پخش بار را شاید بتوان یکی از اصلی‌ترین تحلیل ها در یک سیستم قدرت دانست، امروز می‌خواهیم به شکلی مفصل و کاملا کاربردی به پخش بار در سیستم قدرت بپردازیم.

آنچه که در این نوشتار خواهید خواند؛

• پخش بار
• اهداف پخش بار
• مولفه‌‌های مطالعه پخش بار
• عوامل موثر در تنظیم پروفیل ولتاژ
• شبیه سازی پخش بار بهینه

اصولا روش‌های انجام پخش بار مانند؛ گوس سایدل، نیوتن رافسون، Decoupled، Fast Decoupled و روش پخش بار DC عمدتا براساس تکرار بنا شده‌اند و اگر در آنها روشی نیز نسبت به بقیه دارای سرعت بالاتری از حل می‌باشد قطعا در آن از برخی از پارامترها صرف‌نظر شده است.

با توجه به توضیحات بالا و اینکه همه‌ی مهندسین برق، تعدادی یا تمام روش‌های ذکر شده را در دوره‌ی کارشناسی گذرانده‌اند در این پست به این روش ها نمی‌پردازیم، واقعیت این است که به راحتی و با استفاده از چند کلیک ساده می‌توانیم به جای صرف چندین ساعت زمان با استفاده از نرم افزارهای مهندسی پخش بار را با دقت و تعداد دفعات بالا به انجام برسانیم، به همین دلیل پس از بررسی مفاهیم و عملکرد “پخش بار”، در پایان یک سیستم قدرت را در نرم افزار دیگسایلنت با یکدیگر از دید Power Flow بررسی و تحلیل خواهیم نمود.

پخش بار

پخش بار در نرم افزار سیمولینک متلب

Power Flow یا Load Flow یک تحلیل عددی از نحوه پخش توان الکتریکی در شبکه می‌باشد، در پخش بار تمرکز بروی پارامترهای متنوعی مانند؛ ولتاژ، زاویه ولتاژ، جریان، توان حقیقی، توان موهومی، تلفات توان، تبادل توان بین سامانه‌های قدرت مختلف، موازنه‌ی تولید و مصرف در شبکه، توان‌های انتقالی، محاسبهٔ توان‌های راکتیو مورد نیاز سیستم و دیگر مشخصه‌هایی که می‌توان با استفاده از محاسبه‌ی جریان و ولتاژ در بخش‌های مختلف شبکه بررسی نمود، می‌باشد.

در سال‌های 1929 تا اوایل 1960 اولین تحلیل شبکه که به صورت مدلسازی فیزیکی می‌بود صورت پذیرفت بود، پس از آن تحلیل کامپیوتری جایگزین راه حل‌های عددی آنالوگی گشت. امروزه کامپیوترها علاوه براینکه می‌توانند برای ما پخش بار را انجام دهند درکنار آن می‌توانند انواع خطاهای ممکن، پخش بار اقتصادی، تحلیل حالات دینامیکی و … را نیز شبیه سازی نمایند.^[1]

تحلیل پخش بار عمدتا در حالت ایستای شبکه (Steady-State) صورت می‌پذیرد

همانگونه که گفته شد تحلیل پخش بار برای بررسی پروفیل ولتاژ، جریان خطوط و تلفات نیز استفاده می‌شود. در واقع این پارامترها را می‌توان شاكله و هسته سیستم قدرت دانست كه توسط تحلیل پخش بار بررسی می‌شوند. از طرفی دیگر حضور منابع تولید پراكنده در شبكه‌های توزیع سبب اثرگذاری زیادی روی شبكه خواهند شد. این عوامل به علت گستردگی زیادی كه دارند مقوله‌های وسیعی را تحت پوشش خود خواهند داد. در ابتدا تاثیراتی كه این منابع در رابطه با مقوله پخش بار شبكه خواهند گذاشت بررسی خواهند شد. مهمترین تاثیر منابع تولید پراكنده بروی پروفیل ولتاژ و جریان خطوط شبكه می‌باشد.

در واقع می‌توان مهمترین تاثیر DG در شبكه‌های توزیع را اضافه ولتاژ دانست. اضافه ولتاژی كه اكثراً به دلیل تغییر جهت جریان و تنظیمات رایجی كه در شبكه‌های سنتی توزیع، لحاظ می‌شود اتفاق می‌افتد. واقعیت آن است كه تغییر جهت جریان عبوری از خطوط می‌توانند پروفیل ولتاژ را دستخوش تغییرات فراوانی بكند كه اضافه ولتاژ یكی از آنهاست. تاثیراتی كه این تغییرات بر روی ادوات تنظیم ولتاژ شبكه می‌گذارد یكی دیگر از مهمترین تاثیرات DG در شبكه‌های توزیع می‌باشد. مولدهای تولید پراكنده می‌توانند به صورت‌های مختلفی وارد مدار شوند كه هر كدام از مدهای عملكردی آنها می‌تواند تاثیر خود را داشته باشد. اگر چه استاندارد IEEE، تنظیم ولتاژ توسط DG را مشکل اعلام کرده است^[2] اما با این وجود در شرایطی كه یك توافق دو طرفه بین بهره‌بردار شبكه و صاحب DG وجود داشته باشد این وسایل می‌توانند در مد كنترل ولتاژ یعنی PV وارد مدار شده و به تنظیم ولتاژ كمك نمایند.^[3]

به مطالعه و تجزیه‌وتحلیل سیستم که با هدف تعیین پارامترهای مهم سیستم در شرایط نرمال یا اضطراری انجام می‌شود پخش بار می‌گویند

با توجه به تغییر بار شبكه معمولا برای آنكه بدترین حالت شبكه از نظر پروفیل ولتاژ و جریان خطوط بررسی شود، مطالعه پخش بار در شبكه‌های سنتی معمولا با ماكزیمم بارگذاری انجام می‌شود. حضور منابع تولید پراكنده و اینكه امكان خروج آنها نیز وجود دارد باعث شده كه بررسی شرایط مختلف شبكه نیازمند مطالعه پخش بار شبكه در سناریوهای مختلفی باشد. این سناریوها و اهداف آنها به تفصیل در ادامه بررسی خواهند شد.

اهداف پخش بار

پخش بار در نرم افزار Etap

پخش بار یکی از فاکتورهای بسیار مهم در برنامه ریزی توسعه شبکه در آینده بوده که در آن هدف ما انتخاب بهترین حالت عملکردی نیز می‌باشد. شاید مهمترین هدف در یک پخش بار دستیابی به ماکزییم توانایی انتقال توان به بارهای شبکه می‌باشد و پس از آن فاکتورهای کیفیت توان مانند؛ کاهش تلفات، تثبیت ولتاژی در تمام گره‌های شبکه و … مطرح می‌گردند.

مولفه‌‌های مطالعه پخش بار

پخش بار به‌عنوان یكی از مطالعات اساسی شبكه معمولا برای بررسی سه پارامتر مهم شبكه بكار می‌‌رود این سه پارامتر شامل پروفیل ولتاژ، جریان خطوط و تلفات شبكه است. هر یك از این پارامترها محدودیت‌‌های بهره‌‌برداری و طراحی شبكه را از یك جنبه بررسی می‌‌كنند كه می‌‌توان آنها را به‌صورت زیر بیان كرد:

جریان خطوط

در شبكه‌‌‌های قدرت یكی از پارامترهای كه باید بررسی شود توانایی انتقال توان خطوط مختلف می‌‌‌باشد. هادی‌‌‌های مورد استفاده در شبكه‌‌‌های توزیع بر اساس استانداردهای موجود طراحی شده‌‌‌اند و هر یك از آنها با توجه به شرایط محیطی و سایر عوامل موثر توانایی عبور جریان محدودی را دارند و عبور جریان بیش از این مقدار می‌‌‌تواند به هادی آسیب جدی برساند. از اینرو بعد از همگرا شدن نتایج پخش بار باید جریان خطوط مختلف از نظر عبور اضافه جریان بررسی شود. یعنی بر اساس منحنی بارپذیری هادی و نتایج پخش بار، مناسب بودن هادی انتخاب شده بررسی می‌گردد. منحنی بارپذیری هادی‌‌‌های مختلف تحت شرایط محیطی فیزیكی متفاوتی ارائه شده‌‌‌اند كه باید مدنظر قرار گیرد.

همانگونه که پیش‌تر بیان شد مطالعه پخش بار باید در فازهای مختلف طراحی شبكه یا به منظور بررسی مانورهای احتمالی انجام گیرد. در هر یك از این مراحل نحوه برخورد با محدودیت‌‌‌های جریانی شبكه می‌‌‌تواند متفاوت باشد. در فاز طراحی، طراح به‌راحتی می‌‌‌تواند با استفاده از هادی‌‌‌های مناسب‌‌‌تر طرح خود را در همان گام اول اصلاح كند. البته به اینكه طراحی در چه فازی باشد نیز بستگی دارد. بااین حال در حالت‌‌‌های مانور بروی شبكه می‌‌‌تواند محدودیت‌‌‌هایی را برای بهره‌‌‌بردار ایجاد نماید.

پروفیل ولتاژ

پروفیل ولتاژ در حالات مختلف

ولتاژ به‌عنوان یكی از مهمترین پارامترهای شبكه‌های قدرت بسیار متنوع بوده و بر اساس سطوح ولتاژ، سیستمهای قدرت به چهار دسته زیر تقسیم می‌شوند كه عبارتند از:^[4]

فشار ضعیف

این سطح به محدوده ولتاژ بین صفر ولت تا 1000 ولت اتلاق می‌گردد. این سطح در ایران 400 ولت می‌باشد.

فشار متوسط

سطح فشار متوسط به محدوده بین 1 كیلوولت تا 50 كیلوولت اتلاق می‌گردد. این سطح در ایران شامل سطوح؛ 11، 20 و 33 كیلوولت می‌باشد.

فشار قوی

این سطح ولتاژ به محدوده بین 50 تا 230 كیلوولت گفته می‌شود كه در ایران سطوح ولتاژی؛ 63، 132 و 230 كیلوولت در این دسته قرار می‌گیرند.

فوق فشار قوی

سطح ولتاژ فوق فشار قوی به ولتاژهای بیشتر از 230 كیلوولت اتلاق می‌گردد و در شبكه ایران تنها خطوط 400 كیلوولت در این سطح قرار می‌گیرند.

اگر چه سطوح ولتاژی مختلفی در شبكه‌های قدرت می‌توان یافت اما محدوده مجاز تغییرات هر یك از این سطوح در شبكه بسیار محدود بوده و استانداردها معمولا تنها اجازه تغییرات ناچیزی در حدود 5 درصد مقدار نامی را می‌دهند.

پروفیل ولتاژ شبكه كه معمولا ولتاژ قسمت‌های مختلف شبكه را برحسب زمان نشان می‌دهد اولین و مهمترین مولفه‌ای است كه از خروجی نتایج پخش بار استخراج می‌شود. در واقع پروفیل ولتاژ یك شبكه می‌تواند بیانگر بسیاری از مزایا و معایب شبكه باشد. این مزایا و معایب می‌تواند شامل تعیین نقاط قدرت و ضعف شبكه، تعیین امكان بارگذاری جدید و … باشند. در بررسی پروفیل ولتاژ؛ محدوده‌های بالا و پایین دامنه ولتاژ از اهمیت بسیار بالایی برخوردار بوده و این نقاط محدودیت‌های شبكه را تعیین می‌كنند این دو محدودیت را به‌صورت زیر می‌توان تشریح كرد:

• افت ولتاژ
• افزایش ولتاژ

افت ولتاژ

انتقال توان در یك شبكه قدرت همواره با افت ولتاژ یا تلفات ولتاژ همراه می‌باشد. از طرفی دیگر لوازم و اداواتی كه به شبكه توزیع وصل می‌شوند قابلیت كار در هر محدودهای از ولتاژ را ندارند و باید در یك محدوده استاندارد كار كنند. از اینرو استاندارهای موجود، شركتهای توزیع را ملزم به نگه داشتن ولتاژ در یك محدوده مشخص می‌كند. طبق استاندارد مجاز در شبكه‌های توزیع ایران حد پایین ولتاژ نباید از 95 درصد مقدار نامی كمتر شود. این محدودیت باعث می‌شود كه افت ولتاژ به یكی از مشكلات شبكه‌های توزیع تبدیل گردد.

در شبكه‌های توزیع سنتی، شبكه انتقال از طریق پست فوق توزیع به شبكه توزیع متصل می‌شود. این شبكه می‌تواند نقش شین بینهایت را برای شبكه توزیع داشته باشد. در یك شبكه توزیع، توان الكتریكی از پست فوق توزیع توسط فیدرهای شعاعی فشار متوسط به سر پست‌های توزیع منتقل شده و بعد از تقویت توسط تپ آفلاین ترانسفورماتورهای این پستها از طریق فیدرهای فشار ضعیف به مشتركین تحویل داده می‌شود. در هر یك از این دو بخش ولتاژ دچار افت خواهد شد اگر فیدرها طولانی بوده و توان انتقالی نیز زیاد باشد آنگاه ممكن است كه شبكه با مشكل افت ولتاژ مواجه شود و این می‌تواند به یكی از مشكلات عمده شبكه تبدیل شود كه شركتهای توزیع باید راه چارهای برای آن پیدا كنند. این مشكل وقتی تشدید می‌شود كه شبكه در ساعات پیك مصرف مورد بهره‌برداری قرار گیرد.

برای جبران افت ولتاژ در طول فیدر راه‌های متفاوتی وجود دارد. یكی از روشهای ساده و البته خیلی موثر كه همواره در مراحل اولیه طراحی مدنظر قرار می‌گیرد تقویت شبكه می‌باشد. استفاده از هادیهایی با مقاومت كمتر می‌تواند افت ولتاژ شبكه را كاهش دهد. همچنین در همان مراحل اولیه طراحی، تنظیم تپ ترانسفورماتورها روی مقادیر ماكزیمم می‌تواند باعث تقویت ولتاژ شبكه شود. سایر راه‌های جبران افت ولتاژ را می‌توان به‌صورت زیر نام برد:

1. جبرانسازی توان راكتیو
2. استفاده از تنظیم كنندههای ولتاژ
3. متعادل سازی بار

افزایش ولتاژ

بنا بر استاندارد ایران ولتاژ تحویلی به مشتركین نباید از 1.05 پریونیت كه معادل 242 ولت برای مشتركین تكفاز می‌باشد، فراتر رود. در شبكه‌های توزیع سنتی احتمال وقوع افزایش ولتاژ بسیار كم می‌باشد مگر آنكه تپ چنجرهای ترانسفورماتورهای فوق توزیع و توزیع همراه با خازن گذاری غیر فنی در شبكه باعث ایجاد افزایش ولتاژ در ساعات كاهش مصرف شوند. در واقع یك طراحی ساده و مهندسی به راحتی می‌تواند افزایش ولتاژ را كنترل كند.

افزایش ولتاژ به معنای فراتر رفتن ولتاژ مشتركین از ماكزیمم ولتاژ قابل قبول می‌باشد

مهمترین راهكار برای مواجه با افزایش ولتاژ را میتوان طراحی مهندسی دقیق دانست. درواقع اگر قرار باشد در شبكه خازن گذاری انجام شود باید مطالعه دقیقی روی مقدار و محل خازن گذاری انجام پذیرد. همچنین باید هماهنگی لازم بین خازن و تپ چنجرهای شبكه نیز انجام شود.

تلفات شبکه

میزان تلفات توان الکتریکی در کشورها

انتقال توان الكتریكی از طریق خطوط انتقال یا توزیع همواره همراه با تلفات بوده و عامل ایجاد تلفات در شبكه‌های قدرت مقاومت الكتریكی می‌باشد.

تلفات هر شبكهای را میتوان با كمك تحلیل پخش بار بدست آورد. در واقع یكی از پارامترهای خروجی مطالعه پخش بار تلفات شبكه می‌باشد. یكی از وظایف این شین جبران تلفات شبكه می‌باشد. بنابراین اگر در روش استفاده شده برای پخش بار، از یك شین مرجع متمركز برای جبران تلفات شبكه استفاده کنیم آنگاه تلفات شبكه به توان تزریقی كه این شین در حالت بدون تلفات شبكه تولید میكند افزوده می‌شود.^[5] اگر پخش بار با استفاده از شین مرجع توزیع شده انجام گیرد هر یك از شین‌های دارای ژنراتور می‌توانند قسمتی از تلفات شبكه را جبران كنند.^[6] این روش به دلیل نزدیك شدن تولید به مصرف تلفات شبكه را نیز تا حدودی كاهش میدهد.^[7] البته چون در شبكه‌های توزیع عملا شبكه تنها از طریق شبكه انتقال و پست فوق توزیع تغذیه می‌شود و ژنراتور مستقلی كه بتواند جبران قسمتی از تلفات شبكه را بعهده بگیرد وجود ندارد، امكان استفاده از شین مرجع توزیع شده وجود ندارد.

از آنجایی که تلفات کل شبکه جمع کل توان‌های اکتیو تزریقی شبکه می‌باشد، برای محاسبه تلفات یک شبکه بزرگ می‌توان به‌صورت زیر نوشت:

(1-1)                                          

در این رابطه P_i توان تزریقی شین iام می‌باشد. میتوان این رابطه را بر حسب توان‌های ظاهری به‌صورت زیر بیان کرد:

(1-2)                              

که در آن S_i، V_i و I_i به ترتیب توان ظاهری تزریقی، ولتاژ و جریان شین iام می‌باشند. ولتاژ هر بار را نیز با داشتن ماتریس امپدانس شبکه میتوان به‌صورت زیر نوشت:

(1-3)                                          

در این رابطه z_ij المان سطر i‌ام و ستون j‌ام ماتریس امپدانس شبکه می‌باشد. اگر بجای ولتاژها در رابطه (2-1) مقادیر آنها را از رابطه (3-1) قرار دهیم داریم:

(1-4)                                   

با استفاده از این رابطه و تفکیک برحسب مقادیر حقیقی و موهومی ماتریس امپدانس، رابطه (4-1) را میتوان به‌صورت رابطه (5-1) نوشت.

(1-5)                  

بررسی دقیقتر رابطه (5-1) نشان میدهد که جمله دوم این رابطه برابر صفر خواهد بود. بنابراین تلفات کل شبکه برابر جمله اول می‌باشد. حال برای تفکیک بیشتر این رابطه، جریان ها را بر حسب توانهای تزریقی می‌نویسیم. در این حالت داریم:^[8]

(1-6)                     

اگر این رابطه را ساده تر کنیم میتوان آن‌را بشکل زیر نوشت:^[9]

(1-7)                  

همچنانكه در رابطه (7-1) مشاهده می‌شود تلفات در این حالت نیز برحسب توان‌های تزریقی و ولتاژهای شین‌ها بدست آمده است. این رابطه تلفات شبکه را بر حسب تلفات متقابل توان‌های تزریقی شین‌ها بیان میكند. اگر رابطه (7-1) را به‌صورت یک ماتریس که هر یک از المان‌های آن تلفات متقابل شین‌ها را بیان می‌کند، بنویسیم. آنگاه المان‌های روی قطر اصلی این ماتریس كه تلفات خودی توانهای تزریقی هر یك از شین‌ها را بیان می‌كنند به‌صورت زیر خواهند بود:

(1-8)                                   

در رابطه (8-1) المان‌های روی غیر قطر اصلی نیز به‌صورت زیر بیان می‌شود:

(1-9)      

رابطه (9-1) بیان میكند كه قسمتی از تلفات شبكه ناشی از اثر متقابل توان‌های تزریقی شین‌های مختلف روی همدیگر می‌باشد. البته باید توجه داشت كه به‌علت بزرگ بودن المانهای حقیقی روی قطر اصلی نسبت به سایر المانهای ماتریس امپدانس شبكه مقادیر رابطه (8-1) نسبت به مقادیر رابطه (9-1) خیلی بزرگتر می‌باشند.

تلفات شبكه را میتوان به روش‌های مختلفی كاهش داد كه میتوان مهمترین آنها را به‌صورت زیر بیان كرد:

1. كاهش جریان خطوط با افزایش مسیرهای تغذیه.
2. كاهش مسیر تغذیه مشتركین با افزایش ترانسفورماتورهای توزیع و یا اصلاح مسیر تغذیه مشتركین.
3. خازن گذاری.
4. تقویت شبكه.
5. تجدید آرایش شبكه.
6. بار گیری بهینه از ترانسفورماتورها.
7. متعادل سازی بارهای سه فاز.
8. ترمیم اتصالات سست.
9. شاخه زنی.

عوامل موثر در تنظیم پروفیل ولتاژ

از میان مولفه‌های پخش بار پروفیل ولتاژ به‌علت اینكه مستقیما بر رضایت مشتركین تاثیر دارد از اهمیت بالاتری برخوردار می‌باشد. مفاهیم كیفیت توان نیز به‌طور مستقیم كیفیت برق را كیفیت ولتاژ تعریف كرده‌اند.^[10] بنابراین مسئله تنظیم ولتاژ از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می‌باشد و باید همواره سعی شود كه ولتاژ تحویل شده در محدوده مجاز باشد. از دیدگاه دیگر اگر ولتاژ مشتركین از محدوده مجاز تجاوز كند آنگاه وسایل مشتركین ممكن است دچار حادثه شوند و حتی اگر بتوانند به كار خود ادامه بدهند طول عمر آنها كاهش می‌یابد. از اینرو ولتاژ تحویل شده به مشتركین ارتباط مستقیم با رضایت مشتركین دارد و باید همواره در محدوده مجاز باشد.

معمولا در یك شبكه توزیع با طراحی مناسب اولیه محدودیت جریان خطوط شبكه كمتر پیش خواهد آمد. در صورتی هم كه این محدودیت ایجاد شود تنها برای یك ناحیه خاص بوده و مرتفع كردن آن ساده می‌باشد. همچنین برای این پارامتر تنها یك محدودیت افزایش بیش از توان خط وجود دارد. تلفات شبكه نیز تنها به بهره‌بردار شبكه و شركت‌های مرتبط ارتباط مستقیم داشته و با مشتركین ارتباط مستقیمی ندارد. اگر چه ممكن است در میزان هزینه‌ای كه آنها برای توان دریافتی می‌پردازند موثر باشد اما تاثیر مستقیمی نمی‌تواند روی كیفیت توان تحویلی مشتركین بگذارد. از طرفی دیگر طبق رابطه (7-1) این پارامتر بطور مستقیم تابعی از ولتاژ شبكه می‌باشد و همچنان كه مشاهده می‌شود بهبود ولتاژ شین‌های مختلف به كاهش تلفات شبكه نیز كمك خواهد كرد. در این میان پروفیل ولتاژ به‌عنوان پارامتری كه دو محدودیت عمده افزایش و كاهش دارد و ارتباط مستقیمی با رضایت مشتركین دارد از اهمیت بسیار بیشتری برخوردار بوده و همواره شركت‌های توزیع با كمك روشها و ادوات مختلف به‌دنبال بهبود این پارامتر می‌باشند.

میزان مصرف برق در ساعات مختلف روز

پارامترهای غیر قابل كنترل

پارامترهای موثر بر پروفیل ولتاژ بسیار متنوع می‌‌باشند و دامنه آنها بسیار گسترده می‌‌باشد. این پارامترها را می‌‌توان به دو دسته قابل تنظیم و غیر قابل تنظیم تقسیم كرد. پارامترهای غیر قابل تنظیم معمولا به پارامترهای ذاتی شبکه بستگی دارند. این پارامترها در مرحله طراحی شبكه قابل تغییر هستند اما هنگام بهره‌‌برداری از شبكه دیگر نمی‌توان آنها را تغییر داد. می‌‌توان مهم‌ترین آنها را به‌صورت زیر طبقه‌‌بندی کرد:

توپولوژی شبکه

ویژگی‌‌های شبكه مورد مطالعه از قبیل فاصله مشتركین از همدیگر و پست‌‌ها و … با توجه به ایجاد محدودیت‌‌های غیر قابل كنترل می‌‌تواند روی پروفیل ولتاژ تاثیرات زیادی داشته باشد.

امپدانس خطوط

امپدانس خطوط بطور مستقیم روی افت ولتاژ موثر می‌‌باشند. از آنجا كه تغییر هادی‌‌های خطوط بعد از طراحی برای شرایط مختلف تقریبا غیر ممكن می‌‌باشد از اینرو این پارامتر جزء پارامترهای غیر قابل كنترل شبكه طبقه‌‌بندی می‌گردد.

بارگذاری شبکه

مقدار بار شبكه تاثیر بسزای روی ولتاژ داشته و از آنجایی که این پارامتر با زمان متغییر است مهمترین پارامتری است كه باید در تنظیم ولتاژ در نظر گرفته شود.

در ساعات پیك با افزایش بار شبكه ممكن است مشكل افت ولتاژ ایجاد شود و در ساعات كاهش مصرف احتمال ایجاد افزایش ولتاژ وجود دارد

ضریب قدرت بارهای شبکه

معمولا توان تولیدی ژنراتورها و بار مصرفی مشتركین بر حسب توان اكتیو بیان می‌‌شوند. در واقع شبكه انتقال و یا توزیع با هدف انتقال توان اكتیو ایجاد شده است و عبور توان راكتیو از این شبكه‌‌ها به‌عنوان یك پدیده نامطلوب تلقی می‌‌شود كه علاوه بر اشغال ظرفیت خط می‌‌تواند پروفیل ولتاژ را تحت تاثیر قرار دهد. جاری شدن توان راكتیو در خطوط به دلایل زیر خواهد بود:

• شارژ خاصیت سلفی خطوط
• توان راكتیو درخواستی مشتركین

هر دو پارامتر توان راكتیو مصرف می‌‌كنند. در نتیجه ژنراتور باید این توان را تولید نماید و از طرفی تولید این توان توسط ژنراتور باعث افت ولتاژ می‌گردد. به‌عبارتی دیگر شارش توان راكتیو عامل اصلی افت ولتاژ است. همچنانكه گفته می‌‌شود كه اختلاف زاویه ولتاژ شین‌‌ها عامل شارش توان اكتیو است عامل شارش توان راكتیو نیز اختلاف اندازه ولتاژها می‌‌باشد. برای كنترل شارش توان راكتیو نمی‌‌توان عامل اول را تغییر داد چرا كه به ماهیت خطوط بستگی داشته و قابل كنترل نمی‌‌باشد. پارامتر دوم به نوع بارهای شبكه بستگی دارد و كاملا به ضریب قدرت بارها بستگی دارد. اگر بارها سلفی باشند توان راكتیو مصرف كرده و عامل تضعیف ولتاژ خواهند بود. بارهای خازنی با تزریق توان راكتیو ولتاژ را افزایش می‌‌دهند. البته اكثر بارهای شبكه‌‌های قدرت از نوع سلفی می‌‌باشند كه باعث جاری شدن توان راكتیو از تولید به سمت مصرف و در نتیجه افت ولتاژ خواهند شد. یك راه جبران‌‌سازی این پدیده تامین محلی توان راكتیو بارها می‌‌باشد. بدین ترتیب كه با قرار دادن جبرانسازهای توان راكتیو به‌عنوان مثال ساده‌‌ترین آن‌‌ها یعنی خازن در محل بار، شارش توان راكتیو از خطوط كاهش می‌‌یابد درنتیجه علاوه بر آزادسازی ظرفیت خطوط، افت ولتاژ نیز كاهش می‌‌باد.

سطح ولتاژ

از آنجا كه توان عبوری از شبكه به ولتاژ و جریان خطوط بستگی دارد در نتیجه با افزایش سطح ولتاژ شبكه، جریان شبكه كاهش یافته و میزان افزایش ولتاژ كاهش می‌‌یابد. با افزایش ولتاژ مقدار افت ولتاژ و اختلاف زاویه كاهش می‌‌یابد. از طرفی دیگر این مطلب مبنای اصلی استفاده از سطوح ولتاژ بالا در شبكه‌‌های قدرت می‌‌باشد یعنی با افزایش ولتاژ، تلفات و افت ولتاژ كاهش می‌‌یابد.

پارامترهای قابل تنظیم

دسته دوم پارامترهایی هستند که می‌‌‌توان با کنترل آنها پروفیل ولتاژ شبکه را تنظیم کرد. این پارامترها همواره به عنوان یکی از ابزارهای کنترل پروفیل ولتاژ در شبکه‌‌‌های توزیع بکار می‌‌‌روند. که می‌‌‌توان عمده‌‌‌ترین آنها را به‌صورت زیر ذکر کرد:

تپ چنجر اتوماتیك پست فوق توزیع

اولین وسیله تنظیم ولتاژ در شبکه‌‌‌های توزیع، تپ چنجر اتوماتیک پست‌‌‌های فوق توزیع می‌‌‌باشد. این وسیله به‌صورت اتوماتیک ولتاژ طرف ثانویه ترانسفورماتور فوق توزیع که اکثرا در شبکه‌‌‌های توزیع ایران 20 کیلوولت می‌‌‌باشد را تنظیم می‌‌‌کند. در واقع این تپ چنجر با تغییر اتوماتیک تپ قرار گرفته در اولیه ترانسفورماتور که جریان کمتری از آن عبور می‌‌‌کند مقدار ولتاژ ثانویه را کنترل می‌‌‌کند.

تپ ترانسفورماتور می‌‌‌‌تواند با تغییرات ولتاژ شبكه تغییر كرده و مقدار ولتاژ ثانویه را برای شرایط مختلف در یك مقدار از پیش تعیین شده تثبیت كند. برای اینكار معمولا از یك واحد كنترل كمك گرفته می‌‌‌‌شود كه پایش كردن ولتاژ ثانویه را انجام داده و همزمان با تغییر تپ آن را تثبیت می‌‌‌‌كند. واحد كنترل می‌‌‌‌تواند از روش‌های مختلفی برای كنترل ولتاژ ثانویه استفاده كند كه رایج‌‌‌‌ترین آنها به‌صورت زیر می‌‌‌‌باشد:^[11]

• جبرانسازی افت خط (Line-drop compensation)
• راكتانس منفی تركیب شده (Negative-reactance compounding)

تپ چنجر آفلاین پست توزیع

تپ چنجر آفلاین پست توزیع به‌عنوان یكی از وسایل جبران‌كننده افت ولتاژ در طول مسیر انتقال توان الكتریكی در شبكه‌های توزیع قلمداد می‌گردد. در واقع این ترانسفورماتور نیز می‌تواند همانند ترانسفورماتور فوق توزیع با افزایش تپ به‌صورت آفلاین ولتاژ را افزایش داده و تنها تفاوت آن با تپ چنجر ترانسفورماتورهای فوق توزیع این است كه در این حالت تپ ترانسفورماتور قابل تغییر زیر بار نیست.

این ویژگی قابلیت مانور بهره‌بردار را كاهش می‌دهد و از طرف دیگر مشكلات تنظیم تپ در حضور منابع تولید پراكنده نیز وجود دارد. اما با توجه به اینكه امكان تغییر این تپ‌ها معمولا فصل به فصل وجود دارد و ممكن است كه DG به دلیل خطاهای احتمالی یا سایر شرایط پیش بینی نشده از مدار خارج شود بنابراین بهتر است برای تنظیم تپ این ترانسفورماتورها تنها معیار، افت ولتاژ در حالت ماكزییم بارگذاری لحاظ شود. از اینرو معمولا مقدار تپ این ترانسفورماتورها برای جبران افت ولتاژی كه ممكن است در حالت ماكزیمم بارگذاری خارج از محدوده مجاز باشد روی مقدار ماكزیمم كه همان 1.05 پریونیت می‌باشد، تنظیم می‌گردد.

جبرانسازهای توان راكتیو

كنترل ولتاژ در شبكه‌‌های توزیع سنتی با كمك تپ چنجرهای اتوماتیك و جبرانسازی توان راكتیو انجام می‌‌شود. واقعیت آنست كه جبرانسازی توان راكتیو به‌عنوان یكی از متداول‌‌ترین روش‌های كنترل ولتاژ بوده كه در سیستم‌‌های قدرت كاربرد فراوانی دارد. مقایسه نسبت R/X در شبكه‌‌های انتقال و شبكه‌‌های توزیع نشان می‌‌دهد كه تاثیر كنترل توان راكتیو روی تنظیم ولتاژ در شبكه‌‌های انتقال بیشتر از شبكه‌‌های توزیع می‌‌باشد چرا كه راكتانس خطوط توزیع كمتر از مقاومت آن بوده و اندازه ولتاژ نسبت به توان راكتیو با راكتانس خطوط نسبت مستقیم دارد. با این وجود باز هم كنترل توان راكتیو در شبكه‌‌های توزیع به‌عنوان یكی از روش‌های رایج كنترل ولتاژ بكار می‌‌رود.

در شبكه‌‌های توزیع جبرانسازی توان راكتیو برای كاهش افت ولتاژ توسط خازن‌های قرار گرفته در طول فیدر یا خازن‌های نصب شده در پست فوق توزیع انجام می‌‌گیرد البته هر یك از این دو وسیله برای هدف‌های مختلفی بكار می‌‌روند. معمولا خازن‌های نصب شده در پست برای جبران توان راكتیوی است كه از اولیه ترانسفورماتور كشیده می‌‌شود، بكار می‌‌روند. هماهنگی بین این خازن ها و تپ چنجرهای اتوماتیك باعث می‌‌شود همزمان كه ولتاژ ثانویه با كمك تپ چنجر تنظیم شود، ولتاژ اولیه نیز با كمك این خازن ها در محدوده مجاز حفظ می‌شود.

خازن‌های طول فیدر نیز با تصحیح ضریب قدرت به تنظیم ولتاژ و جبران‌‌سازی افت ولتاژ در خط كمك فراونی می‌‌كنند. علاوه بر این آنها می‌‌توانند به‌عنوان یك فیلتر هارمونیكی نیز عمل كنند. از دیدگاه بهره‌‌برداری نیز می‌‌توان به مزیت‌‌های عمده خازن‌‌ها اشاره كرد كه شامل ارزان بودن، نصب آسان، ناچیز بودن هزینه نگهداری و تلفات بسیار كم اشاره كرد.

خازن ها هارمونیك تولید نمی‌‌كنند اما آنها می‌‌توانند با راكتانس خطوط یك مدار رزونانسی را ایجاد كنند كه باعث ایجاد اضافه ولتاژ و یا اضافه جریان در مدار شود

نحوه قرار گرفتن خازن‌‌ها در مدار نیز می‌‌تواند به‌صورت سری یا موازی باشد. البته در شبكه‌‌های توزیع به‌علت اینكه راكتانس خطوط كم می‌‌باشند، عملا حالت بهره‌‌برداری سری استفاده نمی‌‌شود. خازن‌های موازی به‌صورت موازی با بارها نصب شده و توان راكتیو آنها را تامین می‌‌كنند. تامین محلی توان راكتیو توسط این خازن‌‌ها باعث كاهش جریان خطوط شده و در نتیجه ولتاژ را در شین مربوطه افزایش می‌‌دهند. همزمان ضریب قدرت شبكه نیز افزایش یافته و كاهش جریان عبوری از خطوط باعث آزاد شدن ظرفیت خطوط شده و درنتیجه هزینه‌‌های سرمایه گذاری كاهش یا به تعویق می‌‌افتد.

میزان كارایی خازن گذاری به مكان خازن بستگی دارد. بهترین حالت زمانی است كه خازن در محل بار مصرفی قرار گیرد. اما باتوجه به گستردگی بارها در شبكه‌‌های توزیع چنین امكانی همواره میسر نیست. یكی از پارامترهای دیگری كه برای خازن‌‌ها مهم است اندازه خازن می‌‌باشد. انتخاب اندازه خازن بستگی به مقدار توان راكتیو مصرفی شبكه و محل بارها دارد. انتخاب نامناسب اندازه خازن ممكن است باعث اضافه ولتاژ شود. از اینرو معمولا محل و اندازه خازن‌‌ها با كمك الگوریتم‌‌های بهینه سازی یا ابزارهای تحلیلی بدست می‌‌آید.^[12]

معمولا خازن‌های نصب شده در پست با شارش توان راكتیو عبوری از ترانسفورماتور كنترل می‌شوند در حالیكه خازن‌های نصب شده در طول فیدر با ولتاژ كنترل می‌گردند. كنترل خازن‌های سوئیچ شونده در شبكه‌‌های توزیع می‌‌تواند به روش‌های مختلفی انجام شود كه عبارتند از:^[13]

كنترل زمانی

میزان مصرف توان الکتریکی در فصول مختلف سال

خازن‌های كنترل شده با زمان می‌‌توانند بر اساس پروفیل بار روزانه برای مدت طولانی استفاده شوند. این روش كنترل در عین سادگی و هزینه كمی كه دارد دارای یك مشكل اصلی است كه عدم انعطاف پذیری آن با تغییرات بار می‌‌باشد. یعنی در روزهای تعطیل، شرایط آب وهوایی مختلف و … كه بار نسبت به روزهای عادی تغییر می‌‌كنند همان برنامه زمانی قبلی خود را داشته از اینرو در این مواقع ممكن است باعث افزایش یا افت ولتاژ غیر مجاز شود.

كنترل ولتاژی

كنترل خازن با ولتاژ یكی از مناسب‌‌ترین شیوه‌‌ها برای زمان‌هایی است كه هدف عمده از نصب خازن كنترل ولتاژ می‌‌باشد. در این حالت با كاهش ولتاژ مقدار تزریق توان راكتیو یعنی اندازه خازن افزایش یافته و هنگامی كه ولتاژ افزایش می‌‌یابد این مقدار توسط واحدهای كنترلی كاهش می‌‌یابد. یكی از الزامات این روش كنترلی استفاده از ترانسفورماتورهای ولتاژ می‌باشد.

كنترل جریانی

معمولا اندازه جریان خطوط می‌‌تواند وضعیت بارگذاری شبكه را تعیین كند. از اینرو اگر ضریب قدرت متوسط شبكه نیز در دسترس باشد آنگاه می‌‌توان با پایش اندازه جریان خطوط میزان قدرت راكتیو تزریقی را تعیین كرد و با استفاده از آن مقدار توان تزریقی خازن را كنترل كرد. این روش نیازمند پایش اندازه جریان خطوط بوده بنابراین نیازمند استفاده از ترانسفورماتور جریان نیز می‌‌باشد.

كنترل شارش توان راكتیو

هنگامی كه هدف حداقل كردن شارش توان راكتیو باشد این مد كنترلی یكی از بهترین روشهاست. در این روش بسته به مقدار توان راكتیو عبوری مقدار توان تزریقی خازن تعیین می‌‌شود. با انتخاب نزدكترین مقدار خازن به توان راكتیو عبوری می‌‌توان شارش توان راكتیو را به حداقل رساند. از آنجا كه اندازه‌‌گیری توان نیازمند اندازه گیری هر دو پارامتر جریان و ولتاژ می‌‌باشد از اینرو این روش نیازمند هر دو ترانسفورماتور جریان و ولتاژ می‌باشد.

دمای محیط

با توجه به اینكه میزان مصرف با تغییرات دما تغییر می‌‌كند این روش نیز می‌‌تواند معیار خوبی برای كنترل این خازن‌‌ها باشد. البته با توجه به اینكه این روش تنها می‌‌تواند میزان توان مصرفی در بخش گرمایی را لحاظ كند نمی‌‌تواند كارایی بالایی داشته باشد. چرا كه توان مصرفی در بخش صنعتی و روشنایی تابع مستقیمی از دمای محیط نمی‌‌باشد.

در این تعاریف، خازن به‌عنوان نمونه‌‌ای از وسایل جبرانساز توان راكتیو آورده شده است. با این حال همانگونه که به شکل مفصلی در اداوت فکتس توضیح داده شد می‌توان از ادوات الکترونیک قدرت مانند؛ STATCOM و SVC نیز استفاده نمود، از دید تکنولوژی و امکان کنترل تفاوت بسیار زیادی میان خازن گذاری ابتدایی و استفاده از ادوات FACTS وجود دارد.

تنظیم كننده‌‌‌های ولتاژ

تنظیم كننده‌‌‌های ولتاژ به‌عنوان یكی از مهمترین تجهیزات كنترل ولتاژ محسوب می‌شوند كه معمولا در همه شبكه ها وجود نداشته و تنها در پاره‌‌‌ای از شبكه‌‌‌ها كه پروفیل ولتاژ وضعیت مناسبی ندارد بكار می‌‌‌روند. در واقع هر زمان كه پروفیل ولتاژ شبكه در وضعیت نامناسبی قرار بگیرد و نتوان با كمك روش‌های ساده‌‌‌تر آنرا برطرف كرد، نیاز به تنظیم كننده‌‌‌های ولتاژ احساس می‌‌‌شود. تنظیم كننده‌های ولتاژ در شبكه‌‌‌های توزیع معمولا از نوع پله‌‌‌ای هستند. عملكرد آنها همانند تپ چنجر آنلاین پست فوق توزیع می‌‌‌باشد با این تفاوت كه در اینجا ترانسفورماتور از نوع اتوترانسفورماتور بوده و تغییراتی كه در ولتاژ ایجاد می‌‌‌كند بسیار محدود می‌‌‌باشد. آنها معمولا دارای تپ‌‌‌های زیادی هستند كه برای تنظیم ولتاژ در محدوده 10 درصد ولتاژ نامی در 32 پله ساخته می‌‌‌شوند یعنی با تغییر هر پله ولتاژ حدود 0.3 درصد تغییر می‌‌‌كند.

شكل (1-1) شماتیك ساده یك تنظیم كننده ولتاژ نوع A

تنظیم ولتاژ توسط این ادوات معمولا به كمك یك سیم‌‌‌پیچ سری انجام می‌‌‌شود. استاندارد ANSI بر اساس محل قرار گرفتن این سیم‌‌‌پیچ سری تنظیم كننده‌‌‌های ولتاژ را به دو گروه تقسیم كرده است. هنگامی كه سیم‌‌‌پیچ سری در طرف بار قرار گیرد نوع A نامیده شده و هنگامی كه این سیم‌‌‌پیچ در سمت منبع یا همان سمت پست قرار گیرد آنرا نوع B می‌‌‌نامند. شكل (1-1) شماتیك ساده یك تنظیم كننده ولتاژ نوع A را نشان می‌‌‌دهد.

تنظیم كننده‌‌‌های ولتاژ می‌‌‌توانند به‌صورت ستاره یا مثلث در مدار قرار گیرند برای شبكه‌‌‌های چهار سیمه دارای سیم نول كه اكثر شبكه‌‌‌های توزیع ایران نیز از این نوع می‌‌‌باشند تنظیم كننده‌‌‌های اتصال ستاره با نول زمین شده استفاده می‌‌‌شوند.

این تنظیم كننده‌‌‌ها به‌صورت اتوماتیك با تغییر ولتاژ سعی می‌‌‌كنند كه ولتاژ نقاط مختلف شبكه در محدوده استاندارد قرار گیرد. روش تنظیم ولتاژ این ادوات مشابه تنظیم ولتاژ تپ اتوماتیك ترانسفورماتورهای فوق توزیع می‌‌‌باشد كه همانند آنچه كه ذكر شد 2 روش مهم كنترلی دارند كه متداول‌‌‌ترین آنها روش جبرانسازی افت خط می‌‌‌باشد.

بعضی از بارهای شبكه ممكن است كه در فاصله دوری از تنظیم كننده ولتاژ قرار داشته باشند از اینرو در این روش، افت ولتاژ خط تخمین زده می‌‌‌شود و بر حسب این تخمین تپ تنظیم‌‌‌كننده ولتاژ برای جبران این كاهش ولتاژ افزایش می‌‌‌یابد. این ویژگی در تنظیم كننده‌‌‌ها توسط مشخصه جبرانسازی افت خط (LDC) كه یكی از قسمت‌های جدایی ناپذیر واحد كنترل تنظیم ولتاژ می‌‌‌باشد، انجام می‌‌‌گیرد. برای استفاده از این مشخصه، جریان خط باید اندازه‌‌‌گیری شود كه توسط ترانسفورماتور جریان تنظیم كننده ولتاژ انجام می‌‌‌شود. سپس بر اساس جریان طرف ثانویه، پارامترهای R و X خطوط و ولتاژ طرف بار، واحد كنترل مقدار جبرانسازی قسمت حقیقی و موهومی افت ولتاژ خط را محاسبه می‌‌‌كند و تصمیم مقتضی را برای تصحیح ولتاژ اتخاذ می‌‌‌كند.

شبیه سازی پخش بار بهینه

در ابتدا هدف این بود که در این بخش صرفا برای شما یک پخش بار عادی را توضیح دهیم، با این حال فراتر رفتیم و قصد داریم نحوه انجام پخش بار بهینه (تولید حداکثر با حداقل هزینه) را در نرم افزار Digsilent شرح دهیم، در پخش بار بهینه شما به سه حالت امکان تحلیل شبکه را خواهید داشت، این حالات عبارتند از؛

• AC Optimization
• DC Optimization
• Contingency Constrained DC

در این آموزش تمرکز ما بروی بهینه سازی AC می‌باشد.

شبیه سازی پخش بار بهینه

دانلود فیلم آموزش پخش بار بهینه در نرم افزار دیگسایلنت – Full HD | با حجم 118 مگابايت

دانلود پروژه استفاده شده در آموزش | با حجم 63 کیلوبايت

آنچه که در این ویدیو خواهید دید؛

اهداف مدنظر، توابع هزینه تولید، پخش بار بهینه چیست، استفاده بهینه از منابع، تابع Optimal Power Flow، روش های تحلیل و تفاوت ها، تفاوت متد انتخابی، مبنای بهینه سازی، حداقل سازی هزینه، حداقل سازی تلفات، حداقل سازی بار گذاری، امکان پذیری بهینه، حداقل سازی توان، المان های کنترل کننده، دخیل کردن P، Q، تپ ترانسفورماتور و فیلترهای پرتابل، محدودیت های ولتاژی، توانی، باری و شرایط مرزی، تفاوت های خاص در DC، اشتباهات رایج در تحلیل، باید های بهینه سازی، تعیین میزان تکرار و دلیل آن، شاخص های همگرا شونده، نحوه نمایش خروجی ها، تنظیمات ژنراتور برای بهینه شدن، تعریف تابع هزینه بروی کاغذ، انتقال تابع به دیگسایلنت، مشخص کردن محدودیت های ژنراتور، تعریف OPF برای ترانسفورماتور، شین بی نهایت، کابل ها و بارها، بررسی کلی شبکه، پخش بار بهینه و تحلیل، علت بهبود شبکه، بررسی حالت های متفاوت، انتقال تمام توان به یک ژنراتور، تعادل سازی تولید، تاثیر توان راکتیو، انتخاب بهترین مد کاری.

منابع

1. Low, S. H. (2013). “Convex relaxation of optimal power flow: A tutorial”. 2013 IREP Symposium Bulk Power System Dynamics and Control – IX Optimization, Security and Control of the Emerging Power Grid. pp. 1–06 ↑
2. IEEE P1547 Standard for Distributed Resources Interconnected with Electric Power Systems, IEEE P1547 Std., Sep. 2002 ↑
3. R. A. Walling, R. Saint, R. C. Dugan, J. Burke, L. A. Kojovic, “Summary of distributed Resources Impact on Power Delivery Systems” IEEE Trans. On Power Delivery, Vol. 23, No. 3, pp. 1636-1644, July 2008 ↑
4. N. Jenkins, D. Kirschen, G. Strbac, R. Allan, P. Crossley “Embedded generation”, IEE Power and Energy series 31, London, W, 2000,p. 57 ↑
5. S. Tao and G. Gross, “Transmission Loss Compensation in Multiple Transaction Networks”, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 15, No. 3, pp. 909-915, August 2000 ↑
6. H. Zhang, “Transactions-based Power Flow Analysis and its Applications to a Competitive Power Market”, Ph.D. Dissertation, Texas A&M University, May 2001 ↑
7. E. De Tuglie and F. Torelli, “Nondiscriminatory System Losses Dispatching Policy in a Bilateral Transaction-Based Market”, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 17, No. 4, pp. 992-1000, November 2002 ↑
8. A. Kazemi and H. Andami, “A new method for transmission system loss allocation in electric power markets” Electrical and Computer Engineering IEEE International Conference, ICECE 06, pp. 124-127, Dec. 2006 ↑
9. عبدالله محمودی ” ارائه یک روش جدید تخصیص تلفات در سیستم‌های قدرت تجدید ساختار یافته ” پایان نامه كارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی امیر كبیر، بهمن 1388 ↑
10. سید حسین حسینیان، عارف درودی، “کیفیت توان” شرکت برق منطقه‌ای تهران ١٣٨٣ ↑
11. M. Thomson, “Automatic-Voltage-Control Relays and Embedded Generation Part 1” Inst. Elect. Eng. Power Eng. J., Vol. 14, No. 2, pp. 71-76, April 2000. ↑
12. Lj. A. Kojovic, “Improving Distribution System Power Quality using Capacitors and Voltage Regulators”, The Power Quality 2000 Conference, Boston, Massachusetts, October 2000 ↑
13. L. Kojovic, “Impact of DG on Voltage Regulation”, Proc.2002 IEEE/PES Summer Meeting Chicago, IL, July 21-25, 2002 ↑

راستی! برای دريافت مطالب جديد در کانال تلگرام PowerEn عضو شويد.