تحليل أداء العتبة للحماية التفاضلية للمحول الكهربائي

الضرورة من تحليل أداء العتبة للحماية التفاضلية للمحول الكهربائي

لا غنى عن شبكات الاتصالات في المحطات الفرعية القائمة على (IEC61850) لتطبيق نظام “أتمتة المحطات الفرعية” (SAS)، ونظراً لأن أنظمة الحماية والتحكم والتشغيل في المحطات الفرعية، وللتحقق من خلال الشبكات؛ فإن القيد الرئيسي “لوظائف الحماية” يتحول إلى توقيت التسليم و”موثوقية الإرسال” في الوقت الحاضر.

كما يتولى ناقل العملية الخاص “بشبكة إيثرنت” إرسال رسائل البيانات الأولية الممثلة كرسالة ذات قيمة عينة (SV) وأوامر التعثر التي يتم تمثيلها كرسالة حدث محطة فرعية عامة (GOOSE) في موجهة للكائنات، كما تحمل رسالة (SV) قيم عينات دورية قصيرة للجهد والتيار الكهربائي، مما يؤدي إلى حركة مرور كبيرة على الشبكة، بحيث تتبنى رسالة (GOOSE) آلية إعادة الإرسال لتحسين الموثوقية.

لذلك يجب معالجة مشاكل جودة إرسال البيانات، والتي تنعكس بشكل أساسي على شكل خسارة الحزم والتأخير الزمني والخطأ في البتات والاضطراب، وحتى الفقد المؤقت للوصلة في إرسال الرسائل، حيث أن تقنية الاستيفاء هي إجراء بسيط وعملي لحل مثل هذه المشكلات.

لذلك توجد أنواع عديدة من خوارزميات الاستيفاء، مثل الاستيفاء الخطي،” الاستيفاء لاغرانج” من الدرجة الثانية، “الاستيفاء التكعيبي” المكعب وما إلى ذلك، بحيث يتم استخدام الاستيفاء الخطي بشكل أكثر شيوعًا بسبب بساطته وحسابه الصغير وسرعته، بينما يعمل الآخرون بشكل أفضل من حيث الدقة مع المزيد من الحساب واستهلاك الوقت.

كما أنه من الواضح أن دقة الحساب الأفضل تعني عادةً المزيد من أعباء العمل الحاسوبية وسرعة الحوسبة الأبطأ، لذلك قبل تحديد خوارزمية الاستيفاء المناسبة، لذلك يبقى من الضروري مراعاة أيهما أكثر أهمية بين الدقة والسرعة.

كما تعتبر رسائل (SV) و (GOOSE) حرجة بالنسبة للوقت وقد تُفقد أو تتأخر بسبب حركة المرور المتتالية وعدم كفاية عرض النطاق الترددي للشبكة، مما سيؤثر على وظائف الترحيل، لذلك يتم تمييزها بأولوية أعلى وتعيينها مباشرة إلى طبقة إيثرنت منخفضة المستوى، وذلك على عكس رسالة (GOOSE)، بحيث لا يتم إرسال رسالة (SV) بشكل متكرر.

لذلك؛ فإنه يجب إيلاء المزيد من الاهتمام لقضايا فقدان وتأخير حزم (SV)، خاصةً للحماية التفاضلية التي تحتاج إلى مزامنة قيم العينات على كلا الجانبين، بحيث يعد حظر معدات الحماية إجراءً مضاداً شائعاً لفقدان وتأخير الحزم المفرط، ولكنه قد يؤدي إلى تدهور النظام إذا فشلت الحماية الاحتياطية أثناء حدوث خطأ.

عملية تحليل خصائص الحماية التفاضلية

من أجل ضمان انتقائية وحساسية الحماية، تعتمد الحماية التفاضلية للمحول عالمياً من خلال الخصائص المقيدة الحالية، حيث استخدم (I˙m) و (I˙n) للإشارة إلى التيارات الثانوية في طرفي المحول الكهربائي ذي اللفتين على التوالي، وبالتالي؛ فإن التيار التفاضلي هو [Id = I˙m + I˙n] وتيار ضبط التلقائي هو عبارة عن [(Ir = 1/2 (I˙m − I˙n]، بحيث يطبق معيار عمل الحماية التفاضلية الخصائص المقيدة بالنسب المثالية الموضحة في الشكل التالي (1)، كما ويمكن التعبير عنها على النحو التالي:

بافتراض أن التيار (i) هو التيار الجيبي بشكل صارم، بحيث يمكن استخدام تعبير الطور لدراسة خصائص التشغيل للحماية التفاضلية، بحيث افترض أن (I˙m) لها سعة أكبر من (I˙n) وأخذ (Im)، وذلك كقيمة مرجعية للتطبيع، لذلك يمكن الحصول على التعبير [P˙ = I˙n / P˙nI˙mI˙m]، وبعد ذلك، يمكن تمثيل العلاقة بين التيارات على كلا الجانبين بدائرة وحدة على أساس التيار في الجزء الأول من المعيار (1)، قسم النسبة، بحيث يمكن كتابته على الصورة:

يتم عرض خصائص العملية المتعلقة بالصيغة التالية في الشكل التالي (2-a)، وهو المتجه المركزي لدائرة الإعداد (1ej180∘) ونصف القطر يساوي (Iact.min / Im)، وذلك عندما تقع القيمة النسبية لـ (I˙n) داخل دائرة الإعداد، بحيث لا تعمل حماية الترحيل، ولكنها ستعمل إذا تم تحديد موقع (P)، وبالمثل؛ فإنه يمكن كتابة الجزء الثاني من المعيار (1) في القسم المقيد، وذلك على هيئة:

مخطط الحماية ونموذج المحاكاة

يتضمن مخطط الحماية في المحطات الفرعية الذكية التي تمت مناقشتها دمج الوحدات (MUs) وناقل العملية ومفاتيح (Ethernet) ومرحلات الحماية الرقمية والمحطات الذكية للقواطع، كما تم تحديد أطر إرسال رسائل (SV) و (GOOSE) في (IEC 61850) ويحمل كل منها بيانات حيوية لنظام الحماية.

لكي تكون محدداً؛ فإن رسالة (SV) هي نوع من الرسائل الدورية المتعلقة بالجهد الكهربائي والتيار المقاسة بواسطة المحولات المحتملة (PTs) والمحولات الحالية (CTs) في النظام الأساسي، ثم يتم تحويلها إلى بيانات رقمية عن طريق دمج الوحدات، كمات أن  رسالة (GOOSE) هي بشكل أساسي إشارة التعثر المرسلة عن طريق المرحلات الواقية إلى المحطات الذكية.

كذلك كمية حزم (SV) أكبر بكثير من حزم (GOOSE)، حيث تستهلك حركة مرور كبيرة في ناقل العملية، و علاوة على ذلك؛ فإنه من المحتمل أن تُفقد حزمة (SV) أو تتأخر في ازدحام الشبكة الكهربائية، مما قد يؤدي إلى فشل وظيفة الحماية.

ومن أجل دراسة تأثير فقدان أو تأخير حزمة (SV) على إجراء حماية المرحل، يتألف نموذج النظام الأساسي من مولد ومحول وخط نقل ونظام لا نهائي مع (PSCAD / EMTDC)، ومع هذا النموذج؛ فإنه يتم التحقيق في إمكانية التشغيل الخاطئ وفقدان التشغيل للحماية التفاضلية للمحولات أثناء حدوث أخطاء خارجية وداخلية عند حدوث فقدان وتأخير حزمة (SV)، علاوة على ذلك، تمت مناقشة درجة التوافق لفقدان تأخير حزم (SV).

لذلك يتضح من النموذج الموضح في الشكل التالي أن جهد طرف المولد هو (13.8) كيلو فولت، وأن جهد النظام اللانهائي هو (220) كيلو فولت وتردد النظام 50 هرتز، بحيث تم تعيين النقاط الأربع (F1 و F2 و F3 و F4) لتمثيل الأعطال الخارجية والداخلية التي تحدث على جانب الجهد المنخفض وجانب الجهد العالي.

كما تجمع المحولات على كلا الجانبين تيار كل مرحلة من قاطع الدائرة (B1) و (B2)، بحيث تم ضبط تردد أخذ العينات الأولي على (4) كيلو هرتز، أي (80) قيمة حالية يتم جمعها لكل دورة، كذلك لم يتم النظر في التشبع المغناطيسي والتوافقيات في هذا النموذج.

إجراءات معالجة البيانات

يتم تعيين أخطاء نموذجية مختلفة في (PSCAD / EMTDC) ثم يتم استيراد البيانات الحالية ثلاثية الطور التي تم الحصول عليها بواسطة (CT) إلى (MATLAB)، كما يتم تقديم إجراء معالجة محدد في الشكل التالي.

لذلك يتم تغليف القياسات الحالية وفقاً لمعيار (IEC61850) ودفعها إلى المخزن المؤقت، بحيث تم تعيين موقع حزمة (SV) المفقودة وعدد الحزم المفقودة المتتالية، وبعد ذلك يتم تقدير قيمة العينة للحزمة المفقودة عن طريق التدابير التصحيحية وتخزينها في الموضع المقابل، وبعد ذلك يتم الحصول على (RMS) الحالي بواسطة خوارزمية فورييه.

وفي الوقت نفسه، تم تحديد معرف التيار التفاضلي والتيار المضبوط للحماية التفاضلية للمحول أيضاً، كذلك تم اعتماد الخاصية التقليدية المقيدة بنسبة خط من قسمين كمعيار عمل للحماية التفاضلية، كما يمكن البحث عن النقاط الحرجة للعمل عن طريق تغيير موقع وعدد حزم (SV) المفقودة.