اكتشاف الأعطال في أنظمة نقل القدرة VSC-HVDC

الضرورة من اكتشاف الأعطال في أنظمة نقل القدرة VSC-HVDC

تعتبر أنظمة نقل التيار المباشر عالي الجهد (HVDC) مخططاً واعداً لتوصيل أنظمة القدرة الكهربائية غير المتزامنة أو نقل “الطاقة السائبة” عبر مسافات طويلة، بحيث تعد “المخططات القائمة” على محول مصدر الجهد (VSC) أكثر تميزاً مقارنة بالمخططات القائمة على محول المصدر الحالي (CSC)، كما وتتميز بميزات التحكم المنفصلة بين “مكونات القدرة” النشطة والمتفاعلة وعدم الحاجة إلى تعويض القدرة التفاعلية وجدوى التشغيل متعدد الأطراف.

وفيما يتعلق بقضايا الحماية، تختلف المخططات المستندة إلى (VSC) و (CSC)، وذلك على عكس معظم أنواع (VSC)، بحيث يمكن لوحدات (CSC) التحكم في التيار إلى جانب التيار المباشر تحت ظروف خطأ التيار المستمر، ومن ثم ينبغي الكشف عن حالات أعطال التيار المستمر مع مخططات (VSC) بسرعة، وعلاوة على ذلك، لا تزال الأساليب الموثوقة مطلوبة للتمييز بين الخط المعيب في الأنظمة متعددة الأطراف.

وفيما بعد تم اقتراح مخططات مختلفة لتوفير اكتشاف الأخطاء مع القدرة على تحديد الخطوط المعيبة في أنظمة (DC) متعددة الأطراف، بحيث تستند هذه المخططات على مشتق الجهد المحلي المقاس عند جانب خط المحاثات التي تحد من التيار الكهربائي، لذلك لا يمكن تطبيق هذه المخططات بدون مفاعلات في المحطات.

ولتحقيق نهج انتقائي للكشف عن الأخطاء، كما تم اقتراح بعض المخططات اعتماداً على مفهوم الحماية التفاضلية على أساس قنوات الاتصال بين محطات الخط، لذلك؛ فإن المشكلة الأكثر شيوعاً في استخدام نظام الاتصال هي التأخير في نقل البيانات بين المحطات، كما تتطلب الطرق الأخرى ترددات عالية لأخذ العينات، مثل تلك التي تعتمد على تحليل الموجات، لذلك لا يوصى بمتطلبات المعالجة عالية التردد بسبب الحاجة إلى وحدات معالجة ذات قدرات عالية التردد الكهربائي.

كما يعتمد المخطط المقترح على نموذج (Bergeron) لنظام النقل الخاص بالقدرة الكهربائية، كما تم استخدام هذا النموذج بنجاح في تطبيقات مختلفة للحماية، لا سيما مع أنظمة النقل، بحيث يمكن تحديد موقع الخطأ باستخدام معادلات النموذج.

أيضاً يتضمن حساب توزيع الجهد على طول نظام الإرسال بناءً على الإشارات المراقبة في النهاية، كما يتم الحصول على ملفي توزيع للجهد الكهربائي على أساس الحسابات في كلا طرفي نظام النقل، لذلك يعتبر موقع الخطأ هو النقطة التي تكون فيها توزيعات الجهد من كلا الطرفين متطابقة، ومع ذلك؛ فإن هذا النهج غير مناسب لاكتشاف الأخطاء عبر الإنترنت نظراً لطول فترة تنفيذه.

نهج الكشف عن الخطأ المقترح الخاص اكتشاف الأعطال

معيار كشف الخلل

تم اشتقاق النهج المقترح مع الأخذ في الاعتبار تمثيل نظام النقل مع نموذج خط (Bergeron)، بحيث يتم حساب جهد أحد طرفي نظام النقل كدالة لإشارات التيار والجهد المرصود في الطرف الآخر، حيث أن الجهد المحسوب يساوي القيمة المقاسة بشرط أن يعمل نظام النقل بشكل جيد.

وفي حالة وجود خطأ في نظام النقل، سيكون الجهد المحسوب افتراضياً، وهو الذي يختلف عن القيمة الفعلية المقاسة، وهذا لأن الحسابات تستند إلى دائرة مكافئة لخط تعمل بشكل جيد، وبناءً على هذا المعيار؛ فقد تم تصميم نهج الكشف عن الأخطاء المقترح.

وبالنسبة للخط أو مقطع الكبل المحدد؛ فإنه يتم تحديد المحطتين بواسطة (J) و (K)، وبأخذ المحطة (K) كمثال، سيكون فرق الجهد:

حيث أن:

(ΔVK): هو فرق الجهد للمحطة (K).

(VK): المحسوب هو الجهد المحسوب للطرف (K)، والذي تم الحصول عليه من خلال معادلة نموذج (Bergeron) كدالة للإشارات المراقبة في المحطة (J).

(VK): المقاس هو الجهد المقاس للمحطة (K)، وهو الذي يمثل القيمة الفعلية، علاوة على ذلك تشير (ΔVK = 0) إلى أن الخط أو الكابل يعمل بشكل جيد، ومع حدوث الخطأ ستكون (ΔVK) قيمة معينة اعتماداً على حالة الخطأ.

أيضاً يتم النظر في كلا طرفي نظام النقل مع اختلافين في الجهد الكهربائي واحد لكل طرف، كذلك (ΔVK) و (ΔVJ)، بحيث يعتمد نهج الكشف عن الأخطاء المقترح على مراقبة كلتا القيمتين للتحقق من حالة نظام الإرسال.

نموذج نظام النقل الكهربائي

يتم إعطاء “نموذج بيرجيرون”، وذلك لحساب جهد المحطة (K) من حيث الجهد والتيار الكهربائي عند الطرف (J) على النحو التالي:

حيث أن:

(Zc): هي الممانعة المميزة لخط النقل أو الكابل.

(r): هي المقاومة لكل وحدة طول.

(l): طول خط النقل أو الكابل، وهي مدة السفر للموجة المتنقلة لتنتشر على طول الطول.

(VJ): هو الجهد المقاس عند الطرف (J).

(iJK): هو التيار المقاس عند الطرف (J) المتدفق نحو الطرف الآخر.

يمثل نموذج (Bergeron) جوهر العديد من الخوارزميات المطورة لأنظمة الإرسال، بحيث يعتمد “نموذج بيرجيرون” على دائرة مكافئة الموجة المتنقلة، كما يتم تمثيل نظام النقل من خلال قسمين من الدوائر المثالية، كذلك يتم النظر في الخسائر من خلال تضمين المقاومة كعنصر معلمة مجمعة بأربعة أجزاء، كما هو موضح في الشكل التالي (1)، وبناءً على الموجات المتنقلة على طول الأقسام الخالية من الخسائر يمكن اشتقاق معادلات النموذج.

من الجدير بالذكر أن جميع الحسابات الواردة هنا يتم تنفيذها عن طريق استخدام متطلبات الوضع الهوائي لنظام الإرسال (الوضع الأول)، وذلك كما تم استخدام طوبولوجيا الوضع الهوائي لأنها توفر دائرة منفصلة بدون تأثير الاقتران المتبادل بين القطبين الموجب والسالب، وذلك للحصول على إشارات الوضع الأول كدالة للإشارات الموجبة والسالبة.

مسألة تأخير الاتصال

للتحقق مما إذا كان نظام الاتصال سيؤدي إلى تأخير، تم تحليل السرعة النسبية بين نظام الاتصال وموجات السفر، لذلك يتم اختبار كل من الكابلات الأرضية والخطوط الهوائية، وفيما يتعلق بنظام الاتصال الموصى به؛ فإن الأنظمة القائمة على الألياف الضوئية هي الأكثر استخداماً، والتي تتطلب حوالي (0.5) مللي لكل 100 كيلومتر من الطول لنقل البيانات.

ولتحديد سرعة الموجة المتنقلة على طول خط النقل أو الكابل، كما يتم استخدام برنامج الخط الثابت في بيئة (PSCAD)، بحيث يتم تحديد الوقت اللازم لانتشار الموجة المتنقلة على طول نفس الطول (100 كم) لكل من أنظمة النقل تحت الأرض وأنظمة النقل الهوائية، كما ويرد وصف لتكوينات أنظمة الإرسال في الشكل التالي.

كما وقد اكتشف أن وقت السفر يبلغ حوالي (0.34) مللي ثانية لخط النقل العلوي و (0.64) مللي ثانية للكابل تحت الأرض بطول (100) كيلومتر على التوالي، وهذا يعني أن وقت نقل البيانات بواسطة مخطط الألياف الضوئية أقصر من (τ) في الكبل الموجود تحت الأرض وأطول من على الخط العلوي.

لذلك إذا تم استخدام كابل تحت الأرض؛ فسوف تقضي إشارة الاتصال وقتًا أقل من للوصول إلى الطرف الآخر، وبالتالي لن تتأخر المعالجة المطلوبة لاكتشاف الأخطاء بسبب الاتصال، وهذا يعتبر ميزة فريدة للنهج المقترح، وفي الوقت نفسه، إذا تم استخدام خط علوي؛ فسيحدث تأخير طفيف، والذي يقدر بالفرق بين وقت الاتصال ووقت السفر.

على سبيل المثال، سيكون (0.16) مللي ثانية لكل (100) كيلومتر (0.5 × 0.34 = 0.16 مللي ثانية)، ووفقاً للخط العلوي، يمثل هذا الوقت مدة انتظار حتى يتم استلام العينات المطلوبة المراد معالجتها، وهو أمر مقبول لاكتشاف الأعطال في أنظمة (HVDC).