چکیده

افزایش مداوم مصرف برق و ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر (Renewable Energy Sources) در شبکه‌های توزیع، به تدریج چالش‌هایی را برای سیستم‌های حفاظتی سنتی به همراه دارد. این روند تأثیرات عمیق و قابل توجهی بر روی روش‌های متمرکز تولید برق دارد و به سمت تولید و مصرف محلی و همچنین نزدیک‌تر شدن به میکروگریدها (Microgrids) حرکت می‌کند. به ویژه در شرایط فعلی، این جنبه مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. برای اطمینان از ظهور موفق میکروگریدها، لازم است که به موضوع حفاظت از این منابع انرژی تجدیدپذیر بپردازیم، خصوصاً با توجه به اینکه دستگاه‌های کنونی ما قابلیت‌های ارتباطی یا کنترل از راه دور را ندارند. اندازه توپولوژی و تعداد دستگاه‌های مدیریت شده در هر نقطه از میکروگرید نقش حیاتی را ایفا می‌کند. از این رو، مدیریت کلی دستگاه‌ها و منابع فردی درون میکروگرید، یک ضرورت است.

مقدمه

ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر در شبکه‌های انرژی موجود، نوید تغییرات تحولی را می‌دهد که با کاهش تلفات انتقال و افزایش قابلیت اطمینان عملیاتی همراه است. اما این انتقال همچنین چالش‌های جدیدی را در زمینه حفاظت، کنترل و مکان‌یابی خطاها به همراه دارد. برای فائق آمدن بر این چالش‌ها، تحقیقات و نوآوری‌های مداوم در فناوری شبکه‌های توزیع الزامی است. با این حال، میکروگریدها به عنوان یک نقطه امید برای آینده به چشم می‌خورند.

یکی از ویژگی‌های بارز میکروگریدها، قابلیت تطبیق فوق‌العاده آنهاست که به راحتی می‌توانند بین حالت‌های عملیاتی جزیره‌ای و متصل به شبکه تغییر وضعیت دهند. این انعطاف‌پذیری با توانایی‌های کنترل خودکار آنها تقویت می‌شود و به آنها اجازه می‌دهد تا به طور مستقل تولید و مصرف انرژی را مدیریت کنند. در مواقع بروز خطا یا اختلال در سیستم، میکروگریدها می‌توانند به سرعت به حالت جزیره‌ای تغییر وضعیت دهند و با استفاده از منابع محلی و تجدیدپذیر، قابلیت اطمینان تأمین برق را حفظ کنند.

با وجود پیچیدگی‌های فنی موجود در طراحی میکروگرید، مزایای آنها به مراتب بیشتر از نگرانی‌های مرتبط است. یکی از جنبه‌های اساسی برنامه‌ریزی میکروگرید، انتخاب و ادغام مناسب منابع انرژی است که میزان تولید محلی را با ورودی‌های تجدیدپذیر متعادل می‌کند تا عملکرد شبکه از بهینه‌ترین حالت ممکن برخوردار گردد. این ترکیب استراتژیک انرژی، با کاهش چالش‌های سیستم‌های کنترل و حفاظت در شبکه‌های توزیع، اطمینان از عملکرد قوی و مطمئن را تضمین می‌کند.

واحدهای انرژی تجدیدپذیر مستقر در میکروگریدها به طور بنیادین پارادایم توزیع انرژی سنتی را دگرگون می‌کنند. با فراهم آوردن تولید انرژی نزدیک‌تر به نقاط مصرف، میکروگریدها جریان انرژی دوجانبه را ممکن می‌سازند و به این ترتیب فرآیند تولید برق را غیرمتمرکز می‌کنند. این تغییر در پارادایم، سؤالات حیاتی را درباره بهینه‌سازی ترکیب انرژی، پایداری و انعطاف‌پذیری شبکه مطرح می‌سازد، به ویژه در پاسخ به شرایط جوی متغیر و نوسانات تقاضا.

تغییر مسیر به سمت این چالش‌ها نیازمند بازنگری عمیق در زیرساخت‌های شبکه‌ای سنتی است. یک تحلیل مقایسه‌ای، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است، فاصله چشم‌گیری را از مدل الگوی جریان انرژی شعاعی در سیستم‌های قدرت سنتی به نمایش می‌گذارد. در مقابل، میکروگریدها با کوتاه کردن خطوط توزیع و ادغام منابع انرژی توزیع‌شده، جریان انرژی دوجانبه را تسهیل می‌کنند و زمینه‌ساز یک چشم‌انداز انرژی مقاوم‌تر و قابل تطبیق‌تر می‌شوند.

تعریف میکروگرید

میکروگریدها به عنوان شبکه‌های توزیع کوچک محلی که انرژی الکتریکی را به مصرف‌کنندگان ارائه می‌دهند، تعریف می‌شوند. این شبکه‌ها باید به خودکفایی در تولید برق دست یابند و به این منظور، بایستی ترکیب مناسب‌تری از منابع انرژی را بر اساس شرایط جغرافیایی خود اختیار کنند.

طبق یک پروژه تحقیقاتی اتحادیه اروپا، میکروگرید شامل سیستم‌های توزیع ولتاژ پایین با منابع انرژی توزیع‌شده، دستگاه‌های ذخیره‌سازی، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی و بارهای انعطاف‌پذیر است. این سیستم‌ها می‌توانند به صورت متصل به شبکه اصلی یا به طور مستقل عمل کنند. در حقیقت، یک میکروگرید یک سیستم توزیع انرژی خودکار و مدرن است که عمدتاً توسط منابع انرژی تجدیدپذیر محلی تأمین می‌شود.

طراحی سیستم حفاظتی برای منابع انرژی توزیع‌شده در شبکه‌های توزیع

این بخش دوم از شش بخش مقاله اصلی است. آن را به طور کامل به زبان فارسی و به صورت HTML ترجمه کنید.

محتوای اصلی (بخش ۲ از ۶)

وزارت انرژی ایالات متحده میکروگرید را به عنوان مجموعه‌ای از بارهای متصل و منابع انرژی توزیع‌شده در محدوده‌های مشخص تعریف می‌کند. این واحدها به عنوان یک واحد قابل کنترل شناخته می‌شوند. میکروگریدها این قابلیت را دارند که به شبکه متصل و در مواقع لزوم جداسازی شوند و همچنین در حالت‌های اتصال و جزیره‌ای فعالیت کنند [۲].

حفاظت از منابع توزیع‌شده انرژی الکتریکی متصل به شبکه توزیع، به دلایل مختلفی حیاتی است. اینورترها دارای سیستم حفاظتی داخلی هستند و در صورت وقوع خطا، به خودبازرسی می‌پردازند. سیستم‌های حفاظتی اضافی، نظیر قطع‌کننده‌های مدار، دستگاه‌های حفاظتی مدار، فیوزها و محافظ‌های ولتاژ، برای ایمن‌سازی ورودی‌ها به کار گرفته می‌شوند. با این حال، رله‌های حفاظتی مورد استفاده در شبکه‌های ولتاژ پایین معمولاً عملکرد محدودی دارند و عمدتاً به نظارت بر فرکانس و ولتاژ محدود می‌شوند و توانایی شناسایی خطاهای زمین یا قطع اتصالات را در زمان اختلالات شبکه دارند.

وضعیت کنونی تحقیقات

تحقیقات کنونی دیدگاه‌های متنوعی را درباره‌ی توسعه شبکه‌های هوشمند و میکروگریدها ارائه می‌دهد. یکی از روندهای مهم در تحقیق، استفاده از واحدهای اندازه‌گیری فازور و پردازش متمرکز داده‌های اندازه‌گیری‌شده است. این اقدام تنها پس از پیشرفت رله‌های حفاظتی جدید با ارتباط متقابل بهبود یافته انجام‌پذیر است. مقاله [۳] نیز روند مشابهی را در پیش می‌گیرد و در آن، تیم تحقیقاتی به معرفی روشی نوآورانه برای توسعه رله‌های حفاظتی با استفاده از شبیه‌سازی پرداخته و بر اعمال آن در توسعه دستگاه‌های محلی برای حفاظت از خطوط توزیع تمرکز می‌کند. این روش علاوه بر ته‌دهی به‌کارایی و دقت آن، از طریق مقایسه مدل شبیه‌سازی‌شده با آزمایش‌های فیزیکی بر روی رله‌ها، به اثبات می‌رسد.

مقاله [۴] نیز مانند مقاله قبلی، بر استفاده از شبیه‌سازی تاکید می‌کند. این مقاله ضرورت شبیه‌سازی سخت‌در-لینک (HILS) را برای تحقیقات حفاظتی در شبکه‌های توزیع متشابک بررسی کرده و به چالش‌های محافظتی در این شبکه‌ها اشاره می‌کند. نویسندگان روش‌های آزمایشی سنتی را مورد تحلیل قرار می‌دهند و مطالعه موردی‌ای را ارائه می‌دهند که کارایی HILS را در این زمینه نمایان می‌سازد. به‌طور کلی، این مقاله گامی مهم در بررسی مسائل موجود در حوزه توزیع برق محسوب می‌شود.

مقاله [۵] به ارائه استراتژی حفاظتی تطبیقی برای سیستم‌های توزیع برق با تولید برق توزیع‌شده (DG) می‌پردازد، به ویژه با توجه به اختلالات رله در سیستم‌های توزیع شعاعی یکپارچه‌شده با منابع فوتوولتائیک (PV). این تحقیق با استفاده از منطق فازی (FL) و الگوریتم ژنتیک (GA) به تنظیم پویا رله‌ها بر اساس تغییرات در ظرفیت PV و تقاضای بار می‌پردازد، تا به این طریق قابلیت اطمینان سیستم را بدون نیاز به بازطراحی زیرساخت‌ها بهبود بخشد. با تحلیل سناریوها و مقایسه با روش‌های سنتی، این مطالعه به اثبات کارایی FLGA در بهینه‌سازی عملکرد رله‌ها کمک می‌کند و راه‌حل ارزشمندی برای ارتقاء سیستم‌های توزیع برق در عصر یکپارچه‌سازی DG ارائه می‌دهد.

مقاله [۶] به بررسی تأثیر یکپارچه‌سازی سیستم‌های فوتوولتائیک توزیع‌شده بر حفاظت شبکه توزیع می‌پردازد، به‌ویژه در ارتباط با رویدادهای پایین‌ولتاژ ران (LVRT). این مقاله اذعان دارد که روش‌های حفاظتی رایج نمی‌توانند به شیوه مناسبی با ویژگی‌های خطا که پس از یکپارچه‌سازی PV تغییر کرده‌اند، مقابله نمایند. به همین منظور، این مقاله استراتژی کنترلی LVRT توزیع‌شده برای PV را پیشنهاد می‌دهد تا به کاهش این تأثیرات بپردازد و در خلال خطاها از سیستم حمایت کند. تحلیل‌ها و شبیه‌سازی‌ها نشان از کارایی این استراتژی دارند و امکان بهبود مدیریت خطا در شبکه‌های توزیع فعال را فراهم می‌آورند.

مقاله [۷] ابتکارعملی است که با همکاری شرکت توزیع انرال سائوپائولو برای افزایش هوشمندی، اتوماسیون و حفاظت در شبکه توزیع برق تحت فشار ولتاژ پایین (LV) ترتیب داده شده است. این مقاله روشی خودترمیمی را برای شبکه‌های LV معرفی می‌کند که پیشتر در شبکه‌های ولتاژ متوسط (MV) به کار رفته است. توسعه و بهبودهای صورت گرفته در تجهیزات کنترلی LV برای نظارت در زمان واقعی و محافظت از ترانسفورماتور به‌تفصیل بررسی می‌شود، در کنار شبیه‌سازی‌هایی که کارایی این استراتژی را تأیید می‌کنند. این مقاله به نیاز به تجهیزاتی پیشرفته برای نظارت و حفاظت در شبکه‌های LV اشاره کرده و راه‌حل نوآورانه‌ای را برای رفع این کمبود ارائه می‌دهد.

سرانجام، مقاله [۸] به چالش‌های ناشی از اجرای سیستم‌های حفاظتی رله در شبکه‌های توزیع به دلیل یکپارچه‌سازی منابع انرژی توزیع‌شده می‌پردازد و یک سیستم خودکار را برای تنظیم تنظیمات حفاظتی پیشنهاد می‌کند. این مقاله رویکرد دینامیک تطبیقی حفاظتی و روش‌های بهینه‌سازی را تشریح می‌کند و همراه با توسعه میکروسرویس‌ها برای محاسبه و تنظیم خودکار پارامترها، به مشکلات موجود خواهد پرداخت. نتایج آزمایشی نشان‌دهنده کارایی این سیستم در تنظیم دقیق تنظیمات حفاظتی برای سناریوهای مختلف هستند و پتانسیل آن را برای بهبود قابلیت اطمینان شبکه نمایان می‌سازند. به طور کلی، این مقاله راه‌حل امیدوارکننده‌ای را برای چالش‌های موجود در شبکه‌های توزیع از طریق سیستم‌های تنظیم خودکار حفاظتی ارائه می‌دهد.

رله‌های حفاظتی برای شبکه‌های توزیع: تضمین امنیت سیستم الکتریکی

رله‌های حفاظتی قابل برنامه‌ریزی، دستگاه‌های الکترونیکی هستند که در شبکه‌های انتقال و توزیع برق به منظور شناسایی و پاسخ به انواع خطاها و ناهنجاری‌های سیستم به کار می‌روند. این رله‌ها می‌توانند وظایف حفاظتی متنوعی را انجام دهند و به‌گونه‌ای برنامه‌ریزی می‌شوند که با نیازها و ویژگی‌های خاص شبکه توزیع هماهنگ شوند. هر تولیدکننده این رله‌ها، روشی مختص به خود برای تنظیم پارامترها دارد. وظیفه اصلی آنها نظارت بر پارامترهای الکتریکی مانند ولتاژ، جریان و فرکانس است و در صورت شناسایی ناهنجاری‌ها یا خطاها، اقداماتی حفاظتی نظیر قطع یک بخش از طریق کنتاکتور را انجام می‌دهند. رله‌های حفاظتی قابل برنامه‌ریزی جزء حیاتی از سیستم‌های حفاظتی شبکه توزیع به شمار می‌آیند و در راستای تضمین عملکرد ایمن و قابل اطمینان شبکه‌های الکتریکی ایفای نقش می‌کنند.

در جمهوری اسلواکی، سه تأمین‌کننده اصلی برق وجود دارد: شرکت توزیع اسلواکی غربی (ZSD)، شرکت توزیع اسلواکی مرکزی (SSD) و شرکت توزیع اسلواکی شرقی (VSD). این شرکت‌ها مسئول مدیریت خطوط ولتاژ بالا در کشور هستند و تأمین برق مصرف‌کنندگان را به‌طور مؤثر تضمین می‌کنند. مطابق با جدول ۱، هر یک از رله‌های حفاظتی (protective relays) توصیه‌شده توسط VSD تحت آزمایش‌های دقیق قرار گرفته و الزامات بسیار سختی را از نظر زمان پاسخ و دقت اندازه‌گیری برآورده کرده‌اند. در حال حاضر، رله‌های حفاظتی قابل برنامه‌ریزی (programmable protective relays) در جمهوری اسلواکی برای منابع برقی با ظرفیت بیش از ۱۰ کیلووات به کار گرفته می‌شوند.

جدول ۱. انواع تأیید شده حفاظت شبکه خارجی توسط VSD [۹]

زمانی که یک منبع بزرگ‌تر از ۱۰ کیلووات به شبکه متصل می‌شود، ضروری است که از رله‌های قابل برنامه‌ریزی تأییدشده مطابق با مشخصات شرکت توزیع مربوطه استفاده گردد. برای ولتاژ پایین (Low Voltage, LV)، شماتیک سیم‌کشی استاندارد جهت اندازه‌گیری مستقیم با استفاده از کنتور برق (electricity meter) و کنتور هوشمند (smart meter) در شکل ۲ به‌وضوح نمایش داده شده است. همچنین، اجزای جانبی دیگری مانند محافظ‌های ولتاژ (surge protectors) نیز بخشی از این مجموعه هستند که تحت حفاظت فیوزهای ۱۰۰ آمپر قرار دارند، هرچند که در شکل ۲ به تصویر کشیده نشده‌اند. برای بخش DC سیستم که به اینورتر متصل می‌شود، حفاظت مشابهی از پانل‌ها با راه‌اندازی در شبکه‌های به اصطلاح استرینگ‌ها (strings) و نصب سیستم حفاظت ولتاژ (surge protection) برای هر یک از این استرینگ‌ها نیز الزامی می‌باشد.

طبق الزامات فعلی VSD، هنگام اتصال یک منبع محلی به شبکه توزیع با ظرفیت تا ۱۰ کیلووات، نصب حفاظت شبکه خارجی (external grid protection) ضروری نیست (حفاظت شبکه یکپارچه نمی‌تواند مطابق با نیازهای VSD تنظیم شود). با این حال، در صورت استفاده از بیش از یک اینورتر با توان نصب شده کل بیش از ۱۰ کیلووات، نصب حفاظت شبکه خارجی برای کنترل نقطه قطع اصلی (main disconnecting point) الزامی است. انواع و برندهای تأییدشده دستگاه‌های حفاظت شبکه خارجی مطابق با VSD به همراه قیمت‌های آن‌ها در جدول ۲ ارائه شده است [۹].

شکل ۲. نمایش شماتیک یک سیستم حفاظتی برای منابع از ۱۰ کیلووات تا ۵۰ کیلووات متصل به شبکه توزیع LV

جدول ۲. تنظیمات مورد نیاز حفاظت شبکه خارجی مطابق با VSD برای شبکه LV [۹]

برای این نوع حفاظت‌های شبکه خارجی، یک تنظیم ساده با استفاده از توابع پایه برای نظارت بر پارامترهای کیفی انرژی الکتریکی تولید شده به‌راحتی امکان‌پذیر است. جزئیات مربوط به تنظیمات و توضیحات در جدول ۲ ارائه شده است. این حفاظت شبکه خارجی عمدتاً به عنوان یک رله نظارتی (monitoring relay) عمل می‌کند و در صورت فراتر رفتن از محدودیت‌های مشخص، سیگنالی برای تغییر وضعیت کنتاکت‌های خروجی تولید می‌کند، که می‌تواند وضعیت آن برای کنترل نقطه قطع اصلی تنظیم شود. در این زمینه، توجه به این نکته بسیار مهم است که رله حفاظتی تنها بر نقطه قطع اصلی تمرکز دارد و از نظارت بر وضعیت عملیاتی سایر اجزای سیستم حفاظتی غافل می‌شود. به این ترتیب، توزیع‌کننده برق تنها به اطلاعات مربوط به تراکنش‌های انرژی الکتریکی مصرف‌کننده با شبکه دسترسی دارد – چه در حالت مصرف از شبکه و چه در حالت تأمین به آن. هنگام بررسی ادغام منابع انرژی توزیع‌شده (distributed energy sources) با ظرفیت تا ۱۱۰ کیلووات، اصول اساسی همسو با استراتژی حفاظتی قبلاً ارائه‌شده هستند.

با این حال، یک انحراف قابل توجه وجود دارد که نیاز به ترانسفورماتور جریان (current instrument transformer) برای تسهیل اندازه‌گیری دقیق تولید یا مصرف با استفاده از کنتور هوشمند می‌باشد. این عنصر اضافی که در شکل ۳ به تصویر کشیده شده، نقش حیاتی در افزایش قابلیت‌های نظارت و مدیریت سیستم دارد و عملکردی کارآمد و قابل اطمینان را تضمین می‌کند.

شکل ۳. نمایش شماتیک یک سیستم حفاظتی برای منابع از ۵۰ کیلووات تا ۱۱۰ کیلووات متصل به شبکه توزیع LV

نصب منابع انرژی بزرگ‌تر معمولاً برای شرکت‌های صنعتی صورت می‌پذیرد که دارای پشت‌بام‌هایی با ظرفیت‌های فراوان برای پذیرش این نوع نصب هستند. در حالی که نیروگاه‌های فتوولتائیک (photovoltaic stations) عمومی معمولاً در زمین‌های باز مستقر می‌شوند، روند غالب نمایانگر یک افزایش چشمگیر، به‌ویژه در بخش صنعتی است. پس از اتصال به سطح ولتاژ متوسط (Medium Voltage, MV)، نیاز به نصب یک ترانسفورماتور (transformer) و یک سیستم حفاظتی اضافی نیز باید مد نظر قرار گیرد.

در این شرایط، مسئولیت اندازه‌گیری صورتحساب از توزیع‌کننده به سمت ولتاژ بالاتر منتقل می‌شود، چراکه مناطق صنعتی غالباً دارای پست‌های اختصاصی در محل مصرف‌کننده هستند. بنابراین، افزودن یک ترانسفورماتور ولتاژ (voltage instrument transformer) برای امکان‌پذیر ساختن اندازه‌گیری دقیق مصرف حکم‌فرما می‌شود.

هنگامی که بحث بر سر اینورترهای بزرگ‌تر از ۱۱۰ کیلووات می‌باشد، همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده، پیچیدگی سیستم حفاظتی به‌شدت افزایش می‌یابد. شرکت توزیع اکنون نظارت بر وضعیت هر دستگاه حفاظتی را الزامی می‌کند و بنابراین، اتصال تمام سیگنال‌دهنده‌های وضعیت کلیدهای مدار (circuit breakers) و فیوزها به رله حفاظتی ضروری می‌شود. افزون بر این، قابلیت نظارت از راه دور (remote monitoring) از طریق دیسپاچینگ (dispatching) نیز مورد نیاز است. به همین خاطر، استفاده از همان رله‌های حفاظتی قبلی امکان‌پذیر نیست، زیرا رله حفاظتی باید علاوه بر انجام عملکردهای حفاظتی، پیرو پروتکل‌های حفاظتی امن (secure protection protocols) نیز باشد.

شکل ۴. نمایش شماتیک یک سیستم حفاظتی برای منابع از ۱۱۰ کیلووات به بالاتر متصل به شبکه توزیع LV

**بخش چارم: طراحی سیستم حفاظتی برای منابع انرژی توزیع‌شده در شبکه‌های توزیع**

یکی از پرکاربردترین رله‌های نصب‌شده در شبکه‌های اروپا طی سال‌های اخیر، رله دیجیتال SEL-۷۵۱ است که معمولاً به همراه دستگاه RTAC-۳۵۰۵ برای اهداف ارسال داده نصب می‌شود. برای محافظت از سطح ولتاژ پایین در کاربردهای میکروگرید نیز به ترکیبی مشابه نیاز است. مشکل زمانی آغاز می‌شود که یک میکروگرید از حالت اتصال به شبکه به حالت جزیره‌ای (بهاتصال) می‌رود و از عملکرد اضافه‌جریان استفاده می‌کند. اگر میکروگرید تنها به منابع انرژی مجهز به اینورتر وابسته باشد، استفاده از عملکرد اضافه‌جریان به شدت دشوار می‌شود. دلیل این امر آن است که جریان خروجی اینورترها معمولاً به حداکثر حدود ۱۲۰ درصد جریان اسمی خود می‌رسد و این حالت تنها به مدت ۵ ثانیه قابل تحمل است [۱۰]، [۱۱].

برای غلبه بر این چالش، حفاظت دیجیتال باید وضعیت عناصر کنترل را شناسایی کند تا تنظیمات را بر سطح حساس‌تری تنظیم نماید و ایمنی شبکه را تضمین کند. با این حال، پیاده‌سازی این مفهوم در عمل برای تشخیص محل نقص با دشواری‌هایی همراه است. زیرا افزایش حساسیت حفاظت ممکن است باعث شود تفاوت بسیار اندکی بین جریان نقص (جریان آغاز عمل حفاظت) و جریان نرمال یا جریان آغاز به کار موتورهای مناطق صنعتی وجود داشته باشد [۱۲].

در حال حاضر، استاندارد VSD (ولتاژ-زمان) استفاده از منابع محلی کوچک را در طول یک فرآیند راه‌اندازی مجدد شبکه (بلک استارت) در نظر نمی‌گیرد، زیرا نظارت بر فرکانس شبکه برای اینورترها در زمان همگام‌سازی با شبکه ضروری است. در نتیجه، منابع انرژی تجدیدپذیر کوچک (RES) پس از بازگرداندن برق توسط شبکه، به‌صورت خودکار و پس از گذشت ۳۰۰ ثانیه، مجدداً به شبکه متصل می‌شوند [۱۳].

جدول ۳. تنظیمات مورد نیاز حفاظت خارجی شبکه بر اساس استاندارد VSD برای محدوده قدرت: ۱۰۰کیلووات ≤ PN ≤ ۵مگاوات در شبکه ولتاژ پایین [۹]

.

جدول ۴. تنظیمات مورد نیاز حفاظت خارجی شبکه بر اساس استاندارد VSD برای محدوده قدرت: ۱۰۰کیلووات ≤ PN ≤ ۵مگاوات در شبکه ولتاژ متوسط [۹]

.

مقایسه جدول ۳ و جدول ۴، نگاهی دقیق‌تر به ملاحظات لازم در پیکربندی سیستم‌های حفاظت خارجی شبکه می‌اندازد. جدول ۳، تنظیمات استاندارد برای منابع قدرت در محدوده ۱۰۰ کیلووات تا ۵ مگاوات هنگام اتصال به شبکه ولتاژ پایین را مشخص می‌کند. در مقابل، جدول ۴، همان تنظیمات اختصاصی را اما برای اتصال به شبکه ولتاژ متوسط ارائه می‌دهد. با بررسی این مقایسه، اختلافاتی مشهود است، به‌ویژه در تنظیم زمان قطع برای افت یا افزایش ولتاژ در سطح اول، همان‌طور که پیش‌تر در مقایسه جدول ۲ و جدول ۳ نیز دیده شد. با این حال، نکته قابل توجه این است که با وجود این تفاوت‌ها، تنظیمات باقی‌مانده در هر دو جدول عمدتاً همسو هستند.

علاوه بر این، نحوه اتصال به شبکه و سطح ولتاژ خاص، نقش تعیین‌کننده‌ای در تنظیمات مناسب ایفا می‌کنند. این موضوع به‌ویژه هنگام بررسی تنظیمات اندازه‌گیری غیرمستقیم در جدول ۴ آشکار می‌شود، جایی که پیکربندی‌های مشابهی مشاهده می‌کنیم، هرچند که به‌طور خاص برای اندازه‌گیری سمت ثانویه طراحی شده‌اند. در نتیجه، این مقادیر ولتاژی کاهش قابل توجهی را نشان می‌دهند، همان‌طور که در شکل ۴ به تصویر کشیده شده است.

این مقایسه جامع، اهمیت حیاتی در نظر گرفتن جزئیات اتصال شبکه و سطوح ولتاژ هنگام پیکربندی سیستم‌های حفاظت خارجی شبکه را برجسته می‌کند [۱۴]. اختلافات مشاهده‌شده نه تنها نیاز به دقت بیشتر در جزئیات را نشان می‌دهند، بلکه ضرورت اتخاذ رویکردهای سفارشی‌سازی‌شده بر اساس ویژگی‌های منحصر به فرد هر شبکه را نیز تأکید می‌کنند. با اجرای تنظیمات سفارشی که این ظرافت‌ها را لحاظ کنند، می‌توان ایمنی و عملکرد بهینه شبکه را تضمین کرد و در نتیجه ریسک‌ها را کاهش و قابلیت اطمینان کلی سیستم را ارتقا داد.

### طراحی یک رله حفاظتی

در حال حاضر، رله‌های جهانی کافی در بازار وجود ندارند که بتوانند تمام معیارهای سختگیرانه برای گزینه‌های مختلف اتصال منابع انرژی تجدیدپذیر (RES) به شبکه توزیع را برآورده کنند. با توجه به استقرار گسترده‌تر میکروگریدها و شبکه‌های هوشمند در آینده، وجود چنین دستگاه‌های جهانی و همه‌کاره‌ای ضروری به نظر می‌رسد.

این سیستم‌ها باید قادر باشند انواع توپولوژی‌های شبکه، ویژگی‌های متنوع RES و تأثیر بالقوه آن‌ها بر عملکرد شبکه‌های توزیع را پوشش دهند. با توجه به اینکه میکروگریدها و شبکه‌های هوشمند به طور فزاینده‌ای به RES متکی هستند، داشتن رله‌های قابل اعتماد و انعطاف‌پذیر که بتوانند این منابع انرژی جدید را به‌طور مؤثر مدیریت و محافظت کنند، ضروری است. بر اساس نیازهای توصیف‌شده در فصل قبل، مشخص است که دستگاه باید تنها تعداد محدودی ورودی و خروجی داشته باشد.

از سوی دیگر، مهم است که دستگاه از عملکردهای امنیت سایبری یکپارچه به شکل فناوری ضد بدافزار بهره ببرد تا سطح بالایی از امنیت را تضمین کند. چنین دستگاهی باید مجموعه کاملی از ویژگی‌های امنیتی برای دسترسی کاربر، مدیریت پیکربندی و نظارت را در بر بگیرد. این امر اطمینان می‌دهد که سیستم در برابر تهدیدات سایبری بالقوه محافظت شده و قادر به حفظ یکپارچگی و قابلیت اطمینان محیط عملیاتی خود است. همچنین، هر کانال خروجی به‌صورت همزمان مجهز به اتصالات نرمال باز (NO) و نرمال بسته (NC) است که هم عملکرد سوئیچینگ و هم عملکرد قطع را فراهم می‌کند و انعطاف‌پذیری بیشتری را برای کاربران به ارمغان می‌آورد. این ویژگی طراحی، سازگاری دستگاه را با طیف وسیعی از تجهیزات و سیستم‌ها تضمین می‌کند و به کاربران امکان می‌دهد آن را به راحتی برای شرایط و نیازهای عملیاتی مختلف تطبیق دهند.

دستگاه پیشنهادی، همان‌طور که در شکل ۵ نشان داده شده است، دارای طیف متنوعی از ورودی‌های ارتباطی است که انعطاف‌پذیری و گزینه‌های بیشتری را برای کاربر فراهم می‌کند. ورودی USB امکان پیکربندی محلی را فراهم کرده و به کاربران اجازه می‌دهد تنظیمات را مستقیماً روی دستگاه اعمال کنند. علاوه بر این، این ورودی USB می‌تواند از طریق یک کانکتور RJ-۴۵ به اینترنت متصل شود و امکان دسترسی و پیکربندی از راه دور دستگاه را فراهم سازد. همچنین یک پورت ارتباطی اختصاصی برای اتصال یک کنتور هوشمند با استفاده از ارتباط سریال استاندارد RS-۲۳۲ وجود دارد که سازگاری با سیستم‌های کنونی و آینده را تضمین می‌کند.

شکل ۵. طراحی یک دستگاه جدید برای محافظت از RES در شبکه توزیع

دسترسی HMI و گزینه‌های خروجی

یکی دیگر از مزایای قابل توجه، گنجاندن دسترسی HMI (رابط انسان و ماشین) است که کنترل محلی، تنظیم تنظیمات و نظارت بر دستگاه را تسهیل می‌کند. این ویژگی تجربه کاربری و کارایی مدیریت را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد. به طور کلی، این راه‌حل یک پلتفرم جامع و سازگار برای مدیریت و حفاظت از منابع انرژی تجدیدپذیر فراهم می‌کند.

علاوه بر این، دستگاه مجهز به دو گزینه خروجی به نام‌های OUT1 و OUT2 است. این کانال‌های خروجی انعطاف‌پذیری را در اتصال و کنترل دستگاه‌ها یا سیستم‌های خارجی بر اساس نیازهای عملیاتی خاص فراهم می‌کنند. وجود چندین کانال خروجی، کاربرد و سازگاری دستگاه را با برنامه‌های مختلف افزایش می‌دهد و به کاربران انعطاف‌پذیری بیشتری در پیکربندی و مدیریت سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر خود ارائه می‌دهد. هر کانال خروجی مجهز به کنتاکت‌های normally open و normally close است که هم عملکرد سوئیچینگ و هم قطع را برای تطبیق‌پذیری بیشتر فراهم می‌کند. این ویژگی طراحی، سازگاری با طیف گسترده‌ای از دستگاه‌ها و سیستم‌ها را تضمین می‌کند و به کاربران امکان می‌دهد دستگاه را به راحتی با سناریوها و نیازهای عملیاتی مختلف تطبیق دهند.

دستگاه کنتاکت‌های ورودی و خروجی را ارزیابی می‌کند و بر اساس داده‌های ورودی اندازه‌گیری شده برای کنتاکت‌های ولتاژ ورودی L1، L2، L3 و N، آن‌ها را نظارت می‌کند. ورودی‌های جریان می‌توانند به I1، I2، I3 و COM متصل شوند. این پیکربندی امکان نظارت و کنترل جامع پارامترهای الکتریکی را فراهم می‌کند و عملکرد کارآمد و حفاظت از سیستم انرژی تجدیدپذیر متصل را تضمین می‌کند. البته، برای یک سیستم مقاوم‌تر، کنتاکت‌های ورودی برای نظارت بر وضعیت دستگاه‌های حفاظتی جداگانه ضروری خواهد بود که دستگاه در این مورد فراهم می‌کند. تا هشت کنتاکت ورودی موجود است که با نام‌های IN1 تا IN8 برچسب‌گذاری شده‌اند که از طریق آن‌ها می‌توان وضعیت عناصر مختلفی که در هنگام اتصال ظرفیت‌های بزرگتر برق نیاز به توجه شرکت‌های توزیع دارند، تشخیص داد. این کنتاکت‌های ورودی نظارت و کنترل جامع را امکان‌پذیر می‌کنند و ایمنی و کارایی عملیات توزیع برق را افزایش می‌دهند.

نتیجه‌گیری

طراحی یک سیستم حفاظتی برای منابع انرژی توزیع شده در شبکه‌های توزیع برای تضمین قابلیت اطمینان و ایمنی تامین برق، به ویژه با افزایش یکپارچه‌سازی منابع انرژی تجدیدپذیر (Renewable Energy Sources – RES) و ظهور ریزشبکه‌ها (Microgrids) و شبکه‌های هوشمند (Smart Grids)، حیاتی است.

پرداختن به چالش‌های مرتبط با حفاظت از RES نیازمند راه‌حل‌های نوآورانه‌ای است که به توپولوژی‌های مختلف شبکه، ویژگی‌های RES و نیازهای عملیاتی پاسخ دهد. دستگاه پیشنهادی یک پلتفرم همه‌کاره مجهز به ورودی‌های ارتباطی پیشرفته، قابلیت‌های پیکربندی محلی و از راه دور، و ویژگی‌های نظارت جامع ارائه می‌دهد.

با گنجاندن دسترسی HMI و گزینه‌های خروجی متعدد، دستگاه تجربه کاربری و کارایی مدیریت را افزایش می‌دهد و در عین حال انعطاف‌پذیری را در اتصال و کنترل دستگاه‌های خارجی فراهم می‌کند. علاوه بر این، یکپارچه‌سازی ویژگی‌های امنیت سایبرنتیک (Cybernetic Security)، یکپارچگی و قابلیت اطمینان سیستم را در برابر تهدیدات سایبری بالقوه تضمین می‌کند.

علاوه بر این، توانایی دستگاه در ارزیابی کنتاکت‌های ورودی و خروجی بر اساس داده‌های اندازه‌گیری شده، عملکرد و حفاظت کارآمد سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر متصل را امکان‌پذیر می‌سازد. ارائه کنتاکت‌های ورودی برای نظارت بر وضعیت دستگاه‌های حفاظتی، ایمنی و کارایی را در عملیات توزیع برق افزایش می‌دهد. در نتیجه، طراحی یک سیستم حفاظتی برای منابع انرژی توزیع شده در شبکه‌های توزیع، یک پیشرفت محوری در حوزه زیرساخت شبکه برق محسوب می‌شود. با تغییر سریع چشم‌انداز انرژی از طریق یکپارچه‌سازی منابع انرژی تجدیدپذیر و گسترش ریزشبکه‌ها و شبکه‌های هوشمند، نیاز به سیستم‌های حفاظتی مقاوم و سازگار بیش از پیش آشکار می‌شود.

دستگاه پیشنهادی یک رویکرد جامع برای پرداختن به چالش‌های چندوجهی ناشی از این تحولات را تجسم می‌بخشد. معماری همه‌کاره آن، که شامل مجموعه متنوعی از ورودی‌های ارتباطی، قابلیت‌های پیکربندی محلی و از راه دور، و ویژگی‌های نظارت جامع است، آن را به عنوان سنگ بنای گذار به سوی یک اکوسیستم انرژی پایدارتر و تاب‌آورتر قرار می‌دهد.

علاوه بر این، یکپارچه‌سازی عملکردهای امنیت سایبرنتیک بر موضعی فعالانه در جهت حفاظت از زیرساخت‌های حیاتی در برابر تهدیدات سایبری در حال ظهور تأکید می‌کند و یکپارچگی و قابلیت اطمینان شبکه‌های توزیع انرژی را تضمین می‌کند. این تأکید بر امنیت با الزامات معاصر برای تقویت

قدردانی

این پژوهش با حمایت آژانس تحقیقاتی و توسعه اسلواکی (Slovak Research and Development Agency) و تحت قرارداد شماره APVV-۲۱-۰۳۱۲، و همچنین وزارت آموزش، علوم، تحقیقات و ورزش جمهوری اسلواکی (Ministry of Education, Science, Research and Sport of the Slovak Republic) و آکادمی علوم اسلواکی (Slovak Academy of Sciences) با قرارداد شماره VEGA ۱/۰۶۲۷/۲۴ انجام شده است.

مراجع

1. ŠTEFKO R.، ŠÁRPATAKY M.، ŠÁRPATAKY L.، و دیگران؛ ساخت و توسعه ریزشبکه‌ها در سراسر جهان (Construction and development of microgrids around the world). Elektroenergetika: مجله علمی و حرفه‌ای بین‌المللی مهندسی برق، ۱۵ (۲۰۲۲)، شماره ۱، صص ۱۶-۱۹. ISSN: ۱۳۳۷-۶۷۵۶.
2. NAREJO G.B.، ACHARYA B.، SINGH R.S.S. و NEWAGY F.؛ طراحی، چالش‌ها و چشم‌اندازهای ریزشبکه‌ها (Microgrids Design, Challenges, and Prospects)، چاپ اول، ۲۰۲۲، ایالات متحده: CRC Press. صص ۱-۳۱۴. ISBN: ۹۷۸-۱-۰۰۰۴-۵۷۴۶-۹.
3. LIU H.، WANG H.، ZHU S.، و دیگران؛ یک روش مبتنی بر شبیه‌سازی برای توسعه دستگاه حفاظت موضعی خط توزیع (A Simulation-Based Method for Distribution Line Localized Protection Device Development). کنفرانس بین‌المللی IEEE ۲۰۲۳ در مورد اتوماسیون و حفاظت پیشرفته سیستم قدرت (APAP)، ۲۰۲۳، Xuchang، چین، صص ۲۳۲-۲۳۶. ISBN: ۹۷۹-۸-۳۵۰۳-۰۶۶۶-۸.
4. NOH J.، CHAE W.، K [TRUNCATED]

پرسش‌های متداول

میکروگرید چیست؟

میکروگریدها شبکه‌های توزیع کوچک محلی هستند که انرژی الکتریکی را به مصرف‌کنندگان ارائه می‌دهند و قادرند به صورت مستقل عمل کنند.

چرا سیستم‌های حفاظتی برای میکروگریدها مهم هستند؟

این سیستم‌ها از منابع انرژی تجدیدپذیر در برابر خطرات و مشکلات مختلف محافظت می‌کنند و باعث اطمینان از عملکرد مطمئن شبکه می‌شوند.

چطور می‌توان از میکروگریدها در کاهش تلفات انرژی استفاده کرد؟

میکروگریدها با موقعیت نزدیک به نقاط مصرف، جریان انرژی دوجانبه و کاهش فاصله‌های توزیع، به کاهش تلفات انرژی کمک می‌کنند.

منبع: powerquality.blog