عنوان :

مقاله تشخیص جریان هجومی و روش‌های حذف آن

تعداد صفحات :۷۱

نوع فایل : ورد و قابل ویرایش

چکیده

در این تحقیق به بررسی تشخیص جریان هجومی و روش‌های حذف آن می پردازد. در این مقاله یک الگوریتم جدید مبتنی بر پردازش شکل موج جریان‏های تفاضلی برای حفاظت دیفرانسیل ترانسفورمر قدرت پیشنهاد می‏شود. این الگوریتم با درنظرگرفتن رفتار متفاوت شکل موج جریان‏های تفاضلی در طی زمان کوتاهی پس از وقوع شرایط هجومی و خطا بسط می‏یابد. در مرحله اول این روش، تقریب خطی نمونه‏های جریان تفاضلی موجود در نیم‏سیکل اول پس از وقوع اختلال توسط خط برگشت بدست می‏آید. در مرحله دوم، یک تابع تصمیم‏گیری برای تعیین نحوه توزیع نمونه‏های جریان تفاضلی در دو طرف خط برگشت حاصل از مرحله اول، تعریف می‏شود. با ارزیابی علامت توابع تصمیم‏گیری متناظر با جریان‏های تفاضلی سه فاز، همه انواع خطاهای داخلی آن‏هایی که با جریان هجومی همزمان می‏شوند را می‏توان از شرایط جریان هجومی و پس از گذشت کمتر از نیم‏سیکل از وقوع اختلال تشخیص داد. عملکرد مناسب این الگوریتم با شبیه‏سازی حالت‏های مختلف خطا و کلیدزنی در یک سیستم قدرت نمونه ثابت‏شده‏است.

کلید واژه: حفاظت دیفرانسیل ترانسفورمر قدرت؛ جریان هجومی؛ جریان خطای داخلی؛ خط برگشت

فهرست مطالب

۱- جریان های هجومی ۱
۱-۱ جریان هجومی سمپاتیکی ۲
۲- شناسایی جریان هجومی در ترانسفورمرهای قدرت با استفاده از تقریب خطی جریان‏های تفاضلی توسط خط برگشت ۴
۲-۱ مقدمه ۴
۲-۲ تشخیص جریان هجومی از شرایط خطای داخلی با استفاده از تقریب خطی شکل موج جریان تفاضلی ۶
۲-۲-۱ مبنای روش ۶
۲-۲-۲ اجزاء اصلی روش ۶
۲-۳ سیستم قدرت مورد مطالعه ۹
۲-۴ نتایج بکارگیری الگوریتم روی حالت‏های مختلف جریان خطا و جریان هجومی ۱۰
۲-۵ نتیجه‌گیری ۱۳
۳- کاهش جریان هجومی ترانسفورماتور سه فاز با مقاومت خنثی بهینه با روش برقدار کردن ترتیبی فازها ۱۵
۳-۱ مقدمه ۱۵
۳-۲ شرح مسأله ۱۵
۳-۲- ۱ جریان هجومی ۱۵
۳-۳ بررسی ریاضی پدیده‏ی اضافه شار هسته در حالت‏گذاری وصل ۱۷
۳-۴ نتایج شبیه‏سازی ۱۹
۳-۴-۱ نمونه‏هایی از نتایج شبیه‏سازی ۱۹
۳-۵ تأثیر مقاومت خنثی بر دامنه جریان هجومی ۲۱
۳-۶ نتیجه‏گیری ۲۴
۴ حذف جریان هجومی ترانسفورماتورهای قدرت با استفاده از تئوری سوئیچینگ کنترل‌شده ۲۵
۴-۱ مقدمه ۲۵
۴-۲ مدل‌سازی ترانسفورماتور جهت مطالعه جریان هجومی ۲۵
۴-۳ روش‌های مختلف حذف جریان هجومی در ترانسفورماتورها ۳۰
۴-۴ حذف جریان‌های هجومی ترانسفورماتور بوسیله سوئیچینگ کنترل‌شده ۳۰
۴-۴-۱ سوئیچینگ کنترل‌شده در ترانسفورماتورهای تکفاز ۳۰
۴-۵ سوئیچینگ کنترل‌شده در ترانسفورماتورهای چند فاز بدون پسماند ۳۱
۴-۶ شار پسماند ۳۳
۴-۷ سوئیچینگ کنترل‌شده در ترانسفورماتورهای چند فاز با شار پسماند ۳۳
۴-۸ نتیجه‌گیری ۳۶
۵- تشخیص جریان هجومی از جریان خطا در ترانسفورماتورهای قدرت با استفاده از هم‌زمانی جریان و شار ۳۸
۵-۱ مقدمه ۳۸
۵-۲ روش تشخیص ۴۰
۵-۳ نتایج شبیه‏سازی ۴۳
۵-۴ نتیجه‏گیری ۴۹
۶٫ مقایسه روش ANFIS و NN در تشخیص جریان هجومی ترانسفورماتور در تپ‏های مختلف ۵۰
۶-۱ مقدمه ۵۰
۶- ۳ طرح مسأله ۵۱
۶-۴ شبکه‏های فازی- عصبی- تطبیقی ۵۳
۶-۴-۱ سیستم‏های استنتاج فازی ۵۳
۶-۴-۲ سیستم استنتاج فازی- عصبی- تطبیقی ۵۵
۶-۴-۳ الگوریتم آموزشی ترکیبی ۵۶
۶-۵ طراحی شبکه فازی- عصبی- تطبیقی برای حفاظت برای حفاظت دیفرانسیل ۵۶
۶-۵-۱ شبیه‏سازی سیستم قدرت جهت تهیه الگوها ۵۶
۶-۵-۲ ساختار شبکه عصبی- فازی ۵۸
۶-۵-۳ ساختار شبکه عصبی- فازی ۵۸
۶-۵-۴ تست عملکرد الگوریتم ۵۸
۶-۶ مقایسه عملکرد الگوریتم ANFIS با الگوریتم NN 59
۶-۷ نتیجه‏گیری ۶۴
مراجع ۶۵
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل۱-۱ توصیف پدیده جریان هجومی ۲
شکل ۲-۱ (الف) شکل موج جریان هجومی به همراه تقریب خطی نیم‏سیکل اول توسط خط برگشت (ب) تابع تشخیص (ج) تابع تصمیم‏گیری ۷
شکل ۲-۲ (الف) شکل موج جریان خطا به همراه تقریب خطی نیم‏سیکل اول توسط خط برگشت(ب) تابع تشخیص (ج) تابع تصمیم‏گیری ۷
شکل ۲-۳ فلوچارت الگوریتم پیشنهادی ۱۰
شکل ۲-۴ سیستم قدرت مورد مطالعه ۱۱
شکل ۲-۵: الف) نمونه‏ای از جریان‏های هجومی با محتوای هارمونیکی پایین (ب) نسبت هارمونیک دوم به اول این جریان‏ها (ج) توابع تصمیم‏گیری برای این جریان‏ها ۱۲
شکل ۲-۶ (الف) نمونه ای از جریان‏های خطا با محتوای هارمونیکی بالا (ب) نسبت هارمونیک دوم به اول این جریان‏ها (ج) توابع تصمیم‏گیری برای این جریان‏ها ۱۳
شکل ۳-۱ شمای کلی شکل‏گیری جریان هجومی ۱۶
شکل ۳-۲ جریان ۱۷
شکل۳-۳ جریان‏های هجومی سه فاز ۱۹
جریان هجومی فاز A زمانی که اولین فاز برقدار شده‏است. ۲۰
جریان هجومی فازهای A و B زمانی که دومین فاز برقدار شده‏است ۲۰
جریان هجومی فازهای A و Bو C زمانی که سومین فاز برقدار شده‏است. ۲۰
شکل۳-۴ شکل موج‏های جریان هجومی وقتی که فازهای مختلف انرژی‏دار می‏شوند. ۲۰
شکل ۳-۵ دامنه جریان هجومی برحسب مقاومت خنثی ۲۱
شکل ۴-۱ توصیف گرافیکی جریان هجومی ۲۷
شکل ۴-۲ توصیف گرافیکی جریان هجومی با درنظرگرفتن شار پسماند ۲۷
شکل ۴-۳ نمایش بدترین حالت برای برق‌در کردن ترانسفورماتور با یک شار پسماند مشخص ۲۸
شکل ۴-۴ منحنی اشباع‌هسته ترانس الف) برای شار متقارن ب) برای شار نامتقارن ۲۸
شکل ۴-۵ تأثیر مقاومت اولیه بر جریان هجومی ۲۹
شکل ۴-۶ لحظه برای برق‌دار کردن یک ترانسفورماتور تک فاز، یک لحظه بهینه برای برق‌دار کردن ترانس در(۱) و لحظه جایگزین دیگر نیز در (۲) وجود دارد. ۳۱
شکل ۴-۷ یک ترانسفورماتور سه فاز با هسته‌های تک‌فاز و سیم‌پیچی اتصال دلتا که بر هم‌کنش شار و ولتاژ را نشان می‌دهد. جهت پیکان‌ها رابطه فاز بین شارها را نشان می‌دهد. ۳۲
شکل ۴-۸ برق‏دارکردن یک ترانسفورماتور سه فاز بدون شار پسماند ۳۲
شکل ۴-۹ منحنی شار- جریان هسته‌های ترانسفورماتور، وابستگی اندوکتاس مؤثر B و C به شار پسماند و منحنی دور حلقه هیسترزیس. پس از برق‌دار کردن فاز A شار دینامیک در دو فاز دیگر منجر به تفاوت اندوکتانس و برقراری تعادل در شار هسته می‌شود. ۳۴
شکل۴-۱۰ شار منتظره و دینامیک هسته برای یک ترانسفورماتور سه فاز با شار پسماند ۳۵
شکل ۴-۱۱ استراتژی بستن تأخیری برای یک ترانس سه فاز با هسته سه پایه و سیم‏پیچی با اتصال دلتا ۳۶
شکل ۵-۱ جریان هجومی سه فاز اندازه‏گیری شده در اولیه ترانسفورماتور ۴۱
شکل ۵-۲ جریان خطای سه فاز اندازه‏گیری شده در اولیه ترانسفورماتور ۴۲
شکل ۵-۳ الگوریتم تشخیص جریان هجومی از جریان خطا در شرایط اضافه جریان ۴۳
شکل ۵-۴ انواع مختلف منحنی مغناطیس‏کنندگی هسته ترانسفورماتور ۴۴
شکل ۵-۵ مشخصه به ازای جریان هجومی ۴۶
شکل ۵-۶ مشخصه به ازای جریان هجومی ۴۶
شکل ۵-۷ مشخصه به ازای جریان هجومی ۴۶
شکل ۵-۸ مشخصه به ازای جریان هجومی ۴۷
شکل ۵-۹ مشخصه به ازای جریان هجومی ۴۷
شکل ۵-۱۰ مشخصه به ازای جریان هجومی ۴۸
شکل ۶-۱ ساختار سیستم استنتاج فازی ۵۴
شکل ۶-۲ روش استدلال فازی برای یک مدل فازی درجه اول سوگینو ۵۵
شکل ۶-۳ ساختار ANFIS معادل مکانیزم استنتاج ۵۵
شکل ۶-۴ سیستم قدرت سه فازه ۶۳/۲۳۰ کیلووات ۵۶
شکل ۶-۵ نمونه خروجی الگوریتم در حالت وقوع جریان هجومی ( و تپ یک پایین) ۶۰
شکل ۶-۶ نمونه خروجی الگوریتم در حالت وقوع جریان هجومی( و تب یک پایین) ۶۰
شکل ۶-۷ نمونه خروجی الگوریتم در حالت وقوع جریان هجومی( و تپ در پایین) ۶۰
شکل ۶-۸ نمونه خروجی الگوریتم در حالت وقوع جریان هجومی( و تپ دو بالا) ۶۱
شکل ۶-۹ نمونه حروجی الگوریتم در حالت وقوع جریان هجومی همزمان با خطای داخلی (تپ دو بالا) ۶۱
شکل ۶-۱۰ نمونه خروجی الگوریتم در حالت وقوع جریان هجومی همزمان با خطای داخلی(تپ دو پایین) ۶۱
شکل ۶-۱۱ نمونه خروجی الگوریتم در حالت وقوع جریان هجومی همزمان با خطای داخلی(تپ دو بالا) ۶۲
شکل ۶-۱۲ نمونه خروجی الگوریتم در حالت عادی سیستم (تپ هشت بالا) ۶۲
شکل۶-۱۳ نمونه حروجی الگوریتم در حالت عادی سیستم(تپ هشت پایین) ۶۲
شکل۶-۱۴ نمونه خروجی الگوریتم در حالت عادی سیستم(تپ دو بالا) ۶۳
شکل ۶-۱۵ نمونه خروجی الگوریتم در حالت وقوع عادی سیستم(تپ دو پایین) ۶۳

فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول ۲-۱ نتایج الگوریتم پیشنهادی برای حالت‌های مختلف جریان هجومی ۱۳
جدول ۲-۲ نتایج الگوریتم پیشنهادی برای حالت‌های مختلف جریان خطا ۱۴
جدول ۲-۳ نتایج الگوریتم‌ برای حالت‌های مختلف جریان خطا به همراه جریان هجومی ۱۴
جدول ۳-۱ مشخصات ترانسفورماتور شبیه‏سازی‏شده ۱۹
جدول ۵-۱ مشخصه‏های تمایز ۴۳
جدول ۵-۲ پارامترهای ترانسفورماتور ۴۴
جدول ۵-۴ شش مشخصه تا به ازای خطاهای مختلف(از لحاظ نوع، مقاومت و زمان شروع) ۴۸
جدول ۵-۵ ( ادامه…)شش مشخصه تا به ازای خطاهای مختلف(از لحاظ نوع، مقاومت و زمان شروع) ۴۸
جدول ۶-۱ مشخصات سیستم قدرت ۵۸
جدول ۶-۲ مقایسه روش‏های ANFIS و NN 63

فهرست منابع

[۱] شیرازی، م، جریان هجومی در ترانسها، پایان‏نامه کارشناسی گروه برق، دانشگاه آزاد اسلامی واحد ایذه، سال ۸۸٫
[۲] همدانی گلشن – فانی، م- ب ، شناسایی جریان هجومی در ترانسفورماتور های قدرت با استفاده از تقریب خطی جریانهای تفاضلی توسط جریان برگشت، سومین کنفرانس کنترل و حفاظت ، دانشگاه علم و صنعت ایران ۱۳۸۷٫
[۳] جمدارزنوزق- عزیزیان، ع- م ، کاهش جریان هجومی ترانسفورماتور سه فاز با مقاومت خنثی بهینه با روش برقدار کردن ترتیبی فازها، بیست و چهارمین کنفرانس مهندسی برق PSC2009..
[۴] طاهر- بقایی- کرمی طاهری، ع- ح- ح، حذف جریان هجومی ترانسفورماتورهای قدرت با استفاده از تئوری سوئیچینگ کنترل شده، دانشگاه کاشان، دانشکده مهندسی، گروه مهندسی برق.
[۵] حیدری- میرزایی- گرگانی فیروزجاه- شیخ‏الاسلامی، ف- م- خ- ع، تشخیص جریان هجومی از جریان خطا در ترانسفوماتورهای قدرت با استفاده از هم زمانی جریان و شار، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران.
[۶] طاهری اسبق- صادقی راد، ا- م، گروه مهندسی برق و کامپیوتر، مقایسه روش ANFIS و NN در تشخیص جریان‌ هجومی ترانسفورماتور در تپ‌های مختلف، دانشکده فنی دانشگاه تهران.
[۷] منصف- بیات- حسینی خلج- رضاجویی، م- ب- م – م ، محاسبه و بررسی جریان هجومی ناشی از وصل ترانسفورماتورهای توزیع، شرکت توزیع نیروی برق شمال شرق ایران – دانشگاه علم و صنعت ایران- دفتر فنی توزیع ران‌ایران.

۱- جریان های هجومی [۱]

جاری شدن جریان هجومی بر اثر یکی از عوامل برق‌دار کردن ترانسفورماتور، افزایش ولتاژ ناشی از بر طرف شدن خطای خارجی یا کلید زنی ترانسفورماتور موازی می‌باشد.  برخی از خصوصیات جریان هجومی ترانسفورماتور چنین است:

جریان هجومی شامل مؤلفه DC، هارمونیک های فرد و هارمونیک زوج است.

دامنه جریان هجومی متغیر با زمان است که با ثابت بزرگی کاهش می‌یابد. این ثابت زمانی از ثابت زمانی مؤلفه DC گذاری جریان بزرگتر است.

هارمونیک دوم جریان هجومی با مقدار بسیار کم شروع می شود و هر چه مؤلفه اصلی جریان هجومی کاهش می‌یابد مقدار هارمونیک دوم افزایش می‌یابد.

گفته می‌شود مؤلفه هارمونیک دوم جریان هجومی هرگز از ۱۶% مؤلفه اصلی جریان تفاضلی کمتر نمی‌شود.

همانطور که اشاره شد جریان هجومی و جریان تحریک حاصل از اضافه تحریک دارای ویژگی‌هایی هستند که به تشخیص آنها از حالت خطای داخل ناحیه کمک می‌کند. البته در عمل به علت عوامل دیگر همچون مقاومت غیر خطی خطا و اثر پارامترهای توزیع شده خطوط EHV بلند یا کابل ولتاژ بالای زیر زمینی تشخیص شرایط خطای داخل ناحیه از جریان هجومی یا حالت فوق تحریک مشکل می‌شود.

رفتارایده‌ال جریان هجومی توسط قانون فاراد مطابق رابطه (۱-۱) بدست می‌آید. که v(t) ولتاژ اعمل شده به طرف اولیه ترانسفورماتور و   شار پیوندی سیم‌پیچی می‌باشند.

رابطه ۱-۱                                                                                                    

بنابراین شار ایجاد شده توسط ولتاژ اعمال شده از رابطه (۱-۲) بدست می‌آید.

رابطه ۱-۲                                                                                                    

با صرفنظر از شار نشتی رابطه (۱-۳) صادق است که  شار کلی در هسته و N تعداد دورهای سیم‌پیچی است.

رابطه ۱-۳                                                                                                    

با ترکیب معادلات (۱-۲) و (۱-۳) رابطه زیر حاصل می‌شود.

رابطه ۱-۴                                                                                                    

 فرض کنید که ولتاژ مطابق رابطه زیر یک شکل موج سینوسی است که   دامنه این شکل موج  سینوسی می‌باشد بنابراین از معادله ۱-۴ نتیجه می‌شود :

رابطه ۱-۵                                                                                        

 شکل (۱-۱) یک توصیف گرافیکی از پدیده جریان هجومی را به ترتیب برای حالت‌های بدون شار پسماند و با شار پسماند نشان می‌دهند.

 ۱-۱ جریان هجومی سمپاتیکی

در مورد پدیده جریان هجومی در یک ترانسفورماتور قدرت و طراحی و عملکرد طرح حفاظتی آن توضیح داده شد. اما در مورد پدیدهُ سمپاتیکی که تاثیر متقابل بین ترانسفورماتورهای یک پست می باشد تاکنون بحث نشده است. برای اینکه پدیده جریان هجومی سمپاتیکی را ارزیابی کنیم نیاز است تا حالت‌های مختلف با یکدیگر مقایسه شوند. به عبارت دیگر ابتدا یکی از ترانسها وارد مدار شده و جریان هجومی کشیده شده را مشاهده می‌کنیم. سپس با کلید زنی ترانسفورماتور دوم جریان هجومی ناشی از آن و تاثیری که بر ترانسفورماتور واقع در مدار می‌گذارد را مشاهده می‌کنیم. از مشاهده شکل موجهای جریان ترانسفورماتور اول تفاوت جریان هجومی و جریان سمپاتیکی مشخص می‌شود. منحنی هیسترزیس هر کدام از ترانسفورماتورها نیز بیانگر این تفاوت می‌باشد. البته پیک جریان هجومی و سمپاتیکی بستگی به عواملی چون کلیدزنی در لحظات صفر و ۹۰ درجه ولتاژ، مقاومت و اندوکتانس منبع، اندوکتانس معادل ترانسفورماتورهای موازی و بارداری و بی‌باری ترانسفورماتور موجود در مدار دارد. طی مقاله‌ای که محمد سعید از کویت نوشته این حالتها شبیه‌سازی شده و نتایجی به این صورت به دست آمده است:

۱-اگر کلید زنی یک ترانفورماتور تنها در نقطه عبور از صفر ولتاژ صورت گیرد پیک جریان هجومی بسیار زیاد است و در این حالت ترانسفورماتور دارای لوپ مغناطیسی بسیار نا متقارن است. اما بر عکس کلید زنی در لحظه پیک ولتاژ باعث ایجاد لوپ مغناطیسی متقارن و پیک جریان کم است. در هر لحظه از کلید زنی مولفه هارمونیکی بالای جریان هجومی دیده می‌شود.

۲-هنگامی که ترانسفورماتور دومی متصل به یک ترانسفورماتور واقع در مدار کلید زنی می‌شود جریان کشیده شده توسط ترانسفورماتور واقع در مدار پدیده جریان سمپاتیکی را نشان می‌دهد و تاثیر ترانسفورماتور دومی روی پیک جریان هجومی ترانسفورماتور اول قابل توجه نیست.

۳-در حالت قبل هر دو ترانسفورماتور زمان زیادی برای رسیدن به حالت پایدار و متقارن نیاز دارند و مجموع جریانه در کمتر از دو سیکل به شکل متقارن خود می‌رسد.

۴-در حالتی که ترانسفورماتور در مدار باردار باشد جریان هجومی آن سینوسی شکل است و پیک جریان هجومی در ترانسفورماتور سوئیچ شونده ۵۰%کاهش پیدا می‌کند و بعد از نیم سیکل آفست DC در جریان منبع تقریبا ناپدید می‌شود.

۵-افزایش امپدانس منبع باعث افزایش تاثیرات متقابل بین ترانسفورماتور‌ها می‌شود و پیک مولفه هارمونیکی جریان هجومی ترانسفورماتور کلید زنی شده کاهش می‌یابد و این ناشی از افت ولتاژ مشترک روی امپدانس داخلی منبع است.

۶- اگر امپدانس منبع دو برابر شود مقدار پیک جریان هجومی ترانسفورماتور واقع در مدار تقریبا ۴۰ درصد و پیک جریان هجومی ترانسفورماتور کلید زنی شده ۵۰ درصد کاهش می‌یابد.

۲-  شناسایی جریان هجومی در ترانسفورمرهای قدرت با استفاده از تقریب خطی جریان‏های تفاضلی توسط خط برگشت[۲]

چکیده

 در این مقاله یک الگوریتم جدید مبتنی بر پردازش شکل موج جریان‏های تفاضلی برای حفاظت دیفرانسیل ترانسفورمر قدرت پیشنهاد می‏شود. این الگوریتم با درنظرگرفتن رفتار متفاوت شکل موج جریان‏های تفاضلی در طی زمان کوتاهی پس از وقوع شرایط هجومی و خطا بسط می‏یابد. در مرحله اول این روش، تقریب خطی نمونه‏های جریان تفاضلی موجود در نیم‏سیکل اول پس از وقوع اختلال توسط خط برگشت بدست می‏آید. در مرحله دوم، یک تابع تصمیم‏گیری برای تعیین نحوه توزیع نمونه‏های جریان تفاضلی در دو طرف خط برگشت حاصل از مرحله اول، تعریف می‏شود. با ارزیابی علامت توابع تصمیم‏گیری متناظر با جریان‏های تفاضلی سه فاز، همه انواع خطاهای داخلی آن‏هایی که با جریان هجومی همزمان می‏شوند را می‏توان از شرایط جریان هجومی و پس از گذشت کمتر از نیم‏سیکل از وقوع اختلال تشخیص داد. عملکرد مناسب این الگوریتم با شبیه‏سازی حالت‏های مختلف خطا و کلیدزنی در یک سیستم قدرت نمونه ثابت‏شده‏است.

کلید واژه: حفاظت دیفرانسیل ترانسفورمر قدرت؛ جریان هجومی؛ جریان خطای داخلی؛ خط برگشت

۲-۱  مقدمه

ترانسفورمرهای قدرت بزرگ دسته‏ای از اجزاء حیاتی و گران در سیستم‏های قدرت الکتریکی هستند. میازهای متفاوت در حفاظت ترانسفومرهای قدرت یعنی عملکرد سریع در شرایط خطا و امنیت کافی در شرایط غیرخطا موجب‏شده‏که کار حفاظت از ترانسفورمرهای قدرت بزرگ یکی از مشکل‏ترین مسایل در حوزه رله‏گذاری سیستم قدرت باشد. انواع الگوریتم‏های بکار رفته در حفاظت دیفرانسیل ترانسفورمر قدرت را می‏توان به شکل زیر تقسیم‏بندی نمود.

دسته‏ای از الگوریتم‏های حفاظت دیفرانسیل مبتنی بر پردازش محتوای هارمونیکی جریان‏های تفاضلی هستند. در روش متداول از اندازه هارمونیک دوم جریان تفاضلی استفاده می‏شود. با این وجود این روش نمی‏تواند نیازهای ترانسفورمرهای قدرت جدید موجود در سیستم‏های قدرت تکامل‏یافته را تأمین کند. برای اصلاح عملکرد این دسته از الگوریتم‏ها برخی الگوریتم‏های جدید مثل الگوریتم محدودیت ولتاژ، الگوریتم هارمونیک دوم مختلط، الگوریتم هارمونیک سوم مجازی، الگوریتم مبتنی بر تحلیل طیفی مدرن، الگوریتم‏های مبتنی بر ارزیابی علامت توابع معیار پیشنهاد شده‏اند.

در برخی از الگوریتم‏ها شرایط خطا از طریق مشخصات اعوجاج شکل موج جریان تفاضلی تشخیص داده می‏شود. معیار عملکرد در روش متداول براساس مدت زمانی است که شکل موج جریان تفاضلی نزدیک صفر می‏ماند. این روش در زمان اشباع ترانسفورمر جریان به علت کاهش عدم تقارن جریان هجومی کارایی خود را از دست می‏دهد. در نتیجه برخی الگوریتم‏های اصلاح‏شده مثل الگوریتم همبستگی کوتاه‏مدت، الگوریتم‏های همبستگی شکل موج، الگوریتم مبتنی بر تخمین خطا، الگوریتم مبتنی بر اندوکتانس لحظه‏ای معادل جهت بدست آوردن نتایج تشخیص بهتر پیشنهاد شده‏است.

دسته دیگری از الگوریتم‏های حفاظت‏ دیفرانسیل از مدار معادل ترانسفورمر قدرت برای تشخیص نوع اختلال بهره می‏برند. الگوریتم تبدیل مودال، الگوریتم توان حقیقی تفاضلی، الگوریتم مبتنی بر فلوی داخلی هسته از جمله این الگوریتم‏ها می‏باشند.

و نهایتاً این‏که برخی از الگوریتم‏های حفاظت دیفرانسیل از مزیت‏های تبدیل موجک در تحلیل سیگنال گذرا و استخراج ویژگی یا از شبکه‏های عصبی و فازی استفاده می‏کنند.

اکثر الگوریتم‏های ارائه‏شده، فاقد برخی از ویژگی‏های مورد نیاز جهت حفاظت دیفرانسیل ترانسفورمر قدرت هستند. مثلاً الگوریتم‏های مبتنی بر آشکارسازی اعوجاج شکل موج جریان‏های تفاضلی تأخیر ذاتی بیش از یک سیکل دارند. در بسیاری از این الگوریتم‏ها از سیگنال ولتاژ نیز استفاده‏شده‏است. تقریباً تمامی الگوریتم‏های پیشنهادی نیازممند انتخاب آستانه می‏باشند. برخی از این الگوریتم‏ها قادر به تشخیص خطاهایی که با جریان هجومی همراه می‏شوند، نیستند. تعدادی از روش‏های بکار رفته از الگوریتم‏های با محاسبات طولانی استفاده می‏کنند یا مثل الگوریتم‏های عصبی و فازی به شمار زیادی از الگوهای آموزشی نیاز دارند. با درنظرگرفتن مسائل فوق، در این مقاله یک الگوریتم جدید مبتنی بر پردازش شکل موج جریان‏‏های تفاضلی برای حفاظت دیفرانسیل ترانسفورمر قدرت پیشنهاد می‏شود. این الگوریتم با درنظرگرفتن رفتار متفاوت شکل موج جریان‏های تفاضلی در طی زمان کوتاهی پس از وقوع شرایط هجومی و خطا بسط می‏یابد. در مرحله اول این روش، تقریب خط نمونه‏های جریان تفاضلی موجود در نیم‏سیکل اول پس از وقوع اختلال توسط خط برگشت بدست می‏آید. درمرحله دوم، یک تابع تصمیم‏گیری برای تعیین نحوه توزیع نمونه‏های جریان تفاضلی در دو طرف خط برگشت حاصل از مرحله اول، تعریف می‏شود. با ارزیابی علامت تابع تصمیم‏گیری متناظر با جریان‏های تفاضلی سه فاز، همه انواع خطاهای داخلی حتی آنهایی که با جریان هجومی همزمان می‏شوند را می‏توان از شرایط جریان هجومی و پس از گذشت کمتر از نیم‏سیکل از وقوع اختلال تشخیص داد.

۲-۲ تشخیص جریان هجومی از شرایط خطای داخلی با استفاده از تقریب خطی شکل موج جریان تفاضلی

۲-۲-۱ مبنای روش

روش جدید تشخیص جریان هجومی از شرایط خطای داخلی مبتنی بر رفتار متفاوت این دو شکل موج در طی زمان کوتاهی پس از وقوع اختلال است. شکل‏های ۲-۱ و  ۲-۲ به ترتیب نمونه‏هایی از سیکل اول یک جریان هجومی و یک جریان هجومی و یک جریان خطای داخلی که نسبت به اولین پیک خود نرمالیزه شده اند، را نشان می‏دهد. چنانچه از شکل ۲-۱ مشاهده می‏شود باتوجه به این‏که جریان هجومی مغناطیس‏کنندگی با اشباع هسته ترانسفورمر متناظر می‏باشد شکل موجی به صورت مخروطی شکل(غیرسینوسی) دارد. از طرف دیگر مطابق شکل۲-۲ باتوجه به ماهیت متفاوت جریان خطا، شکل موج آن رفتاری مشابه با شکل موج سینوسی دارد. باتوجه به این‏که این مشخصه‏ها از ماهیت متفاوت این دو نوع جریان ریشه می‏گیرد و با تغییر پارامترهای ترانسفورمر و سیستم قدرتی که ترانسفورمر در آن قرار داد متأثر نمی‏شوند می‏توان از آن‏ها به عنوان اساس الگوریتم تشخیص خطا از شرایط جریان هجومی استفاده نمود.

۲-۲-۲ اجزاء اصلی روش

الف) تقریب خطی شکل موج جریان تفاضلی با استفاده از خط برگشت: در شکل‏های ۲-۱ و ۲-۲ تقریب خطی جریان‏های تفاضلی از شروع اختلال تا زمان وقوع اولین پیک پس از وقوع اختلال توسط خط برگشت نشان داده‏شده‏است. جهت بدست‏آوردن خط برگشت نشان‏داده‏شده‏است. جهت بدست‏آوردن خط برگشت از روش کمترین توان‏های دوم استفاده شده‏است. در این روش ابتدا یک مدل خطی برای نمونه‏های جریان تفاضلی به صورت تابع خطی نشان داده‏شده در رابطه ۲-۱ در نظر گرفته می‏شود.

رابطه ۲-۱                                                                                                                

سپس برای این‏که این مدل خطی تقریب خوبی برای این نمونه‏ها باشد، مجموع توان دوم خطاها، یعنی رابطه ۲-۲ که تابعی ازa و b می‏باشد، حداقل می‏شود.

رابطه ۲-۲                                                                

 شکل ۲-۱ (الف) شکل موج جریان هجومی به همراه تقریب خطی نیم‏سیکل اول توسط خط برگشت (ب) تابع تشخیص (ج) تابع تصمیم‏گیری

شکل ۲-۲ (الف) شکل موج جریان خطا به همراه تقریب خطی نیم‏سیکل اول توسط خط برگشت(ب) تابع تشخیص (ج) تابع تصمیم‏گیری

 با حداقل‏کردن A(a, b)، a و b از رابطه ۲-۳ بدست می‏ایند.

رابطه ۲-۳                                                                                                    

که در آن می‏باشند.

ب) تعریف تابع تصمیم‏گیری: همان‏طوری که از شکل‏های ۲-۱ و ۲-۲ مشاهده می‏گردد توزیع نمونه‏های جریان تفاضلی در دو طرف خط برگشت در حالت‏های هجومی و خطا متفاوت است. برای مشخص‏نمودن این تفاوت تابع زیر را تحت عنوان تابع تشخیص درنظر می‏گیریم.

رابطه ۲-۴                                                                

در رابطه فوق i_d,j(n) نمونه nام جریان تفاضلی و a _j+b _jnn)) تقریب نمونه nام جریان تفاضلی با استفاده از خط برگشت را برای فاز Jام نشان می‏دهد. با بکارگیری این تابع تشخیص نحوه توزیع نمونه‏های جریان تفاضلی در دو طرف خط برگشت مشخص می‏گردد. توابع DF در حالت‏های هجومی و خطا در شکل ۲-۳ و ۲-۴ نشان داده‏شده‏اند مشاهده می‏شود که نحوه توزیع نمونه‏های جریان تفاضلی و یا علامت تابع DF در حالت‏های هجومی و خطا در آغاز اختلال متفاوت هستند. بعلاوه علامت تابع DF پس از گذشت زمانی از وقوع اختلال تغییر می‏کند. برای این‏که با گذشت زمان علامت این تابع با تغییر نحوه توزیع نمونه‏ها تغییر نکند و همچنان مطابق با رفتار ابتدای اختلال باشد، تابع زیر را تحت عنوان تابع تصمیم‏گیری تعریف می‏کنیم.

رابطه ۲-۵                                                                

عبارت h در مخرج کسر یک ضریبوزن‏دهی است که به منظور حذف اثر معکوس‏شدن علامت تابع DFبا افزایش زمان بکار می‏رود. در واقع تابع تصمیم‏گیری DMF بصورت مجموع وزن‏داده‏شده مقادیر DF  از زمان وقوع اختلال تا زمان فعلی تعریف می‏شود. شکل‏های ۲-۵ و ۲-۶ توابع DMF را نشان می‏دهند. علامت تابع DMF به عنوان ملاک عملکرد رله دیفرانسیل در روش پیشنهادی جدید استفاده می‏شود. مثبت‏بودن علامت DMF به معنی جاری‏شدن جریان هجومی است. در نتیجه باعث توقف عملکرد رله می‏شود. اما منفی‏بودن DMF نشان‏دهنده وقوع یک خطای داخلی است و باعث ارسال یک سیگنال تریپ از سوی رله می‏گردد.

ج) معیار تشخیص جریان هجومی از شرایط خطای داخلی

با توجه به این‏که کلیدزنی و در نتیجه اتصال ترانسفورمر به منبع ولتاژ روی هر نقطه از شکل موج ولتاژ منبع امکان دارد و از طرفی مقدار فلوی باقیمانده موجود در ساق‏های هسته متناظر با هر فاز در لحظه کلیدزنی یک متغییر تصدفی است، امکان دارد در برخی از حالت‏های کلیدزنی جریان برخی از فازها بواسطه اشباع‏نرفتن ساق هسته متناظر با آن از نوع جریان هجومی نباشد. از طرفی به همگام وقوع خطا، با توجه به نوع خطا و همچنین وجود خط طولانی متصل به باس ترانسفورمر، امکان دارد که در برخی از حالت‏ها، تایع تصمیم‏گیری محسابه‏شده برای برخی از فازها مقداری مثبت داشته باشد. بنابراین لازم است با انجام شبیه‏سازی انواع شرایط خطا و جریان هجومی معیاری برای تشخیص این شرایط از یکدیگر با استفاده از توابع تصمیم‏گیری محسابه‏شده برای سه فاز به دست آید. باتوجه به شبیه‏سازی‏های متعدد و متنوع انجام‏شده، این معیار به این صورت به دست آمد که اگر حداقل علامت دو تا از توابع تصمیم‏گیری منفی باشد، آنگاه خطا رخ داده‏است در غیراین‏صورت جریان از نوع هجومی است. فلوچارت الگوریتم پیشنهادی در شکل ۲-۳ نشان داده‏شده‏است.

۲-۳  سیستم قدرت مورد مطالعه

به منظور بررسی عملکرد روش‏های تشخیص جریان خطا از جریان هجومی لازم است با انتخاب یک سیستم قدرت مناسب عوامل اصلی تأثیرگذار در رفتار جریان هجومی و جریان خطا در نظر گرفته شوند. به این منظور سیستم قدرتی که دیاگرام آن در شکل ۲-۴ نشان داده‏شده است را در PSCAD.EMTDC مدل کرده‏ایم. این سیستم شامل یک ترانسفورمر قدرت MVA500، KV230/400 است که از طریق دو خط ۴۰۰ و ۲۳۰ کیلوولت به بقیه سیستم قدرت متصل شده‏است. سیستم‏های قدرت متصل به این خطوط توسط معادل تونن اشان مدل شده‏اند. علاوه بر دو خط ذکرشده، یک خط KV400 بلند دیگر به باس ولتاژ زیاد ترانسفورمر متصل است. وجود این خط باعث اعوجاج شکل موج جریان خطا می‏شود. به منظور درنظرگرفتن تأثیر دقیق پارامترهای توزیع‏شده خط روی شکل موجهای جریان هجومی و خطا، خطوط با استفاده از پارامترهای توزیع‏شده مدل شده‏اند. با تغییر قدرت اتصال کوتاه سیستم‏های متصل به خطوط ۴۰۰ و ۲۳۰ کیلوولت، امکان درنظرگرفتن اثر سیستم قوی و ضعیف روی جریان‏های خطا و هجومی با تغییر قدرت اتصال کوتاه سیستم‏های قدرتی که توسط معادل تونن اشان مدل شده‏اند، وجود دارد. ترانسفورمر سه فاز از سه ترانسفورمر تکفاز تشکیل‏شده‏است. سیم‏پیچی‏های دو طرف بصورت ستاره زمین شده متصل شده‏اند. البته امکان تغییر اتصال سیم‏پیچی‏های دو طرف و همچنین بکارگیری یک ترانسفورمر سه فاز با هسته سه‏ستونی نیز وجود دارد. برای مدل‏کردن اشباع هسته ترانسفورمر، شاخه تحریک در مدار معادل ترانسفورمر بصورت یک منحنی غیرخطی مدل می‏شود. با تغییر پارامترهای این منحنی همچون ولتاژ نقطه خم و جریان تحریک متناظر با نقطه خم می‏توان جریان‏های هجومی با مشخصه‏های مختلف را بدست آورد. ترانسفورمرهای جریان مربوط به حفاظت دیفرانسل نیز با جزئیات مدل شده‏اند به طوری‏که اثر پاسخ‏گذاری آن‏ها به جریان‏های ورودی اشان روی عملکرد الگوریتم های حفاظت‏دیفرانسیل در نظر گرفته می‏شود.

۲-۴ نتایج بکارگیری الگوریتم روی حالت‏های مختلف جریان خطا و جریان هجومی

به منظور بررسی عملکرد الگوریتم، حالت‏های مختلفی از جریان‏ هجومی و جریان خطا شبیه‏سازی شد. شبیه‏سازی حالت‏های مختلف جریان هجومی با تغییر پارامترهای اصلی مؤثر روی مشخصه‏های این جریان یعنی اندازه فلوی باقیمانده در هسته ترانسفومر، زاویه ولتاژ فازA منبع که روی آن کلیدزنی انجام می‏شود، کلیدزنی در شرایط باز یا بسته‏بودن ثانویه ترانسفورمر و ولتاژ نقطه خم مشخصه مغناطیسی هسته انجام شد.

شکل ۲-۳ فلوچارت الگوریتم پیشنهادی

شکل ۲-۴ سیستم قدرت مورد مطالعه

حالت‏های مختلف جریان خطا نیز با درنظر گرفتن عوامل اصلی مؤثر روی مشخصه‏های این جریان همچون وجود یا عدم وجود خط انتقال طولانی، نوع خطا و حالت باز یا بسته‏بودن ثانویه ترانسفومر شبیه‏سازی شد.

خلاصه نتایج بکارگیری پیشنهادی برای شرایط جریان هجومی در جدول ۲-۱ ارایه شده‏است. این جدول علامت توابع تصمیم‏گیری فازهای مختلف در زمان نیم‏سیکل پس از وقوع اختلال را برای حالت‏های مختلف نشان می‏دهد. ستون اول این جدول اندازه فلوهای باقیمانده در هسته ترانسفورمرهای تکفاز در لحظه کلیدزنی را به صورت درصدی از فلوی نامی نشان می‏دهد. ستون دوم جدول مربوط به زاویه ولتاژ فاز A منبع در لحظه کلیدزنی است. ستون سوم مشخص می‏کند که جریان تفاضلی مورد بررسی مربوط به کدام فاز است. ستون‏های چهارم و پنجم نیز مشخص می‏کنند که در لحظه وقوع جریان هجومی، ثانویه ترانسفورمر باز یا بسته بوده‏است. در هر یک از دو حالت بی‏باری و بارداری، اثر قوی‏بودن یا ضعیف‏بودن سیستم قدرت و همچنین اثر تغییر چگالی فلوی نقطه خم مشخصه مغناطیسی هسته ترانسفورمر بررسی شده‏اند. همچنین نتایج بکارگیری الگوریتم پیشنهادی برای شرایط خطای داخلی در جدول ۲-۲ ارایه‏شده‏اند. ستون‏های دوم و سوم این جدول به ترتیب مربوط به حالت‏های شبیه‏سازی اتصال کوتاه‏ها بدون حضور و با حضور خط انتقال طولانی می‏باشد. برای هر کدام از این دوحالت کلی، شبیه‏سازی انواع خطاها برای حالت بارداری و بی‏باری سیستم قدرت انجام‏شده‏است.

علاوه بر حالت‏های جریان خطا و جریان هجومی فوق لازم است عملکرد الگوریتم در شرایطی که کلیدزنی برای ترانسفورمر معیوب انجام می‏شود نیز در نظر گرفته شود. به این منظور در جدول ۲-۳، ۶ حالت مختلف از همزمان‏شدن شرایط هجومی و خطای داخلی لحاظ‏شده‏اند. سطرهای اول و دوم این جدول به ترتیب حالت کلیدزنی و خطا را نشان می‏دهند. نماد i , j در این دوسطر بیانگر سطر iام و ستون jام از جدول ۲-۱یا ۲-۲ می‌باشد. از جداول۲-۱، ۲-۲ و ۲-۳ ملاحظه می‌شود که در همه حالت‌های مورد مطالعه، الگوریتم به طور صحیح عمل می‌کند. در اکثر موارد، علامت توابع تصمیم‌گیری سه فاز در زمان نیم سیکل پس از وقوع اختلال در شرایط جریان هجومی مثبت و در شرایط خطا منفی هستند. اگرچه در برخی از حالت‌های خاص حداقل علامت دو تابع تصمیم‌گیری برای جریان‌ هجومی مثبت و حداقل علامت دوتابع تصمیم‌گیری برای جریان خطا منفی است.

جهت بررسی بیشتر و همچنین مقایسه این الگوریتم با الگوریتم‌های متداول حفاظت دیفرانسیل، شکل۲-۵ حالتی از جریان هجومی را نشان می‌دهد که محتوای هارمونیکی آن به خاطر چگالی فلوی اشباع‌ بالای ترانسفورمر کمتر از ۱۵% می‌باشد. بنابراین رله مبتنی بر محدودیت‌ هارمونیک دوم تحت این شرایط کلیدزنی عمل خواهد کرد. اما چون حداقل توابع تصمیم‌گیری محاسبه‌شده برای دو فاز مثبت است، الگوریتم پیشنهادی از ارسال سیگنال تریپ ممانعت می‌کند.

شکل۲-۶ حالتی از جریان‌های خطا با محتوای هارمونیک دوم بالا در حضور خط انتقال بلند(خط ۳)را که برای مدت زمان طولانی پس از رخ‌دادن اختلال جاری می‌شوند، را نشان می‌دهد. در چنین حالتی الگوریتم مبتنی بر محدودیت هارمونیک دوم نمی‌تواند در زمان قابل‌قبولی فرمان تریپ را صادر کند. اما همان‌طوری که مشاهده می‌گردد الگوریتم پیشنهادی در حدود نیم‌سیکل پس از وقوع اختلال عمل خواهد کرد.

شکل ۲-۵: الف) نمونه‏ای از جریان‏های هجومی با محتوای هارمونیکی پایین (ب) نسبت هارمونیک دوم به اول این جریان‏ها (ج) توابع تصمیم‏گیری برای این جریان‏ها

شکل ۲-۶ (الف) نمونه ای از جریان‏های خطا با محتوای هارمونیکی بالا (ب) نسبت هارمونیک دوم به اول این جریان‏ها (ج) توابع تصمیم‏گیری برای این جریان‏ها

۲-۵ نتیجه‌گیری

جهت دریافت و خرید متن کامل مقاله و تحقیق و پایان نامه مربوطه بر روی گزینه خرید انتهای هر تحقیق و پروژه کلیک نمائید و پس از وارد نمودن مشخصات خود به درگاه بانک متصل شده که از طریق کلیه کارت های عضو شتاب قادر به پرداخت می باشید و بلافاصله بعد از پرداخت آنلاین به صورت خودکار  لینک دنلود مقاله و پایان نامه مربوطه فعال گردیده که قادر به دنلود فایل کامل آن می باشد .