوسان توان از بین برود، بلکه ممکن است به دلیل رویدادهای مرتبط رخ دهد.

حفاظت در برابر ولتاژ معمولاً با تأخیرهای زمانی طولانی – از مرتبه ثانیه – به منظور جلوگیری از خاموش شدن نامطلوب در طول اتصال کوتاه و سایر پدیده‌های گذرا مانند ترانسفورماتور در جریان راش پیکربندی می‌شود. بنابراین، در بسیاری از موارد حفاظت ولتاژ تنها زمانی در معرض خطر خاموش شدن برای نوسانات بسیار آهسته قدرت قرار می‌گیرد که ولتاژ برای بخشی از هر نوسان پایین بماند. با این حال، این دقیقا همان چیزی است که زمانی اتفاق می‌افتد که اتصالات بزرگتر شروع به از دست دادن همزمانی می‌کنند. معمولاً به تنظیمات ولتاژ کمتر از 80 تا 90 درصد اسمی اشاره می‌شود.

یکی از نمونه‌های نوسانات کند قدرت، اختلال اروپایی در سال 2006 است، زمانی که اختلاف فرکانس بین مناطق در محدوده 0.3-0.5 هرتز بود. در چنین مواردی، نوسان برق ممکن است یک دوره در محدوده 2 تا 3 ثانیه داشته باشد، که بسیار بیشتر از زمان رفع خطای پشتیبان معمولی یک رله انتقال است، بنابراین در برخی موارد ممکن است برای توجیه ولتاژ پایین استفاده شود. تاخیر خطا در این بازه زمانی این بدان معنا نیست که حفاظت در برابر ولتاژ با تأخیر زمانی 3 ثانیه قطعاً در معرض خطر است، بلکه فقط باید به عنوان یک خطر بالقوه شناخته شود و به عنوان بخشی از مطالعات پایداری ارزیابی شود و هنگام ایجاد تنظیمات حفاظتی مورد توجه قرار گیرد.

حفاظت از فرکانس

حفاظت فرکانس برای قطع بار برای شرایط افت فرکانس یا اضافه فرکانس پایدار استفاده می‌شود.

فرکانس معمولاً با استفاده از ولتاژهای فاز به فاز، ولتاژ فاز به زمین یا ولتاژ توالی مثبت به عنوان منبع محاسبه می‌شود. فرکانس به خودی خود معیاری از نرخ تغییر زاویه فاز با فرکانس 50 هرتز است که نشان دهنده یک سینوسی ولتاژ است که در هر ثانیه پنجاه تغییر فاز 360 درجه را پشت سر گذاشته است. بنابراین، یک کمیت مشتق شده است و به نویز و نوسانات در زاویه فاز ولتاژ حساس است. به همین دلیل، برخی از رله‌های حفاظت فرکانس از الگوریتم‌های ورودی استفاده می‌کنند که از بیش از یک سیکل نمونه برای محاسبه فرکانس استفاده می‌کنند.

این موضوع به ویژه در آگوست 2016 برجسته شد، زمانی که دوازده خط 500 کیلوولت در کالیفرنیا به دلیل شعله های آتش و دود ناشی از آتش سوزی جنگل قطع شد. افت ولتاژ مرتبط منجر به از دست رفتن ناگهانی تقریباً 1.2 گیگاوات برق از منابع PV خورشیدی شد. در حالی که هیچ نوسان توان ناپایداری وجود نداشت، حدود 700 مگاوات از اینورترهای PV خورشیدی به دلیل الگوریتم‌های محاسبه فرکانس نادرست که به اشتباه فرکانس ناشی از آن را زیر 57.0 هرتز محاسبه کردند، زمانی که فرکانس نادر در واقع 59.85 هرتز بود، خاموش شد.

حفاظت فرکانس اغلب با منطق برای مسدود کردن عملکرد در صورت کاهش ولتاژ همراه است. بنابراین، اگر مقدار ولتاژ کمتر از مقدار تعریف شده توسط کاربر باشد، حفاظت فرکانس به طور خودکار مسدود می‌شود. این امر امنیت حفاظت فرکانس را در هنگام خطاها و سایر اختلالات گذرا محلی افزایش می‌دهد، اما می‌تواند از عملکرد در حین کاهش ولتاژ در نزدیکی مرکز نوسان جلوگیری کند یا آن را به تاخیر بیاندازد. برای نوسانات برق بین بخش‌های شبکه‌های بزرگ، رله‌های حساس ممکن است بخش کوچکی از سیستم کلی باشند و بنابراین تفاوتی در مادی ایجاد نکنند. با این حال، برای موارد دیگر، ممکن است در جلوگیری از گسترش اختلال حیاتی باشند.

حفاظت دیستانس

رله‌های حفاظت از راه دور نقش کلیدی در بسیاری از خاموشی‌های اخیر داشته‌اند. در نتیجه تاثیر نوسانات قدرت بر روی الگوریتم اصلی حفاظت از راه دور به طور طولانی در تعدادی از گزارش ها مورد بحث قرار گرفته است.

در طول یک نوسان قدرت، ولتاژ در مرکز نوسان قدرت نزدیک به صفر کاهش می‌یابد، در حالی که مقدار جریان به سطوح قابل مقایسه با یک اتصال کوتاه افزایش می‌یابد. این ترکیب ولتاژ پایین و جریان زیاد همان ویژگی‌های اتصال کوتاه به رله‌های حفاظت دیستانس نزدیک را نشان می‌دهد که در شکل زیر نشان داده شده است.

هنگامی که یک نوسان قدرت رخ می‌دهد، سرعت تغییر امپدانس تابعی از فرکانس ضربان نوسان توان است. بنابراین، در جایی که نوسان به دلیل اختلاف فرکانس کوچک یا نرخ آهسته تغییر زاویه فاز ولتاژ باشد، نوسان توان آهسته خواهد بود و امپدانس برای عبور از ناحیه امپدانس بیشتر طول می‌کشد. برعکس، در جایی که اختلاف فرکانس یا نرخ تغییر زاویه فاز زیاد است، نوسانات توان سریعتر رخ می‌دهد، امپدانس منطقه حفاظتی دیستانس را با سرعت بیشتری طی می‌کند و ممکن است به اندازه کافی برای رله در ناحیه حفاظت امپدانس باشد یا نباشد.

هنگامی که یک اتصال کوتاه سه فاز نزدیک رخ می‌دهد، ممکن است ولتاژ ثابت کافی برای رله برای تعیین جهت وجود نداشته باشد. حافظه ولتاژ اغلب در رله‌های حفاظتی برای ارائه یک مرجع در چنین رویدادی اعمال می‌شود. برای شرایط خطا، این عمل بسیار قابل اعتماد است. با این حال، در طول نوسانات برق، تغییر سریع در فرکانس و زاویه فاز ولتاژ ممکن است باعث شود اطلاعات زاویه فاز ارائه شده توسط ولتاژ حافظه به سرعت اشتباه شود. در چنین مواردی، عنصر جهت‌دار ممکن است تصمیمات جهت‌گیری نادرستی بگیرد که منجر به رفتار نادرست می‌شود، اعم از اینکه برای خطا در جهت اشتباه حرکت می‌کند یا شکست برای خطاهای دیگر. اگر الگوریتم رله برخی از روش‌های ردیابی فرکانس یا موارد مشابه را در خود داشته باشد، می‌توان آن را کاهش داد، اما همیشه اینطور نیست.

جلوگیری از نوسان توان و حفاظت از خاموش شدن

انسداد نوسان برق، خاموش شدن خارج از مرحله و حفاظت در برابر لغزش قطب از ویژگی‌های رایج ارائه شده توسط رله‌های حفاظتی انتقال و تولید هستند. آن‌ها اهداف مختلفی را دنبال می‌کنند، اما همه آن‌ها توانایی پیکربندی پاسخ خود را به نوسانات ناپایدار قدرت و از دست دادن همزمانی ارائه می‌دهند.

مسدود کردن نوسان برق برای جلوگیری از عملکرد عملکردهای حفاظتی خاص در تشخیص نوسانات برق پایدار یا ناپایدار اعمال می‌شود. این روش‌ها تمایل به استفاده از کرکره‌های امپدانس دارند، که اساساً یک جفت منطقه حفاظتی امپدانس خارج از بزرگترین منطقه امپدانس قطع می‌باشند. زمان بین امپدانس ورود به منطقه بیرونی و ورود به منطقه داخلی اندازه گیری می‌شود. اگر مسیر امپدانس بسیار آهسته عبور کند، رویداد به عنوان یک نوسان توان در نظر گرفته می‌شود و عملکردهای حفاظتی مربوطه مسدود می شوند.

تعدادی شبیه‌سازی پایداری دامنه زمانی برای شناسایی توابع حفاظتی و مناطق امپدانس نیاز است که مسدود شوند. به عنوان مثال، در صورت امکان می‌توان از مسدود کردن حفاظت دیستانس منطقه 1 اجتناب کرد تا قابلیت اطمینان حفاظت به خطر نیفتد – عملکردهای مسدود کردن نوسان برق برای کاهش سرعت تشخیص خطا و در برخی موارد اشتباه عمل می‌کنند که باعث می‌شود رله از کار بیفتد. خطاهای واقعی رخ می‌دهد در موارد دیگر، ممکن است ترجیح داده شود که فقط منطقه 1 را مسدود کنید، زیرا هر چرخش مختصری به این منطقه باعث می‌شود که بدون تأخیر زمین بخورد. بنابراین، بسیار مهم است که مسدود کردن نوسان قدرت با استفاده از رفتار شبکه شبیه سازی شده یا شناخته شده تجزیه و تحلیل و آزمایش شود. طبق نظرسنجی Cigre در سال 2016، بسیاری از شرکت‌های انتقال، عملکردهای مسدود کردن نوسان برق را به طور پیش‌فرض غیرفعال می‌کنند و این عملکرد را فقط برای اهداف نادر و بسیار خاص فعال می‌کنند.

برعکس، حفاظت خارج از مرحله و لغزش قطب برای شناسایی وقوع نوسان و قطع برق ناپایدار پس از تعداد معینی لغزش قطب استفاده می‌شود. قطع ممکن است به گونه‌ای پیکربندی شود که قبل از لغزش قطب در حال آمدن اتفاق بیفتد که به عنوان «خطای در راه ورود» شناخته می‌شود یا به تعویق انداختن حرکت تا زمانی که لغزش قطب واقعاً اتفاق بیفتد که به عنوان «خطا در راه خروج» شناخته می‌شود. این انتخاب بر اساس نتایج مطالعه پایداری دامنه زمانی و توانایی کلید مدار برای باز شدن، شکستن جریان‌های بزرگ در طول نوسان برق و تحمل نرخ زیاد افزایش ولتاژهای بازیابی پس از باز شدن قطب‌های قطع کننده تعیین می‌شود.

حدود نیمی از این اپراتورهای شبکه انتقال در یک بررسی بین‌المللی، در مکان‌های منتخب برای تقسیم شبکه‌شان به شیوه‌ای هماهنگ در پاسخ به نوسانات ناپایدار برق، از سکون خارج از مرحله استفاده کردند. در همان بررسی، تعداد بسیار کمی حداقل الزامی را برای تعداد لغزش‌های قطبی که یک ژنراتور باید به شبکه متصل بماند، تحمیل کردند. بنابراین، آن‌ها به ژنراتورها اجازه می‌دهند که بدون تاخیر پس از لغزش قطب اول قطع شوند. در تعداد کمی از موارد ژنراتورها مجبور بودند برای 2، 3 یا حتی 4 لغزش کامل قطب متصل بمانند. در حالی که این می‌تواند به پایداری شبکه کمک کند، در صورت نیاز به اتصال ژنراتورها در هنگام لغزش قطب باید احتیاط کرد زیرا می تواند باعث آسیب به توربین و ژنراتور شود.

حرکت خارج از مرحله را می‌توان با جنبه جهت دار اجرا کرد، اگرچه در عمل به ندرت انجام می‌شود. این موردی است که یک شبکه ضعیف به شبکه قوی تر متصل می‌شود. اگر شبکه قوی‌تر شروع به فروپاشی کند و نوسانات برق از شبکه ضعیف به شبکه قوی‌تر رخ دهد، آنگاه ممکن است خاموش شدن خارج از مرحله مجاز باشد. این بدان معنی است که شبکه ضعیف از شبکه قوی تر جدا شده و خود را تثبیت می‌کند. برعکس، اگر نوسانات برق از شبکه قوی به شبکه ضعیف‌تر رخ دهد، نگه داشتن خط اتصال برای یک یا چند نوسان برق ممکن است فرصتی برای کاهش بار و تثبیت شبکه ضعیف‌تر ایجاد کند. مطالعات دینامیکی دقیق به منظور تعیین پیکربندی مناسب در همه موارد مورد نیاز است.

نوسانات پایدار و ناپایدار برق ممکن است به دلایلی مانند خاموش شدن ژنراتورها، خطاهای پایدار و خطوط بارگذاری زیاد رخ دهد. رله‌های حفاظتی ممکن است در پاسخ به نوسان برق عمل کنند که ممکن است اختلال سیستم را کاهش داده یا تشدید کند. بسیاری از خاموشی‌های در مقیاس بزرگ به دلیل نوسانات برق، با قطعی آبشاری همراه بود. الگوریتم‌های تشخیص نوسان توان در 20 سال گذشته پیشرفت کرده‌اند و اگر بر اساس مطالعات دینامیکی دقیق پیکربندی شوند، می‌توانند عملکرد ایمن و قابل اعتمادی را ارائه دهند.