حفاظت شبکه در حضور تولیدات پراکنده - بخش 1

دسته‌بندی: حفاظت تولیدات پراکنده

اضافه شدن تولیدات پراکنده به شبکه‌های توزیع در کنار مزایای فراوان با چالش‌های جدی برای حفاظت همراه است. شناخت رفتار پویای تولیدات پراکنده در کنار تغییرات در شبکه توزیع می‌تواند نقشی مهم در طراحی سامانه‌های حفاظتی متناسب با چالش‌های جدید داشته باشد. در این پست به بررسی آثار منابع تولید پراکنده بر حفاظت شبکه‌های توزیع پرداخته می‌شود.

اضافه شدن منابع تولید پراکنده به شبکه‌های توزیع سبب بروز تغییری بنیادین در نحوه تولید و مصرف انرژی الکتریکی (در مقایسه با رویکرد متداول) شده است. در فلسفه سنتی، تولید انرژی الکتریکی در نیروگاه‌های بزرگ مقیاس متمرکز (اغلب فسیلی) صورت گرفته و با استفاده از شبکه‌های انتقال و توزیع به مصرف‌کنندگان می‌رسد. Distributed Generation یا DG عبارت است از تولید پراکنده و تمرکززدایی شده انرژی الکتریکی به واسطه مولدهای کوچک مقیاس (اعم از تجدیدپذیر و فسیلی). این تغییر رویکرد به سمت تولید محلی انرژی الکتریکی مزایای متعددی از قبیل بهبود امنیت انرژی، کاهش تلفات، آزادسازی ظرفیت در شبکه بالادست و مزایای زیست محیلی (در انواع تجدیدپذیر) و ... دارد. 

هرچند که اضافه شدن DGها به شبکه‌های توزیع در کنار مزایای فراوان با چالش های جدی به خصوص برای حفاظت شبکه همراه هستند. در شبکه‌های توزیع سنتی سیستم حفاظت مبتنی بر فلسفه یکسوتغذیه بودن شبکه استوار گردیده است. یعنی برای مثال در یک فیدر توزیع در حالت عادی شبکه جهت جاری شدن جریان‌های بار از سمت پست فوق‌توزیع (بالا دست) به سمت مصرف‌کنندگان بوده و در شرایط خطا نیز جریان فقط و فقط از سمت پست به محل خطا جاری شده و جریان خطا صرفا در خط مخدوش دیده می‌شود. با اضافه شدن DGها و به واسطه دوسوتغذیه شدن شبکه دیگر فلسفه اولیه یکسوتغذیه بودن شبکه معتبر نیست و این امر خود مرجع بروز چالش‌های فراوان حفاظتی (چه در امر تشخیص و پاکسازی خطا و چه در هماهنگی حفاظتی) است. 

در ادامه به بررسی چالش‌های حفاظتی ناشی از تولیدات پراکنده پرداخته می‌شود. اهم این چالش‌ها عبارتند از:

سوختن فیوز

در شبکه‌های توزیع بیش از 70 درصد خطاها ماهیت گذرا داشته و از همین جهت مطلوب است تا با استفاده از هماهنگی ریکلوزر-فیوز (مشهور به fuse saving) از دائمی شدن خطا (به واسطه بی‌برق نمودن مسیر خطای گذرا) و سوختن بی‌مورد فیوزها اجتناب شود. شکل 1 را در نظر بگیرید. قبل از نصب شدن DG ریکلوزر قادر بود تا در مشخصه عملکردی سریع خود با باز نمودن کلید و بیبرق نمودن مسیر خطا قادر بود تا خطای موقتی را برطرف کردن و از ذوب غیرضروری فیوز اجتناب کند. هرچند که این گزاره به این شرط معتبر است که منحنی عملکرد سریع ریکلوزر پایین تر از حداقل زمان ذوب فیوز باشد. 

شکل 1- سوختن فیوز با در مدار آمدن تولیدات پراکنده

حال DG را به مدار شکل 1 اضافه کنید. چه اتفاقی می افتد؟ اولا جریان عبوری از فیوز افزایش یافته است و این امر سبب می‌شود تا فیوز در زمانی کوتاه تر ذوب شود. حال آن که جریان تزریق شده به مسیر خطا از جانب DG در این آرایش خاص اصلا از ریکلوزر عبور نمی‌کند و فقط توسط فیوز دیده می‌شود. لذا تهدید سوختن فیوز قبل از عمل بازبست وجود دارد. اما تهدید به این جا ختم نمی‌شود. حالتی را در نظر بگیرید که مشخصه سریع ریکلوزر به آن اندازه سریع نیست که سلامت فیوز را حفظ کند و از سویی دیگر به آن اندازه کند نیست که سبب سوختن کامل فیوز شود. در این مورد پدیده‌ای تحت عنوان خستگی فیوز (fuse fatigue) رخ می‌دهد. 

تریپ اشتباه

یکی دیگر از اشکالات بالقوه در اثر اضافه شدن منابع تولید پراکنده امکان تریپ اشتباه حفاظت‌های خط دارای DG برای خطاهای خارجی است. شکل 2 را در نظر بگیرید. در این شکل خط 2 دچار خطا شده و جریانی از پست (I_F-SUB) به سمت آن جاری گردیده است. اگر DG در مدار نبود کار به همین جا ختم می‌شد و رله ابتدای فیدر خط 2 اقدام به پاکسازی این خطا می‌نمود. اما با اضافه شدن DG بر روی خط 1، بروز خطا در خط 2 (خط همجوار) سبب جاری شدن جریان خطای I_F-DG (DG backfeed) و عبور آن از رله ابتدای خط 1 (خط سالم و بدون خطا) می‌شود. جریان تزریقی از سمت DG این تهدید را به وجود می‌آورد که رله ابتدای خط 1 برای خطاهای خط همسایه با تهدید تریپ اشتباه یا nuisance trip روبرو باشد. 

شکل 2- پدیده تریپ اشتباه یا nuisance trip

این مشکل برای نشانگرهای خطا نیز وجود دارد. یعنی در صورت استفاده از نشانگر خطا در ابتدای خط 1، درصورت بروز خطا در هر یک از خطوط همسایه (برای مثال خط 2) به دلیل تزریق جریان از سمت DG به خطا، احتمال عملکرد اشتباه نشانگر وجود دارد. 

کندشدن حفاظت و کاهش حساسیت

منبع تولید پراکنده در کنار پست قادر به تغذیه خطاهای رخ داده در شبکه است. بسته به این که محل قرارگیری این دو منبع نسبت به هم به چه شکل باشد، مشکلات مختلفی امکان وقوع دارند. برای نمونه شکل 3 را در نظر بگیرید. تنظیمات اولیه حفاظتی رله ابتدای فیدر در حالتی که DG به مدار اضافه نشده به صورتی تنظیم شده که پوشش حفاظتی مناسب برای طول خط فراهم نماید. اما اضافه شدن تولید پراکنده سبب میشود تا مشارکت پست در تغذیه خطاهای مقاومتی رخ داده بین رله و DG کاهش یابد. هرچند که این کاهش در پوشش حفاظتی به مقاومت خطا و ظرفیت DG نیز بستگی دارد. اگر خطا بدون مقاومت باشد، پوشش حفاظتی بین رله و DG بدون تغییر باقی مانده اما اگر خطا با مقاومت همراه باشد، هرچقدر مقاومت بزرگتر، کاهش پوشش حفاظتی هم بزرگتر می‌گردد.

شکل 3 - کاهش پوشش حفاظت (خطا در بین DG و پست)

هرچند چالش به این جا ختم نمی‌شود. برای نمونه مدار شکل 4 را در نظر بگیرید. در این حالت علاوه بر پست DG نیز اقدام به تغذیه خطا می‌نماید. حال صرف نظر از این که خطا مقاومت دارد یا خیر در هر صورت کاهش حساسیت رله ابتدای فیدر اجتناب ناپذیر است. هرچند که میزان مقاومت خطا نیز میتواند بر شدت این کاهش حساسیت اثرگذار باشد. 

شکل 4- کاهش حساسیت حفاظت ابتدای فیدر (خطا در پایین دست DG و پست)

مشکلات بازبست

در ابتدای مقاله و در بخش سوختن فیوز در واقع به یکی از مشکلات ناشی از اضافه شدن DG برای منطق حفاظتی نجات فیوز اشاره گردید که خود به نوعی از جمله مشکلات پدید آمده در بازبست است. اما در این جا مشکلی دیگر مورد بررسی قرار می‌گیرد. گفته شد که فلسفه نجات فیوز بر امر اجتناب از دائمی شدن خطای موقتی (گذرا) از طریق بی‌برق نمودن کانال خطا استوار است. حال فرض کنید که در یک شبکه دارای تولید پراکنده نظیر آنچه در شکل 1 ترسیم شده، خطایی رخ دهد. ریکلوزر با منحنی قطع سریع خود اقدام به قطع برقرسانی به مسیر خطا از جانب پست نموده اما این مسیر همچنان توسط DG برقدار نگه داشته می‌شود. حال در صورت عدم اتخاذ تدابیر لازم، این امر سبب می‌شود که خطای گذرا تبدیل به خطای دائمی شده و عملا بازبست بیهوده باشد. 

مشکل دیگر بحث ریکلوزینگ غیرسنکرون است. فرض کنید که عمل بازبست صورت گرفته و کلید مربوطه باز شود. در این حالت شبکه بالادست کلید ولتاژ شبکه اصلی و پایین دست آن ولتاژ DG را خواهد داشت. در صورت اتخاذ تدابیر لازم، اگر در مدت زمان مرده ریکلوزر (dead time) بین دو سر کلید اختلاف ولتاژ (اختلاف اندازه، فاز و فرکانس) رخ دهد، وصل مجدد ریکلوزر سبب آسیب رسیدن به ادوات شبکه می‌شود. 

پدیدآمدن جزیره ناخواسته

با عملکرد تجهیزات حفاظتی از قبیل رله ها فیوز ها و امثالهم امکان ایزوله شدن بخشی از شبکه که از قضا دارای تولیدات پراکنده است، وجود دارد. در این حالت بخش ایزوله شده برقدار مانده و در اصطلاح یک جزیره به وجود می‌آید. به طور کلی میتوان گفت که به دلایل زیر جزیرهای شدن برای شبکه‌های توزیع دارای منابع تولید پراکنده پذیرفته شده نیست:

• بهره‌بردار شبکه هیچ کنترلی بر روی ولتاژها و فرکانس‌های جزیره نداشته و نمی‌تواند تضمینی برای برقراری قیود کیفیت توان دهد
• کاهش سطوح اتصال کوتاه و عدم عملکرد حفاظت
• تهدیدات جانی برای پرسنل 
• احتمال مناسب نبودن اتصال زمین بخش جزیره شده 
• تداخلات احتمالی با طرح‌های بازیابی شبکه و یا بازبست خودکار

هرچند که امکان نامبردن از چالش‌های حفاظتی بیشتری نیز وجود دارد (نظیر برهم خوردن هماهنگی رله-رله، رله-فیوز، فیوز-فیوز و ...) اما برای اجتناب از طولانی شدن بیش از اندازه مقاله به همین موارد اکتفا گردید. این مقاله اولین بخش از سری مقالات "حفاظت شبکه در حضور تولیدات پراکنده" بوده و انشالله درصورت باقی بودن عمر به مرور اقدام به انتشار بخش‌های جدیدتر مقاله خواهد شد. در بخش بعدی به صورت انضمامی‌تر و ناظر به شبکه‌های توزیع کشورمان و کلاس‌ها و طرح‌های اتصال مطرح شده در دستورالعمل اتصال منابع تولید پراکنده توانیر اقدام به بررسی چالش‌های حفاظتی مطرح شده خواهد شد. 

منابع

1- آرش صمدی، سمینار کارشناسی ارشد با عنوان "مطالعه تاثیر منابع تولید پراکنده بر روی حفاظت شبکه‌های توزیع و راه‌حل‌های حفاظتی ارائه شده"، شهریور 1397

2- دستورالعمل اتصال منابع تولید پراکنده، توانیر، 1400

3- آرش صمدی، رضا محمدی، بهمن داراب‌زاده عمارلوئی، "تنظیمات و الزامات حفاظت ضد جزیره‌ای منابع تولید پراکنده جهت جلوگیری از وقوع بازبست غیرسنکرون"، هشتمین کنفرانس منطقه‌ای سیرد، بهمن ماه 1398