مشابه‌سازی عملکرد رله‌های فرکانسی حذف بار

مشابه‌سازی عملکرد رله‌های فرکانسی حذف بار

 شهرام چهل‌گردی سامانی ـ قهرمان ابوذر ـ ناصر راضی

مدیریت دیسپاچینگ و مخابرات ـ شرکت توانیر

چکیده:

در پی از دست رفتن قسمت عمده‌ای از تولید و عدم تعادل بین تولید و مصرف تنها یک سیستم حذف بار اتوماتیک با عملکرد سریع و دقیق می‌تواند از بهم پاشیدگی شبکه و خاموشیهای گسترده جلوگیری نماید. با توجه به کثرت تعداد متغیرها و اثرات ناشی از تغییرات هر کدام در میزان بار مصرفی و نوسانات دینامیکی فرکانس محاسبات دقیق مقدار باری که در هر پله باید حذف گردد و فرکانس حذف بار بطور دستی امکان‌پذیر نمی‌باشد. بر اساس یک روش محاسبه نسبتاً دقیق برنامه کامپیوتری جهت مشابه سازی عملکرد رله‌های فرکانسی ذف بار تهیه گردیده است. با استفاده از این برنامه علاوه بر تسریع در محاسبات بررسی اثرات هر یک از پارامترها در نوسانات دینامیکی فرکانس و بار امکان‌پذیر می‌باشد.

شرح مقاله:

لازمع تداوم در برقرسانی با کیفیت بالا داشتن ذخیره کافی و هماهنگی روند رشد مصرف با توسعه قابلیت تولید و انتقال می‌باشد. با توجه به شرایط کنونی محدودیت‌ها، تاخیرات در احداث و راه‌اندازی واحدهای جدید، رشد سریع مصرف و راه‌اندازی واحدهایی با ظرفیت نسبتاً بالا، بهره ‌برداری مطمئن و بدون دردسر با استفاده از کنترل کننده‌های معمول مانند سیستم‌های کنترل بار یا سرعت و ولتاژ واحد بخصوص در پی حوادث حاد امکان‌پذیر نمی‌باشد.

غالباً بدلیل در دست نبودن ذخیره کافی با خروج خودکار یک واحد بزرگ سرعت افت فرکانس ناشی از عدم تعادل بین تولید و مصرف در حدی است که تنها با حذف سریع قسمتی از بار و افزایش تولید می‌توان از افت فرکانس تا حد بحرانی و خروج تسلسلی واحدها جلوگیری نمود. حذف بار و برقراری تعادل بین تولید و مصرف به یکی از سه روش زیر و یا ترکیبی از آنها امکان‌پذیر می‌باشد.

ـ تجزیه شبکه بهم پیوسته به اجزاء و یا شبکه‌های مجزا

ـ حذف بار بطور اتوماتیک با استفاده از رله‌های فرکانس کم

ـ کنترل بار و فرکانس با استفاده از سیستم‌های کنترل واحدها

بدنبال بروز حوادث حاد و از دست رفتن قسمت قابل توجهی از تولید حفظ تداوم در برقرسانی و جلوگیری از گسترش حادثه بستگی به قابلیت و عملکرد کنترل کننده مولدها در مرحله اول، جداسازی قسمت‌های حادثه دیده از سیستم بهم پیوسته و در نهایت حذف بار بطور اتوماتیک می‌باشد. در واقع تحت چنین شرایطی حذف بار توسط رله‌های فرکانس کم آخرین اقدام در جهت حفظ شبکه حادثه دیده می‌باشد. بنابراین عملکرد صحیح و دقت در تنظیم پله‌های فرکانسی و مقدار بار حذف شده در هر پله از اهمیت خاصی برخوردار می‌باشد.

1ـ تغییرات فرکانسی:

1ـ1ـ نوسانات دینامیکی فرکانسی و نقش رله‌های حذف بار:

نوسانات فرکانس شبکه در هر لحظه به تبادل بین توان مکانیکی ورودی به گراننده اولیه مولدهای در مدار و توان الکتریکی مصرف شده بستگی دارد. بدنبال از دست رفتن قسمتی از تولید و پیش از آنکه سیستم‌های اتوماتیک کنترل بار واحدها بتوانند وارد عمل شده و توان مکانیکی را افزایش دهند، فرکانس شبکه در نتیجه عدم تعادل بین توان مکانیکی و توان الکتریکی از حد نامی کاهش می‌یابد. در واقع فزونی توان الکتریکی به توان مکانیکی بصورت شتاب منفی بر روی جرم دوار کلیه مولدها اعمال و در مجموع باعث افت فرکانس در سیستم می‌گردد. در صورت تداوم نامتعادلی بین توان الکتریکی و مکانیکی، افت فرکانس می‌تواند منجر به خروج تسلسلی واحدها و از دست رفتن بخش بیشتری از تولید گردد. این روند نهایتاً می‌تواند منجر به از دست رفتن سیستم گردد. نقش رله‌های حذف بار در فرکانس پائین کاهش سرعت افت فرکانس و برگردانیدن فرکانس به حد فرکانس نامی از طریق حذف بار بصورت پله‌ای و نهایتاً برقراری تعادل بین تولید و مصرف می‌باشد. میزان بار حذف شده باید حداقل لازم جهت از بین بردن نامتعادلی بین توان مکانیکی و بار الکتریکی باشد. از آنجایی که میزان نامتعادلی و مقدار بار حذف شده در هر پله بنوع حادثه و موقعیت آن، نوع بار مصرفی، عملکرد کنترل کننده‌های سرعتو تحریک و اثر فرکانس پائین بر روی پره توربین ژنراتورها بستگی داشته و با تغییر فرکانس و ولتاژ میزان نامتعادلی نیز تغییر می‌یابد، محاسبه دقیق مقدار باری که باید در هر حادثه بصورت پله‌ای حذف گردد به سادگی امکان‌پذیر نمی‌باشد. ولی با در نظر گرفتن محدوده تغییرات بار 24 ساعته و همچنین وابستگی بار مصرفی به فرکانس و ولتاژ شبکه، میتوان روش محاسبه موثری جهت تنظیم رله‌های حذف بار در فرکانس پائین بدست آورد که در غالب حالت‌ها جوابگو بوده و با استفاده از امکانات کامپیوتریبررسی حالات مختلف و تعیین مناسبترین تنظیمات را ممکن می‌سازد.

2ـ1ـ وابستگی بار به فرکانس و ولتاژ:

از پارامترهای مهم در محاسبات رله‌های حذف بار در فرکانس پائین تاثیر نوسانات فرکانس و ولتاژ در بار یا توان الکتریکی مصرفی می‌باشد.

بطور کلی انواع مصرف کننده‌های برقی را میتوان به سه گروه تقسیم نمود:

ـ بارهای امپدانسی ـ وسایل گرمازا و روشنایی

ـ بارهای موتوری

ـ بارهای با جریان ثابت ـ مانند کار خانه‌های شیمیایی و شیشه‌ سازی

بطور کلی میزان توان الکتریکی مصرف شده در هر یک از انواع بارهای فوق با مربع تغییرات ولتاژ رابطه مستقیم داشته و با افزایش و یا کاهش ولتاژ توان الکتریکی مصرف شده افزایش و یا کاهش قابل توجهی نشان می‌دهد. (4)  تغییرات فرکانس نیز در میزان بار مصرف کننده تاثیر قابل توجهی دارد ولی تغییرات فرکانسی و اثر متقابل آن در توان الکتریکی انواع مصرف کننده‌ها همواره رابطه‌ای مستقیم و ساده نبوده  و مصرف کننده‌های متفاوت تغییرات یکسان نشان نمی‌دهند. برای مثال بارهای امپدانسی با کاهش فرکانس افزایش می‌یابند حال آنکه بارهای موتوری با کاهش فرکانس کاهش می‌یابند. (4 و 2). در مجموع شبکه‌های وسیع و بهم پیوسته برق ترکیبی از انواع مصرف کننده‌ها را داشته و در شرایط نرمال بهره‌برداری و در صورتی که دامنه نوسانات فرکانس محدود و کم باشند با کاهش فرکانس مجموعه بار مصرفی کاهش نشان می‌دهد. درصد این تغییرات بار با تغییرات فرکانس و یا بعبارتی وابستگی بار به فرکانس برابر 2 (2 d =) و حداقل فرکانس مجاز 5/48 هرتز و تولید از دست رفته 50 درصد باشد با توجه به رابطه زیر با حذف 47% درصد از بار نامتعادلی بین تولید و مصرف برطرف و فرکانس به حد نامی باز خواهد گشت.

در رابطه فوق:

ـ درصد باری که باید حذف گردد     Ls=

ـ فرکانس نامی سیستم                   fs=

ـ حداقل فرکانس مجاز                   = f

ـ ضریب وابستگی بار به فرکانس    d=

ـ درصد کمبود تولید                      D=

تعداد پله‌های حذف بار و درصد باری که در هر پله باید حذف گردد، معمولاً با توجه به کیفیت دینامیکی شبکه و به روش خطا و تصحیح انتخاب می‌شوند.

3ـ محاسبات رله‌های حذف بار:

1ـ3ـ انتخاب فرکانس پله‌های حذف بار:

فرکانس‌های حذف بار با توجه به تعداد پله‌های حذف بار و حداقل فرکانس مجاز انتخاب می‌شوند. معمولاً با فرض اینکه سرعت روند افت فرکانس تقریباً ثابت باشد، فرکانس هر پله طوری انتخاب می‌شود که تفاوت فرکانس پله‌های متوالی مساوی باشد.

فرکانس عملکرد آخرین پله حذف بار باید طوری انتخاب گردد که با احتساب تاخیر در عملکرد رله‌ها و افت فرکانس در این فاصله زمانی حداقل فرکانس شبکه به فرکانس بحرانی واحدها نرسد.

انتخاب فرکانس‌های هر پله نیز مانند پله‌های حذف بار باید با توجه به کیفیت دینامیکی سیستم و بر اساس روش خطا و تصحیح صورت گیرد.

بطور کلی محاسبات مربوط به پله‌های حذف بار (فرکانس و درصد بار) به تکرار محاسبه رفتار دینامیکی روند تغییرات فرکانس در ازاء مقادیر مختلف بار و با توجه به پارامترهای مختلف در این روند نیازمند می‌باشد، که با توجه به تعداد حالات ممکنه مشابه سازی تغییرات دینامیکی فرکانس تنها با استفاده از کامپیوتر میسر می‌باشد.

2ـ3ـ روند تغییرات فرکانس:

روند تغییرات فرکانس در یک شبکه بهم پیوسته را میتوان از طریق معادله دیفرانسیل زیر محاسبه نمود.

در معادله بالا پارامتر H ثابت اینرسی مجموعه واحدهای در مدار شبکه می‌باشد. این پارامتر را در صورت فرض یک پارچه بودن شبکه و همگامی نوسانات دینامیکی فرکانس کلیه واحدها میتوان از رابطه زیر محاسبه نمود.

در رابطه بالا:

ـ ثابت اینرسی مولد         Hi=

ـ مگاولت آمپر واحد        MVAi=

ـ مگاولت آمپر سیستم      MVAs=

پارامتر D در رابطه (2) درصد کمبود تولید می‌باشد که از رابطه زیر محاسبه می‌شود

انتگرال معادله (2) فرکانس شبکه در هر لحظه می‌باشد.

با استفاده از رابطه (5) می توان رفتار دینامیکی فرکانس شبکه و عملکرد رله‌های حذف بار و تاثیر آنها در نوسانات فرکانس را مشابه سازی نمود.

4ـ مشخصات برنامه کامپیوتری:

برنامه کامپیوتری مشابه سازی عملکرد رله‌های فرکانسی حذف بار که در قسمت مطالعات سیستم مدیریت دیسپاچینگ و مخابرات شرکت توانیر تدوین گردیده به زبان فرتران چهار می‌باشد. ساختمان کلی این برنامه که بر اساس معادله (5) و مشخصات عملکرد رله‌ها (تاخیر از زمان تحریک تا عملکرد) نوشته شده مطابق فلوچارت شکل (1) می‌باشد. این برنامه در رابطه با نیاز شبکه شمالشرق (خراسان) و بمنظور محاسبه پله‌های حذف بار و فرکانس عملکرد رله‌ها تدوین گردیده است.

از مزایای عمده این برنامه تسریع در محاسبات و فراهم نمودن امکان بررسی حالات مختلف در زمان بسیار کوتاه می‌باشد.

از مسائل عمده برنامه‌ فوق مدل ریاضی رفتار دینامیکی شبکه می‌باشد. این مدل بر اساس پیش فرض همگامی نوسانات دینامیکی کلیه واحدهای در مدار و ثابت بودن ضریب وابستگی در طول نوسانات و بدون در نظر گرفتن اثر عملکرد سیستم کنترل سرعت واحدها قرار دارد. حال آنکه در یک شبکه بهم پیوسته مدلدهای در مدار از نقطه نظر همگامی نوسانات دو یا چند گروه همگام را تشکیل می‌دهند. در این حالت هر گروه همگام را میتوان بوسیله یک مولد و در نتیجه با یک ثابت اینرسی نشان داد. در صورت نشان دادن مجموعه ناهمگام مولدها با یک مولد معادل و یا بعبارتی بوسیله یک ثابت اینرسی میزان خطای محاسبات قابل توجه خواهد بود. از طرفی مقادیرپارامترها d با توجه به میزان بار و انواع مصرف کننده‌ها و نوسانات فرکانس متغیر می‌باشد. ولی بدلیل عدم امکان اندازه‌گیری دقیق این تغییرات و غیرخطی بودن آنها در مشابه سازی یک مقدار متوسط ثابت در نظر گرفته می‌شود.

با وجود نواقص فوق عکس‌العمل سیستم‌های کنترل در زمان نوسانات فرکانس توام با عملکرد رله‌های فرکانسی به میزان قابل توجهی کمبود و نارسایی‌های مدل ریاضی بکار گرفته شده در مشابه‌سازی را جبران می‌نماید. عملکرد مطلوب رله‌های فرکانسی نصب شده در منطقه شمالشرق بیانگر این امر می‌باشد.

5ـ نتیجه‌گیری:

با توجه به اهمیت حفظ پایداری و یکپارچگی شبکه‌های بهم پیوسته تولید و انتقال و تسریع در برقرسانی به مشترکین بدنبال بروز اختلالات عمده در شبکه و بدلیل کمبود تولید و در دست نبودن ذخیره گردان کافی در غالب ساعات استفاده از رله‌های فرکانسی حذف بار اجتناب ناپذیر می‌باشد.

با توجه به محدودیت‌های مدل‌سازی شبکه محاسبات مربوط به درصد بار حذف شده هر پله و فرکانس‌های حذف بار به دقت خاص و بررسی حالات و شرایط متفاوت بار نیاز دارد. با استفاده از برنامه مشابه‌سازی عملکرد رله‌های حذف بار میتوان محاسبات را با دقت بیشتر در زمان کوتاه انجام داد.

6ـ منابع:

1- R. Berthold V. Narayan, load Shedding and Decoupling Power Systems, Brown Boveri REV. 617-81, P. 250-256.

2- H.E Lokay, V. Burtnyk "Application of under Frequency Relays for Automatic Load Shedding", IEEE Trans, Power APP. Sys. 1986. P. 525-531.

3- A.R. Van C. Warrington "Protective Relays", Chapman and Hall London1974.

4- O.l. Elgerd, "Electric Energy Systems Theory. An Introduction" 2nd Edition, Mcgraw – Hell, 1983.

5ـ فرهاد راستی، ناصر راضی، شهرام چهل گردی سامانی، قهرمان ابوذر، "طرح Load Sheddingشبکه شمالشرق" مدیریت دیسپاچینگ و مخابرات شرکت توانیر در اردیبهشت ماه 1365.