جزیره‌سازی سیستمهای ‌‌قدرت به هم پیوسته که به جداسازی و شکستن سیستمهای قدرت نیز مشهور است آخرین خط دفاعی برای مقابله با فروپاشی سیستم و جلوگیری از وقوع حوادث سهمگین در شبکه قدرت می‌باشد.

جزیره‌سازی سیستمهای قدرت به هم پیوسته به عنوان یک روش کنترل گسترده به صورت یک مساله تصمیم‌گیری جامع با جزئیات بسیار زیاد و به عنوان یک بخش مهم از استراتژیهای کنترل اصلاحی مطرح می‌گردد. پس از وقوع یک اغتشاش بزرگ در یک سیستم قدرت در صورتی که به موقع هیچگونه طرح و الگوی چاره‌ساز مناسبی موجود نباشد، این اغتشاش ممکن است منجر به فروپاشی کلی سیستم گردد.

طبق تعریف جزیره‌سازی سیستمهای قدرت به معنی تعیین نقاط صحیح جداسازی سیستم یکپارچه به تعدادی جزیره کوچکتر می‌باشد در صورتی که حفظ یکپارچگی سیستم امکان پذیر نباشد.

در این رساله یک روش نوین و بهینه جهت جزیره‌‌سازی سیستمهای‌ قدرت به هم پیوسته ارائه گردیده است. الگوریتم ارایه شده طوری طراحی شده است تا بتواند بر بسیاری از محدودیتهای موجود در بحث جزیره‌سازی غلبه کرده و نتایج و دستاوردهای قابل قبولی را ارایه کند. در روش پیشنهادی این رساله از مشخصه‌های استاتیکی و دینامیکی شبکه‌های قدرت به هم پیوسته برای تعیین تعداد جزایر و نقاط صحیح شکسته شدن آنها استفاده گردیده است. در این رساله ابتدا با استفاده از تئوریهای خوشه‌بندی دینامیکی و همسویی، مرزهای تقریبی جزایر احتمالی با توجه به گروه‌بندی ماشینهای همسو تعیین می‌گردد و به دنبال آن با اعمال یک الگوریتم جستجوی قوی بر اساس نظریه گراف مرز دقیق جزایر اولیه تعیین می گردد. در بخش اول الگوریتم هدف تعیین سریع و کلی تعداد و مرز تقریبی جزایر با توجه به محدودیتهای دینامیکی و توپولوژی شبکه و خوشه بندی ماشینها در گروههای همسو می‌باشد. در قدم بعدی مرز دقیق نواحی طوری تعیین می‌گردد که پس از جداسازی، حداقل بارزدایی در بین جزایر وجود داشته باشد. با توجه به این حقیقت که اصولا الگوریتم جزیره‌سازی بایستی در حالت ایده‌ال به صورت زمان واقعی بوده و از طرفی با توجه به پیچیدگی بسیار زیاد و گستردگی ابعاد فضای جستجوی آن یک تلاش اساسی لازم است تا بتوان ضمن ارائه یک الگوریتم دقیق سرعت محاسبات آن را نیز افزایش داده و بر مشکل زمان غلبه کرد.

تلاش پژوهش حاضر عمدتا در روی این دو امر متمرکز بوده است تا بتواند تا حد امکان بر پدیده زمان بر بودن محاسبات آن غلبه کرده و حدلاامکان جزایری با احتمال پایداری بیشتر ارایه کند. از آنجا که پایداری جزایر تعیین شده از مسایل عمده در امر جزیره سازی است و نیاز به توجه فراوان دارد بنابراین از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. در این تحقیق سعی بر این بوده است تا بتوان قبل از اعمال الگوریتم جداسازی بتوان پایداری جزایر را پیش بینی کرده و آنها را مورد بررسی قرار داد. یک جزیره‌بندی دقیق و صحیح به معنی تعیین جزایری است که پس از عمل جداسازی پایدار بوده و حداقل بارزدایی را داشته باشند. بخش دیگری از تلاشهای این تحقیق این بوده است تا مرزهای جزایر پیشنهادی را با دقت بالاتری انتخاب کند. مرزبندی دقیق جزایر با استفاده از الگوریتمهای قوی در تئوری گراف تعیین می‌گردد. این الگوریتمها به عنوان الگوریتمهای جستجوی مستقیم و غیر تکراری بوده و جوابهای قطعی را ارایه می‌کنند که این امر امکان تصمیم گیری دقیق برای جزیره سازی را در اختیار می‌گذارند.

به طور کلی در بحث جزیره‌سازی سیستمهای قدرت سه سوال اساسی مطرح می‌گردد که به صورت زیر بیان می‌شوند.

الف – یک سیستم قدرت که در شرایط معین بهره‌برداری با یک اغتشاش شدید روبرو شده است، آیا نیاز به جزیره‌سازی دارد؟

پاسخ به این سوال لزوم جزیره‌سازی را آشکار می‌سازد.

ب – در صورتی که پاسخ به سوال بالا مثبت باشد سیستم قدرت مورد نظر از کجاها باید شکسته شود؟ و مرزهای جداسازی جزایر در کجاها قرار دارند؟

پاسخ به این سوال به معنی تعیین دقیق نقاط جداسازی سیستم به هم پیوسته می‌باشد.

ج- چگونه بایستی جزیره‌سازی صورت گیرد و ترتیب و زمان بازکردن خطوط چه لحظاتی می‌باشد؟

پاسخ به این سوال به معنی تعیین لحظات صحیح و ترتیب باز کردن خطوط به منظور جزیره سازی است.

هدف این تحقیق پاسخ به سوالات فوق با تاکید بر سوالات شماره (ب) و (ج) می‌باشد.

با توجه به نتایج آخرین تحقیقات صورت گرفته هنوز یک استراتژی کلی که بتواند به هر سه سوال فوق در یک زمان کوتاه به طور مناسب پاسخ دهد وجود ندارد و رسیدن به این هدف جامع نیاز به تحقیقات گسترده‌ای دارد. متاسفانه تاکنون جوابهای جامعی برای سوالهای (ب) و (ج) ارایه نشده است و تحقیقات در مورد این سوالات با چالشهای جدی روبرو می باشد.

در یک کلام حل جامع و یکپارچه مساله جزیره‌سازی صحیح به معنی پاسخ به همه سوالات فوق در کمترین زمان ممکن است.

1-1- مقدمه

شبکه قدرت بزرگترین و پیچیده‌ترین شبکه به هم پیوسته‌ای است که تاکنون بدست بشر طراحی شده است از اینرو کار کنترل آن بسیار مشکل می‌باشد. با ظهور خصوصی‌سازی و تجدید ساختار شبکه قدرت، بهره‌برداری از سیستم قدرت به دلیل فشارهای تجدید ساختار شبکه، که اهداف جدید فنی و اقتصادی را در بهره‌برداری از سیستم قدرت دنبال می کند، تنشهای فزاینده‌ای را برای سیستم قدرت تحمیل کرده است. زمانی که سیستم قدرت در نزدیکی‌ حدود بهره‌برداری کار می‌کند، اتصالات ضعیف، حوادث غیرمترقبه، خطاهای پنهان در سیستمهای حفاظتی، خطاهای انسانی و نیز یک مجموعه‌ای از عوامل دیگر، ممکن است باعث ناپایداری سیستم شده و یا حتی سیستم را به سمت خطاهای سهمگین (Catastrophic Failures ) پیش ببرند. از اینرو مطالعه سیستماتیک شبکه قدرت و طراحی یک استراتژی جامع برای کنترل آن مورد توجه روزافزون قرار گرفته است [3-1]. در حالت کلی توانایی یک سیستم قدرت در مقابله با وقوع یک اغتشاش معین بستگی به شرایط بهره‌برداری سیستم در لحظه وقوع آن دارد و هر شکل از کنترل تطبیقی بایستی طوری طراحی گردد که تنها در شرایط مناسب بهره‌برداری سیستم فعال شود. از طرف دیگر توجه به این نکته ضروری است که در هنگام وقوع اغتشاشات شدید در شبکه قدرت بررسی پایداری گذرای آن، سیستم به طور کلی غیرخطی بوده و برای پیش‌بینی پایداری و یا ناپایداری آن تنها بایستی از تئوری سیستمهای غیرخطی استفاده کرد که این امر کار تحلیل آن را در این شرایط دشوارتر خواهد کرد. به طور کلی دو نوع روش کنترلی روی شبکه قدرت قابل اعمال است که اولی بنام کنترل ‌پیش‌گیرانه (Prevente Control) و دومی بنام کنترل اصلاحی (Corrective Control) مشهور است [10-4]. استراتژیهای کنترلی اصلاحی در حل مسایل مربوط به امنیت در بسیاری از جنبه‌ها مانند اضافه بار خطوط، مسائل ولتاژ و حالات گذرای سیستم قدرت مشارکت می‌کنند [11]. زمانی که سیستم در وضعیت هشدار قرار دارد، یک اغتشاش نسبتا بزرگ ممکن است آن را وارد حالت اضطراری کند که در آن ولتاژهای بسیاری از باسها در زیر حدود نرمال خود قرار می‌گیرند و ممکن است یک یا چندین المان سیستم دچار اضافه بار شوند. در این حالت، شبکه همچنان در وضعیت بهره‌برداری بوده و این امکان وجود دارد که بتوان آن را با استفاده از کنترلهای اصلاحی مانند بازآرای سیستم قدرت (TSR : Transmission System Reconfiguration)، تغییر برنامه تولید (GR : Generators Scheduling )، بارزدایی ( Load shedding: LS) و غیره به حالت هشدار برگرداند.

در صورتی که کنترلهای اصلاحی مربوطه در مرحله بحرانی اعمال نشوند و یا اینکه غیر موثر بوده باشند سیستم وارد وضعیت فوق بحرانی می‌شود. در این حالت روشهای کنترلی اصلاحی شامل بارزدایی و جزیره‌سازی سیستم قدرت (CSI : Controlled System Islanding) می‌باشد [12]. این نوع کنترل قصد دارد تا حد ممکن شبکه را حفظ کرده و از فروپاشی کلی آن جلوگیری کند. در حالت کلی چنین سیستمای کنترلی را الگوی حفاظتی خاص (SPS: Special Protection Scheme)، سیستمهای حفاظتی خاص (SPS: Special Protection System)، و یا طرح اعمال شفابخش (RAS: Remedial Action Scheme) گویند. از اینرو SPS‌ یک طرح حفاظتی است که برای تشخیص شرایط خاص سیستم قدرت که باعث ایجاد تنشهای غیرمعمول در سیستم شده‌اند، طراحی گردیده است تا یک سری اعمال کنترلی از پیش‌تعیین شده را برای مقابله با شرایط ایجاد شده به صورت کنترل شده انجام دهد. در بعضی حالات، SPS برای تشخیص شرایط خاص سیستم مانند اضافه بار، ناپایداری و فروپاشی شبکه در سیستم استفاده می‌گردد. این اعمال از پیش‌تعیین شده می‌تواند شامل بازکردن یک یا چندین خط، خارج‌کردن یک ژنراتور، تغییر توان انتقالی با خطوط HVDC، بارزدایی و جزیره‌سازی شبکه باشد که همگی برای کاهش اثرات مضر بحران بوجود آمده مورد استفاده قرار می‌گیرند. انواع مرسوم حفاظت مانند حفاظت خطوط و ادوات دیگر سیستم قدرت شامل این نوع سیستم حفاظتی نمی‌باشند.

حفظ امنیت دینامیکی سیستم قدرت در مقابل یک اغتشاش بزرگ دارای بیشترین اهمیت است. تشخیص سریع، دقیق و بلادرنگ ناپایداری برای بکارگیری برخی اعمال کنترل اضطراری ضروری می‌باشد. در یک سیستم قدرت خطاهای شدید ممکن است پایداری سیستم را کاهش داده و باعث ایجاد نوسانات و حتی از دست رفتن همگامی بین گروههایی از ماشینها شوند [14-13]. در صورتی که ژنراتورها نتوانند به طور موثری دوباره باهم همگام شده و پایدار گردند احتمال جزیره‌شدن پسیو شبکه وجود دارد. متاسفانه در حالت کلی جزیره‌های پسیو دارای تعادل تولید – مصرف نبوده و جزایر ناپایداری را ایجاد می‌کنند که خود این امر نهایتا ممکن است سیستم قدرت را تا فروپاشی کامل پیش ببرد [16-15]. به نظر می‌رسد از میان این گونه سیستمهای کنترلی، جزیره‌سازی شبکه به عنوان آخرین حربه در جلوگیری از فروپاشی سیستم گزینه مناسبی باشد.

جزیره‌سازی به این معنی است که مرکز کنترل برای شکستن سیستم قدرت یکپارچه جهت تشکیل جزایر پایدار مطابق با گروههای ژنراتورهای همسو (Coherence Generators Groups ) و نیازمندیهای دیگر شبکه، به صورت کنترل‌شده برخی از خطوط شبکه را از مدار خارج کند [23-17]. این امر می‌تواند از وقوع فروپاشی کلی سیستم جلوگیری کرده و یا حداقل بخشی از سیستم را از وقوع حوادث سهمگین نجات داده و با وجود تقسیم شبکه قدرت به چندین جزیره غیرهمگام، هر کدام از جزایر پایدار بوده و انرژی الکتریکی را برای مصرف‌کننده‌ها تامین کند و از طرف دیگر زمان بازیابی و یکپارچه‌سازی دوباره شبکه را که امری حیاتی است تا اندازه قابل ملاحظه‌ای کاهش دهد [24]. یکی از نیازمندیهای اساسی در تشکیل جزیره‌ها شناسایی گروههای همسو در سیستم قدرت پس از وقوع یک اغتشاش بزرگ است. این گروههای همسو که در واقع از خصیصه‌های ذاتی و توپولوژیکی شبکه ناشی می‌گردند، نقش عمده‌ای را در تعداد واقعی جزایر و چگونگی ایجاد آنها بازی می‌کنند و از نظر ریاضی به صورت مدهایی با فرکانس پایین در سیستمهای قدرت ظاهر می‌شوند. مدهای بین ناحیه‌ای یک سیستم قدرت مربوط به نوسان تعداد زیادی از ماشینها در یک قسمت از سیستم قدرت نسبت به ماشینهای موجود در قسمت دیگر است. این مدها توسط یک یا چند گروه از ماشینها که از نظر الکتریکی به طور محکم به همدیگر متصل شده اما هر گروه نسبت به گروههای دیگر از طریق اتصالات ضعیف به هم وصل گردیده باشند، بوجود می‌آیند [26-25].

در مدلسازی سیستمهای قدرت بزرگ دینامیک‌هایی با سرعتهای مختلف دیده می‌شود. برای بررسی هر نوع خاصی از پدیده‌ها بایستی بازه‌های زمانی مناسب آن را مد نظر قرار داد [28-27]. پس از وقوع یک اغتشاش شدید، با تقسیم‌بندی مناسب یک سیستم قدرت بزرگ به یک سری نواحی، حرکت مرکز زاویه هر کدام از این نواحی نسبت به نوسانات همگام بین هرکدام از دو ماشین در یک ناحیه معین، کندتر است. یک تفسیر فیزیکی از این پدیده این است که اتصالات بین ماشینها در داخل یک ناحیه قوی است در حالی که اتصالات بین این نواحی ضعیف می‌باشد. از اینرو ماشینهای موجود در یک ناحیه در یک زمان کوتاهتر روی همدیگر اثر می‌گذارند. در مقایسه با دینامیکهای بلند مدت زمانی که این دینامیک‌های سریع از بین بروند، ماشینهای داخل یک ناحیه با هم نوسان می‌کنند و این ماشینها نسبت به مدهای کند همسو می‌باشند. در فصول بعدی اطلاعات مفصلی در مورد روشهای تعیین گروههای همسو ارایه خواهد گردید.

با وجود تمامی تلاشهای صورت گرفته ارایه یک استراتژی عملی به صورت زمان- واقعی در فرایند جزیره‌سازی کار ساده‌ای نیست [32-28]. برای مثال پاسخ به سوالات زیر در تصمیم برای جزیره‌سازی ضروری است که چه موقع شکستن سیستم امری واقعا لازم است؟ کدام یک از خطوط بایستی از مدار خارج گردند و نیز چگونه گروههای ژنراتورهای همسو باید معین شوند؟.

تحلیل همسویی در سیستمهای قدرت اطلاعات زیادی را در مورد رفتار دینامیکی شبکه های قدرت و تعیین معادلهای دینامیکی برای قسمتهایی مختلف آن در اختیار قرار می‌دهد. از آنجایی که در حالت کلی ابعاد شبکه قدرت بسیار بزرگ است، تحلیل همسویی در مطالعات پایداری به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد تا با جمع ژنراتورهای همسو در یک ژنراتور معادل واحد، حجم محاسبات مورد نیاز را کاهش دهند [36-33].

سیستم قدرت شامل باسها و خطوطی است که این باسها را به هم متصل کرده‌اند. در یک سیستم قدرت هر دو نوع باس ژنراتوری و باس بار با ظرفیتهای مختلف وجود دارد. توان الکتریکی در میان این باسها با جهت های مشخص سیلان دارد. از اینرو بسیار مناسب است که سیستم قدرت را به صورت یک گراف جهتدار با وزنهای مختلف در گوشه های آن نشان داد که در آن بار هر باس و تولید هر ژنراتور به صورت وزنهایی در گرههای گراف تعریف می‌گردند. قضایای مختلف نظریه گراف در عرصه‌های مختلف به کمک علوم از جمله مهندسی برق آمده تا بتوانند مسایلی مانند قابلیت اطمینان و جزیره‌سازی سیستم را بر اساس آن حل کنند [39-37].

مطالب ارایه شده در این رساله به صورت زیر خواهد بود:

در فصل دوم پیشینه کار و کارهای انجام شده در زمینه‌های مرتبط با این رساله به تفصیل مرور شده و مورد بررسی قرار خواهد گرفت. همچنین در این فصل اهداف، ایده ها، فرضیات و محدودیتهای رساله به تفصیل مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. با توجه به اینکه اساس این تحقیق بر پایداری سیستم استوار است از اینرو فصل سوم این رساله به بررسی پایداری سیستمهای قدرت اختصاص یافته است. در فصل چهارم مفاهیم مربوط به کاهش مرتبه سیستمهای قدرت بزرگ و نظریه خوشه‌بندی اطلاعات مورد مطالعه قرار خواهد گرفت و جایگاه آنها جهت استفاده در این رساله مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد و ارتباط آن با مراحل انجام این رساله بیان خواهد شد. با توجه به لزوم حل مساله جزیره سازی با استفاده از نظریه گراف و بررسی باینری سیستمهای قدرت و امکان بیان بسیاری از مسائل پیچیده شبکه‌های قدرت با استفاده از آن در فصل پنجم این رساله به بررسی نظریه اساسی این تئوری در حل مساله جزیره‌سازی خواهیم پرداخت. قابلیت اطمینان و امنیت سیستمهای قدرت جز لاینفک در بحث جزیره سازی بوده و بنابراین فصل ششم رساله اختصاص به مفاهیم قابلیت اطمینان و مخصوصا امنیت سیستمهای قدرت دارد. از آنجا که جزیره‌سازی در زیر مجموعه مسائل مربوط به امنیت سیستم قابل طرح است لذا شناخت جایگاه آن در بحث امنیت سیستم دارای اهمیت فراوان است. نتایج حاصل از انجام این رساله در فصل هفتم به صورت مفصل ارایه خواهد گردید که شامل نتایج بکارگیری ایده‌های بیان شده به منظور جزیره‌سازی سیستمهای قدرت به هم پیوسته می باشد. الگوریتم ارایه شده در این تحقیق بر روی دو شبکه نمونه اعمال گردیده و نتایج آن به تفصیل آورده شده است. فصل هشتم نیز حاوی نتیجه‌گیری و ارایه پیشنهاد ادامه کار می‌باشد. در این فصل با توجه به تجربیات و مطالعات انجام گرفته تا این لحظه به مرزهای دانش در بحث این رساله اشاره گردیده و پیشنهادات مناسبی برای علاقه مندان به ادامه کار ارایه خواهد شد. ضمایم مربوطه و مراجع و ماخذ نیز در انتهای تحقیق آورده شده است.

نکته قابل ذکر این است که با توجه به ماهیت جزیره‌سازی سیستمهای قدرت که در لحضات بحرانی و فوق بحرانی سیستمهای قدرت به هم پیوسته مطرح می‌گردد در راستای انجام رساله گستره وسیعی از مسایل در شاخه های مختلف سیستمهای قدرت از حفاظت شبکه گرفته تا مفاهیم مربوط به پایداری، امنیت، پدیده‌های استاتیکی و دینامیکی و بهینه‌سازی مطرح می‌گردد.

برای دانلود پایان نامه اینجا را کلیک کنید.