طراحی و تنظیم بهینه یک سیستم حفاظت ویژه با ملاحظات بازار برق

امروزه با تجدید ساختار صنعت برق و رقابت بین بازیگران بازار و نیز به دلیل رشد روز افزون بار و محدودیت در تولید و مشکلات مربوط به تأسیس نیروگاه و خطوط انتقال، همچنین محدودیت های اقتصادی و زیست محیطی، پیوسته عدم تعادل بین تولید و بار وجود دارد، از این رو بهره برداران سیستم قدرت ناچار به بهره برداری از شبکه در حد پایداری می شوند که در صورت بروز پیشامد در سیستم، منجر به بروز ناپایداری و حتّی خاموشی جزئی یا کلی در شبکه قدرت می شود. در صورت خاموشی، عملیات پیچیده و دشواری برای بازگشت به حالت عادی در شبکه نیاز است که به این عملیات بازیابی سیستم قدرت اطلاق می شود. مسئله دیگر محروم ماندن مصرف کنندگان در مدت خاموشی می باشد. استفاده ی مناسب از طرح های حفاظت ثانویه موجب می شود شبکه تنها از حالت عادی به حالت هشدار تغییر وضعیت دهد. نکته مورد توجه دیگر این است که استفاده از حفاظت های محلی برای حوادثی که باعث خاموشی سیستم قدرت می شوند مناسب نیست زیرا این خاموشی ها چه جزئی باشند چه کلی، اثر عمومی دارند نه محلی. بنابراین استفاده از طرح های حفاظت ثانویه راه حل مناسبی برای بهره برداری از سیستم قدرت با خطوط با بارگذاری زیاد و حاشیه پایداری کم می باشد. با توجه به افزایش احتمال قطعی به دلیل اضافه بار سیستم که توسط تقاضای روز افزون برای انرژی الکتریکی، ایجاد می شود؛ شرکت های برق در حال بررسی فن آوری اطلاعات مدرن می باشند تا دریابند که کدام یک از آنها می تواند این وضعیت را بهبود بخشند. لذا بررسی استراتژی حفاظت کنونی سیستم برای مقابله با پیشامدهای ناحیه گسترده الزامی می باشد، که این امکانات از پیشرفت های حاصله در عملکرد سیستم، تکنیک های کنترل و حفاظت مشتق شده است. همچنین بهره برداران سیستم قدرت، در برای جلوگیری از ناپایداری و اقتصادی شدن طرح از سیستم های حفاظتی و کنترلی پیشرفته ای به نام طرح های حفاظت سیستم شامل طرح های حفاظت ویژه یا طرح های حفاظتی سیستم ، طرح های حفاظت یکپارچه ی سیستم ، طرح های عملیات اصلاحی ، سیستم های حفاظت منطقه گسترده و یا سیستم های نظارت، کنترل و حفاظت منطقه گسترده ، بهره می گیرند. با استفاده از این طرح ها می توان خطوط را تا حد نامی بارگذاری کرد و در شرایط ایجاد پیشامد، می توان از ناپایداری سیستم جلوگیری کرد. لازم به ذکر است که با توجه به تنوع واژه های اطلاقی برای عملکرد حفاظتی مذکور در مراجع مختلف، به جای استفاده از واژه های sps،sips ، ras، waps ویا wampacs، در این پایان نامه از همان واژه ی sps یعنی طرح یا سیستم حفاظت ویژه استفاده شده است. برای طراحی و نصب یک سیستم حفاظت ویژه در شبکه ی قدرت، نیاز به دانش گسترده و ابزارهای پیشرفته برای کشف پیشامد در شبکه، روش های تخمین حالت سیستم قدرت، روش های تعیین عملیات اصلاحی متناسب با پیشامد، ارسال و دریافت داده های حاصل از واحدهای اندازه گیری فازور به مرکز تصمیم گیری و ارسال عملیات اصلاحی به نقاط مختلف شبکه به وسیله ی تکنیک های ارتباطی و مخابراتی می باشد. به عبارت دیگر برای نظارت بر عملکرد ایمن شبکه ی قدرت نیازمند به برنامه ریزی و طراحی دقیق و اطلاعات گسترده در زمینه های مختلف تحلیل پارامترهای فنّی و اقتصادی شبکه قدرت وجود خواهد داشت. با توجه به گستردگی مراحل مدل سازی سیستم حفاظت ویژه، تحقیقات و مراجع زیادی در زمینه های مختلف مدل سازی سیستم های حفاظت ویژه انجام شده است. برخی از این تحقیقات در زمینه ی روش تحلیل پیشامدهای شدید شبکه قدرت، برخی در زمینه جایابی واحدهای اندازه گیری فازور در شبکه قدرت، و تخمین حالت سیستم قدرت، دسته ای دیگر در زمینه ی کاربرد سیستم های ارتباطی و مخابراتی در طراحی و عملکرد سیستم های حفاظت ویژه و برخی دیگر در زمینه ی طراحی عملیات اصلاحی سیستم حفاظت ویژه پرداخته اند. عملیات اصلاحی سیستم حفاظت ویژه خود در دو دسته ی کلی برای تأمین امنیت دینامیکی و امنیت استاتیکی شبکه تقسیم می شوند. از جمله عوامل امنیت دینامیکی شبکه بحث های پایداری دینامیکی ولتاژ و پایداری فرکانسی شبکه می باشند که در مراجع مختلف به روش های مطالعاتی در حالت به هنگام شبکه پرداخته اند زیرا مطالعات دینامیکی شبکه در محدوده ی زمانی ثانیه و میلی ثانیه و به طور خودکار باید انجام شود. از عوامل امنیت استاتیکی شبکه بحث پایداری دامنه ولتاژ یا پایداری ولتاژ استاتیکی، مدیریت تراکم یا بهره برداری از شبکه در محدوده ی حرارتی خطوط می باشند. در این پایان نامه به تعیین روشی جدید برای تعیین عملیات اصلاحی سیستم حفاظت ویژه، برای برآوردن قیود امنیت استاتیکی شبکه قدرت پرداخته می شود. در مراجع مختلف هدف از تعیین عملیات اصلاحی مدیریت انرژی سیستم، کمینه کردن مقدار خاموشی در شبکه ی قدرت و دیگر اهداف فنیّ می باشد و تاکنون طراحی عملیات اصلاحی با توجه به اهداف اقتصادی بازار برق از جمله در نظر گرفتن رفاه اجتماعی بازیگران بازار، انجام نشده است و تنها در مواردی عملیات قطع بار برای کمینه کردن هزینه های خاموشی [ و2] در شبکه طراحی شده است. لذا در این پایان نامه با استفاده از روش-های بهینه سازی، بهینه ترین جواب عملیات اصلاحی نسبت به پیشامدهای تهدید کننده ی امنیت استاتیکی شبکه، به منظور تأمین هر دو هدف کمینه کردن هزینه های قطعی بار و بیشینه کردن رفاه اجتماعی بازیگران بازار برق، استخراج می شود. همچنین مزیت اقتصادی و عملکردی طرح مذکور نسبت به دو طرح کمینه کردن مقدار خاموشی و کمینه کردن هزینه خاموشی با لحاظ کردن شرایط مختلف بارگذاری، الاستیک بودن یا نبودن بار، نوع قراردادهای حوضچه یا ترکیبی به اثبات خواهد رسید. برای این منظور از بهینه سازی مدل تابع غیر خطی و چند منظوره با استفاده از روش های ریاضی موجود در نرم افزار gams استفاده می شود. این پایان نامه، در شش فصل تنظیم شده است. همان طور که مشاهده شد، فصل اول به ارائه ی مقدمه ای پیرامون مبانی، اهداف و انگیزه های انجام این پایان نامه اختصاص یافته است. در ادامه، کلیات ِ مطالبی که در فصل های بعد ارائه می شود، بیان می گردد. ? فصل دوم، به دو بخش تقسیم می شود. بخش اول، به مرور مطالعات درباره ی علل وقوع خاموشی در شبکه های مختلف جهان پرداخته و روش های جلوگیری از این عوامل معرفی می-شوند. در بخش دوم به تعریف سیستم های حفاظت ویژه، استانداردهای طراحی این سیستم، مرور بر مقالات انجام شده در رابطه با انواع طرح های حفاظت ویژه، روش های تعیین عملیات اصلاحی و نیز عملکرد سیستم نظارت و ارسال داده با استفاده از ابزار های ارتباطی و مخابراتی پرداخته می شود. ? فصل سوم، به ارائه ی مفاهیم مرتبط با عملکرد و نظارت اپراتور مستقل سیستم در بازار برق، از جمله انواع مدل ها و قراردادها در بازار برق، روش مدل سازی رفاه اجتماعی بازیگران بازار برق و الاسیتیسیته تقاضا پرداخته می شود. ? در فصل چهارم، به ارائه ی روش های مدل سازی رفتار اقتصادی تولیدکنندگان و مصرف کنندگان برق و روش محاسبه رفاه اجتماعی پس از وقوع پیشامد توسط اپراتور مستقل سیستم پرداخته شده، همچنین فرضیات و چگونگی مدل سیستم حفاظت ویژه و روش طراحی عملیات سیستم حفاظت ویژه با سه هدف متفاوت ارائه می شوند. ? فصل پنجم، نتایج ِ حاصل از پیاده سازی و اجرای مدل ِ چندهدفه برنامه ریزی و روش حل ِ پیشنهادی در شبکه 14 شین-5 ماشین ieee، و همچنین مقایسه ی طرح پیشنهادی با دو طرح دیگر پرداخته می شود و حالت های مختلف آن، مورد بررسی و تحلیل قرار می گیرد. ? فصل ششم، به ارائه ی نتیجه گیری نهایی و پیشنهادات تکمیل ِ روش پیشنهادی اختصاص یافته است.