حماية أنظمة القدرة الكهربائية ووحدات قياس Phasor

الضرورة من حماية أنظمة القدرة ومعرفة وحدات قياس Phasor

تطورت وحدات قياس (Phasor – PMUs) من العمل المبكر على الترحيل القائم على جهاز الكمبيوتر الذي تم إجراؤه في شركة American Electric Power) (AEP))، والذي انضم إلى (AEP) في عام 1969م، وسرعان ما تم تكليفه بتطوير مرحل مسافة قائم على الكمبيوتر الرقمي لحماية خطوط النقل العلوية، لذلك كان من المتوقع أن يكون للترحيل الجديد أداء يضاهي أداء أفضل المرحلات التناظرية المتاحة.

يتألف جهاز المحاكاة من نماذج المقطع العرضي لخطوط النقل، ونماذج مختلفة للمولدات والمحولات، بحيث تم نمذجة الشبكات المعقدة ثلاثية الطور، كما ويمكن محاكاة عمليات التحويل المختلفة التي تمثل الأعطال وتشغيل قاطع الدائرة، كذلك تم استخدام جهاز المحاكاة بشكل أساسي لتمثيل ظواهر نظام الطاقة التي تؤثر على سلوك المرحلات في وقت بدء الخطأ وعابر الجهد والتيار الكهربائي وإزاحة التيار المستمر في التيارات وما إلى ذلك، كما تم تمثيلها بدقة عالية.

كما يوضح الشكل التالي (1) مبدأ (SCDR)، بحيث يتم أخذ عينات من مدخلات التيار والجهد الكهربائي، كما ويتم حساب استخدام مرشحات (Nyquist) المناسبة ومحولات فورييه المنفصلة (DFT) من الفولتية والتيارات، بحيث يرمز (k) في الشكل إلى معادلة واحدة باستخدام مكونات متناظرة تحسب المسافة إلى أي خطأ على الخط. تم تنفيذ مرحل يعتمد على مبدأ (SCDR) على (IBM System7)، كما وتم تثبيته في محطة (Matt-Funk) الفرعية التابعة لشركة (Appalachian Power Company).

ومع مرور الوقت أصبحت الحواسيب الصغيرة متاحة، بحيث كانت هذه أصغر حجماً من أجهزة الكمبيوتر المصغرة، كما وقد تم تحسين قدراتها الحاسوبية بشكل كبير، بحيث يمكن للمرء أن يعود إلى خوارزميات الترحيل التقليدية باستخدام كميات الطور بدلاً من المكونات المتماثلة، كما ويكون قادراً على ملاءمة الحساب ضمن دورة واحدة من تردد الطاقة.

ومع ذلك، سرعان ما تم إدراك أنه على الرغم من عدم الحاجة إلى (SCDR)، وذلك بسبب ضغط الوقت، إلا أن هناك ميزة كبيرة في إنقاذ جزء (SCDR) الذي يحسب مكونات تسلسل الفولتية والتيارات، بحيث تم سحب جزء (SCDR) الموضح في الشكل التالي (1) حتى حساب الفولتية ذات التسلسل الإيجابي والتيارات كوحدة قياس قائمة بذاتها والتي يمكن أن تقيس بدقة كبيرة الفولتية ذات التسلسل الإيجابي والتيارات في فترة واحدة من التردد الكهربائي الأساسي.

علاوة على ذلك يمكن تكرار القياس في كل دورة، مما يوفر للمستخدم صورة مستمرة لهذه الكميات مما يجعل من الممكن لأول مرة المراقبة في الوقت الحقيقي للظواهر الديناميكية التي تحدث على نظام الطاقة الكهربائية.

تقنيات قياس الطور الكهربائي

كمية الأمواج الجيبية النقية المعطاة بواسطة [x (t) = Xmcos (t + θ)] وتمثيلها الطوري وفقاً للعلاقة الرياضية [XX = (Xm / 2 – √) θjθ = (Xm / 2 – √) (cosθ + jsinθ)]، وهي موضحة في الشكل التالي (2)، كما أن الهدف من تقنية تقدير الأطوار هو فقط الحصول على تمثيل المرحلة.

أيضاً يتم جمع عينات من بيانات شكل الموجة عبر نافذة البيانات التي تكون عادةً فترة واحدة من التردد الكهربائي الأساسي لنظام الطاقة، وفي الأيام الأولى، كان معدل أخذ العينات (12) مرة في الدورة (720 هرتز لنظام 60 هرتز)، وهو شائع الاستخدام، كما تُستخدم حالياً معدلات أعلى بكثير لأخذ العينات في وحدات إدارة المشروع التجارية.

فيما بعد تم أخذ عينات خلال فترة واحدة من تردد نظام الطاقة الاسمي، بحيث يتم تقدير الطور بواسطة (DFT) المألوف:

حيث أن:

(Xr ،Xi): تمثل أجزاء حقيقية وخيالية من (synchrophasor) الفعلي.

(xn): هي عينة البيانات.

(N): هو عدد العينات في فترة واحدة.

كما يحتوي الطور على حجم قيمة جذر متوسط التربيع (RMS) لإشارة الإدخال وزاوية الطور هي الزاوية بين اللحظة التي يتم فيها قياس الإشارة وذروة إشارة الإدخال، لذلك إذا كان تردد إشارة الدخل مختلفاً عن التردد الاسمي؛ فيجب تطبيق تصحيح الحجم والزاوية لمراعاة انحراف التردد، وكما يُفترض أيضاً أن إشارة الدخل قد تمت تصفيتها وفقاً لمتطلبات معيار (Nyquist) لمعدل أخذ العينات المختار.

وغالباً ما تحتاج نافذة بيانات التقدير إلى أن تكون مختلفة عن فترة واحدة، وفي هذه الحالة يمكن استخدام نافذة متعددة الدورات، وذلك على عكس تطبيقات الترحيل، لذلك؛ فإنه ليس من الضروري استخدام نافذة الدورة الجزئية لتقدير المرحلة في تطبيقات وحدة إدارة المشروع.

التزامن الكهربائي الخاص بحماية أنظمة القدرة

(Phasor) هو تمثيل معقد للإشارة الجيبية النقية، والتي تحتوي على كل من السعة (A) والزاوية (θ)، والتي تعتمد زاوية المرحلة على اختيار المحور (t = 0)، مما يشير إلى مرجع التوقيت، وذلك من خلال مزامنة عمليات أخذ العينات للإشارات المختلفة التي قد تفصل بينها مئات الأميال، كذلك من الممكن وضع أطوارها على نفس الرسم التخطيطي للطور وتحقيق الغرض من المقارنة والتحليل.

ولتحقيق مرجع توقيت مشترك لعملية اكتساب (synchrophasor)، لذلك من الضروري أن يكون لديك مصدر لإشارات توقيت دقيقة، وفي أوائل الثمانينيات من القرن الماضي تم استخدام (LORAN-C) والأقمار الصناعية البيئية التشغيلية الثابتة (GOES) والإرسالات الراديوية (HBG) في أوروبا، وذلك للحصول على تزامن للوقت المرجعي في مواقع مختلفة في نظام طاقة.

كما تم استخدام التقاطع الصفري الموجب التالي المتاح لجهد الطور لتقدير زاوية الطور المحلي فيما يتعلق بالإشارة الزمنية، وباستخدام اختلاف الزوايا المقاسة على مرجع مشترك في موقعين؛ فإنه تم تحديد فرق زاوية الطور بين الفولتية في نقطتين تفرع.

المعايير المرتبطة بالحماية التزامنية في  أنظمة القدرة

من أجل تحقيق قابلية التشغيل البيني بين وحدات إدارة المشروع التي تصنعها جهات تصنيع مختلفة؛ فإنه من الضروري أن تتبع جميع وحدات إدارة المشروع معيارًا مشتركاً، كما تم إصدار سلسلة من معايير (IEEE)، وذلك لضمان دقة قياسات (synchrophasor) والتوافق في تقارير البيانات.

لذلك تم إصدار أول معيار (synchrophasor – IEEE Std 1344-1995) في عام 1995م، والذي تضمن مواصفات القياس والاتصال، وبناءً على هذا المعيار، تم اختبار وحدات إدارة المشروع للمصنعين الأوائل من أجل قابلية التشغيل البيني واكتشف أن أدائها عند الترددات غير الاسمية لم يكن متطابقاً، مما أدى إلى إنشاء (IEEE C37.118-2005).

كما توضح هذه المواصفة القياسية متطلبات استجابة وحدة إدارة المشروع لمدخلات التردد غير الاسمية التي كان انحراف ترددها في نطاق (± 5) هرتز من التردد الاسمي، بالإضافة إلى ذلك، تم تقديم مفهوم مهم جداً للخطأ المتجه الكلي (TVE) في (IEEE C37.118-2005)، وذلك لوصف دقة قياس.

على عكس قياسات الحجم والطور، كما يمكن أن تكون الأخطاء في قياس (synchrophasor) الناتجة عن أخطاء إما في الحجم أو في الطور أو كليهما، وذلك لدمج نوعي الأخطاء في مقياس واحد، بحيث يتم تعريف (TVE) على النحو التالي:

حيث أن (X ^ r و X ^ i) تمثل أجزاء حقيقية وخيالية من التزامن المقدر (المقاس)، كذلك من المهم أيضاً ملاحظة أن (IEEE Std 1344-1995)  و (IEEE C37.118-2005) لم تحدد متطلبات استجابة وحدات إدارة المشروع لعابرات نظام الطاقة، وبالتالي على الرغم من أن هذين المعيارين لعبان دوراً مهماً في توصيف الحالة المستقرة لقياسات الطور، إلا أنهما قصرا في جانب الأداء الديناميكي.