1- مقدمه[1]

امروزه با افزایش رشد مصرف انرژی الکتریکی و عدم امکان گسترش خطوط انتقال به دلیل محدودیت زمین، نیاز به افزایش ظرفیت توان انتقالی که به دلایل مسائل عایقی و حرارتی و پایداری به‌ صورت معمولی نمی‌توان از ظرفیت بالقوۀ این خطوط استفاده کرد، بیش از هر زمان احساس می‌شود. یکی از روش‌های معمول افزایش ظرفیت توان انتقالی خطوط بهره‌گیری از سیستم‌های انتقال انعطاف‌پذیر AC (FACTS)¹ است ]1[. یکی از این تجهیزات جبران‌کنندۀ استاتیک توان راکتیو (²SVC) است که برای تنظیم دینامیکی ولتاژ و جبران توان راکتیو و اصلاح ضریب قدرت و افزایش توان انتقالی خطوط به کار می‌رود. این تجهیز مبتنی بر استفاده از سوییچ‌های الکترونیک قدرت و عناصر پسیو است ]2[. کاربرد این تجهیز، با وجود مزایای فراوانی که دارد، مشکلاتی مانند تزریق هارمونیک به شبکه و اختلال در عملکرد صحیح رله‌های حفاظتی را ایجاد می‌کند ]3[. در اثر بروز اتصال کوتاه نامتقارن ت‌ فاز به زمین با وجود SVC، رله دیستانس در تشخیص محل خطا دچار خطا می‌شود ]4، 5[. این مشکل حقاظت سیستم قدرت را دچار چالش بزرگی می‌کند؛ بنابراین، برطرف‌کردن این اشکال ضرورت پیدا می‌کند. در این زمینه، فعالیت‌هایی انجام شده‌اند که به‌اختصار بیان می‌شوند. یکی از این روش‌ها بهره‌گیری از حفاظت تطبیقی است که تنظیمات رله را بر اساس شرایط واقعی سیستم و عملکرد SVC به ‌صورت پویا تنظیم می‌کند. روش حفاظت تطبیقی، با وجود عملکرد مناسب، دارای هزینۀ زیاد است. به‌ علاوه، نیاز به استفاده از سیستم مخابراتی در این روش باعث افزایش خطرات حملۀ سایبری می‌شود ]6[. راهکار دیگر، روش‌های مبتنی بر واحد اندازه‌گیری فاز (³PMU) است که در آن، از اندازه‌گیری‌های هم‌زمان چندنقطه‌ای بهره می‌گیرند تا دقت مکان‌یابی خطا را افزایش ددهند و از عملکرد نادرست ناشی از SVC جلوگیری کنند [7]. مزیت آن عملکرد خوب و بدون خطای رله دیستانس است و عیب آن هزینۀ زیادPMU است. در مطالعه‌ای دیگر، از تکنیک‌هایی مانند بردارهای فضایی (⁴SVM) و الگوریتم ژنتیک (⁵GA) برای تشخیص دقیق ناحیۀ خطا و بهینه‌سازی تنظیمات رله در حضور SVC استفاده ‌شده است ]8[. مزیت آن عملکرد خوب، ولی عیب آن دشواربودن به دست آوردن الگوریتم مناسب و ثابت است. یکی دیگر از روش‌ها، استفاده از رله اتصال زمین خروجی ترانسفورماتور تزویج SVC است که در موقع عبور جریان زمین از خروجی این ترانس، این رله عمل و SVC را از مدار خارج می‌کند که ایراد مهم این روش عدم هماهنگی بین رله‌ها هنگام بروز اتصال کوتاه تک‌فاز در خطوط دیگری است که می‌توانند از این محل هم تغذیه شوند [9، 10]. مطابق طرح حفاظتی و تحلیل و شبیه‌سازی ارائه‌شده در این مراجع، تأثیر SVC بر امپدانس محاسبه‌شده توسط رله فقط برای خطاهای تک‌فاز به زمین قابل‌استفاده است. این روش دارای کارایی خوب، ولی کاربرد آن همراه با تأخیر زمانی در عملکرد است.

در این مقاله، با محاسبۀ جریان‌های توالی‌ها در اثر اتصال کوتاه تک‌فاز با زمین با وجود SVC روشی ارائه می‌شود که بدون استفاده از سیستم‌های مخابراتی عملکرد صحیح رله دیستانس را تضمین و علاوه بر کاهش هزینه‌ها، سیستم قدرت را از حملات سایبری و نویز محافظت می‌کند. این روش به‌ صورت عملی با مدارهای داخلی در پیکربندی رله دیستانس زیمنس 7SA522 اجرا می‌شود. نتایج حاصل از شبیه‌سازی و آزمون عملی کارایی این روش را نشان می‌دهد.

این مقاله ابتدا SVC و رله دیستانس عددی⁶ را معرفی می‌کند. سپس، نحوۀ محاسبۀ جریان توالی‌ها و محاسبۀ امپدانس توالی‌ها و روندنمای روش به‌کاررفته و در نهایت، نتایج شبیه‌سازی و آزمون عملی ارائه می‌شود.

2- معرفی SVC و رله دیستانس و بررسی مشکلات کاربرد توأم این دو

در این بخش، ابتدا SVC و رله دیستانس عددی مدرن معرفی می‌شود. سپس عملکرد توأم این دو بررسی می‌شود.

2-1- جبران‌ساز استاتیک توان راکتیو (SVC)

یکی از تجهیزات FACTS که می‌تواند در توان انتقالی خطوط مؤثر باشد SVC است. SVC به‌ صورت یک بانک خازنی ثابت به ‌طور موازی مطابق شکل (1) با سلف کنترل‌شده با تریستور متصل می‌شود. زاویۀ آتش تریستور راکتور و در نتیجه، ولتاژ سلف را کنترل می‌کند. بنابراین، توان دریافت‌شده توسط سلف قابل کنترل است.

SVC برای بهبود ضریب توان، تنظیم ولتاژ و پایداری شبکۀ انتقال استفاده می‌شود. این تجهیز همچنین در صنایع برای کنترل توان راکتیو و بهبود کیفیت توان به کار می‌رود.

2-2- معرفی رله حفاظتی دیستانس عددی

رله دیستانس⁷ یکی از مهم‌ترین تجهیزات حفاظتی در شبکه‌های انتقال قدرت است که به‌ طور ویژه برای حفاظت خطوط انتقال در برابر اتصال کوتاه و خطاهای الکتریکی استفاده می‌شود. مبنای عملکرد این رله مبتنی بر محاسبۀ امپدانس ظاهری خط است؛ به این صورت که در صورت کمتربودن امپدانس اندازه‌گیری‌‌شده نسبت به مقدار تنظیمی، رله خطا را در محدودۀ حفاظتی تشخیص می‌دهد و فرمان قطع صادر می‌کند ]11[. ویژگی اصلی رله دیستانس این است که برخلاف رله‌های اضافه جریان، عملکرد آن وابسته به سطح جریان یا ولتاژ خط نیست و اساس آن طول خط انتقال است. این ویژگی باعث می‌شود حفاظت خطوط بلند با دقت و هماهنگی بهتری انجام شود [12]. نواحی حفاظتی⁸ آن به این صورت است که ناحیۀ اول⁹ حدود 80–90 درصد طول خط را پوشش می‌دهد و دارای عملکرد آنی است. ناحیۀ دوم¹⁰ باقی‌ماندۀ خط و بخشی از خط بعدی با تأخیر زمانی و ناحیۀ سوم¹¹ حفاظت پشتیبان برای خطوط و تجهیزات مجاور با تأخیر بیشتر را پوشش می‌دهد. در نهایت، ناحیۀ چهارم¹² که در رله‌های عددی مدرن دارای قابلیت پیکربندی و دربرگیرندۀ جهت معکوس است، به‌ عنوان پشتیبان برای خطاهای باس‌بار یا خطای معکوس بسیار نزدیک به شین به کار می‌رود [13، 14]. قابلیت پیکربندی و نوشتن منطق حفاظتی رله‌های عددی مدرن علاوه بر تنظیم‌پذیری گسترده، امکان برنامه‌نویسی منطق حفاظتی¹³ را نیز فراهم می‌کند [15]. این قابلیت باعث می‌شود مهندس حفاظت بتواند رفتار رله را متناسب با شرایط شبکه تغییر دهد. نمونه‌ای از این قابلیت‌ها تعریف شرط‌های ترکیبی بین سیگنال‌های حفاظتی، ایجاد قفل‌کننده‌ها¹⁴ یا آزادکننده‌ها¹⁵ برای هماهنگی حفاظتی، طراحی طرح‌های مخابراتی مانند Permissive Tripیا Direct Transfer Trip، ترکیب عملکرد رله دیستانس با سایر حفاظت‌ها مانند زمین، ولتاژ کم یا قطع اضطراری و تبادل سیگنال‌های منطقی با سیستم SCADA و IEC61850 است. به‌ این ‌ترتیب، رله دیستانس مدرن فقط یک تجهیز سخت‌افزاری نیست، بلکه یک بستر نرم‌افزاری قابل‌برنامه‌ریزی است که می‌تواند حفاظت و کنترل شبکه را با انعطاف‌پذیری زیاد پشتیبانی کند ]16 [.

2-3- مشکلات عملکرد رله دیستانس با وجود SVC

در شکل (1)، با توجه به اینکه معمولاً اتصال ترانسفورماتور تزویج¹⁶  SVC دارای اتصال ستارۀ زمین‌شده در اولیه (فشار قوی) و اتصال مثلث در ثانویه (فشار ضعیف) است (Ynd)، در اتصال کوتاه تک‌فاز به زمین جریان‌های توالی صفر در سیم‌پیچ‌های مثلث می‌چرخند و از اتصال مثلث عبور نمی‌کنند ]9[.

معمولاً SVC در نقاط میانی خط انتقال قرار می‌گیرد و این امر باعث می‌شود مسیرهای جریان خطا تغییر یابند و برای خطاهای بعد از محل SVC، تجهیز جریان راکتیو تزریق کند؛ بنابراین، امپدانس ملاحظه‌شده توسط رله‌های بالاتر دچار خطای محاسباتی می‌شود.

اگر محل خطا قبل از محلSVC باشد، تغییر چندانی در امپدانس اندازه‌گیری‌شدۀ رله دیستانس و امپدانس واقعی وجود ندارد. همچنین، اگر SVC خارج از مدار باشد، در تمام حالات اتصال کوتاه امپدانس محاسبه‌شده توسط رله دیستانس برابر امپدانس واقعی است و رله خطایی در تشخیص محل خطا ندارد.

در شرایط عادی، SVC تأثیر کمی بر جریان توالی منفی دارد، زیرا هدف آن حفظ تعادل ولتاژ است. اما در شرایط خطا، به‌ ویژه خطاهای نامتقارن، رفتار SVC می‌تواند بر جریان توالی منفی تأثیر بگذارد. SVCدر پاسخ به تغییرات ولتاژ ناشی از خطا، جریان تزریق می‌کند. اگرچه SVC به ‌طور مستقیم برای تولید جریان توالی منفی طراحی نشده است، به دلیل ماهیت پاسخ خود در شرایط نامتعادل، می‌تواند بر توزیع جریان‌های توالی منفی در شبکه تأثیر بگذارد. این تأثیر به محل SVC، نوع خطا و حالت عملکرد SVC (خازنی یا سلفی) بستگی دارد.

تغییر در جریان‌های توالی منفی و توالی صفر ناشی از حضور SVC، باعث می‌شود رله‌های دیستانس با توجه به ‌اندازه‌گیری‌های ولتاژ و جریان، امپدانس محاسبه‌شده را زیادتر از امپدانس واقعی نشان دهند که به آن کاهش برد می‌گویند. همچنین، رله، به جای تشخیص اتصالی در ناحیۀ اول، آن را به ناحیۀ دوم منتقل می‌کند و باعث می‌شود اتصالی، مدت زمانی برابر زمان تنظیمی ناحیۀ دوم رله دیستانس (400 msec) داشته باشد که این تأخیر زمانی می‌تواند باعث آسیب به تجهیزات و ناپایداری سیستم قدرت شود. در خطاهای فاز به فاز، انحرافات امپدانس بسیار ناچیز و قابل صرف‌نظر هستند [17، 18]. حال، هدف این است که با روش ارائه‌شده این خطای محاسباتی برطرف شود تا رله دیستانس بتواند عملکردی صحیح داشته باشد. برای این منظور، در ادامه مسئله به زبان ریاضی بیان می‌شود.

3- روابط و محاسبات جریان و امپدانس اتصال کوتاه تک‌فاز به زمین

با بروز اتصال کوتاه تک‌فاز به زمین، طبق قضیۀ فورتسکیو، می‌توان سیستم سه‌فاز نامتعادل را به سه سیستم سه‌فاز متعادل تقسیم کرد. به عبارت دیگر، سیستم سه‌فاز a، b، c به سه سیستم توالی مثبت و منفی و صفر تبدیل می‌شود. بر این اساس، در روش مؤلفه‌های متقارن، بردارهای ولتاژ یا جریان فازیی V_a، V_b، V_c و I_a، I_b، I_c به سه مؤلفۀ توالی صفر¹⁷ (V₀, I₀)، توالی مثبت¹⁸  (V₁, I₁) و توالی منفی¹⁹ (V₂, I₂) تبدیل می‌شوند ]19[. توالی مثبت نشان‌دهندۀ جریان و ولتاژ متعادل در حالت عملکرد عادی سیستم است و توالی فازهای آن (ABC) مشابه توالی فازهای سیستم اصلی است. توالی منفی نشان‌دهندۀ عدم تعادل در سیستم است و توالی فازهای آن (ABC) یا (CBA) برعکس توالی فازهای توالی مثبت است. توالی صفر در شرایطی که جریان یا ولتاژ در هر سه فاز دارای مقدار و زاویۀ فاز یکسان نباشند، وجود دارد و معمولاً در خطاهایی که شامل زمین هستند (مانند خطای تک‌فاز به زمین) ظاهر می‌شود. هنگامی که سیستم سه‌فاز در حالت متعادل کار می‌کند (مانند عملکرد عادی یک ژنراتور)، جریان توالی منفی در آن صفر است. اما با بروز عدم تعادل (مانند خطاهای نامتقارن، بارهای نامتعادل، یا ترانسپوزنشدن خط انتقال) جریان توالی منفی جالب توجهی در سیستم ظاهر می‌شود. بر این اساس، می‌توان روابط ماتریسی این تبدیلات را به صورت روابط (1) و (2) بیان کرد:

که در آن:

به صورتی که a = 1∠120° و =1∠240 . به‌ازای طول خط، امپدانس توالی مثبت و منفی برابر و به صورت Z₁=Z₂=R₁+jX₁ است که در آن R₁ مقاومت و X₁ راکتانس توالی مثبت خط است. امپدانس توالی صفر Z₀=R₀+JX₀ برحسب مقاومت‌های زمین‌شدگی هادی‌ها و اندوکتانس فاز به زمین تعیین می‌شود. اکنون یک خط انتقال به همراه SVC در حین یک اتصال کوتاه تک‌فاز در نظر گرفته می‌شود. با توجه به مبانی سیستم قدرت برای محاسبات جریان‌ها و ولتاژ توالی‌ها، می‌توان سیستم را به صورت مدار معادل سری سه توالی مطابق شکل (2) نمایش داد [19].

که در آن:

Z₁₁: امپدانس توالی مثبت نیمۀ اول خط انتقال،

Z₁₂: امپدانس توالی مثبت بخش دوم خط انتقال،

Z_1T: امپدانس مثبت ترانسفورماتور کوپلینگ SVC،

Z_1C: امپدانس مثبت خازن SVC،

Z₂₁: امپدانس توالی منفی نیمۀ اول خط انتقال،

Z₂₂: امپدانس توالی منفی بخش دوم خط انتقال،

Z_2T: امپدانس منفی ترانسفورماتور کوپلینگ SVC،

Z_2C: پدانس منفی خازن SVC،

Z₀₁: امپدانس توالی صفر نیمۀ اول خط انتقال،

Z₀₂: امپدانس توالی صفر بخش دوم خط انتقال،

Z_0T: امپدانس صفر ترانسفورماتور کوپلینگ SVC،

I_1s,I_2s,I_0s: جریان توالی‌های منبع (محل نصب رله دیستانس)،

I_1f,I_2f,I_0f: جریان توالی‌های محل اتصال کوتاه تک‌فاز به زمین،

Z₁,Z₂,Z₀: امپدانس توالی مثبت، منفی و صفر خط انتقال و

X: فاصلۀ پریونیت خطا از محل رله است.

با توجه به شکل ارائه‌شده، می‌توان روابط زیر را استنتاج کرد:

در صورتی ‌که SVC در شبکه وجود نداشته باشد، امپدانس‌های مثبت و منفی SVC و امپدانس‌های صفر، مثبت و منفی ترانسفورماتور کوپلینگ SVC در شکل (۲) وجود نخواهند داشت؛ بنابراین، جریان‌های توالی مثبت، منفی و صفر برابر و نسبت جریان‌های توالی که رله دیستانس اندازه‌گیری می‌کند برابر ۱ می‌شود؛ به ‌عبارت ‌دیگر، I_0S/I_1S=I_2S/I_1S=I_2S/I_0S=1.

در حالتی که خطای تک‌فاز به زمین در نیمۀ دوم خط انتقال با حضور SVC باشد که در میانۀ خط نصب‌ شده است، نسبت‌های جریان‌های توالی که رله دیستانس اندازه‌گیری می‌کنند به شرح زیر هستند: I_0S/I_1S (نسبت جریان توالی صفر به مثبت) کمتر از 1 (در حدود 5/0 الی 9/0) است؛ زیرا SVC باعث کاهش جریان توالی صفر در محل رله می‌شود. همچنین، I_2S/I_1S (نسبت جریان توالی منفی به مثبت) بیشتر از 1 (در حدود 25/1 الی 3) خواهد بود؛ زیرا واکنش SVC در تنظیم توان راکتیو و ولتاژ موجب افزایش جریان توالی منفی می‌شود. به علاوه، در این حالت، I_2S/I_0S (نسبت جریان توالی منفی به صفر) باعث کاهش  I₀ و افزایش I₂ می‌شود و این نسبت را بیشتر از یک می‌گرداند. هر دو جریان توالی منفی و صفر و نسبت آنها را می‌توان از مقادیر اندازه‌گیری‌شده یا شبیه‌سازی‌شده محاسبه کرد [18، 20].

حال در این بخش محاسبات امپدانس فازها بررسی می‌شود. محاسبۀ امپدانس اتصال کوتاه‌های مختلف توسط شش واحد اندازه‌گیری امپدانس انجام می‌شود که سه واحد به ‌صورت تک‌فاز به زمین و سه واحد به ‌صورت دو فاز به یکدیگر هستند که مطابق روابط (10) تا (15) بیان می‌شوند. روابط (10) تا (12) معرف امپدانس فازهای a، b، c و زمین هستند. روابط (14) تا (16) نیز امپدانس بین دو فاز را بیان می‌کنند:

k₀ ضریب جبران‌ساز جریان توالی صفر است که به صورت رابطۀ (13) بیان می‌شود:

رابطۀ (16) معرف k₀ ضریب جبران ساز جریان توالی صفر است.

با توجه به روابط بیان‌شده، روش پیشنهادی برای عملکرد صحیح رله دیستانس در اثر اتصال کوتاه تک‌فاز به زمین مطابق قدم‌های زیر خلاصه می‌شود:

1-اعمال اتصال کوتاه تک‌فاز به سیستم؛

2- محاسبۀ جریان توالی‌ها و امپدانس فازها و بین فازها مطابق روابط (6) تا (16)؛

3- محاسبۀ نسبت‌ها و برقراری هم‌زمان روابط زیر و استارت ناحیۀ دوم تک‌فاز به زمین.

 0.04<I_0S/I_1S<1 و>1 I_2S/I_1S و <5 <I_2S/I_0S 1.4

حداقل جریان قابل تشخیص برای محاسبات رله‌های حفاظتی بسیار مهم است؛ زیرا رله‌ها باید بتوانند جریان‌های غیرعادی و خطاهای کوچک را به‌سرعت و با دقت تشخیص دهند تا حفاظت مؤثر و جلوگیری از آسیب بیشتر به تجهیزات و شبکه قدرت انجام شود [21، 22]. این حداقل جریان نشان‌دهندۀ حساسیت رله است و تعیین می‌کند رله از چه مقدار جریان به بالا باید فعال شود تا مدار معیوب را قطع کند. اگر حداقل جریان قابل‌ تشخیص بسیار زیاد باشد، احتمال تشخیص خطاهای کوچک کمتر می‌شود و حفاظت ناکافی خواهد بود، و اگر بسیار کم باشد، ممکن است رله به جریان‌های ناپایدار یا نویز پاسخ دهد و باعث قطعی‌های ناخواسته شود. بنابراین، انتخاب یک حداقل جریان معقول ۵۰ میلی‌آمپر تعادلی بین حساسیت حفاظت و پایداری عملکرد رله را فراهم می‌کند تا هم خطاها به‌موقع تشخیص داده شوند و هم از قطع‌های بی‌دلیل جلوگیری شود [15]. بر این اساس، روند نمای منطق اجراشده مطابق شکل (3) ارائه می‌شود.

منطق اجراشده به ‌موازات فانکشن‌های رله عمل می‌کند و هیچ‌گونه تداخلی با عملکرد آنها ندارد و در صورت مهیابودن شرایط، باعث حذف زمان ناحیۀ دوم رله دیستانس در اثر کاهش برد با توجه به وجود SVC  می‌شود.

4- شبیه‌سازی

این بخش در سه قسمت تنظیم شده است: در بخش نخست، سیستم مورد مطالعه معرفی می‌شود؛ در بخش دوم، نتایج شبیه‌سازی ارائه می‌شود و در نهایت، نتایج عملی بررسی می‌شود.

4-1- معرفی سیستم مورد مطالعه

سیستم مورد مطالعه مطابق شکل (4) است که اطلاعات لازم در بخش ضمیمه ارائه شده است. این شبکه از یک خط انتقال و یک SVC تشکیل شده است که محل قرارگیری SVC در وسط خط است و این تجهیز با محل نصب رله 125 کیلومتر فاصله دارد.

4-2- نتایج شبیه‌سازی

در شبیه‌سازی سیستم مورد مطالعه از نرم‌افزار PSCAD به همراه کدنویسی استفاده شده است. در مطالعۀ اول، اتصال کوتاه تک‌فاز به زمین A-G در فاصلۀ km 190 از رله در زمان 4/0 ثانیه از یک ثانیه زمان شبیه‌سازی رخ می‌دهد؛ بنابراین، اختلال بعد از محل نصب SVC است.

با توجه به شکل ‌(5)، مشاهده می‌شود هنگامی که SVC در مدار نباشد، هیچ‌گونه تزریق توان راکتیو و تثبیت ولتاژی انجام نمی‌شود.

اما زمانی کهSVC هنگام بروز خطا در شبکه باشد، مطابق شکل ‌(6)، مشاهده می‌شود هنگام بروز خطا خازن برای جبران توان راکتیو وارد مدار می‌شود و این امر باعث جلوگیری از کاهش شدید ولتاژ می‌شود.

شکل ‌(7) جریان‌های سه فاز رله، SVC و جریان محل اتصالی را نشان می‌دهد و شکل (8) همین جریان‌ها را با وجود SVC نمایش می‌دهد. ملاحظه می‌شود وقتی SVC در مدار نباشد، مقدار جریان‌های سمت رله و مقدار اتصال کوتاه هر دو تقریباً با هم برابر هستند، ولی وقتی SVC در مدار باشد، مقدار جریان محل اختلال و رله اختلاف زیادی دارند و همچنین مشاهده می‌شود جریان‌های خروجی SVC دارای اختلاف فازی بسیار کمتر از 120 درجه می‌شوند.

در شکل (9)، جریان توالی‌ها بدون حضور SVC نمایش داده شده است. ملاحظه می‌شود جریان‌های توالی‌های مثبت، زمین و منفی هنگام اتصال کوتاه فاز به زمین در رله دیستانس و محل اتصال کوتاه و SVC مشابه هم هستند.

با توجه به شکل (10)، مشاهده می‌شود در صورتی ‌که SVC در مدار باشد، میزان تغییرات توالی‌های مثبت، منفی و صفر هنگام بروز اتصال کوتاه فاز به زمین در رله‌های دیستانس و محل اختلال، تفاوت زیادی با هم دارند. در محل اختلال، هر سه توالی جریان برابر هستند و در رله به ترتیب توالی منفی بیشتر از توالی مثبت و توالی مثبت بیشتر از توالی منفی جریان‌هاست. SVC توالی صفر بیشتر از توالی مثبت و توالی مثبت بیشتر از توالی منفی جریان‌ها را تزریق می‌کند.

در همین حالت، عملکرد رله دیستانس با اتصال کوتاه تک‌فاز به زمین، در حالتی که SVC در مدار نباشد، بررسی می‌شود. همان‌طور که در شکل (11) مشاهده می‌شود، رله دیستانس در ناحیۀ اول بدون تأخیر فرمان قطع می‌دهد.

در شکل (12)، مشاهده می‌شود اتصال کوتاه تک‌فاز به زمین با وجود SVC، در حالتی که روش پیشنهادی اعمال نشود، به دلیل کاهش جریان توالی صفر، باعث می‌شود امپدانس اتصال کوتاه تک‌فاز به جای ناحیۀ اول وارد ناحیۀ دوم شود، یعنی رله کاهش برد می‌یابد و در این حالت، با زمان ۴۰۰ میلی ثانیه فرمان قطع صادر می‌کند.

در شکل (13)، مشاهده می‌شود با اتصال کوتاه تک‌فاز به زمین با وجود SVC اعمال روش پیشنهادی با توجه به اینکه امپدانس اتصال کوتاه وارد ناحیۀ دوم می‌شود، تقریباً به صورت آنی فرمان قطع صادر می‌کند؛ به عبارت دیگر، زمان ناحیۀ دوم که 400 میلی ثانیه است طی نمی‌شود.

 در ادامه، زمان عملکرد رله بررسی می‌شود. در شکل (14)، مشاهده می‌شود با اتصال کوتاه فاز به زمین در 190کیلومتری خط و بدون SVC که اتصال کوتاه در زمان 4/0 ثانیه از یک ثانیه زمان شبیه‌سازی اتفاق می‌افتد، رله به‌درستی در ناحیۀ اول به‌ صورت آنی فرمان قطع صادر می‌کند.

در شکل (15)، مشاهده می‌شود اتصال کوتاه تک‌فاز به زمین با وجود SVC، در حالتی که روش پیشنهادی اعمال نشود، باعث می‌شود رله به ‌جای اینکه در ناحیۀ اول عمل کند، در ناحیۀ دوم عمل کنکد؛ یعنی رله کاهش برد می‌یابد و در این حالت، با زمان 400 میلی‌‌ثانیه بعد از وقوع اتصال کوتاه، فرمان قطع صادر می‌کند. (زمان وقوع اتصال کوتاه در زمان 4/0 ثانیه از یک ثانیه زمان و زمان قطع در زمان 8/0 ثانیه از یک ثانیه زمان شبیه‌سازی ‌شده است، یعنی 4/0 ثانیه بعد از وقوع اتصال کوتاه فرمان قطع صادر شده است.)

در شکل (16)، مشاهده می‌شود با اتصال کوتاه تک‌فاز به زمین ب اوجود SVC، در حالتی که روش پیشنهادی اعمال شود، در زمان 4/0 ثانیه از یک ثانیه منطق اعمالی عملکرد دارد. رله در ناحیۀ اول به علت افزایش برد، عملکرد ندارد که این امر باعث می‌شود در ناحیۀ دوم با زمان آنی عمل کند؛ یعنی در این حالت، به جای سپری‌کردن زمان 400 میلی‌ثانیه بعد از وقوع خطا، بلافاصله فرمان قطع صادر می‌کند.

4-3- نتایج عملی اجرای روش پیشنهادی و ارائۀ منطق پیشنهادی

در این بخش، ابتدا در شکل (17) تصویر عملی سیستم نمایش داده می‌شود. رله دیستانس استفاده‌شده برند زیمنس از نوع 7SA522 است که با دستگاه تست رله‌های حفاظتی وبکو تست شد. برای این منظور، ابتدا در نرم‌افزار شبیه‌سازی  PSCADشکل موج جریان و ولتاژ در مدت یک ثانیه شبیه‌سازی، از قالب COMTRADE Recorder با فرمت comtrade99، در قالب فایل‌هایی با پسوند dat و cfg ذخیره می‌شوند. سپس، این فایل‌ها در نرم‌افزار دستگاهی به نام Vebko AMProTest در قسمت AMT Sequencer و بعد از آن در قسمت State Type بخش Transient انتخاب می‌شوند و سپس از قسمت Comtrade file، فایل ایجادشده توسط نرم‌افزار شبیه‌سازی import می‌شود. بعد از تزریق جریان و ولت توسط دستگاه وبکو به رله، به منظور اتصال به رله و تنظیم و برداشت اطلاعات آن، از نرم‌افزار DIGSI که مربوط به تنظیمات و پیکربندی رله‌های زیمنس است استفاده می‌شود. در این نرم‌افزار، از منوی oscillographic Records فایل comtrade رله برداشت می‌شود. سپس، در نرم‌افزار SIGRA که مربوط به مشاهدۀ فایل‌های ثبات خطا و وقایع (با پسوند dat و cfg) است، شکل موج ولت و جریان و عملکردهای رله قابل مشاهده است [23، 24].

در شکل (18)، اجرای منطق اعمالی به رله دیستانس مدل زیمنس نمایش داده می‌شود. در رله‌های حفاظتی زیمنس، زبان برنامه‌نویسی گرافیکی (CFC) [1]استفاده می‌شود که انواعی مختلف دارند و برای تعریف منطق سفارشی در رله، برنامه‌ریزی عملکردهای حفاظتی، کنترل و مانیتورینگ به کار می‌رود. این زبان به کاربر امکان می‌دهد ورودی‌ها، خروجی‌ها و توابع حفاظت را ترکیب و تنظیم کند تا به بهترین عملکرد حفاظتی دست یابد. اما از آنجا که در سطح نرم‌افزاری و افزوده بر فانکشن‌های اصلی اجرا می‌شوند، معمولاً زمان اجرای این توابع حفاظتی کمی بیشتر است. با این ‌حال، زمان عملکرد برنامه‌های CFC همچنان در حد میلی‌ثانیه و برای بسیاری از کاربردها مناسب است، ولی عموماً کمی کندتر از فانکشن‌های حفاظتی استاندارد هستند [25].

شکل (19) نمودار جریان‌های فازها و توالی‌ها همچنین ثبت وقایع رله دیستانس و زمان عملکرد رله دیستانس بدون وجود SVC در تست عملی در نرم‌افزار SIGRA را نشان می‌دهد که در آن، جریان توالی‌ها با هم برابر هستند و رله دیستانس فاز L1,E شروع به عملکرد می‌کند و ناحیه‌های دوم و سوم استارت می‌شوند و ناحیۀ اول فاز L1,E به ‌صورت آنی فرمان قطع هر سه فاز را صادر کرده است که منطبق بر نتایج شبیه‌سازی است.

شکل (20) نمودار جریان‌های فازها و توالی‌ها و همچنین ثبت وقایع رله دیستانس و زمان عملکرد رله دیستانس با وجود SVC در تست عملی در نرم‌افزار SIGRA را نشان می‌دهد که در آن، جریان توالی منفی بیشتر از جریان توالی مثبت و جریان توالی صفر از همه کمتر است و رله دیستانس فاز L1,E شروع به عملکرد می‌کند و ناحیه‌های دوم و سوم استارت می‌شوند و ناحیۀ دوم فاز L1,E با زمان 400 میلی‌ثانیه فرمان قطع هر سه فاز را صادر کرده است که منطبق بر نتایج شبیه‌سازی است.

شکل (21) خط سیر امپدانس رله دیستانس در اتصال کوتاه فاز به زمین بدون وجود SVC در تست عملی در نرم‌افزار SIGRA را نشان می‌دهد که امپدانس فاز زمین (L1E) وارد ناحیۀ اول شده است و امپدانس بقیۀ فازها و همچنین امپدانس‌های فاز به فاز داخل ناحیه‌های رله دیستانس نشده‌اند که منطبق بر نتایج شبیه‌سازی است.

شکل (22) خط سیر امپدانس رله دیستانس در اتصال کوتاه فاز به زمین با حضور SVC در تست عملی در نرم‌افزار SIGRA را نشان می‌دهد که امپدانس فاز زمین (L1E) وارد ناحیۀ اول نشده و داخل ناحیۀ دوم است که نشان‌دهندۀ کاهش برد رله دیستانس در حضور SVC است و امپدانس بقیۀ فازها و همچنین امپدانس‌های فاز به فاز داخل ناحیه‌های رله دیستانس نشده‌اند که منطبق بر نتایج شبیه‌سازی است.

شکل (23) نمودار جریان‌های فازها و توالی‌ها و همچنین ثبت وقایع رله دیستانس و زمان عملکرد رله دیستانس با حضور SVC و عملکرد منطق پیشنهادی در تست عملی در نرم‌افزار SIGRA را نشان می‌دهد که جریان توالی منفی بیشتر از جریان توالی مثبت و جریان توالی از همه کمتر است و رله دیستانس فاز L1,E شروع به عملکرد می‌کند و ناحیه‌های دوم و سوم استارت می‌شوند و منطق پیشنهادی (Trip line1) فرمان قطع را در حدود 40 میلی‌ثانیه صادر کرده است که منطبق بر نتایج شبیه‌سازی است. زمان 40 میلی‌ثانیه مربوط به زمان عملکرد برنامه‌های CFC  است که عموماً کمی کندتر از فانکشن‌های حفاظتی استاندارد هستند. بنابراین، با این منطق، حدود 360 میلی‌ثانیه زمان عملکرد رله دیستانس کمتر می‌شود؛ زیرا بدون منطق رله دیستانس، با زمان ناحیۀ دوم که 400 میلی‌ثانیه است فرمان قطع صادر می‌شد.

شکل (24) خط سیر امپدانس رله دیستانس در اتصال کوتاه فاز به زمین با حضور SVC و عملکرد منطق پیشنهادی در تست عملی در نرم‌افزار SIGRA را نشان می‌دهد که امپدانس فاز زمین (L1E) وارد ناحیۀ اول نشده و داخل ناحیۀ دوم است که نشان‌دهندۀ کاهش برد رله دیستانس در حضور SVC است.

5- نتیجه‌گیری

حضور SVC در خط انتقال در موقع بروز خطای تک‌فاز به زمین به طرزی جالب توجه میزان جریان‌های توالی‌ها را تغییر می‌دهد، به ‌ویژه، افزایش قابل ملاحظه در میزان جریان توالی صفر به دلیل تزریق جریان راکتیو خازنی توسط جبران‌کننده با زاویۀ فاز یکسان می‌شود؛ به ویژه که جبران‌کننده قادر به تولید جریان‌های فازها به صورت مستقل نیست.

این تغییرات در توالی جریان‌ها به طور مستقیم بر امپدانس ظاهری که توسط رله‌ دیستانس اندازه‌گیری می‌شود، تأثیر می‌گذارد و باعت کاهش برد رله دیستانس می‌شود. این رویکرد باعث عملکرد غیردقیق رله دیستانس و در نتیجه، منجر به قطع‌های نادرست می‌شود. با بهره‌گیری از نسبت‌های جریان توالی صفر به مثبت، جریان توالی منفی به مثبت و جریان توالی منفی به صفر به همراه عملکرد دیستانس، توانایی تشخیص وجود SVC هنگام خطا را دارد. این ترکیب به رله کمک می‌کند تا اثر تزریق جریان‌های راکتیو SVC را جبران کند. در نتیجه، دقت حفاظت کل سیستم افزایش می‌یابد. این رویکرد موجب عملکرد حفاظت دقیق و سریع و افزایش قابلیت اطمینان‌ سیستم در برابر خطاهای تک‌فاز می‌شود و همچنین روش پیشنهادی در پیکره‌بندی مداری رله دیستانس به‌راحتی قابل اجراست و نتایج عملی صحت روش پیشنهادی را تأیید کرد و به این ترتیب، از آسیب‌رسیدن به سیستم قدرت به دلیل تأخیر در عملکرد رله جلوگیری می‌کند و این روش بدون نیاز به سیستم های مخابراتی مرسوم و از بین رفتن خطرات حملات سایبری انجام می‌شود و دارای پیچیدگی نیست.

ضمایم

در این پیوست، اطلاعات خط انتقال در جدول (2) و مشخصات تنظیمات رله در جدول (3) و اطلاعات ژنراتور در جدول (4) و در جدول (5) پارامترهای SVC آمده است.

جدول (2): مشخصات خط انتقال

جدول (3): تنظیمات رله دیستانس نرم افزار و زیمنس

جدول (4): مشخصات سیستم تولید

جدول (5): مشخصات اصلی SVC

[1] تاریخ ارسال مقاله : 07/05/1404

تاریخ پذیرش مقاله : 26/07/1404

نام نویسنده مسئول : سعید اباذری

نشانی نویسنده مسئول: ایران، شهرکرد، دانشگاه شهرکرد، دانشکدۀ فنی و مهندسی

[1] Continuous Function Chart