جایابی محدود کننده جریان خطا به روش تصمیم گیری فازی در پست های فشار قوی

نوع مقاله: مقاله علمی فارسی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد- دانشگاه صنعتی بابل- بابل- ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر- دانشگاه صنعتی بابل- بابل- ایران

چکیده

حفاظت تجهیزات پست های فشار قوی به عنوان نقطه ای استراتژیک در شبکه قدرت همواره مورد توجه طراحان شبکه بوده است. با افزایش ظرفیت تولید و اتصال شبکه های مجاور به یکدیگر سطح جریان خطا افزایش خواهد یافت. این تغییرات منجر به افزایش احتمال تخریب تجهیزات پست های فشار قوی خواهد شد. لذا، محدود کننده های جریان خطا برای امکان پاک سازی سریع و مطمئن خطا مورد استفاده قرار می گیرند. در این مقاله، طرح بهره برداری بهینه از محدود کننده جریان خطا در پست های فشار قوی بر مبنای معیارهای کاهش سطح جریان خطا و تغییر شاخص های قابلیت اطمینان مورد بررسی قرار می گیرد. این دو معیار به منظور مقایسه مکان های مختلف برای تخصیص محدود کننده جریان خطا در پست های فشار قوی بکار می رود. در انتها، از روش تصمیم گیری فازی، که برای حل مسائل چند معیاری با ماهیت متفاوت مناسب می باشد، برای تعیین مکان بهینه محدود کننده جریان خطا در پست فشار قوی مورد مطالعه استفاده خواهد شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Placement of Fault Current Limiter in HV Substations with Fuzzy Decision Method

نویسندگان [English]

  • hossein yosefi-golafshani 1
  • mohammad mirzaie 2
1 Babol University of Technology
2 Babol University of Technology
چکیده [English]

HV substations equipment protection as a strategic point on the power network always has attracted attention of power planners. An increase in the generation capacity and interconnected operation of neighboring grids can result in an increase in the fault currents during a contingency in a power system. The increased fault currents may exceed the maximum fault current rating of existing protective apparatus. Therefore FCLs are used which perform switching operations quickly and safely in the event of a power system fault. This study proposes a methodology for determining the location of FCL by considering the reduction of fault current and the reliability indices according to the location of FCL in a conventional arrangement such as one breaker and half. Finally, the fuzzy decision method which is suitable for solving problems with no advantages respect to each other to determine the optimal location of FCLs is used.

کلیدواژه‌ها [English]

  • HV substations
  • reliability indices
  • fuzzy decision method
  • fault current limiter

1- مقدمه

[1]

طراحی پست‏های فشار قوی و بهره‏برداری از آن بخش بزرگی از هزینه‏های شبکه‏های قدرت را شامل می‏شود. اما طراحی پست‏های فشار قوی تنها با این دیدگاه نمی‏تواند پاسخگوی نیازهای متنوع نظیر شرایط وقوع خطا باشد. طراحی پست‏های فشار قوی تنها با توجه به دیدگاه یاد شده به وقفه‏های متعدد و طولانی مدت در پخش توان منجر می‌شود که از دید مصرف کننده نامطلوب است. سطح جریان خطا که در تعیین ظرفیت قطع کلیدهای قدرت بسیار موثر است از جمله عواملی است که باید مورد توجه طراحان پست‏های فشار قوی قرار گیرد. با توسعه شبکه‏های برق و احداث واحدهای تولیدی جدید در برابر افزایش تقاضا و همچنین، اتصال شبکه‏های مجاور برای بهبود شاخص‏های قابلیت اطمینان و کیفیت توان، سطح جریان خطا در فیدرهای پست‏های فشار قوی افزایش خواهد یافت. با افزایش سطح جریان خطا و تجاوز آن از ظرفیت قابل قطع کلیدهای قدرت، تعویض کلیدهای قدرت امری ضروری خواهد بود. با افزایش ظرفیت قابل قطع کلیدهای قدرت هزینه‏های تعمیر و نگهداری آن‏ها افزایش پیدا خواهدکرد. بنابراین، کاربرد روش‏هایی برای کاهش سطح جریان خطا در پست‏های فشار قوی امری ضروری به نظر می‏رسد [1].

برای محدودسازی جریان خطا معمولاً از جدا‏سازی مسیر شین‏ها و ترانسفورماتورهای با امپدانس بالا استفاده می‏شود. در سال‏های اخیر با سرمایه‏گذاری که توسط نهادهای دولتی و خصوصی در کشورهای مختلف در زمینه تکنولوژی‏های محدود کننده جریان خطا‏ (FCL) انجام شده است، پیشرفت‏های زیادی در این زمینه حاصل شده است که نتایج آن را می‏توان در تعداد در خور توجه مقالات و نشریات به چاپ رسیده مشاهده کرد [2-5]. محدود کننده‏های جریان خطا تجهیزاتی با امپدانس متغیر هستند که در شرایط عادی شبکه امپدانسی از خود نشان نمی‏دهند ولی در شرایط خطا امپدانس قابل ملاحظه‏ای از خود نشان می‏دهند [5]. امروزه تکنولوژی‏های مختلفی از محدود کننده‏های جریان خطا ارایه شده است که از مهم‏ترین آن‏ها می‏توان به محدود کننده‏های جریان خطای ابررسانا [6]، نیمه هادی [7] و مغناطیسی [8] اشاره کرد.

در [9]، قابلیت اطمینان محدود کننده جریان خطا به عنوان یک تجهیز و با مطالعه ساختار درونی آن بررسی شده است. در [10]، انواع نرخ خرابی محدود کننده جریان خطا مطالعه شده است. مطالعات قابلیت اطمینان آرایش‏های مختلف پست فشار قوی در حضور محدود کننده جریان خطا در [11] بررسی شده است؛ اما، اشاره‏ای به اثر مکان محدود کننده بر شاخص‏های قابلیت اطمینان نشده است. جایابی محدود کننده جریان خطا در شبکه توزیع با توجه به سطح محدود‏سازی جریان خطا و بدون در نظر گرفتن شاخص‏های قابلیت اطمینان در [12] بررسی شده است.

هدف از این مقاله، ارایه روشی برای جایابی بهینه محدود کننده جریان خطا در پست‏های فشار قوی است. برای این امر از معیارهایی نظیر سطح محدود‏سازی جریان خطا و شاخص‏های قابلیت اطمینان استفاده شده است. همچنین، از روش تصمیم‏گیری فازی، که روشی مناسب برای حل مسائل با معیارهایی با ماهیت متفاوت است، برای تعیین مکان بهینه محدود کننده جریان خطا در پست فشار قوی مورد مطالعه، استفاده شده است.

2- محدود‏سازی جریان خطا در پست‏های فشار قوی

به لحاظ شینه‏بندی، آرایش‏های مختلفی از پست‏های فشار قوی وجود دارد. تفاوت آرایش‏های موجود به لحاظ دو شاخص اساسی قابلیت اطمینان و هزینه سرمایه گذاری است. برخی آرایش‏ها از قبیل پست‏های یک و نیم کلیدی و دو کلیدی دارای قابلیت اطمینان بالاترند ولی هزینه احداث بالایی دارند. از این آرایش‏ها معمولاً برای پست‏های با اهمیت بالا که وقفه در تحویل توان حتی برای مدت کوتاه از دید مصرف کننده نامطلوب است استفاده می‏شود. در مقابل آرایش‏های ساده دارای قابلیت اطمینان کمتر و هزینه احداث پایین‏تری است و برای پست‏هایی که قطع تحویل توان در مواقع اضطراری برای آن‏ها قابل تحمل است استفاده می‏شود.

افزایش سطح جریان اتصال کوتاه، می‏تواند ضمن ایجاد تنش حرارتی شدید و بیش از حد تحمل تجهیزات و هادی‏های الکتریکی، تخریب آن‏ها را به همراه داشته باشد. افزون بر این، جریان اتصال کوتاه می‏تواند تنش‏های مکانیکی شدیدی را نیز بر سیستم عایقی تجهیزات فشار قوی (عایق‏های جامد) اعمال کند. اگرچه ممکن است تنش‏های مکانیکی ناشی از اتصال کوتاه، موجب تخریب آنی عایق‏های تجهیزات فشار قوی نشود؛ اما، به تدریج و در طول مدت بهره‏برداری می‏تواند ضمن پیری عایق تجهیزات، تخریب و خروج آن‏ها را از شبکه میسر سازد. بنابراین، نصب محدودکننده جریان خطا در پست‏های فشار قوی می‏تواند ضمن کمک به کلیدهای قدرت، برای رفع سریع و مطمئن خطا، محافظت تجهیزات را نیز منجر شود.

 

3- الگوی پیشنهادی برای جایابی محدود کننده جریان خطا

الگوی ارایه شده در این مقاله برای جایابی بهینه محدود کننده جریان خطا در پست‏های فشار قوی با آرایش‏های مختلف و با ملاحظه سطح جریان خطا قابل اجراست. در این مقاله، الگوی پیشنهادی برای نمونه بر روی آرایش پست یک و نیم کلیدی که در شکل (1) نشان داده شده مورد بررسی قرار گرفته است. به لحاظ حفظ یکپارچگی، انعطاف‏پذیری در تحویل توان و ماهیت یک و نیم کلیدی پست‏های فشار قوی، فیدرهای ورودی، خروجی و محل جداسازی مسیر شین‏ها‏، به عنوان مکان نصب محدود کننده جریان خطا در نظر گرفته شده است که در شکل (1) نشان داده شده است.

 

 

شکل (1): پست فشار قوی یک و نیم کلیدی مورد مطالعه

 

سطح محدودسازی با توجه به امپدانس محدود کننده جریان خطا و مکان نصب آن متفاوت خواهد بود. به همین علت از سطح جریان خطا به عنوان یک عامل برای تعیین مکان مناسب محدود کننده جریان خطا در پست فشار قوی مورد مطالعه، استفاده شده است. اما پس از محدود‏سازی جریان خطا تغییر دیگری هم در پست‏های فشار قوی ایجاد می‏شود. محدود کننده جریان خطا به عنوان عنصری که به شکل سری در پست‏های فشار قوی قرار خواهد گرفت شاخص‏های قابلیت اطمینان نقاط بار نظیر میانگین نرخ خرابی (λ) و عدم دسترس پذیری سالانه (u) را می‏تواند با تغییر نامطلوب مواجه کند. بنابراین در این مقاله، از معیارهای یاد شده برای تعیین مکان مناسب نصب محدود کننده جریان خطا استفاده خواهد شد.

 

3-1- تحلیل جریان خطا

در این مقاله، از جریان خطا به عنوان یکی از معیارها برای جایابی محدود کننده جریان خطا استفاده شده است. نصب محدود کننده جریان خطا در مکان‏های مختلف می‌تواند با هدف بهبود عملکرد کلیدهای قدرت و یا محافظت تجهیزات در مقابل جریان اتصال کوتاه انجام گیرد. حضور محدود کننده جریان خطا در مکان‏های مختلف به لحاظ محدود‏سازی جریان خطای مجموع و جریان خطای عبوری از تجهیزات مورد نظر جهت حفاظت متفاوت خواهد بود. از رابطه (1) می‏توان به عنوان تابع هدف برای تحلیل جریانی پست فشار قوی مورد مطالعه در حضور محدود کننده جریان خطا استفاده کرد. ‏

‏(1)

 

 

در این رابطه α ضریب حساسیت محدود‏سازی مجموع جریان خطای پست فشار قوی مورد مطالعه است و از دیدگاه کلیدهای قدرت که وظیفه قطع جریان خطا را بر عهده خواهند داشت، بسیار مهم است. ضریب حساسیت β مربوط به محدودسازی جریان خطا در شاخه‏های ترانسفورماتورهای قدرت است. همچنین،، ،  به ترتیب جریان خطای مجموع و عبوری از شاخه‌های ترانسفورماتور 1 و 2 بر حسب کیلو آمپر هستند.

 

3-2- تحلیل شاخص‌های قابلیت اطمینان

محدود‏سازی جریان خطا در پست‏های فشار قوی می‌تواند تاثیر ناخواسته‏ای بر روی شاخص‏های قابلیت اطمینان نقاط بار داشته باشد. هدف از این قسمت تعیین مکان مناسب برای محدود کننده جریان خطا با کم‏ترین تغییرات در شاخص‏های قابلیت اطمینان است. برای این امر، ابتدا باید شاخص‏های قابلیت اطمینان نقاط بار برای حالات بهره‏برداری مختلف محاسبه شوند. برای محاسبه شاخص‏های قابلیت اطمینان از روش کوچک‏ترین مجموعه‌های انقطاع غیر تکراری استفاده شده است. جزئیات مربوط به نحوه محاسبه شاخص‏های قابلیت اطمینان با این روش برای پست‏های فشار قوی در [11 و 13] به طور مفصل بیان شده است.

برای حالتی که وقوع خطا در تجهیزی به تنهایی باعث وقفه در تحویل توان شود از نرخ خرابی (λ) و زمان تعمیر (r) همان تجهیز برای تعیین زمان دسترس ناپذیری نقطه بار استفاده خواهد شد که با رابطه (2) بیان می‏‏شود. همچنین، برای حالتی که وقوع خطای هم‏زمان دو تجهیز باعث وقفه در تحویل توان شود از نرخ خرابی و زمان تعمیر معادل که با رابطه‏های (3) و (4) محاسبه خواهند شد، استفاده می‏شود و محاسبه زمان دسترس‏ناپذیری همانند رابطه (2) برای λ و r معادل محاسبه خواهد شد. از وقوع خطای هم‏زمان بیش از دو تجهیز به علت احتمال وقوع پایین صرفه نظر شده است.

‏(2)

 

‏(3)

 

‏(4)

 

 

در نهایت، نرخ خرابی متوسط () و زمان دسترس نبودن () مجموع نقاط بار با توجه به کل حالت‌های وقوع خطا می‏تواند با استفاده از رابطه‏های (5) و (6) محاسبه شود. در این رابطه‏ها FM و l به ترتیب بیانگر تعداد حالات وقوع خطا برای هر نقطه بار و شماره نقطه بار هستند.

 

‏(5)

 

‏(6)

 

 

3-3- تصمیم‏گیری به روش فازی

معیارهایی که در این مقاله، برای جایابی محدود کننده جریان خطا در پست‏ فشار قوی مورد مطالعه، در نظر گرفته شده است به ترتیب جریان خطا، متوسط نرخ خرابی و دسترس‏ناپذیری سالانه نقطه بار است که به لحاظ ماهیت با یکدیگر متفاوت هستند. بنابراین، به طور مستقیم قابل سنجش و مقایسه با یکدیگر نخواهند بود. تصمیم‏گیری به روش فازی برای حل مسائل با معیارهای چند گانه و با ماهیت متفاوت مناسب است [14]. شکل (2) شماتیک ساده این مدل تصمیم‏گیری را نشان می‏دهد و رابطه ریاضی آن رابطه (7) است.

 

 

شکل (2): نمای مدل ریاضی ارایه شده برای تصمیم‏گیری فازی

 

در این روش، با توجه به تعداد معیارهای مورد نظر برای تعیین مکان بهینه محدود کننده جریان خطا، چندین تابع  وجود خواهد داشت. تصمیم‏گیری به روش فازی بر این اصل استوار است که هر یک از معیارها از ماهیت اصلی خود خارج شده و مقداری بین صفر و 1 به عنوان درجه عضویت به آن می‏گیرد که با  نمایش داده می‏شود.  حد مطلوب معیار مورد نظر بین مکان‏های مختلف است و درجه عضویت آن در حالت فازی 1 خواهد بود. به همین ترتیب  حد نامطلوب معیار مورد نظر بین مکان‏های مختلف است و درجه عضویت آن در حالت فازی صفر خواهد بود. همچنین مکان‏هایی که از نظر معیار مورد نظر بین حد مطلوب و حد نامطلوب قرار خواهند گرفت مقداری بین صفر و 1 را با توجه به رابطه (7) به خود اختصاص خواهند داد.

 

 

‏(7)

 

بعد از تغییر ماهیت مقادیر معیارهای مختلف به اعداد فازی می‏توان آن‏ها را با یکدیگر سنجید و مناسب‏‏ترین مکان را برای محدود کننده جریان خطا انتخاب کرد. در این مقاله، از روش max)‏ (min برای روش تصمیم‏گیری فازی استفاده شده که رابطه‏های آن در (8) و (9) بیان شده است.

 

 

‏(8)

 

‏(9)

     

در این روش، ابتدا برای هر یک از مکان‏های مورد نظر برای نصب محدود کننده جریان خطا مقدار کمینه از بین معیارهای مورد نظر () در حالت فازی انتخاب خواهد شد. سپس، از بین مقادیر کمینه انتخاب شده، مکانی که مقدار بیشینه به آن تعلق دارد () بهترین مکان برای نصب محدود کننده جریان خطا در پست فشار قوی مورد نظر خواهد بود.

 

4- مطالعات عددی و تحلیل نتایج

مکان‏های مورد نظر برای تخصیص محدود کننده جریان خطا در پست فشار قوی مورد مطالعه در جدول (1) ارایه شده است.

 

جدول (1): مکان‏های مورد نظر برای نصب محدود کننده جریان خطا در پست فشار قوی

شماره حالت

مکان محدود کننده جریان خطا در پست فشار قوی

0

بدون محدود کننده جریان خطا

1

محدود کننده جریان خطا در فیدر‏های ورودی

2

محدود کننده جریان خطا در فیدر‏های خروجی

3

محدود کننده جریان خطا در محل جداسازی مسیر شین‏ها

 

شایان ذکر است در این مقاله برای بررسی سناریوهای مختلف برای جایابی، از دو محدود کننده جریان خطا استفاده شده است. به لحاظ مسائل اقتصادی نصب محدود کننده جریان خطا در همه فیدرهای خروجی امکان‏پذیر نیست؛ اما، فیدرهایی که بیش‏ترین سهم از جریان خطا را دارند برای نصب محدود کننده جریان خطا انتخاب خواهند شد. برای پست فشار قوی مورد مطالعه، با توجه به سهم جریان خطای هر یک از فیدرهای خروجی که در ضمیمه اشاره شده است، فیدرهای L2 و L6 انتخاب خواهند شد.

 

4-1- محاسبات جریان خطا

شیبه‏سازی پست فشار قوی مورد مطالعه به علت تحلیل جریان خطا در محیط نرم افزار DIgSILENT و با فرض وقوع خطای سه فاز به زمین، انجام شده است. برای محاسبات مربوطه از داده‏های خطوط انتقال در مرجع [15] استفاده شده است. سهم جریان اتصال کوتاه هر یک از فیدرهای ورودی و خروجی متصل به پست فشار قوی در ضمیمه آمده است. شایان ذکر است برای بررسی عملکرد الگوریتم ارایه شده، محدود کننده جریان خطا در شبیه‏سازی‏ها با راکتانس نوعی 20 اهمی مدل شده است. قابل توجه است اثر اندازه راکتانس محدود‏سازی در جایابی محدود کننده جریان خطا در قسمت 4-3 این مقاله بررسی شده است.

همان‏طور که از نتایج شبیه‏سازی در جدول (2) مشخص است حضور محدود کننده جریان خطا در شاخه‏های ورودی تأثیر محسوسی در کاهش جریان خطای کل پست فشار قوی نخواهد داشت ولی در حفاظت ترانسفورماتورهای قدرت مؤثر است. همچنین، حضور محدود کننده جریان خطا در شاخه‏های خروجی در حفاظت ترانسفورماتور‏های قدرت نقشی نخواهد داشت.

 

جدول (2): نتایج تحلیل جریان خطا توجه به مکان محدود کننده جریان خطا

شماره حالت

     

0

38/54

052/5

052/5

1

51/51

61/3

61/3

2

02/46

052/5

052/5

3

32/40

052/5

44/2

 

نصب محدود کننده جریان خطا در محل جداسازی مسیر شین‏ها می‏تواند تاثیر مطلوبی در کاهش جریان خطای پست فشار قوی مورد مطالعه داشته باشد. ولی در مورد حفاظت از ترانسفورماتورهای قدرت در مقابل جریان خطا تأثیر‏گذاری کم‏تری نسبت به نصب محدود کننده جریان خطا در شاخه‏های ورودی خواهد داشت. برای مثال اگر پست مورد مطالعه به دو بخش چپ و راست تقسیم شود و محدود کننده جریان خطا در محل جداسازی مسیر شین‏ها قرار داشته باشد با وقوع خطای اتصال کوتاه در بخش راست پست، محدود کننده جریان خطا تأثیری در جریان اتصال کوتاه عبوری از شاخه ترانسفورماتور سمت راست نخواهد داشت و برعکس.

برای تعیین مکان محدود کننده جریان خطا با استفاده از تحلیل جریانی سه حالت درنظر گرفته شده است. در حالت اول حساسیت محدود‏سازی جریان خطا برای عملکرد مطلوب تجهیزات حفاظتی نظیر کلیدهای قدرت و حفاظت ترانسفورماتورها برابر است. در حالت دوم عملکرد مناسب کلیدهای قدرت مطلوب طراح شبکه است. در حالت سوم حفاظت ترانسفورماتورها بعد از وقوع خطای اتصال کوتاه مطلوب طراح شبکه است. نتایج این تحلیل در جدول (3) ارایه شده است.

 

جدول (3): محاسبه (FCS) برای ضرایب حساسیت مختلف محدود‏سازی جریان خطا

شماره حالت

5/0=α

5/0=β

9/0=α

1/0=β

1/0=α

9/0=β

0

24/32

95/49

53/14

1

36/29

08/47

65/11

2

06/28

43/42

69/13

3

91/23

03/37

77/10

 

4-2- محاسبه شاخص‏های قابلیت اطمینان

برای مشاهده عملکرد محدود کننده‏های جریان خطا در پست‏های فشار قوی که با مشکل جریان اتصال کوتاه مواجه‏اند مطالعه شاخص‏های قابلیت اطمینان با توجه به طرح استاندارد حفاظتی ضروری به نظر می‏رسد. در این بررسی دو حالت بهره‏برداری از پست فشار قوی مورد مطالعه برای تحلیل شاخص‏های قابلیت اطمینان در حضور محدود کننده جریان خطا در نقاط مختلف فرض شده است.

در حالت اول هر یک از ترانسفورماتور‏ها به تنهایی قادر به تغذیه تمام نقاط بار خواهند بود. در حالت دوم بعد از خروج هر یک از ترانسفورماتورها از مدار یکی از نقاط بار هم از مدار خارج خواهد شد و دو نقطه بار باقی مانده از ترانسفورماتور سمت دیگر تغذیه خواهند شد.

محاسبات مربوط به تحلیل شاخص‏های قابلیت اطمینان برای مکان‏های مورد نظر، برای نصب محدود کننده جریان خطا با استفاده از رابطه‏های (2) تا (6) و داده‏های مربوط به نرخ خرابی و زمان تعمیر تجهیزات که در ضمیمه آمده است [16]، انجام شده و در جدول‏های (4) و (5) ارایه شده است.

 

جدول (4): متوسط نرخ خرابی و دسترس ناپذیری سالانه در شرایط بهره‏برداری حالت اول

شماره حالت

‏ (f/yr)

‏ (hr/yr)

0

362406/0

950496/3

1

36273/0

950796/3

2

396406/0

301984/6

3

371406/0

959496/3

 

جدول (5): متوسط نرخ خرابی و دسترس ناپذیری سالانه در شرایط بهره‏برداری حالت دوم

شماره حالت

‏ (f/yr)

‏ (hr/yr)

0

392404/0

700464/4

1

42662/0

550664/5

2

429404/0

054925/7

3

401404/0

649464/4

 

4-3- تصمیم‏گیری فازی برای تعیین مکان بهینه محدود کننده جریان خطا

با توجه به این‏که معیارهای مورد نظر برای تعیین مکان محدود کننده جریان خطا در پست فشار قوی مورد مطالعه از یک جنس نیستند، در این قسمت با استفاده از مدل تصمیم‏گیری فازی ارایه شده مقادیر معادل معیارهای مورد نظر در محیط فازی محاسبه شده و در جدول‏های (6) تا (8) ارایه شده است.

 

جدول (6): مقادیر معادل فازی FCS برای مطالعات تحلیل جریانی

شماره حالت

5/0=α

5/0=β

9/0=α

1/0=β

1/0=α

9/0=β

0

0

0

0

1

345/0

222/0

767/0

2

500/0

582/0

222/0

3

1

1

1

 

جدول (7): مقادیر مربوط شاخص‏های قابلیت اطمینان در محیط فازی برای بهره‏برداری حالت اول

شماره حالت

‏ (f/yr)

‏ (hr/yr)

0

1

1

1

990/0

999/0

2

0

0

3

735/0

996/0

 

جدول (8): مقادیر مربوط شاخص‏های قابلیت اطمینان در محیط فازی برای بهره‏برداری حالت دوم

شماره حالت

‏ (f/yr)

‏ (hr/yr)

0

1

1

1

075/0

638/0

2

0

0

3

7567/0

996/0

 

با توجه به اینکه برای تحلیل جریانی محدود کننده جریان خطا سه حالت و برای تحلیل شاخص‏های قابلیت اطمینان دو حالت در نظر گرفته شده است، در نهایت 6 حالت برای تعیین مکان بهینه محدود کننده جریان خطا وجود خواهد داشت.

حالت اول: در این حالت حساسیت محدود‏سازی جریان خطا برای عملکرد مطلوب کلیدهای قدرت و حفاظت ترانسفورماتورها از نظر طراح شبکه برابر است. همچنین، برای محاسبه شاخص‏های قابلیت اطمینان فرض شده است که هر یک از ترانسفورماتور‏ها به تنهایی قادر به تغذیه تمام نقاط بار خواهند بود.

 

جدول (9): مقادیر معادل فازی معیارهای مورد نظر در حالت اول

شماره حالت

     

0

0

1

1

1

345/0

990/0

999/0

2

500/0

0

0

3

1

735/0

996/0

 

در این صورت با توجه به روش پیشنهادی برای تعیین مکان بهینه محدود کننده جریان خطا، مقادیر (0، 345/0، 0، 735/0) از جدول (9) به عنوان مقادیر کمینه برای مکان‏های مختلف انتخاب خواهند شد. از بین این مقادیر انتخاب شده، مقدار بیشینه 735/0 است که مربوط به نصب محدود کننده در محل جداسازی شین‏هاست.

حالت دوم: در این حالت حساسیت محدود‏سازی جریان خطا برای عملکرد مطلوب کلیدهای قدرت و حفاظت ترانسفورماتورها از نظر طراح شبکه برابر است و برای محاسبه شاخص‏های قابلیت اطمینان فرض شده است که با خروج هر یک از ترانسفورماتور‏ها یکی از نقاط بار هم از تغذیه خارج خواهد شد.

 

جدول (10): مقادیر معادل فازی معیارهای مورد نظر در حالت دوم

شماره حالت

     

0

0

1

1

1

345/0

075/0

638/0

2

500/0

0

0

3

1

7567/0

996/0

 

در این حالت مقادیر (0، 075/0، 0، 7567/0) از جدول (10) به عنوان مقادیر کمینه برای مکان‏های مختلف انتخاب خواهند شد. از بین این مقادیر انتخاب شده، مقدار بیشینه 7567/0 است که مربوط به نصب محدود کننده در محل جداسازی شین‏هاست.

حالت سوم: در این حالت محدود‏سازی جریان خطا برای عملکرد مطلوب کلیدهای قدرت به حفاظت از ترانسفورماتورها توسط طراح شبکه ترجیح داده شده است و برای محاسبه شاخص‏های قابلیت اطمینان فرض شده است که هر یک از ترانسفورماتور‏ها به تنهایی قادر به تغذیه تمام نقاط بار خواهند بود.

در این حالت مقادیر (0، 222/0، 0، 735/0) از جدول (11) به عنوان مقادیر کمینه برای مکان‏های مختلف انتخاب خواهند شد. از بین این مقادیر انتخاب شده، مقدار بیشینه 735/0 است که مربوط به نصب محدود کننده در محل جداسازی شین‏هاست.

جدول (11): مقادیر معادل فازی معیارهای مورد نظر در حالت سوم

شماره حالت

     

0

0

1

1

1

222/0

990/0

999/0

2

582/0

0

0

3

1

735/0

996/0

 

حالت چهارم: در این حالت محدود‏سازی جریان خطا برای عملکرد مطلوب کلیدهای قدرت به حفاظت از ترانسفورماتورها توسط طراح شبکه ترجیح داده شده است و برای محاسبه شاخص‏های قابلیت اطمینان فرض شده است که با خروج هر یک از ترانسفورماتور‏ها یکی از نقاط بار هم از تغذیه خارج خواهد شد.

در این حالت مقادیر (0، 075/0، 0، 7567/0) از جدول (12) به عنوان مقادیر کمینه برای مکان‏های مختلف انتخاب خواهند شد. از بین این مقادیر انتخاب شده، مقدار بیشینه 7567/0 است که مربوط به نصب محدود کننده در محل جداسازی شین‏هاست.

 

جدول (12): مقادیر معادل فازی معیارهای مورد نظر در حالت چهارم

شماره حالت

     

0

0

1

1

1

222/0

075/0

638/0

2

582/0

0

0

3

1

7567/0

996/0

 

حالت پنجم: در این حالت حفاظت ترانسفورماتورها در مقابل جریان اتصال کوتاه مورد نظر طراح است و برای محاسبه شاخص‏های قابلیت اطمینان فرض شده است که هر یک از ترانسفورماتور‏ها به تنهایی قادر به تغذیه تمام نقاط بار خواهند بود.

 

 

جدول (13): مقادیر معادل فازی معیارهای مورد نظر در حالت پنجم

شماره حالت

     

0

0

1

1

1

767/0

990/0

999/0

2

222/0

0

0

3

1

735/0

996/0

 

در این حالت مقادیر (0، 767/0، 0، 735/0) از جدول (13) به عنوان مقادیر کمینه برای مکان‏های مختلف انتخاب خواهند شد. از بین این مقادیر انتخاب شده، مقدار بیشینه 767/0 است که مربوط به نصب محدود کننده در شاخه‏های ورودی است.

حالت ششم: در این حالت حفاظت ترانسفورماتورها در مقابل جریان اتصال کوتاه مورد نظر طراح است و برای محاسبه شاخص‏های قابلیت اطمینان فرض شده است که با خروج هر یک از ترانسفورماتور‏ها یکی از نقاط بار هم از تغذیه خارج خواهد شد.

در این حالت مقادیر (0، 075/0، 0، 7567/0) از جدول (14) به عنوان مقادیر کمینه برای مکان‏های مختلف انتخاب خواهند شد. از بین این مقادیر انتخاب شده، مقدار بیشینه 7567/0 است که مربوط به نصب محدود کننده در محل جداسازی مسیر شین‏هاست.

 

جدول (14): مقادیر معادل فازی معیارهای مورد نظر در حالت ششم

شماره حالت

     

0

0

1

1

1

767/0

075/0

638/0

2

222/0

0

0

3

1

7567/0

996/0

در این قسمت، تاثیر اندازه راکتانس محدود‏سازی در انتخاب مکان محدود کننده جریان خطا بررسی شده است. نتایج تحلیل حساسیت جریانی برای راکتانس محدودسازی مختلف در جدول (15) ارایه شده است.  

 

جدول (15): محاسبه FCS برای تحلیل جریانی برای راکتانس‏های مختلف محدود سازی

مکان نصب FCL

امپدانس FCL

5/0=α

5/0=β

9/0=α

1/0=β

1/0=α

9/0=β

0

0 اهم

24/32

95/49

53/14

1

5 اهم

32/31

04/49

61/13

10 اهم

24/30

93/47

87/12

20 اهم

36/29

08/47

65/11

40 اهم

77/27

48/45

06/10

2

5 اهم

70/30

17/47

22/14

10 اهم

58/29

16/45

99/13

20 اهم

06/28

43/42

69/13

40 اهم

41/26

45/39

35/13

3

5 اهم

97/26

32/41

62/12

10 اهم

31/26

69/40

93/11

20 اهم

91/23

03/37

77/10

40 اهم

25/21

92/32

58/9

 

جدول (16): مقادیر معادل فازی FCS برای تحلیل جریانی برای راکتانس‌های مختلف محدود سازی

مکان نصب FCL

امپدانس FCL

5/0=α

5/0=β

9/0=α

1/0=β

1/0=α

9/0=β

0

0 اهم

0

0

0

1

5 اهم

174/0

106/0

483/0

10 اهم

337/0

218/0

670/0

20 اهم

345/0

222/0

767/0

40 اهم

407/0

263/0

904/0

2

5 اهم

293/0

322/0

167/0

10 اهم

449/0

518/0

205/0

20 اهم

500/0

582/0

222/0

40 اهم

531/0

617/0

236/0

3

5 اهم

1

1

1

10 اهم

1

1

1

20 اهم

1

1

1

40 اهم

1

1

1

 

مقادیر معادل فازی تحلیل حساسیت نسبت به اندازه راکتانس محدود‏سازی در جدول (16) ارایه شده است. نتایج جایابی محدود کننده جریان خطا با استفاده از الگوی ارایه شده، نشان می‏دهد که راکتانس‏ محدودسازی، در تعیین مکان نصب محدود کننده جریان خطا مؤثر است. با توجه به جدول (17)، به ازای راکتانس محدود‏سازی 5 و 10 اهم در همه حالت‏ها محل جداسازی مسیر شین‏ها، بهترین مکان برای نصب محدود کننده جریان خطاست، اما برای راکتانس محدود‏سازی 20 و 40 اهم در حالت پنجم بهره‏برداری، فیدرهای ورودی مناسب‏‏ترین مکان برای نصب محدود کننده جریان خطا خواهند بود.

 

جدول (17): مکان نصب محدود کننده جریان خطا برای شرایط بهره‏برداری و راکتانس محدود کننده مختلف

امپدانس FCL

حالت اول

حالت دوم

حالت سوم

حالت چهارم

حالت پنجم

حالت ششم

5 اهم

3

3

3

3

3

3

10 اهم

3

3

3

3

3

3

20 اهم

3

3

3

3

1

3

40 اهم

3

3

3

3

1

3

 

5- نتیجه‌گیری

در این مقاله، الگوی جدیدی برای جایابی محدود کننده جریان خطا در پست‏های فشار قوی ارایه شد. الگوی معرفی شده بر مبنای تحلیل جریان خطا و شاخص‏های قابلیت اطمینان نقاط بار در شرایط بهره‏برداری و راکتانس محدودسازی متفاوت است. نتایج نشان می‏دهد هر یک از این عوامل، نقش قابل ملاحظه‏ای در تعیین مکان محدود کننده جریان خطا خواهند داشت. در بیشتر موارد، محل جداسازی مسیر شین‏ها بهترین مکان برای نصب محدود کننده جریان خطا خواهد بود. به جز حالت پنجم بهره‏برداری که برای راکتانس محدودسازی 20 و 40 اهم، مناسب‏‏ترین مکان برای نصب محدود کننده جریان خطا شاخه‏های ورودی خواهد بود.

 

ضمایم

سطح جریان اتصال کوتاه هر یک از فیدرهای ورودی و خروجی برحسب (kA)

فیدرهای ورودی

T1

T2

052/5

052/5

فیدرهای خروجی

L1

L2

L3

L4

L5

L6

78/5

67/9

64/6

78/5

64/6

67/9

داده‌ها و اطلاعات مربوط به محاسبات شاخص‏های قابلیت اطمینان

نام تجهیز

         

خط انتقال

046/0

-

-

14

1

ترانسفورماتور

015/0

-

-

25

1

کلید قدرت

005/0

002/0

1/0

10

1

باس بار

001/0

-

-

8

1

محدود کننده جریان خطا

015/0

002/0

1/0

25

1

 



[1]تاریخ ارسال مقاله : 16/12/1392

تاریخ پذیرش مقاله : 28/05/1393

نام نویسنده مسئول : حسین یوسفی گل افشانی

نشانی نویسنده مسئول : ایران – بابل– دانشگاه صنعتی بابل – دانشکده‏ مهندسی برق و کامپیوتر

 

[1]      A. Abramovitz and K. Smedley, “Survey of solid state fault current limiter,” IEEE Trans. Power Electron. , Vol. 27, No. 6, pp. 2770 -2782, 2012.

[2]      S. Lee, K. Lee, Y. Yoon, and O. Hyun, “FCL application issues in Korean electric power grid,” in Proc. IEEE Power Eng. Soc. Gen. Meeting, 2006.

[3]      H. Schmitt, “Fault current limiters report on the activities of CIGRE WGA3. 16,” presented at the Power Eng. Soc. Gen. Meeting, Montreal, QC, Canada, 2006.

[4]      X. Wu, J. Mutale, N. Jenkins, and G. Strbac, “An investigation of network splitting for fault level reduction,” in Proc. Tyndall Working Paper 25, Sep. 2003.

[5]      M. Noe, M. Steurer, S. Eckroad and R. Adapa, “Progress on the R&D of fault current limiters for utility applications,” Proc. IEEE Power Energy Soc. Gen. Meeting, pp. 1 -4, 2008.

[6]      L. Kovalsky, X. Yuan, K. Tekletsadik, A. Keri, J. Bock, and F. Breuer, “Applications of superconducting fault current limiters in electric power transmission system,” IEEE Trans. Appl. Supercond. , Vol. 15, No. 2, pp. 2130 – 2133, Jun. 2005.

[7]      A. Abramovit, K. M. Smedley, “Survey of Solid-State Fault Current Limiters, ” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, no. 6, pp. 2770 - 2782, June 2012.

[8]      J. W. Moscrop, “Experimental Analysis of the Magnetic Flux Characteristics of Saturated Core Fault Current Limiters,” Magnetics, IEEE Transactions on, Vol. 49, No. 2, pp. 874-882, 2013.

[9]      O. -B. Hyun, J. Sim , H. -R. Kim, K. -B. Park, S. -W. Yim and I. -S. Oh, “Reliability enhancement of the fast switch in a hybrid superconducting fault current limiter by using power electronic switches,” IEEE Trans. Appl. Supercond. , Vol. 19, No. 3, pp. 1843 -1846, 2009.

[10]      I. Rahmati and M. Fotuhi-Firuzabad, “Reliability evaluation of HV substations in the presence of fault current limiter,” Proc. PowerTech. , pp. 1 -5, 2009.

[11]      M. Fotuhi-Firuzabad , F. Aminifar and I. Rahmati , “Reliability study of HV substations equipped with the fault current limiter,” IEEE Trans. Power Del., Vol. 27, No. 2, pp. 610 - 617, 2012.

[12]      B. Sung, “Study optimal location of a resistive SFCL applied to an electric power grid,” IEEE Trans. Appl. Supercond. , Vol. 19, No. 3, pp. 2048 - 2052, 2009.

[13]      R. Billinton and R. N. Allan, Reliability Evaluation of Power Systems, 2nded. New York: Plenum, 1996.

[14]      N. Rugthaicharoencheep and S. Sirisumrannukul, “Optimal feeder reconfigurationwith distributed generators in distribution system by fuzzy multiobjectiveand tabu search,” Proc. SUPERGEN, pp. 1 -7, 2009.

[15]      A. Mohseni; S. Mohajer Yami,; AAS. Akmal , “Sensitivity analysis and stochastic approach in study of transient recovery voltage with presence of superconducting FCL,” Electrical Power and Energy Conference (EPEC) , IEEE , Vol. , No. , pp. 479 - 484, 3-5 Oct. 2011.

[16]      C. Mitchurechart,; S. Chaitusaney, , “Reliability evaluation of electrical substations under various failure modes,” 10th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON) , Vol. , No. , pp. 1 - 6, 15-17 May 2013.