جزیره ای شدن شبکه توزیع برق و مزایا و معایب جزیره ای شدن الکتریکی

جزیره ای شدن شبکه توزیع برق[۱] :

طبق تعریف جزیره ­ای شدن شبکه توزیع برق به شرایطی گفته می­شود كه یك قسمت از شبكه­ ی الكتریكی توسط یك یا چند منبع برقدار شود در حالیكه این قسمت از بقیه­ی سیستم الكتریكی جدا شده باشد. جزیره ای شدن شبكه برق را می­توان به دو گروه تقسیم بندی كرد : جزیره ای شدن شبکه توزیع برق ناخواسته و جزیره ای شدن شبکه توزیع برق عمدی.

جزیره ای شدن شبکه توزیع برق ناخواسته، مطلوب نیست چرا که ممکن است باعث تغییرات بزرگی در ولتاژ و فرکانس روی بخش جزیره ­ای شده­ ی شبکه گردد و تأمین برق مشتریان تحت شرایط غیر معمول انجام گیرد تا اینکه یا سیستم مختل شود یا تعادل بین تولید و مصرف ایجاد گردد. همچنین جزیره ای شدن شبکه توزیع برق ناخواسته می­تواند خطراتی را متوجه پرسنل بهره بردار شبکه کند.

از سوی دیگر عملکرد جزیره ای شدن شبکه توزیع برق ممکن است مفید و حتی مطلوب باشد. برای مثال در حالت خاموشی­های سراسری و یا قطعی­های طولانی تغذیه فیدرهای توزیع (در اثر مشکلات مهم روی شبکه انتقال)، عملکرد جزیره ای شدن فیدرهای توزیع امکان تأمین برق مشتریان تا زمان بازسازی مجدد سیستم را فراهم می­سازد.

عرضه برق به هر منطقه جغرافیایی در سراسر جهان به یک شکل نمی رسد. مکان‌های دورافتاده مسکونی و صنعتی با زمین‌های پیچیده وجود دارد که دسترسی به آن‌ها دشوار است یا از کارخانه‌های تولیدی یا زمینی جدا شده‌اند. این بدان معناست که عرضه آنها پیچیده تر از سایر نقاط جهان است و در مواقعی می تواند از دیدگاه فنی و اقتصادی کمتر قابل اعتماد باشد. در این مناطق باید یک سیستم الکتریکی مستقل یا شبکه برق جدا شده ایجاد شود.

عبارت جزیره ای شدن شبکه توزیع برق به چه معناست؟

این یک سیستم الکتریکی ایزوله مستقل یا سیستمی است که با سیستم های دیگر ارتباط ضعیفی دارد و برای تامین انرژی به طور مستقل و منحصراً به منطقه ای که در آن واقع شده است ایجاد شده است.

این جزایر الکتریکی معمولاً بسیار کوچک هستند، آنها دارای یک ایستگاه تولید برق، یک ایستگاه تبدیل و یک شبکه حمل و نقل و توزیع برق هستند. علاوه بر این، بر اساس منبع تولید برق، آنها همچنین می توانند بانک های ذخیره اضافی یا منابع ذخیره و همچنین مصرف کنندگان داشته باشند.

در اسپانیا ما سیستم های برق ایزوله ای در ایبیزا-فورمنترا، لانزاروته-فورتونتورا، در هر یک از پنج جزیره بزرگ قناری و در شهرهای خودمختار اسپانیا در شمال آفریقا داریم: سئوتا و ملیلا. نمونه های دیگری از جزایر الکتریکی در سراسر جهان عبارتند از: مادیرا در پرتغال، کورس و مارتینیک در فرانسه، ساردینیا در ایتالیا، کرت در یونان، پونتا کانا در جمهوری دومینیکن، هاوایی در ایالات متحده آمریکا، باخا کالیفرنیا و باجا کالیفرنیا سور در مکزیک و غیره.

در هر مورد، تعمیر و نگهداری مداوم و عملیات بدون وقفه این تاسیسات الکتریکی برای اطمینان از تامین برق برای جمعیت و صنعت در این مناطق حیاتی است، زیرا هیچ جایگزین ممکنی برای برآورده کردن تقاضا وجود ندارد.

ویژگی های جزیره ای شدن شبکه توزیع برق

جزایر الکتریکی ظریف هستند و مدیریت آنها دشوار است. اندازه و انزوا کاهش یافته آنها به این معنی است که آنها در برابر رویدادهای بی اثر و پشتیبانی از سیستم های بزرگ قاره ای یا به هم پیوسته مستعدتر هستند.

قلمروهای سیستم ایزوله مناطق کوچکی هستند، اما نیازهای انرژی آنها بسیار ناچیز است. آنها نیاز به تامین صنعت یا جمعیت و گردشگری در فصول تابستان دارند، بنابراین مقابله با اوج تقاضا می تواند یک چالش واقعی باشد. آنها باید حاشیه ذخیره بالایی داشته باشند تا بتوانند نوسانات تقاضا را برطرف کنند.

از سوی دیگر، جداسازی آنها همچنین به این معنی است که آنها فقط از طریق تولید انرژی تجدیدپذیر تامین نمی شوند و به عوامل غیرقابل کنترل خارجی وابسته هستند. همه این محدودیت‌ها به این معنی است که باید از فناوری‌های سوخت فسیلی از جمله گازوئیل، نفت کوره و گاز استفاده شود که همه آنها به دلیل هزینه بالا و اثرات آلاینده دیگر در سیستم‌های قاره‌ای استفاده نمی‌شوند. این شرایط عملکرد سیستم های الکتریکی ایزوله را پیچیده تر می کند و منجر به هزینه های تولید بالاتر نسبت به سیستم های قاره ای می شود.

مزایای شبیه سازی آموزش

شبیه سازهای آموزشی ابزار مفیدی برای آموزش و آموزش پرسنلی هستند که این سیستم های ایزوله را اجرا می کنند:

آنها آموزش پروفایل های مختلف را در یک پلت فرم منحصر به فرد، در یک محیط مشترک که روحیه تیمی و یادگیری جمعی را تشویق می کند، امکان پذیر می کنند.
دانش آموزان در توسعه دانش، مهارت ها و نگرش های خود از طریق تجربه و تصمیم گیری با نتایج قابل مشاهده فوری فعال هستند.
با انجام دادن بیاموزید: نشان داده شده است که بهتر است هنگام یادگیری چیزهایی را که مستقیماً با آنها تجربه داریم به خاطر بسپاریم.
مدل یادگیری استقرایی، از یک موقعیت خاص در نهایت هدفی پیدا می کنیم.
درک پدیده های پیچیده و روابط بین سیستم ها یا علل و معلول ها آسان تر است.
این امکان را فراهم می کند تا سناریوهای آزمایشی و روش های جدید بدون در معرض خطر قرار دادن تجهیزات واقعی کارخانه انجام شود و همچنین می تواند شرایط خاصی را پیش بینی کند.

تضمین عرضه به مردم

تکناتوم با هدف کلی بهبود درک عملکرد این ایستگاه های دیزل و عملکرد ژنراتورهای الکتریکی که از آنها تشکیل شده است، به ویژه در شرایط نامطلوب یا اضطراری، ۹ شبیه ساز تاسیسات الکتریکی ایزوله را توسعه داده است، به طوری که وقتی این اتفاق می افتد، اپراتورها آموزش دیده تا در اسرع وقت با آنها برخورد کند.

با استفاده از شبیه‌سازهای آموزشی در ایستگاه‌های دیزل در این جزایر برق، ظرفیت نیروگاه‌ها و در نتیجه تامین برق جمعیت و صنعت در جزایر الکتریکی را بهبود بخشیده‌ایم.

مزیت­های عملکرد جزیره ای شدن شبکه توزیع برق :

• بهبود قابلیت اطمینان
• کاهش نرخ خروج
• افزایش سود

 معایب عملکرد جزیره ای شدن شبکه توزیع برق :

• کاهش امنیت پرسنل
• امکان آسیب دیدن تجهیزات به دلیل کیفیت بد توان
• عملکرد پیچیده هنگام جزیره ای شدن شبکه توزیع برق
• امکان آسیب دیدن منابعی که هنوز در مدارند ( مانند DG ها ) در صورت بهره برداری نامناسب

  ۱- جزیره ای شدن شبکه توزیع برق غیر عمدی[۲]:

زمانی كه یك دستگاه حفاظتی ( مانند:كلید؛ بازبست یا سكسیونر) كه بین واحد تولید پراكنده و شبكه ی اصلی قرار دارد؛ عمل كند؛ امكان شكل گیری جزیره وجود خواهد داشت. مشكل اصلی در این حالت زمانی است كه اختلاف بار الكتریكی قسمت جزیره ­ای شده با میزان انرژی الكتریكی تولید شده در جزیره؛ كم باشد. تحت این شرایط تغییرات ولتاژ و فركانس قسمت جزیره ای شده شبکه توزیع برق كند بوده و تجهیزات حفاظتی قادر به تشخیص شكل گیری جزیره نخواهند بود.

اگر بار و تولید در جزیره نزدیك به هم نباشند (نسبت آنها حداقل ۳ به ۱ باشد) ولتاژ و فركانس به سرعت تغییر كرده و در نتیجه با عملكرد تجهیزات حفاظتی از ایجاد جزیره­ی ناخواسته جلوگیری می­شود.

به طور كلی هنگام جزیره ای شدن شبکه توزیع برق ناخواسته كه در آن منابع تولید پراكنده از طریق نقطه­ی اتصال مشترك[۳] ناحیه ی جزیره ای شهن شبکه توزیع برق را برقدار می­كنند ؛ سیستم حفاظتی موجود باید شكل­ گیری جزیره را شناسایی كرده و حداكثر طی ۲ ثانیه بعد از به وجود آمدن جزیره ؛ منابع تولید پراكنده را از مدار خارج كند.

شناسایی جزیره ای شدن شبکه توزیع برق[۴] :

سئوالی که در این بحث مطرح است اینست که چرا باید جزیره ای شدن شبکه توزیع برق را شناسایی کنیم ؟

سیستم قدرت یک سیستم پیچیده است و درک و تحلیل آن همواره کار ساده­ای نیست . این سیستم یک سیستم گسترده بین کشورها و حتی قاره ­هاست . خطاها و اتفاقات زیادی در این سیستم رخ می­دهند که تعداد زیادی از آنها بدون دخالت انسان رفع می­شوند .

شرکت­های برق در مورد امنیت سیستم­های قدرت مسئولند . چرا که انرژی الکتریکی می­تواند برای انسان­ها خطرناک باشد و همچنین در شرایط خاص ممکن است به تجهیزات متصل به شبکه آسیب برساند . اگر قسمتی از سیستم قدرت به صورت یک جزیره­ی کنترل نشده ( ناخواسته ) عمل کند ، ممکن است برای پرنسل شبکه که مسئول تعمیرات و نگه داری آن قسمت از شبکه اند ، خطرناک بوده و حتی باعث مرگ آنان شود . بنابراین شناسایی قسمت­هایی از شبکه که به صورت جزیره ­ای در آمده ­اند امری مهم و ضروری است .

اکثر فیدر­های توزیع دارای تجهیزات حفاظتی و ریکلوزرها[۵] هستند و با توجه به اینکه فقط ۱۰ تا ۱۵ درصد خطاهای رخ داده در فیدرهای توزیع، خطاهای دائمی­اند بنابراین این تجهیزات باعث افزایش قابلیت اطمینان شبکه می­گردند . اما اگر یک ریکلوزر قرار گرفته روی فیدر متصل به منبع عمل کند ، این امر می­تواند باعث خروج ولتاژ از محدوده­ی مجاز خود شده و به تجهیزات آسیب برساند .

اشکال دیگر ریکلوزرهای اتوماتیک ایجاد جریان گذرای کلید زنی خازنی است که باعث ایجاد اضافه ولتاژ شدید در شبکه می­گردد . میزان این اضافه ولتاژ به ۳-۲ برابر ولتاژ نامی می­رسد .

جهت جلوگیری از اضافه ولتاژ ناشی از جریان هجومی باید قبل از عملکرد ریکلوزرها منابع تولید پراکنده از شبکه جدا شوند . برای اینکار می­توان زمان عملکرد ریکلوزرها را با توجه به تأخیر تجهیزات شناسایی جزیره تعیین کرد . سیستم شناسایی جزیره ای شدن شبکه توزیع برق باید بتواند شرایط جزیره ای شدن شبکه توزیع برق را از دیگر اتفاقات و خطاهایی که در شبکه رخ می­دهند ، تشخیص دهد . ویژگی­های دستگاههای شناسایی جزیره در سیستم قدرت به صورت خلاصه در زیر آمده است :

• قابل اطمینان[۶] : یک دستگاه شناسایی جزیره باید تمام رخدادهایی را که منجر به جزیره ای شدن شبکه توزیع برق می­گردد، تشخیص دهد .
• ایمن[۷] : یک دستگاه شناسایی جزیره نباید در برابر دیگر اتفاقات و پیشامدهای شبکه عمل کند .
• سریع[۸] : یک دستگاه شناسایی جزیره باید طی زمان معینی عمل کند .

روش­های شناسایی جزیره ای شدن شبکه توزیع برق:

برای آمادگی در برابر جزیره ای شدن شبکه توزیع برق و امکان بهره برداری مناسب از این پدیده­، روش­های بسیاری برای شناسایی جزیره ای شدن شبکه توزیع برق در سیستم قدرت پیشنهاد شده است .

این روش­ها به طور عمده به دو گروه روش­های محلی و از راه دور تقسیم می­شوند. روش­های از راه دور بر اساس ارتباط مخابراتی بین شرکت برق و منابع تولید انرژی است . اگر چه این روش­های جزیره ای شدن شبکه توزیع برق دارای قابلیت اطمینان بیشتری نسبت به روش­های محلی است ولی پیاده ­سازی آنها گران قیمت بوده و ممکن است توجیه اقتصادی نداشته باشد. روش­های محلی به اطلاعات بدست آمده از سمت منبع تکیه دارند و خود به روش­های پسیو و اکتیو تقسیم می­شوند.

روش­های پسیو به پارامترهای مشخص سیستم بستگی دارند و تاثیری روی عملکرد منابع ندارند. تعدادی از روش­های پسیو برپایه مونیتور اندازه ولتاژ، نرخ تغییرات فرکانسی، جابجایی زاویه فاز و یا مونیتور امپدانس می باشند. در روش­های اکتیو نحوه طراحی کنترل منبع به منظور شناسایی جزیره بگونه­ای است که فیدبک مثبتی از فرکانس یا ولتاژ ایجاد می شود.

جهت جلوگیری از جزیره ای شدن شبکه توزیع برق ناخواسته؛ هنگام نصب منابع تولید پراكنده موارد زیر باید رعایت شود:

• مجموع ظرفیت منابع تولید پراكنده ­ی نصب شده در یك شبكه­ ی محلی باید كمتر از حداقل بار آن شبكه­ ی محلی باشد.
• واحدهای تولید پراكنده باید تست ضد جزیره ای شدن شبکه توزیع برق را گذرانده باشند.
• منابع تولید پراكنده­ی نصب شده باید دارای حفاظت حداقل توان یا توان معكوس باشند تا در صورتی كه شارش توان از شبكه­ ی سراسری به سمت شبكه­ ی محلی معكوس شد یا از مقدار معینی كمتر شد ؛ واحد تولید پراكنده را از شبكه جدا كنند.
• واحدهای تولید پراكنده باید دارای سایر تجهیزات ضد جزیره ­ای مانند؛ شیفت اجباری ولتاژ و فركانس و تریپ انتقال باشند.

جزیره ای شدن شبکه توزیع برق عمدی[۹] :

این نوع عملکرد معمولاً در هنگام خاموشی­های سراسری و جهت تأمین برق مشترکان تا زمان بازسازی مجدد شبکه صورت می­گیرد . در حال حاضر شبكه­های توزیع با حضور منابع تولید پراكنده جهت بهره برداری در حالت جزیره­ ای طراحی نشده اند. در صورتی كه مشكلات جزیره ای شدن شبکه توزیع برق حل شود ؛ این طرح می­تواند یك روش مناسب جهت افزایش قابلیت اطمینان شبكه باشد.

یكی از مشكلات جزیره ای شدن شبکه توزیع برق نیاز به بررسی مسائلی در شبكه­ی توزیع است كه در حالت عادی فقط در شبكه­ی انتقال رخ می دهند مانند : تغذیه­ی چند سویه­ی جریان خطا و دستورالعمل­های بهره برداری و كنترلی جدید . مشكل دیگر كاهش میزان جریان خطا در حالت جزیره­ای است.

• موقعیت بهره برداری جدید:

یك جزیره در حقیقت یك سیستم قدرت است و نیازمند دستورالعمل های بهره برداری ای است كه در حالت عادی در شبكه ی انتقال اعمال می شوند. در یك سیستم جزیره ای تعادل توان اكتیو و راكتیو باید حفظ شود تا ولتاژ و فركانس در محدوده ی مجاز خود قرار گیرند. همچنین واحد های تولید پراكنده ی قسمت جزیره ای شده باید در كنترل فركانس شركت كنند.

حتی در شرایط اضطراری از حذف بار یا كاهش تولید نیز می توان جهت دستیابی به تعادل بار و تولید استفاده كرد .

• تغذیه ی چند سویه ی جریان خطا :

با وجود DG در شبكه ی توزیع ؛ جریان خطا از جهات گوناگون تغذیه می شود. امروزه مشكل این تغذیه ی چند سویه با عملكرد سریع تجهیزات حفاظتی و تریپ ژنراتور رفع شده است. در این حالت تا زمانی كه شبكه مجددا بازیابی نشده باشد ؛ تجهیزات حفاظتی اجازه ی وارد مدار شدن مجدد DG را نمی دهد. این كار اجازه ی عملكرد جزیره ای را نمی دهد . اگر بخواهیم از شبكه به صورت جزیره ای بهره برداری كنیم خطا باید بدون اینكه DG تریپ داده شود؛ قطع شود.در این حالت باید خطا هم از طرف DG و هم از طرف شبكه؛ قطع گردد.

با استفاده از رله های جهت دار به راحتی می توان جریان های خطای سمت شبكه و سمت DG  را از هم تشخیص داد و بدین ترتیب هماهنگی حفاظتی راحت تر خواهد بود. همچنین استفاده از حفاظت دیفرانسیل جریان نیز كاملا می تواند مشكلات حفاظتی را رفع كند اما این روش پر هزینه است.

كاهش جریان خطا در جزیره ای شدن شبکه توزیع برق:

هنگام عملكرد جزیره ای ظرفیت اتصال كوتاه شبكه كم بوده و شبكه ضعیف است. این بدین معنی است كه جریان های خطا به ازای یك خطای مشخص كاهش می یابند و در نتیجه تشخیص آنها از جریان های بار مشكل خواهد بود. بنابراین اگر تنظیمات رله ی اضافه جریان مشابه حالت كار عادی شبكه باشد؛ به علت كاهش جریان خطا؛ زمان رفع خطا افزایش می یابد. این امر به دلیل افت ولتاژ در حین خطا ؛ باعث كاهش كیفیت توان می شود. یا به عبارت دیگر افزایش امپدانس اتصال كوتاه باعث افزایش افت ولتاژ حین خطا شده و و در نتیجه كیفیت توان بدتر خواهد شد.

سیستم های حفاظتی امروزه طوری طراحی می شوند كه خطاهای با مقاومت ۲۰ kΩ و پائین تر ؛ باید شناسایی شوند و خطاهای با مقاومت ۳ kΩ و پائین تر باید قطع شوند. بنابراین كاهش ظرفیت اتصال كوتاه طی حالت جزیره ای شدن شبکه توزیع برق ؛ شناسایی خطاها را مشكل تر می سازد. به دلیل تجربیات كمی كه در زمینه ی بهره برداری جزیره ای شدن شبکه توزیع برق وجود دارد ؛ تعیین میزان تأثیر كاهش دامنه ی جریان خطا بر روی تنظیم حفاظت های خطای زمین و اتصال كوتاه؛ مشكل است.

برقدار شدن از چند نقطه در جزیره ای شدن شبکه توزیع برق:

با حضور منابع تولید پراكنده بازیابی سیستم بعد از یك خطا می تواند از چند نقطه شروع شود. در این حالت ما یك شبكه ی بالا دست و یك شبكه ی پائین دست خواهیم داشت. برای بازیابی شبكه می توانیم از دو روش استفاده كنیم.

در روش اول ابتدا شبكه ی پائین دست به صورت جزیره ای شدن شبکه توزیع برق عمل می كند و سپس قسمت جزیره ای شده شبکه توزیع برق با سایر شبكه سنكرون می شود.

روش دیگر اینست كه در صورت امكان؛ واحد تولید پراكنده توسط سیستم های حفاظتی به سرعت از مدار خارج شود؛ در این صورت بازیابی سیستم می تواند به صورت سنتی و با عمل كلیدهای شبكه ی بالادست و یا با استفاده از ریكلوزرهای اتوماتیك صورت پذیرد و بدین صورت واحد تولید پراكنده پس از رفع خطا با شبكه سنكرون شود.

عمل سنكرونیزاسیون نیازمند كنترل دامنه و فاز ولتاژ قبل از بسته شدن كلیدهاست. در حال كه كلیدهایی وجود دارند كه مجهز به تجهیزات سنكرونیزاسیون هستند (unit breakers) كلیدهایی كه امروزه در شبكه مورد استفاده قرار می گیرند فاقد چنین امكاناتی هستند. به همین دلیل استفاده از روش دوم جهت اتصال مجدد به شبكه می تواند انتخاب بهتری باشد.

هنگام بهره برداری جزیره ای شدن شبکه توزیع برق؛ توانایی Black-Start یك فاكتور بسیار مهم و ضروری است. در ژنراتورهای سنكرون اگر جریان تحریك را بتوان از باطری ها تأمین كرد؛ آن واحد می تواند برای Black-Start مورد استفاده قرار گیرد. هنگام برقدار كردن شبكه از طریق DG این احتمال وجود دارد كه شبكه دچار خطای دائمی شده باشد و همچنین ممكن است شبكه جهت تعمیرات زمین شده باشد كه در این مورد مهم است كه پرسنل بهره بردار شبكه در برابر برقدار شدن ناخواسته ی سیستم ؛ حفاظت كامل شوند.

نتیجه گیری جزیره ای شدن شبکه توزیع برق:

طراحی سیستم های حفاظتی موجود با این فرض انجام شده است كه جریان خطا از یك سمت تغذیه می شود. با وجود منابع تولید پراكنده جریان خطا در سیستم از چند منبع تغذیه می شود. می توان با استفاده از حفاظت «از دست رفتن منبع اصلی» جهت خروج منابع تولید پراكنده هنگام خطا ؛ تغییرات حفاظتی مورد نیاز را به حداقل رساند. با توجه به اینكه حفاظت های موجود در شبكه برمبنای رله های اضافه جریان یكطرفه است؛ هنگام اتصال منابع تولید پراكنده ( به خصوص اگر تعداد آنها زیاد باشد ) تغییرات حفاظتی زیادی مورد نیاز است.

امكان بهره برداری جزیره ای شدن شبکه توزیع برق با توجه به تعداد؛ اندازه و نوع منابع تولید پراكنده تعیین می شود. با بهره برداری جزیره ای مصرف كنندگان به طور مستقیم و با افزایش قابلیت اطمینان از مزایای این طرح بهره مند می شوند و مالكان شبكه نیز به طور غیر مستقیم وبا كاهش هزینه هایی كه می بایست جهت غرامت قطعی برق به مصرف كنندگان می پرداختند؛ از مزایای این روش سود خواهند برد.

برای اینکه بهره برداری به صورت جزیره ای امکان پذیر باشد، واحدهای تولید پراکنده باید به تجهیزات کنترل فرکانس و ولتاژ مجهز شوند. حفاظت شبکه نیز باید با توجه به شرایط جدید تغییر کند:

• افزایش تعداد منابع تولید پراکنده باعث به وجود آمدن شرایطی می شود که جریان خطا از چند جهت تغذیه شود و این امر برای حالتی که شبکه جزیره ای شده به صورت حلقوی مورد بهره برداری قرار گیرد، شدیدتر خواهد بود. این امر هماهنگی فحاظت اضافه جریان را مشکل تر خواهد کرد. برای حل این مشکل می توان از حفاظت دیستانس به جای حفاظت اضافه جریان یکطرفه استفاده کرد. راه حل دیگر که باعث حذف نیاز به هماهنگی های حفاظتی می شود استفاده از حفاظت دیفرانسیل جریان است که البته این روش نیازمند لینک های مخابراتی بوده و پرهزینه است.
• برای کاهش هزینه ها و تغییرات مورد نیاز در سیستم های حفاظتی می توان از حفاظت «از دست رفتن منبع اصلی» استفاده کرد. اما استفاده از این سیستم اجازه ی بهره برداری جزیره ای را نمی دهد بنابراین اگر بهره برداری جزیره ای مدنظر باشد، تنظیمات تمام تجهیزات حفاظتی باید با توجه به شرایط بهره برداری جزیره ای و شرایط انتقال به حالت جزیره ای، تغییر کند.
• در صورت بهره برداری جزیره ای، کاهش جریان خطا نیز باید با تنظیمات مجدد رله ها شناسایی شود.
• جهت جلوگیری از برقدار شدن شبکه ای که دچار خطا شده یا زمین شده است، ولتاژ باید همواره چک شود.

بنابراین راه حل های کلی به کار گرفته شده در سیستم های انتقال، اکثر مشکلات به وجود آمده در شبکه های توزیع با افزایش حضور منابع تولید پراکنده  را می تواند حل کند.

بهره برداری جزیره ای شدن شبکه توزیع برق:

مقدمه ای بر بهره برداری جزیره ای:

به صورت سنتی تأمین برق مصرف کنندگان با اتصال به شبکه های بزرگ صورت می گیرد. اما اپراتورهای شبکه می توانند جهت تأمین برق مصرف کنندگان محلی خود تحت شرایط خطا از روش های دیگری استفاده کنند. استفاده از واحدهای تولید محلی  مانند منابع تولید پراکنده که تحت شرایط جزیره ای عمل می کنند، یکی از این روش هاست.

با توجه به نوع و اندازه ی ژنراتورهایی که برق جزیره را تأمین می کنند، جزیره ها را می توان به انوع زیر تقسیم بندی کرد.

• ناحیه ای :

شامل توربین های گازی، نیروگاههای آبی و ژنراتورهای بادی متصل به شبکه ی محلی و حتی شبکه ی اصلی با سطح ولتاژ ۷۰-۴۰۰ kV

• صنعتی:

شامل دیزل ژنراتورها و توربین های گازی متصل به واحدهای صنعتی با سطح ولتاژ ۱۰-۷۰ kV

• برق اضطراری:

معمولاً شامل دیزل ژنراتورهاست که در بیمارستان ها، ساختمان های اداری بزرگ و مراکز خرید نصب می شوند و به عنوان سیستم تأمین برق اضطراری در سطح ولتاژ ۱۰-۲۰ kV مورد استفاده قرار می گیرند.

• تولید پراکنده :

شامل دیزل ژنراتورها، ژنراتورهای بادی، فتوولتائیک، میکروتوربین هاو دیگر واحدهای تولیدی کوچک که به شبکه ی توزیع (۰٫۴ – ۲۰ kV )متصل می شوند.

مدل بار:

۱-۲-۱- دسته بندی بارها در جزیره ای شدن شبکه توزیع برق:

بار یک پارامتر نامعیین است که مدام تغییر می کند. بنابراین مطلع بودن از رفتار بار هنگام راه اندازی مجدد قسمت جزیره ای و همچنین اتصال مجدد این قسمت به شبکه، بسیار مهم است. داشتن اطلاعات دقیق از بارها، به خصوص تا زمانی که هنگام بهره برداری جزیره ای امکان تنظیم فرکانس توسط واحد تولید پراکنده دارای محدودیت باشد، اهمیت به سزایی دارد.

به طور کلی بارها را می توان به سه گروه صنعتی، تجاری و خانگی تقسیم بندی کرد. جهت در اختیار داشتن اطلاعات مناسب از بارها، باید رفتار هر گروه از بارها در بازه های زمانی مشخص، تعیین گردد.

۱-۲-۲- راه اندازی با بار سرد در جزیره ای شدن شبکه توزیع برق:

اتصال مجدد بارها پس از یک خاموشی نسبت به ورود بارها به شبکه در حالت عادی بسیار متفاوت است.(به خصوص در صورتیکه خاموشی طولانی باشد). به این پدیده راه اندازی با بار سرد گفته می شود.

میزان مصرف بیشتر صنایع( اگر نگوییم تمام بارهای صنعتی) هنگام وصل مجدد بعد از یک خاموشی طولانی، بسیار کمتر از میزان مصرف آن قبل از خاموشی است. به عنوان مثال در صنایع کاغذ سازی، شیمیایی و پالایشگاهها، راه اندازی کامل ممکن است چندین ساعت یا حتی چندین روز طول بکشد. صنایع کوچکتر مانند صنایع مهندسی و چوب بری بسیار سریعتر راه اندازی می شوند.

بارهای مسکونی در مقایسه با بارهای صنعتی رفتار متفاوتی را به نمایش می گذارند. در بارهای خانگی میزان مصرف بعد از یک خاموشی از میزان مصرف بعد از آن بیشتر خواهد بود. دلیل اصلی این افزایش اینست که وسائل خانگی مانند یخچال ها، فریزرها، سیستم های تهویه، بویلرهای الکتریکی، رادیاتورهای الکتریکی و … تنظیماتشان پس از قطع برق از بین رفته و هنگام وصل مجدد برق، در حالت روشن قرار می گیرند.

تجهیزات مدرن طوری طراحی شده اند که این افزایش میزان مصرف بعد از خاموشی را کاهش می دهند که این کار باعث کاهش تأثیر پدیده ی راه اندازی با بار سرد می شود.

۱-۲-۳- بارهای وابسته به ولتاژ و فرکانس در جزیره ای شدن شبکه توزیع برق:

هنگام بازیابی سیستم، ولتاژ و فرکانس ممکن است به طرز قابل توجهی نوسان کنند و این امر ممکن است روی میزان بارهای وابسته فرکانس تأثیر بگذارد. برای بارهای وابسته به ولتاژ کنترل کننده ی حرارت، هنگام کاهش ولتاژ ابتدا توان مصرفی کاهش می یابد(با مربع ولتاژ) اما با کاهش بیشتر ولتاژ توان مصرفی افزایش می یابد به صورتی که کاهش ۱۰ درصدی ولتاژ طی مدت ۱۵-۱۰ دقیقه منجر به افزایش ۴۰-۳۰ درصدی توان مصرفی می گردد و پس از گذشت ۴۰-۳۰ دقیقه این افزایش توان به ۱۰-۵ درصد خواهد رسید.اما با توجه به ترکیب بارها در یک منطقه، می توان گفت با کاهش ولتاژ میزان توان مصرفی کاهش می یابد.

پاسخ فرکانسی بارهای مختلط تقریباً خطی بوده و طی شرایط بارگذاری معمولی، تغییرات آن بسیار کم است(حدود ۰٫۰۱ pu/Hz )به هر حال اکثر بارها وابسته به ولتاژند و در صورت افت ولتاژ کاهش می یابند. بنابراین وابستگی بارها به ولتاژ و فرکانس یک ویژگی مطلوب است که می تواند به کنترل فرکانس طی دوره ی بازیابی سیستم کمک کند.

۱-۲-۴- قطع بارها در جزیره ای شدن شبکه توزیع برق:

یک سئوال مهم در زمان خاموشی اینست که در این زمان چه اتفاقی برای بارها می افتد. کلیدهای قدرت، مجهز به حفاظت زیر ولتاژاند و اگر ولتاژ برای مدت ۷ ثانیه کمتر از ۵۰ % مقدار نامی اش باشد، کلید عمل می کند.در کلید های ۱۳۰kV و ۷۰ kV این زمان روی ۱۰ ثانیه تنظیم می شود.

درحالیکه این عملکرد در سطوح ولتاژ پائین تر وجود ندارد و این بدین معناست که هنگام خاموشی تمام بارهای متصل به سطح ولتاژ ۴۰ kV وصل باقی خواهند ماند. این مشکل می تواند با کنترل از راه دور کلیدهای ۴۰kV رفع شود. در این صورت اپراتور می تواند قبل از بازیابی ولتاژ سیستم تمام بارها را از مدار خارج کند و بعد از بازیابی آنها را یکی یکی وارد مدار کند.

• جزیره ای شدن شبکه توزیع برق و بازیابی مجدد سیستم پس از آن:

۱-۳-۱- شکل گیری جزیره :

برای بهره برداری جزیره ای دو روش وجود دارد :

روش اول راه اندازی مجدد برخی از منابع پس از یک خاموشی سراسری جهت تأمین توان مورد نیاز قسمتی از سیستم است. روش دوم جزیره ای شدن بدون خاموشی است.

۱-۳-۲- Black-Start:

پس از وقوع یک خاموشی سراسری، برخی منابع می توانند ناحیه ی خود را به صورت جزیره ای برق دار کنند. شرط لازم برای انجام اینکار توانایی حداقل یک یا چند ژنراتور آن ناحیه برای راه اندازی در شرایط بی برقی و همچنین قابلیت کنترل فرکانس ناحیه پس از راه اندازی است.

شبکه ی محلی زیر را با توانایی بهره برداری جزیره ای شدن در نظر بگیرید:

در صورت وقوع خطا در شبکه ی اصلی، کلید A عمل کرده و کلید B نیز عدم وجود منبع اصلی را تشخیص داده و عمل می کند. با فرض وجود کنترل از راه دور برای عملکرد کلیدها، اپراتور شبکه بارهای x,y,z را از مدار خارج می کند. در این حالت اپراتور می تواند با بستن کلید Bو ورود ترتیبی بارها، از شبکه به صورت جزیره ای بهره برداری کند.

نکته ی مهمی که در انجام اینکار باید مد نظر قرار گیرد نحوه ی ورود بارها به مدار است. بستن کلیدهای x,y,z)اینکار باید در چند مرحله انجام شود و بارگذاری لحظه ای نباید از ۲۰ % ظرفیت ژنراتور فراتر رود. همواره ابتدا بار کوچکتر و در انتها بزرگترین بار وارد مدار می شود .

علاوه بر این حین بارگذاری فرکانس نباید برای توربین های آبی به کمتر از ۴۵Hz و برای توربین های گازی به کمتر از ۴۷٫۵Hz برسد چراکه باعث آسیب دیده مدارهای مغناطیس کنندگی این توربین ها می گردد. برای اینکه یک واحد توانایی  Black-Start  داشته باشد، وجود یک منبع انرژی کمکی مانند باطری یا دیزل ژنراتور، در کنار واحد الزامیست.

در گذشته تمام نیروگاهها طوری طراحی می شدند که قابلیت Black-Start را داشتند اما امروزه طراحی بسیاری از سیستم های راه انداز نیروگاهها با فرض وجود شبکه الکتریکی برق دار می باشد. تمام نیروگاهها و پست ها جهت پشتیبانی سیستم های کنترل،دارای باطری خانه هستند بنابراین علاوه بر توانایی Black-Start ، طول دوره ی قطعی نیز به دلیل محدودیت ظرفیت باطری خانه جهت پشتیبانی سیستم های کنترل، حائز اهمیت است.

۱-۳-۳- رفتن به حالت جزیره ای بدون قطع برق :

برای انجام این کار مهمترین موضوعی که باید مد نظر قرار گیرد اینست که هنگام جدا شدن شبکه ی محلی از شبکه ی اصلی، میزان تولید و مصرف در شبکه ی محلی باید تقریباً برابر باشند. با نزدیک بودن میزان بار و تولید در شبکه ی محلی، احتمال به وجود آمدن جزیره ی ناخواسته وجود خواهد داشت. اگر در این شرایط کلید متصل کننده ی شبکه ی اصلی و شبکه ی محلی عمل کند و تنظیمات حفاظت از دست رفتن منبع اصلی نیز بر مبنای اندازه گیری ولتاژ و فرکانس باشد، به دلیل نزدیکی بار و تولید، ولتاژ و فرکانس تغییر چندانی نکرده و در محدوده ی مجاز خود باقی می مانند و در نتیجه واحد تولید پراکنده در مدار باقی مانده و باعث شکل گیری جزیره ی ناخواسته می گردد.

۱-۳-۴- اتصال مجدد به شبکه:

برای اتصال مجدد قسمت جزیره ای شده دو روش وجود دارد :

روش اول برقدار كردن شبكه ی اصلی پس از خاموشی سراسری و سپس سنكرون كردن آن با قسمت های جزیره ای شده شبکه توزیع برق .

روش دوم بی برق كردن قسمت های جزیره ای شده و راه اندازی كل شبكه به صورت سنتی.

برای اجرای روش اول تجهیزات سنكرونیزاسیون باید روی كلیدهای مربوطه نصب شوند. كلیدهای نصب شده در سطح انتقال به تجهیزات سنكرون كننده مجهزند اما در شبكه های توزیع؛ محل نصب تجهیزات سنكرون كننده با توجه به احتمال بهره برداری جزیره ای تعیین می گردد.

خلاصه ای از شرایط مورد نیاز برای عملكرد جزیره ای شدن شبکه توزیع برق:

به طور خلاصه بهره براری جزیره ای موفق نیازمند:

• امكان كنترل سریع ولتاژ و فركانس كه می تواند به وسیله ژنراتور سنكرون و یا تجهیزات الكترونیك قدرت فراهم گردد.
• وجود بارهای قابل قطع و وصل هنگام Black-Start.
• وجود یك منبع ذخیره سازی انرژی برای راه اندازی ژنراتورها هنگام Black-Start و پشتیبانی سیستم های كمكی.
• تنظیم مجدد سیستم های حفاظتی ژنراتور و خطوط منطبق بر شرایط جزیره ای.

می توان با اعمال دستورالعمل های زیر مشكلات فنی بهره برداری جزیره ای را كاهش داد:

• نصب تجهیزات كاهش جریان؛ جهت كاهش جریان راه اندازی موتورها.
• نصب تجهیزات محدود كننده ی تأثیر منفی ژدیده ی راه اندازی با بار سرد.
• نصب تجهیزات بهبود كیفیت توان ( بانك های خازنی؛SVC ها و …).
• قطع بارهای كم اهمیت ( كنترل مصرف).
• نصب كلید هایی با كنترل از راه دور.
  • مشكلات اساسی بهره برداری جزیره ای:
• بارگذاری ژنراتورها هنگام Black-Start:

بارها باید به صورت پله ای  و از كوچكترین بار وارد مدار شوند. به دلیل نوع طراحی شبكه و طبیعت بارها؛ گاهی اوقات تعدیل بار امكان پذیر نیست. علاوه بر این به دلیل پدیده ی راه اندازی با بار سرد؛ هنگام بازیابی سیستم؛ میزان بار ممكن است بیشتر از حالت قبل از خاموشی باشد.

• تغذیه ی سیستم اتوماسیون و مخابراتی قبل هنگام عملكرد جزیره ای:

توانایی تجهیزات مخابراتی و اتوماسیون طی دوره ی خاموشی ( بهره برداری جزیره ای) با توجه به ظرفیت باطری ها محدود می شود كه معمولاَ حدود چند ساعت است.

• كنترل پارامترهای اساسی (ولتاژ و فركانس) هنگام بهره برداری جزیره ای :

در یك سیستم كوچك میزان تأثیر تغییرات بار نسبت به حالت عملكرد عادی شبكه بسیار بیشتر بوده و می تواند باعث تغییرات بیشتر پارامترهای اساسی شبكه گردد.

• طراحی و تنظیم سیستم های حفاظتی:

در یك سیستم جزیره ای برای رله های حفاظتی شرایط متفاوتی نسبت به شرایط عادی وجود دارد؛ در سیستم های توزیع سنتی از رله های اضافه جریان برای حفاظت اتصال كوتاه استفاده می شد كه برای سیستم های شعاعی به خوبی عمل می كرد. اما در سیستم هایی با حضور منابع تولید پراكنده به دلیل تغذیه ی چند سویه ی جریان؛ رله های اضافه جریان نمی توانند حفاظت كافی را برای شبكه فراهم آورند. علاوه بر این اگر چنین شبكه هایی به صورت جزیره ای مورد بهره برداری قرار گیرند؛ شرایط بسیار پیچیده تر خواهد بود. بنابراین در یك سیستم جزیره ای تنظیمات رله های حفاظتی باید مورد تجدید نظر قرار گیرد یا سیستم های حفاظتی جدیدی ( مانند رله های امپدانسی یا دیفرانسیلی) جایگزین سیستم های قدیمی گردد.

• طراحی شبكه با در نظر گرفتن امكان بهره برداری جزیره ای شبکه توزیع برق:

به چند دلیل بروز خطا در شبكه ی جزیره ای ممكن است تبعات جدی تری نسبت به یك شبكه ی به هم پیوسته داشته باشد. به دلیل كاهش سطح اتصال كوتاه در قسمت جزیره ای آشكار سازی خطا و در نتیجه جدا سازی آن با تأخیر بیشتری صورت می پذیرد همچنین اگر جزیره ای شدن شبکه توزیع برق شعاعی یا حلقوی ضعیف باشد جدا سازی قسمتی كه دچار خطا شده ممكن است باعث فروژاشی شبكه یا به وجود آمدن مشكلات پایداری شدیدی گردد.

هنگام طراحی شبكه های الكتریكی ‏؛ معیارهای طراحی معینی اعمال می شود اما در شبكه ای كه قرار است در صورت  بروز خاموشی سراسری به صورت جزیره ای مورد بهره برداری قرار گیرد این معیار ها  باید متناسب  با شرایط جزیره ای شدن تغییر كند. اینكه شبكه ی جزیره ای چقدر از شبكه ی به هم پیوسته ضعیف تر است و سیستم زمین آن نیز باید چگونه باشد هم موضوعاتی است كه باید مورد بررسی قرار گیرد.

• ذخیره سازی توان برا كنترل فركانس:

در شبكه های بزرگ به هم پیوسته معیار معینی برای تعیین ظرفیت رزرو كه باید جهت كنترل فركانس در دسترس باشد؛ وجود دارد. اما معیار مناسب جهت تعیین میزان رزرو یك شبكه ی جزیره ای باید تعیین گردد. تحقیقات متفاوتی در این زمینه وجود دارد كه معیارهایی بین ۵۰-۱۰ درصد ظرفیت تولید در قسمت جزیره ای را به عنوان رزرو مورد نیاز جهت كنترل فركانس مطرح می كنند.

نمونه های جزیره ای شدن شبکه توزیع برق در اسپانیا

با این حال، این شبیه سازها فراتر از آن هستند، آنها فقط برای بهبود ظرفیت ایستگاه های دیزل ایزوله استفاده نمی شوند، بلکه برای بهبود مدیریت و دانش ریزشبکه الکتریکی نیز استفاده می شوند. این امر از طریق آموزش جهانی سیستم‌های الکتریکی ایزوله و ادغام سایر عوامل سیستم مانند نیروگاه‌های تجدیدپذیر، انتقال به دست می‌آید.

[۱] Islanding

[۲] Unintentional Islanding

[۳] Point of Common Coupling

[۴] Islanding Detection

[۵] Recloser

[۶] Dependable

[۷] Secure

[۸] Fast

[۹] Intentional Islanding

 

همچنین ببینید:

What is an electric island?

کیفیت توان تعاریف، شاخص ها، استانداردها و ضرورت ها

اهمیت کیفیت توان الکتریکی (کیفیت برق) در چیست؟

کیفیت توان (کیفیت برق) به زبان ساده

اندازه گیری و بررسی پارامترهای کیفیت توان خروجی ترانسهای شرکت ریسندگی رضوان تاب و ارائه راهکار عملی در جهت حذف هارمونیک جریان