واحدهای اندازه‌گیری فازوری و کاربردهای آن در بهره‌برداری سیستم‌های

یشرفت سریع سیستم‌های مخابراتی در جهان و ابداع روش اندازه‌گیری فازوری سنکرون به کمک PMU و با استفاده از سیگنال همزمانی GPS تحول عظیمی در پایش و کنترل شبکه‌های گسترده و به هم پیوسته قدرت ایجاد کرده است. رشد این تکنولوژی هنوز هم با شتاب قابل ملاحظه‌ای ادامه دارد. بطوری‌که در آینده نزدیک سیستم سریع کنترل هماهنگ شبکه که قادر به محدودسازی ادامه اغتشاشات وارده و ممانعت از بروز ناپایداری‌هاست، بطور قطع جایگزین روشهای معمول و کم اثر کنترل محلی و امکانات محدود سیستم‌های فعلی SCADA/EMS برای ایجاد سیستم‌های فراگیر کنترل زمان واقعی و همچنین کنترلهای کندتری نظیر کنترل ثانویه ولتاژ در شبکه‌های قدرت خواهد شد. در این مقاله ضمن بررسی تاریخچه و ساختار واحدهای اندازه‌گیری فازوری، کاربردهای مختلف آن در بهره‌برداری سیستم‌های قدرت نیز به اختصار بیان شده است.

یکی از مسائل مهم در بهره‌برداری سیستم‌های قدرت حفظ امنیت آن است. بهره‌بردار شبکه باید اطمینان حاصل کند که در هر لحظه متغیرهای شبکه در محدوده مجاز خود قرار داشته و در صورت وقوع پیشامدهای مهم نیز سیستم همچنان عملکرد عادی خود را حفظ می‌کند. بدون شک اولین قدم در راه ارزیابی امنیت سیستم، نمایش شرایط بهره‌برداری فعلی آن بوده به نحوی که پس از بررسی آن، تصمیمات احتمالی لازم جهت حفظ شرایط عملکرد مطلوب گرفته شود. برای مشخص کردن وضعیت فعلی سیستم از تخمین حالت استفاده می‌شود. هدف نهایی از اجرای تخمین حالت،‌نمایش متغیرهای شبکه بوده به نحوی که بهره‌بردار سیستم با استفاده از خروجی تخمین حالت، قادر به اجرای سایر اعمال نظارتی و کنترلی نظیر پخش بار بهینه و ارزیابی امنیت سیستم باشد. ورودی برنامه تخمین حالت اندازه‌گیری‌های انجام شده در نقاط مختلف شبکه بوده و خروجی آن متغیرهای حالت سیستم است. در گذشته به دلیل مشکلات فنی پیرامون همزمان‌سازی اندازه‌گیری‌های انجام شده در نقاط مختلف شبکه ، این اندازه‌گیری‌ها فاقد زاویه بود و شامل اندازه ولتاژ و توان تزریقی برخی باس‌ها و اندازه فلوی عبوری بعضی از خطوط می‌شدند. اندازه‌گیری‌های فوق گرچه امکان حل مساله تخمین حالت را غالباً فراهم می‌سازند، اما بنا بر دلایلی از جمله دوره اندازه‌گیری طولانی و داشتن روابط غیرخطی با متغیرهای حالت سیستم، موجب کندی در زمان اجرای تخمین حالت شده و دقت آن را نیز بعضاً تحت‌الشعاع قرار می‌دهند. گسترش تکنیک‌های سنکرون‌سازی بین نقاط مختلف، مشکلات فوق را برطرف کرده و منجر به پیدایش واحد اندازه‌گیری فازوری
(Phasor Mesurement unit) شد.
واحد اندازه‌گیری فازوری (PMU) یک دستگاه نمایش‌دهنده بوده که در اواخر دهه 1980 میلادی ابداع شد. این واحد با استفاده از سیگنال سنکرون‌کننده که غالباً از طرف سیستم موقعیت یاب جهانی (GPS) صادر می‌شود، قادر به اندازه‌گیری فازور ولتاژ و فازور جریان خطوط در یک شین است. کاربرد این دستگاه تنها در مقیاس محلی نبوده بلکه در بعد سراسری سیستم نیز دارای کاربردهای فراوان و رو به گسترش است.
در این مقاله ابتدا تاریخچه و مطالعه ساختاری دستگاه اندازه‌گیری فازوری بیان خواهد شد و سپس بطور خلاصه کاربردهای آن در کنترل شرایط اضطراری و پیشگیری از وقوع انواع خاموشی‌ها شرح داده خواهد شد.

تاریخچه
ابداع رله‌های دیستانس مولفه متقارن (SCDR)
ایده استفاده از کامپیوتر در حفاظت در دهه 1960 مطرح شد ولی با توجه به امکانات موجود در آن زمان این ایده چه از نظر اقتصادی و چه از نظر فنی امکان‌پذیر نبود. در دهه‌های 1970 و 1980 کامپیوترها سریعتر و ارزانتر شدند و برخی الگوریتم‌های حفاظتی برای کامپیوترهای آن زمان طراحی شد.
یکی از تلاشها ابداع رله دیستانس مولفه متقارن برای حفاظت خطوط انتقال فشار قوی بود. در این نوع رله، ولتاژ و مولفه‌های مثبت و منفی و صفر جریان اندازه‌گیری می‌شدو برای تشخیص محل خطا فقط نیاز به تحلیل یک رابطه بود که با توجه به ضعف کامپیوتر‌های آن زمان، ‌مزیت بزرگی محسوب می‌شد.
یکی از نتایج این توسعه، ابداع الگوریتم سری فوریه گسترده مولفه‌های متقارن بود. استفاده از این الگوریتم نشان داد که اندازه‌گیری دقیق یک کمیت الکتریکی در فرکانس پایه و توالی مثبت و در صورت سنکرون بودن در کل سیستم قدرت، تا چه اندازه مفید است. در آن زمان امکان هم زمان‌سازی دستگاه‌های اندازه‌گیری در یک بازه جغرافیایی وسیع وجود نداشت و طبیعی بود که قدم بعدی هم زمان‌سازی نمونه‌برداری باشد.

هم‌زمان سازی لحظه‌های نمونه‌برداری
در صورتی که اندازه‌گیری کمیت‌ها در سیستم قدرت با یک برچسب زمانی همراه شود، این کمیت‌ها را می‌توان به صورت همزمان اندازه‌گیری کرد. جهت تحقق این امر،‌کافی است اطلاعات جمع‌آوری شده با توجه به برچسب زمانی آنها مرتب شود. امکان همزمان سازی لحظه‌های نمونه‌برداری یا الصاق برچسب زمانی به اطلاعات، با راه‌اندازی سیستم GPS فراهم شد. دقت این سیستم در سال‌های ابتدایی آن چندان نبود ولی اکنون GPS امکان همزمان‌سازی اندازه‌گیری‌ها با دقت یک میکروثانیه یا بهتر را فراهم می‌کند.

واحدهای اندازه‌گیری فازوری
با توجه به الگوریتم استفاده شده در SCDRها و امکان همزمان‌سازی اندازه‌گیری اولیه نمونه تحقیقاتی از واحدهای اندازه‌گیر فازوری در دانشگاه ویرجینیاتک و در سال 1988 ساخته شد. پس از آن شرکت‌های ABB و مایکروداین دست به تولید نمونه‌های تجاری از این واحدها زدند. در سال 1995 نیز اولین استاندارد جهت واحدهای اندازه‌گیری فازوری ایجاد شد که با سه ویرایش، آخرین نسخه آن در سال 2005 منتشر شده است.

ساختار واحدهای اندازه‌گیر فازوری
ساختار اصلی یک واحد اندازه‌گیری فازوری (PMU) از یک پردازشگر سیگنال دیجیتال تشکیل شده است. این پردازشگر دیجیتالی از سیگنال‌های ولتاژ و جریان با نرخ 2880 نمونه در هر ثانیه نمونه‌برداری می‌کند. که این نرخ معادل 48 نمونه در هر سیگنال است. کمیت‌های آنالوگ ولتاژ و جریان قبل از نمونه‌برداری از یک فیلتر ضد تداخل عبور داده می‌شود تا به این ترتیب فرکانس‌های گذرا از اطلاعات اصلی سیگنال‌های ولتاژ و جریان حذف شود. سپس توسط A/D16 بیتی اطلاعات آنالوگ به داده‌های دیجیتال تبدیل می‌شود. سایر کمیت‌های الکتریکی از قبیل توان اکتیو و راکتیو و غیره توسط پردازشگر دیجیتال محاسبه می‌شود و از طریق مودم به پردازشگر محلی و یا منطقه‌ای ارسال می‌شود. از سیگنال سنکرون‌کننده GPS برای همزمان‌ کردن اطلاعات ارسال شده توسط واحدهای PMU استفاده می‌شود.

تعریف سنکروفازور
سنکروفازور یک سیگنال x(t) به صورت عددی مختلط به شکل زیر تعریف می‌شود:
مقدار مقدار موثر ((rms) سیگنال x(t) با یک موج کسینوسی در فرکانس پایه و همزمان شده با زمان هماهنگ جهانی است.

برچسب زمانی
سنکروفازور اندازه‌گیری شده باید برچسب زمانی زمان هماهنگ جهانی یا UTC را به همراه داشته باشد. این برچسب معمولاً‌ از سه قسمت تشکیل شده است. زمان SOC کسری از ثانیه و وضعیت زمان. زمان SOC برابر با کل ثانیه‌های گذشته از اول ژانوبه 1970 است که با یک عدد چهار بایتی بیان می‌شود.
کسری از ثانیه نیز یک عدد صحیح است که نشان می‌دهد زمان گذشته (از ثانیه قبلی) چند برابر زمان موسوم به
TIME-BASE است. در واقع هر ثانیه به تعدادی TIME-BASE تقسیم می‌شود که این عدد باید حتماً
عددی صحیح باشد. در استاندارد IEC61850-2000 مقدار TIME-BASE برابر با 224 قرار داده شده است.

همزمان‌سازی زمانی
همزمان سازی با UTC نکته‌ای بسیار مهم در اندازه‌گیری سنکروفازورهاست. در واقع خطای 1 میکروثانیه در این همزمان‌سازی می‌تواند منجر به خطای 022/0 درجه در 60 هرتز یا 018/0 درجه در 50 هرتز شود.

نرخ گزارش اطلاعات
واحد اندازه‌گیری فازوری باید توانایی گزارش اطلاعات با نرخ FS (فریم بر ثانیه) را داشته باشد. این مقدار معمولاً یکی از مقسوم‌علیه‌های فرکانس سیستم است (50 یا 60 هرتز).

مهندسی اطلاعات در واحدهای اندازه‌گیری فازوری
در این بخش بر شکل اطلاعات ارسالی توسط PMU در حالت Real-time پرداخته می‌شود. توجه به این نکته ضروری است که در صورتی که از PMU فقط برای ذخیره اطلاعات فازوری و هر کاربرد دیگری که Real-time نباشد استفاده شود نیازی به استفاده از این شکل اطلاعات نیست ولی در کاربردهای Real-time باید از این شکل استفاده شود.
شکل اطلاعات به نوع سیستم مخابراتی مورد استفاده وابسته نیست. همچنین از این شکل می‌توان جهت انتقال اطلاعات میان یک PMU و تجهیز دیگری که اطلاعاتی را از PMU‌های مختلف جمع‌آوری می‌کند استفاده کرد. به سیستم مذکور متمرکز‌کننده اطلاعات (DC) گفته می‌شود.

انواع پیام‌ها
پیام‌های ارسالی و یا دریافتی توسط PMU به 4 بخش داده،‌ تنظیمات،‌Header و فرمان تقسیم می‌شوند: سه نوع پیام اول توسط PMU ارسال می‌شوند در حالی که داده آخر توسط PMU دریافت می‌شود.
داده، اطلاعات اندازه‌گیری شده توسط PMU است. تنظیمات، پیامی کامپیوتری شامل توضیحاتی در مورد اطلاعات ارسال است و ضرایب کالیبره را نیز در خود دارد. Header، بخش توضیحی در مورد کل اطلاعات ارسالی است و فرمان، پیامی جهت مدیریت و کنترل است. در حالت کار عادی معمولاً فقط داده ارسال می‌شود.

پاسخ‌گذرای واحدهای اندازه‌گیری فازوری
در حال حاضر از PMU ها صرفاً برای اندازه‌گیری حالت دائم سینوسی سیگنال استفاده می‌شود. در واقع استاندارد موجود برای واحدهای اندازه‌گیری فازوری فقط اندازه‌گیری در حالت دائمی سینوسی را پشتیبانی می‌کند به این معنی که در صورتی که دو PMU در شرایط یکسان و از دو سازنده مختلف یک سیگنال را اندازه‌گیری می‌کنند، جواب یکی باشد.
این بدین معنی نیست که PMU ها قابلیت اندازه‌گیری کمیت‌های گذرا را ندارند ولی چون استانداردی برای آنها وضع نشده است، ممکن است جواب بدست آمده فاقد دقت کافی و قابل اطمینان باشد.

زمان‌بندی ارسال داده
اندازه‌گیری فازوری در حقیقت تخمین فازور یک کمیت سینوسی است. این تخمین در لحظه مشخصی از زمان که با برچسب زمانی ارسال می‌شود انجام می‌شود. فرایند تخمین فازور یک کمیت سینوسی نیز توسط نمونه‌برداری از شکل موج سیگنال در لحظه‌های زمانی مقرر انجام می‌شود ولی کدامیک از این لحظه‌ها به عنوان برچسب زمانی ارسال می‌شوند؟
در استاندارد IEEE 1344-1995 این لحظه، لحظه آخر نمونه‌برداری بود ولی مطالعات بعدی نشان داد که این روش ممکن است تا اندازه‌ای ابهام‌آمیز باشد. همچنین خطاهای اندازه‌گیری غیرقابل قبول در تست‌های تغییر فرکانس نیز گزارش شد. به همین دلیل در استاندارد IEEE 1344-2005 این لحظه، لحظه میانی پنجره نمونه‌برداری در نظر گرفته شد.

کاربردهای واحدهای اندازه‌گیری فازوری
معمولاً فازورها به منظور نمایش امواج سینوسی حالت ماندگار که دارای یک فرکانس اصلی هستند، به کار برده شده و ابزار پایه به منظور تحلیل مدارهای با جریان متناوب (AC) هستند. حتی در صورتی که یک سیستم قدرت در شرایط کاملاً پایدار نباشد، فازورها جهت توصیف رفتار آن غالباً مفید هستند. به عنوان مثال هنگامی که سیستم قدرت تحت استرس‌های ناشی از نوسانات توان قرار می‌گیرد، نه تنها شکل موج‌های ولتاژ و جریان در حالت ماندگار قرار نداشته، بلکه فرکانس سیستم نیز مقدار نامی خود را ندارد. تحت چنین شرایطی، به علت اینکه تغییرات ولتاژ و جریان نسبتاً به آرامی صورت می‌گیرد، این تغییرات می‌تواند به عنوان زنجیره‌ای از شرایط حالت ماندگار در نظر گرفته شده و فازورها می‌توانند به منظور توصیف رفتار شبکه استفاده شوند. حتی در صورتی که شکل موج‌های ولتاژ (جریان) سیستم به سرعت دچار تغییرات شده و دارای مولفه‌های قابل توجه گذرا باشند، فازورها قابل کاربرد هستند. به عنوان مثال در کاربردهای حفاظتی، فازور می‌تواند روی پنجره مشاهده نیم یا یک سیکل موج ولتاژ (جریان)‌تعریف شود. با توجه به اینکه در این بازه کوتاه با تقریب خوبی می‌توان شرایط حالت ماندگار را در نظر گرفت.
در کنار سیستم اسکادا، بتازگی سیستم دیگری به نام سیستم اندازه‌گیری فراگیر (WAMS) مطرح شده است که هدف آن جبران کاستی‌های موجود در سیستم اسکادا بوده و مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. با توجه به اینکه PMU جزیی از WAMS است، در ابتدا توضیح مختصری در ارتباط با ساختار این سیستم داده و در ادامه کاربردهای آن بررسی می‌شود.

ساختار WAMS
ایده اصلی سیستم‌های WAMS ایجاد امکان متمرکز داده‌هایی است که از نقاط مختلف سیستم قدرت به صورت همزمان و همگام شده با یکدیگر، جمع‌آوری می‌شوند. هدف از تحلیل این داده‌ها، ارزیابی شرایط بهره‌برداری واقعی سیستم در هر لحظه و مقایسه پارامترهای شبکه (مقادیر ولتاژ، جریان و زوایای آنها، دما،‌توان اکتیو و راکتیو) با حدود استاندارد یا از پیش تعیین شده است. همچنین به کمک الگوریتم‌های معینی حاشیه امنیتی پایداری یا فاصله سیستم از مرز پایداری تعیین می‌شود. شکل (2) ساختار سیستم WAMS را نشان می‌دهد. بطور کلی هر سیستم WAMS مشتمل بر فرایندهای زیر است:
- اندازه‌گیری و جمع‌آوری داده‌ها
- تبادل و تحویل داده‌ها
- تجزیه و تحلیل داده‌ها
به همین دلیل این سیستم باید دارای اجزای زیر باشد:
- واحدهای اندازه‌گیری فازوری (PMU): که باید در نقاط کلیدی و مناسبی از شبکه نصب شده باشند.
- سیستم سنکرون‌کننده: که رکن اساسی داشتن تصویر همزمان از متغیرها، اثر رخدادها و به طور کلی از حالت سیستم است و باید با فرکانس مناسب PMU ها را وادار به برداشت و ارسال اطلاعات کند.
- سیستم مخابراتی انتقال داده‌ها: که باید از سرعت، قابلیت اطمینان و امنیت مناسب برای انتقال داده‌ها برخوردار باشد.
- مرکز جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل داده‌ها: که باید مجهز به نرم‌افزارهای مناسب برای آنالیز داده باشد.
PMU‌ها به عنوان رکن اصلی سیستم‌های پایش فراگیر، اساساً تجهیزات RTU معمولی هستند که با سیگنال سنکرون‌کننده GPS مجهز شده‌اند تا همزمانی در انجام اندازه‌گیری‌ها را فراهم آورند. PMU‌ها همچنین قادرند بر روی داده‌های اندازه‌گیری شده، پروسس اولیه‌ای هم داشته باشند (نظیر تبدیل فوریه سریع و ...) و نتایج این آنالیز را به صورت داده‌های آماده برای مرکز کنترل ارسال کنند. این روش منجر به کاهش بار محاسباتی در مرکز کنترل و سرعت بخشیدن به عملیات متعاقب آن می‌شود.
لازم به ذکر است به منظور پایش مناسب سیستم، اندازه‌گیری‌های لازم باید خصوصیات ذیل را داشته باشند:
- از نقاط مختلف سیستم جمع‌آوری شوند.
- دارای نرخ نمونه‌برداری باشند.
- در یک لحظه زمانی انجام شده باشند.
از دیدگاه محل کاربرد، کاربردهای WAMS می‌تواند به دو دسته کلی تقسیم‌بندی شود:
- کاربردهای محلی
- کاربردهای قابل بکارگیری در کل سیستم.
همزمان با ایجاد سیستم‌های WAMS که به صورت یک طرفه اطلاعات المان‌ها را برداشت کرده و به مرکز کنترل می‌فرستاد. ایده استفاده از این امکانات فراگیر جهت کنترل از راه دور المان‌های کنترلی توزیع شده در سراسر شبکه قدرت از یک مرکز کنترل ایجاد شد که با توجه به مزایای این روش کنترلی بزودی مورد توجه محققان قرار گرفت. به این ترتیب ایده سیستم‌های پایش و کنترل فراگیر 10(WACS) جهت کنترل هماهنگ ادوات کنترلی و سوئیچینگ بار و تولید در کاربردهای مختلف شکل گرفت.
ذیلاً مهمترین کاربردهای PMU ها در سیستم‌های WAMS و WACS مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

کاربردهای محلی
از دیرباز تاکنون کاربردهای کنترلی و نظارتی زیادی به صورت محلی در پست‌ها و به منظور حفظ شرایط بهره‌برداری صورت گرفته است. به عنوان نمونه می‌توان به تنظیم ولتاژ، جبران توان راکتیو، حذف بار ولتاژی و فرکانسی اشاره کرد. به منظور دستیابی به اهداف مذکور، مقادیر مربوطه در پست اندازه‌گیری شده و در صورت وجود مقادیر خارج از محدوده مجاز، اعمال اصلاحی خودکار صورت می‌گیرد. به منظور انجام کنترل‌های محلی در پست‌ها و با در نظر گرفتن شرایط کلی سیستم، نیاز به الگوریتم‌های کاربردی است. همچنین بسته به شرایط سیستم، ممکن است توابع کنترلی پست‌ها توسط مرکز کنترل فعال یا غیرفعال شود. به کمک PMU و فازورهای اندازه‌گیری شده توسط آن، امکان هماهنگی موثر بین اعمال محلی با شرایط کلی سیستم به منظور اداره کردن بهتر اغتشاش‌های گسترده سیستم وجود دارد. تعدادی از توابع نظارتی که می‌توانند در پست‌ها و با استفاده از اطلاعات PMU به کار برده شوند، عبارتند از:
- افت فرکانس
- افزایش فرکانس
- نرخ تغییرات مثبت فرکانس
- نرخ تغییرات منفی فرکانس
- افت ولتاژ
- اضافه ولتاژ
- اضافه جریان

کاربردهای سراسری سیستم
کاربردهای سیستمی کاربردهایی هستند که در آنها با استفاده از اطلاعات کامل سیستم در یک کامپیوتر مرکزی، تصمیماتی صورت می‌گیرد.
کاربردهای موجود می‌تواند تنها شامل یک محل خاص در سیستم شده یا اینکه مربوط به کل سیستم شود. در ادامه تعدادی از این کاربردها که اساس آنها استفاده از اطلاعات فازوری است، بررسی می‌شوند.

محاسبه پارامترهای خط
پارامترهای امپدانس خطوط انتقال می‌تواند به کمک فازورهای ولتاژ و جریان اندازه‌گیری شده توسط PMU های نصب شده در دو طرف خط،‌محاسبه شود. مدل خط انتقال مطابق با شکل (4) در نظر گرفته می‌شود. اندازه‌گیری صحیح ولتاژهای VS و VR و جریان‌های IS و IR محاسبه پارامترهای خط XL,R) و XC) را امکان‌پذیر می‌سازد. اندازه‌گیری‌ها باید با توجه به شرایط مختلف بارگذاری و دمای محیط صورت گیرند تا تغییرات امپدانس به ویژه مقاومت نسبت به دما در نظر گرفته شود.

نمایش حرارتی خطوط انتقال
بارگذاری خطوط انتقال (بویژه خطوط کوتاه و متوسط) اغلب به دلیل ظرفیت حرارتی، محدود می‌شود. به طور سنتی حد حرارتی یک خط بر اساس معیارهای ثابت و محافظه‌کارانه، یعنی در نظر گرفتن مقاومت ثابت به ازای حداکثر ممکن دمای هوا در منطقه و عدم وزش باد، تعیین می‌شد. روشن است که با توجه به چنین فرضی حداکثر استفاده از ظرفیت ممکن خط صورت نخواهد گرفت چرا که شرایط محیطی اغلب بهتر بوده و امکان خنک‌سازی خط توسط باد، اجازه استفاده بیشتر از ظرفیت خط را می‌دهد. در مقابل محاسبه مقاومت خط بر اساس اندازه‌گیری‌های فازوری، رهیافتی اقتصادی به منظور نمایش حرارتی خط و استفاده حداکثر از ظرفیت خط فراهم می‌کند. به طور کلی دمای متوسط خط می‌تواند به صورت تابعی از مقاومت خط (R) تعریف شود که مقدا R به طور پیوسته توسط اندازه‌گیری‌های فازوری دو سر خط محاسبه می‌شود. با استفاده از حقیقت مذکور، دمای متوسط هادی قابل محاسبه بوده و در نتیجه امکان ارزیابی لحظه‌ای، حد حرارتی و بارگذاری خط انتقال صورت می‌پذیرد. نمایش حرارتی خط انتقال، مزایای زیر را برای بهره‌ بردار شبکه به دنبال دارد.
- هشدار سریع و به موقع در حالت اضافه بار شدن خطوط
- کنترل دینامیک ظرفیت خط انتقال
- تخمین غیرمستقیم خمیدگی خطوط

تخمین حالت
روش‌های تخمین حالت مدرن در دهه 1970 ابداع شدند. در این روش‌ها، فلوی توان اکتیو و راکتیو خطوط و اندازه‌های ولتاژ از باس بار پست‌ها با استفاده از اندازه‌گیری بدست آمده و با سیستم اسکادا به یک واحد مرکزی برای انجام محاسبات ارسال می‌شدند. هنوز در بسیاری از کشورهای جهان، از همین روش برای تخمین حالت شبکه استفاده می‌شود. با توجه به کند بودن شبکه مخابراتی، محدودیت باند فرکانسی و عدم وجود همزمانی در جمع‌آوری داده‌ها، داده‌های اندازه‌گیری شده از بخش‌های مختلف شبکه تقدم و تاخر زمانی به اندازه چندین ثانیه تا چند دقیقه نسبت به یکدیگر داشتند. لذا حالت تخمین زده شده تنها در شرایط ماندگار از دقت مناسب برخوردار بود. با در نظر گرفتن امکان بروز تغییرات و فعال شدن دینامیک شبکه در این محدوده زمانی، نتایج، تنها تقریبی از حالت واقعی سیستم را بدست می‌داد که در خوش بینانه‌ترین نگاه، مقدار متوسطی از حالت واقعی سیستم بود و لذا به نام «تخمین حالت استاتیکی» خوانده می‌شد. به همین دلیل سرعت و همزمانی ایجاد شده در روش اندازه‌گیری فازوری همزمان مولفه‌های ولتاژ باس بارها (و همچنین جریان‌ها) باعث شد که این روش به طور مستقیم، ابزار طبیعی انجام تخمین حالت یا به عبارت بهتر «اندازه‌گیری حالت» در شبکه محسوب می‌شود.
حتی اگر در مرکز کنترل هیچ نرم‌افزار تخمین حالتی هم وجود نداشته باشد، در صورتی که PMU‌ها در تمامی نقاط مورد نظر نصب شده باشند. اطلاعات فراهم آمده، نماینده حالت سیستم در هر لحظه است.
نکته مهم استفاده از اندازه‌گیری فازوری جهت تخمین حالت سیستم آن است که به منظور تخمین حالت سیستم لزومی ندارد که اندازه‌گیری در تمامی نقاط مورد نظر انجام شود. داشتن تعداد محدودی PMU در نقاط کلیدی شبکه به کمک نرم‌افزارهای موجود، کل سیستم را رویت‌پذیر می‌کند و لذا دغدغه مستمری برای نصب PMU های جدید در اثر اجرای طرح‌های توسعه شبکه وجود ندارد.
با توجه به پیشرفت‌هایی که در زمینه استانداردسازی تجهیز PMU و صنعتی کردن تولید آن انجام شده است. هر دستگاه از این تجهیز در حال حاضر در دنیا قیمت مناسبی دارد (رقمی در حدود 3500 دلار کانادا)، اما با توجه به جمع هزینه تجهیز و لینک مخابراتی مورد نیاز، بعلاوه هزینه‌های مربوط به سرویس‌ و نگهداری آن هنوز هم سعی بر این است که تعداد PMUهای نصب شونده در سیستم محدود باقی بماند و با روش‌های آنالیز و تخمین حالت خطی با داشتن مدل شبکه و خط انتقال، تخمین حالت سیستم را با داده‌های محدود انجام دهند. بعلاوه روش‌هایی وجود دارند که می‌توان به کمک آنها با استفاده از همان نرم‌افزارهای سنتی قدیمی تخمین حالت را انجام داد و سپس در مرحله آخر هر دور از تکرار عملیات با استفاده از اندازه‌گیری‌های فازوری زمان واقعی نتایج را اصلاح کرد.

حفاظت‌های خاص
زمینه دیگری که زیرساخت WAMS نقش مهمی در آن ایفا می‌کند، موضوع افزایش قابلیت اعتماد در عملکرد صحیح سیستم‌های حفاظتی در شرایط استرس ویژه است. سیستم معمول حفاظتی شامل یک حفاظت اولیه است که با تعدادی حفاظت پشتیبان حمایت می‌شود. این سیستم حفاظتی قابلیت اطمینان بالایی دارد زیرا به هر حال خطا توسط حفاظت اصلی و یا حفاظت‌های پشتیبان پاک می‌شود. موضوع حائز اهمیت در این مقوله، عملکرد بعضی حفاظت‌های خاص در سیستم نظیر تریپ ژنراتور در اثر عملکرد رله‌های out of step و یا عملکرد رله‌های قطع بار ولتاژی یا فرکانسی در سیستم قدرت است. در هنگام وقوع اغتشاشات سخت، شرایطی وجود دارد که قطع سیستم حفاظتی باعث افزایش دامنه خطا و وقوع قطعی‌های پی‌در پی می شود و لذا به تاخیر انداختن یا بلوکه کردن عملکرد این نوع حفاظت‌ها و یا منوط کردن عملکرد آنها به دریافت اطلاعات وسیع‌تری از سایر نقاط سیستم، نتایج بهتری از نظر نجات سیستم از فروپاشی را در بر دارد. مکانیزم این کار به این ترتیب است که منطق عملکرد رله که در حالت عادی بلافاصله پس از مشاهده هر خطا، منجر به فرمان عملکرد بریکر می‌شود را عوض کنند. به این ترتیب که تریپ بریکر در این شرایط منوط به دریافت سیگنال فرمان ترکیبی باشد.
این سیگنال از ترکیب منطقی سیگنال فرمان مستقیم رله با یک یا چند سیگنال که از اندازه‌گیری راه دور سایر پارامترهای کلیدی در شبکه ایجاد می‌شوند، حاصل می‌شود.
به این ترتیب، یک حفاظت تطبیقی با استفاده از نگاه وسیع‌تر به حادثه اتفاق افتاده در کل شبکه ایجاد می‌شود. این ایده برای اولین بار روش‌های حفاظتی خاص یا سیستم حفاظتی خاص (SPS) نام گرفت. اگر چه این نام (SPS) بعدها به صورت کلی‌تر به همه روش‌های اصلاحی (RAS) که برای نجات سیستم از وضعیت اضطراری به کار می‌روند اطلاق شد. روش‌های حفاظت تطبیقی شامل تنظیم نواحی تحت پوشش رله‌های دیستانس، حفاظت ترانسفورمر، حفاظت ژنراتور، نحوه عملکرد ریکلوزرها، رله‌های out of step و رله‌های قطع بار ولتاژی و فرکانسی هستند.

مطالعات امنیت و پایداری شبکه
امنیت سیستم قدرت عبارت است از احتمال آنکه سیستم توانایی گذر موفق از اغتشاشات وارد شونده بر آن Contingency)ها) بدون اینکه قطع سرویس‌دهی برای تمامی یا گروهی از مشترکان پیش آید را داشته باشد. این امر بستگی به میزان مقاوم‌بودن سیستم در برابر اغتشاشات قریب‌الوقوع داشته و لذا به شرایط بهره‌برداری و همچنین احتمال وقوع اغتشاشات وابسته است. به عبارت بهتر، امنیت سیستم به معنای میزان مقاوم بودن آن ‌سیستم در برابر اغتشاشات است پس از آنکه سیستم قدرت وادار به تغییر وضعیت در اثر بروز اغتشاش مورد نظرشد. این شرط که پس از پایان یافتن تغییر، سیستم در شرایط بهره‌برداری جدیدش «قرار» گیرد به گونه‌ای که هیچگونه تخطی در حدود فیزیکی پارامترها و مقادیر آن مشاهده نشود. حائز اهمیت زیادی است زیرا دلالت بر آن دارد که علاوه بر اینکه شرایط جدید بهره‌برداری باید قابل قبول باشد، سیستم باید از شرایط گذار بین این دو نقطه کار نیز،‌با موفقیت عبور کرده باشد.
لذا از نقطه نظر تحلیل امنیت سیستم، روش‌ها به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند:
- آنالیز امنیت در حالت استاتیکی که در آن با استفاده از روش‌های استاتیکی، شرایط بعد از وقوع اغتشاش مورد بررسی قرار می‌گیرند (و از بررسی دوره گذار از یک نقطه کار به نقطه کار دیگر و فعال شدن دینامیک سیستم در این بازه زمانی صرف‌نظر می‌شود). این بررسی نشان می‌دهد که آیا پس از وقوع این خروج یا اغتشاش نقطه کار قابل قبول دومی وجود دارد که سیستم در آن ‌قرار گیرد به طوری که هیچکدام از مقادیر نامی کمیت‌ها دچار تخطی از حدودشان نشده باشند.
- آنالیز امنیت در حالت دینامیکی که به بررسی وقوع حالت‌های مختلف ناپایداری در سیستم قدرت می‌پردازد. لذا آنالیز پایداری بخش جدایی ناپذیری از ارزیابی امنیت سیستم است و از همین رو مطالعات مربوط به پیش‌بینی ناپایداری و مطالعات امنیت دینامیکی مفهوم یکسانی دارند.
مطالعات امنیت شبکه کاربرد فراوانی در طراحی، توسعه، اصلاح عملکرد شبکه و یا حفظ پایداری سیستم قدرت دارد. این مطالعات می‌توانند به یکی از دو صورت off-line یا on-line انجام شوند که هر یک کاربردهای خاص خود را دارند:
- مطالعات off-line که با شبیه‌سازی سیستم قدرت موجود (با افزودن طرح‌های توسعه آتی) در صورت نیاز انجام می‌شود نقاط ضعف سیستم را با اعمال سناریوهای خروج مختلف شناسایی کرده و به اصلاح ساختار سیستم با افزودن ادوات کنترلی، نصب خطوط جدید و ... می‌پردازد. اینکار جهت مکان‌یابی تجهیزات کنترلی در شبکه بسیار مناسب است و در مرحله طراحی و توسعه شبکه بکار می‌رود.
- مطالعات on-line که در مرحله بهره‌برداری از شبکه مطرح است و جهت اعمال سناریوهای کنترلی مناسب (با استفاده از کنترل‌کننده‌های موجود در شبکه)، کلید‌زنی ادوات تولید‌کننده توان راکتیو، قطع نیروگاه، بارزدایی و ... بکار می‌رود. مطالعات امنیت On-line بر روی شبکه در حال بهره‌برداری، در هر لحظه اطلاعات زیر را در اختیار مسوولان قرار می‌دهد:
1) برآورد وضعیت سیستم از نقطه نظر میزان مستعد بودن آن برای وقوع ناپایداری یا برآورد حاشیه امنیت سیستم تا نقطه ناپایداری، این کار در مورد هر یک از انواع ناپایداری ولتاژ، زاویه‌ای روتور و ناپایداری فرکانسی در بازه‌های زمانی کوتاه‌مدت و بلند‌مدت انجام می‌شود. به کمک این مطالعات می‌توان با استفاده از روش‌های مناسب بهینه‌سازی کنترل‌های پیشگیرانه یا اصلاحی که برای بهبود وضعیت سیستم و جلوگیری از وقوع ناپایداری لازم است را تعیین کرد.
2) برآورد نوع و شدت ناپایداری قریب‌الوقوع: در این صورت حاشیه امنیتی از دست رفته و یا با وقوع contingency اخیر در حال از دست رفتن است و باید از نتایج آنالیز، به سرعت برای اعمال کنترل‌های اضطراری در شبکه جهت محدودسازی دامنه ناپایداری و بازگرداندن سیستم به وضعیت پایدار استفاده کرد. این کنترل‌ها با توجه به کوتاه‌ بودن فرصت اعمال کنترل اضطراری و سخت بودن شدت خطای به وقوع پیوسته، شامل بارزدایی سریع (یا قطع سریع ژنراتور) است.
برای هر یک از دو منظور فوق‌الذکر پایش سیستم قدرت و آنالیز اطلاعات باید در فواصل زمانی مقتضی انجام پذیرد. بنابراین همچنانکه مشاهده می‌شود آنالیز امنیت دینامیکی یکی از مهمترین موارد کاربرد امکانات سیستم‌های WAMS در شبکه است.
جهت انجام این مطالعات باید درک صحیحی از وقوع اغتشاش محل وقوع و نوع خطای بوقوع پیوسته داشته باشیم. در سیستم‌های معمول، این اطلاعات تنها می‌توانند با توجه به مانیتور عملکرد سیستم حفاظتی تعیین شوند و در صورت نیاز به ارسال به مرکز کنترل اینکار توسط سیستم اسکادا صورت می‌گیرد که با توجه به محدودیت سرعت و پهنای باند سیستم اسکادا، دریافت اینگونه اطلاعات به صورت زمان واقعی می‌تواند فقط از تعداد محدودی موقعیت‌های حساس در شبکه انجام شود که آن هم با توجه به کندی و محدودیت‌ باند سیستم اسکادا به کندی صورت می‌گیرد. بنابراین آنالیز زمان واقعی امنیت شبکه و اعمال کنترل‌های متعاقب آن با استفاده از امکانات سیستم اسکادا بخصوص در مورد تغییر حالت‌های ناگهانی و سریع و نشانه‌های وقوع ناپایداری‌های کوتاه‌مدت در شبکه عملی نیست.
با استفاده از امکانات WAMS تصویر لحظه‌ای از ساختار شبکه، عملکرد المان‌های حفاظتی وضعیت المان‌های کنترلی، مشخصه‌های بار و تولید، به حد رسیدن یا نرسیدن منابع تولید توان راکتیو. وضعیت فرمان رله‌ها و ... تهیه و در اختیار نرم‌افزارهای آنالیز امنیت در مراکز کنترل قرار می‌گیرد.
بعلاوه تخمین حالت سیستم در لحظه قبل از وقوع خطا موجود است که می‌تواند به عنوان حالت پایه و شرایط اولیه برای شروع به کار نرم‌افزارهای آنالیز شبکه بکار رود.
در مورد وقوع خطاهای متوالی، ترتیب زمانی وقوع خطا، محل تقریبی هر خطا و عملکرد سیستم‌های حفاظتی و اثرات آن در سیستم و همچنین محدوده‌های تاثیر خطا به روشنی در اختیار قرار می‌گیرد. نتایج بررسی امنیت دینامیکی سیستم جهت تعیین اقدامات کنترلی لازم، برای پیشگیری از وقوع خطاهای گسترده و افزایش حاشیه امنیتی سیستم و یا انجام اقدامات سریع اضطراری برای جلوگیری از ناپایداری و خاموشی‌های فراگیر به کار می‌رود.

نتیجه‌گیری
مشاهده می‌شود سرعت و دقت بالای واحدهای اندازه‌گیری فازوری (PMU) در مقایسه با سیستم اسکادا و اندازه‌گیری هم‌زمان فاز کمیت‌های ولتاژ و جریان از مزیتهای PMU است. نکته مهم قابل ذکر، توجه به کاربردهای مختلف واحدهای اندازه‌گیری فازوری در ابعاد محلی و سراسری مانند محاسبه پارامترهای خط، نمایش حرارتی خطوط انتقال، تخمین حالت، حفاظتهای خاص و مطالعه امنیت و پایداری شبکه است. به طوری که با استفاده از این کاربردها، تحول عظیمی در کنترل و مدیریت شبکه‌های قدرت به وجود آمده است.
نکته مهم دیگر این است که چون PMUها فازورهای ولتاژ و جریان تمام شاخه‌ها را هم‌زمان اندازه‌گیری می‌کنند لذا لازم نیست که در همه شینها نصب شوند و داشتن تعداد محدودی PMU در نقاط کلیدی شبکه به کمک نرم‌افزار‌های موجود، کل سیستم را رویت‌پذیر می‌کند و لذا دغدغه مستمری برای نصب PMUهای جدید در اثر اجرای طرح‌های توسعه شبکه وجود ندارد. از طرفی ضرورت استفاده از SPS های پیشرفته جهت ممانعت از بروز خاموشی‌های گسترده در شبکه قدرت، با توجه به ویژگی‌های کنونی شبکه‌های قدرت و چشم‌انداز آتی آن، هر روز بیشتر احساس می‌شود. امروزه با پیشرفت سیستم‌های مخابراتی، نصب PMUها در شبکه و وجود نرم‌افزارهای سریع آنالیز اطلاعات، این SPSها با استفاده از امکانات سیستم دو طرفه پایش و کنترل فراگیر طراحی و اجرا می‌شوند. تلاش و تحقیق جهت ایجاد SPS‌های مطمئن‌تر، موثرتر، مقاوم‌تر و سریعتر در جهان ادامه دارد. موفقیت بیشتر در این زمینه از یک سو متکی بر توسعه الگوریتم‌ها و نرم‌افزارها، نظیر الگوریتم‌های مبتنی بر هوش مصنوعی، ابداع روش‌های سریع آنالیز شبکه، روش‌های معادل سازی شبکه و ... بوده و از سوی دیگر مستلزم افزایش سرعت سخت افزارها و کامپیوترهاست. در همین حال نصب سطوح مختلفی از این سیستم‌ها در کشورهای مختلف جهان آغاز شده است که با توجه به مزایا و امتیازات متعدد آنها ضرورت توجه متخصصان و مسوولان کشورمان به این مقوله احساس می‌شود.

منبع: -----------