پخش بار
توضیحات:
-
به نام خدا
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.
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.
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.
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.در ادامه بخوانید سيستم های توليد پراکنده (DG)
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.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:
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:
جبرانسازی توان راكتیو
استفاده از تنظیم كنندههای ولتاژ
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.
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.