سیستم طراحی توزیع انرژی

 

طراحی سیستم های توزیع انرژی

 

طراحی سیستم اساسا برای اطمینان از آن است که بتوان افزایش تقاضای برق را با توسعه سیستم توزیع پاسخ گفت بگونه ای که از نظر فنی مناسب و از نظر اقتصادی خردمندانه باشد. گرچه در گذشته کوشش های فراوانی در به کار گیری نوعی روش اصولی در طراحی سیستم های تولید و انتقال صورت گرفته است متأسفانه کاربرد آن در طراحی سیستم های توزیع تا حدی نادیده گرفته شده است. در آینده، سیستم برق رسانی بیش از گذشته به یک ابزار برای طراحی سریع و اقتصادی نیاز دارد تا انرژی الکتریکی لازم و اطمینان بخش اقتصادی و ایمن را برای مشترکین فراهم کند.

هدف طراحی سیستم توزیع، کسب اطمینان از پاسخگویی بهینه به افزایش تقاضای برق است که بصورت آهنگ رشد فزاینده و چگالی بار زیاد نمود دارد. این کار از طریق ایجاد سیستم های توزیع دیگری بین هادی های ثانویه و پست های قدرت اصلی انجام می شود بطوری که هم از دیدگاه فنی مناسب و هم از نظر اقتصادی معقول باشد.

 

 

شبکه های توزیع انرژی

 

شکل (۱) شبکه های توزیع انرژی

 

 

همه این عوامل و عوامل دیگری مانند کمبود زمین های موجود در حوزه های شهری و ملاحظات جمعیتی، حل مسأله طراحی سیستم توزیع اقتصادی را ورای قدرت ذهنی صرف انسان قرار می دهد. طراحان سیستم توزیع باید مقدار بار و موقعیت جغرافیایی آن را معین کنند. سپس اندازه و مكان پست های توزیع را چنان برگزینند که سرویس دهی به بار از طریق حداقل کردن تلفات فیدرها و هزینه های ساخت و با توجه به محدودیت های قابلیت اطمینان کار، در با صرفه ترین بها صورت گیرد. پیش از این، طراحی بخش های مختلف سیستم منبع قدرت برق و سیستم توزیع را عموماً مقامات شرکت های برق رسانی، بدون بازنگری با هماهنگی با طرح های دراز مدت انجام می دادند. افزایش بهای انرژی، تجهیزات و نیروی کار، بهبود طراحی سیستم را به کمک تکنیک ها و روش های مؤثر طراحی ناگزیر و الزامی می کند.

سیستم توزیع به دلیل: ۱) نزدیکی کامل به مشترکین و ۲) هزینه سرمایه گذاری بالا اهمیت ویژه ای در برق رسانی دارد. چون در هر سیستم منبع قدرت سیستم توزیع به مشترک نزدیک تر است بنابراین خرابی های آن تأثیر مستقیم تری بر سرویس دهی به مشترک دارد تا مثلاً خرابی های سیستم های انتقال و تولید که معمولاً موجب قطع سرویس دهی به مشترک نمی شوند.

بنابراین طراحی سیستم توزیع از سطح مشترک شروع می شود. تقاضا، نوع، ضریب بار و دیگر مشخصه های بار مشترک، نوع سیستم توزیع لازم را معین می کنند. وقتی بارهای مصرفی تعیین شد آنها را برای سرویس دهی از خطوط ثانویه متصل به ترانسفورماتورهای توزیع کاهنده ولتاژ گروه بندی می کنند. سپس بارهای ترانسفورماتورهای توزیع را ترکیب می کنند تا تقاضای بار سیستم توزیع اولیه به دست آید.

آنگاه بارهای سیستم های توزیع اولیه به پست های کاهنده ولتاژ زیر انتقال (فوق توزیع) تخصیص می یابد. بارهای سیستم توزیع به نوبه خود، اندازه و مکان سیستم ها و نیز مسیر و ظرفیت خطوط زیر انتقال مربوط را تعیین می کنند. بعبارت دیگر، هر مرحله از این روند، ورودی مرحله بعد خود را فراهم می آورد.

طراحان سیستم توزیع، مسأله طراحی کل سیستم توزیع را به مسائل فرعی چندی تقسیم می کنند که با تکنیک ها و روش های موجود و معمولاً تخصصی بررسی می شوند. طراح، در صورت عدم وجود تکنیک های قابل قبول طراحی، مسأله را دوباره با هدف حداقل نمودن هزینه زیر انتقال، پست ها، فیدرهای اصلی و فرعی و هزینه تلفات بیان می کند. به هر حال در این روند طراحی معمولاً با حدود مجاز مقادیر ولتاژ، افت ولتاژ، فلیکر ولتاژ و همچنین پیوستگی سرویس دهی و اطمینان بخشی سیستم مواجه هستیم.

طراحی با پیگیری این اهداف، در نهایت نقش مؤثری در افزایش و یا تصحیح شبکه زیر انتقال، مكان و اندازه سیستم ها، حوزه های سرویس دهی پستها، مکان مدارشکن ها و کلیدها، اندازه فیدرهای اصلی و فرعی، سطوح ولتاژ و افت ولتاژ در سیستم، مكان خازن ها و تنظیم کننده های ولتاژ و بارگذاری ترانسفورماتورها و فیدرها دارد.

عوامل دیگری را نیز باید در نظر گرفت؛ مانند امپدانس ترانسفورماتور، سطوح عایقی، وجود ترانسفورماتورهای ذخیره و پست های متحرک، دیسپاچینگ و نرخ هزینه هایی که به عهده مشترکان است. بعلاوه طراح سیستم بر بعضی عوامل کنترلی ندارد اما باید آن ها را در یک طراحی خوب طولانی مدت برای سیستم های توزیع در نظر گیرد مانند زمان و مكان تقاضای انرژی، مدت و دوره خروج، هزینه تجهیزات، نیروی کار و پول، افزایش هزینه های سوخت، بهای افزاینده با کاهنده منابع انرژی، دگرگونی شرایط و تمایلات اقتصادی اجتماعی نظیر افزایش تقاضا برای کالاها و خدمات با زیاد با کم شدن جمعیت محلی، دگرگونی عادات مردم بر اثر تغییر تکنولوژی، حفظ انرژی، تغییر علائق زیست محیطی مردم، شرایط دگرگون شونده اقتصادی مانند کاهش یا افزایش تولید ناخالص ملی و تورم یا رکود.

 


بیشتر بخوانید:

سیستم های توزیع نیروی برق


 

  • عوامل مؤثر در طراحی سیستم

تعداد و پیچیدگی ملاحظات مؤثر در برنامه ریزی سیستم، در نگاه اول گیج کننده می نماید. تقاضا برای افزایش مداوم ظرفیت قدرت، ولتاژهای توزیع بالاتر، اتوماسیون بیشتر و افزایش کنترل تنها سرلوحه چنین عواملی هستند. قيودی که طراح را محدود می کنند نیز بیشتر می شوند. این محدودیت ها شامل کمبود زمین موجود در حوزه های شهری، ملاحظات جمعیتی، محدودیت انتخاب سوخت، نامطلوب بودن افزایش نرخ ها و ضرورت حداقل کردن سرمایه گذاری، هزینه های حمل و هزینه های تولید است.

بطور خلاصه، مسأله طراحی کوششی برای حداقل کردن هزینه زیر انتقال، پست ها، فیدرهای اصلی و فیدرهای فرعی، غیره و نیز هزینه تلفات است. در واقع این مجموعه الزامات و قیود، حل مسأله طراحی بهینه سیستم توزیع را از حيطه توانایی ذهنی صرف انسان بیرون برده است.

 

 

  • پیش بینی بار

افزایش بار در حوزه تحت پوشش یک شرکت برق رسانی، مهمترین عامل مؤثر در گسترش سیستم توزیع است. بنابراین پیش بینی افزایش بار و واکنش سیستم نسبت به آن، اصول اولیه طراحی است.

دو مقیاس زمانی مهم در پیش بینی بار معمول است: دراز مدت با محدوده زمانی ۱۵ تا ۲۰ سال و کوتاه مدت با حداکثر محدوده زمانی ۵ سال. این پیش بینی ها در حالت ایده آل، بار در آینده را حتی تا سطح هر مصرف کننده، با جزئیات پیشگویی می کنند اما در عمل به تحلیل کمتری نیاز داریم.

بعضی عوامل مؤثر در پیش بینی بار عبارتند از: چگالی بار، رشد جمعیت، عوامل جغرافیائی، کاربری زمین، طرح های توسعه اجتماعی، طراحی صنعتی، طرح های شهری و منابع مختلف انرژی.

همان گونه که انتظار داریم، رشد بار بشدت وابسته به اجتماع و توسعه آن است. شاخص های اقتصادی، داده های جمعیت شناسی و طرح های دولتی کاربری زمین، همگی ورودی های روش پیش بینی بارند. خروجی آن در پیش بینی دراز مدت، چگالی بار ( کیلو ولت آمپر در واحد سطح ) است. برای پیش بینی کوتاه مدت به جزئیات بیشتری نیاز داریم. هر چگالی مختص حوزه خاصی است. شبکه اصلی، نمایانگر داده های پیش بینی بار است و ابزار طراحی مفیدی برای سنجش تمامی مکان های جغرافیایی و انجام اقدامات لازم برای اصلاح الگوهای توسعه سیستم به دست می دهد. 

 

 

  • گسترش پست ها

بعضی عوامل مؤثر در گسترش پست ها عبارتند از پیش بینی بار، ظرفیت فیدرها، ولتاژ انتقال، ظرفیت و آرایش کنونی پست ها، موانع فیزیکی، تلفات توان، محدودیت های اقتصادی.

طراح براساس اطلاعاتی محسوس یا نامحسوس تصمیم می گیرد. مثلاً ممکن است بار پیش بینی شده، چگالی بار و رشد بار، گسترش یک پست و یا ایجاد پست جدیدی را ایجاب کند. آرایش سیستم موجود، ظرفیت آن و بارهای پیش بینی شده نقش مهمی در طرح و گسترش سیستم ایفا می کنند.

 

 

  • انتخاب مکان پست

عوامل مؤثر در گزینش مكان پست عبارتند از: مكان خطوط زیر انتقال، چگالی بار، نزدیکی به مراکز بار، محدودیت های فیدرها، مکان پست های موجود، قیمت زمین، فاصله از خطوط زیر انتقال موجود و نیز محدودیت های دیگری مانند وجود زمین، هزینه آن و مقررات کاربری زمین اهمیت دارند.

میزان اهمیت هر یک از این ملاحظات در سطوح مختلف و در شرکت های برق رسانی مختلف، متفاوت است. سه شاخه اصلی کاربرد این ملاحظات عبارتند از: ۱)ارزیابی کمیت در مقابل کیفیت

۲) ارزیابی آثار زیانبار در مقابل آثار سودمند

۳) ارزیابی آثار مطلق در برابر آثار نسبی. برای تعیین درست مکان پست باید از ترکیب تمام حالت ها سود جست و انواع دورنماها را ارزیابی کرد.

 

عوامل دیگر پس از تخصیص بار به پست های مختلف، باید عوامل مؤثر دیگر را در گزینش ولتاژ اوليه، انتخاب مسیر فیدرها، تعداد فیدرها، انتخاب اندازه هادی و هزینه کل در نظر گرفت.

بطور کلی سطوح ولتاژ سیستم توزیع و زیر انتقال بر اساس سیاست های شرکت تعیین می شود و بعید است مهندس طراح بتواند به سلیقه خود آن ها را تغییر دهد مگر آنکه آزمون های عملی، استدلال طراح را تأیید کند و منافع محسوسی را که می توان با انتخاب خطوح ولتاژی دیگر به دست آورد نشان دهد.

علاوه بر آن به علت وجود استانداردها و ملاحظات اقتصادی برخاسته از آنها، طراح آزادی عمل زیادی در انتخاب اندازه، نوع و ظرفیت تجهیزات ندارد. مثلاً طراح باید انتخاب ترانسفورماتور توزیع را از میان ترانسفورماتورهایی که شرکت در سطوح مختلف ولتاژ در اختیار دارد انجام دهد. هرگونه تصمیم گیری درباره افزودن یک فیدر با توسعه غیر موجود در چارچوب محدوديت ها، وابسته به قابلیت سیستم موجود و اندازه و مکان و را بارهای اضافی است که باید سرویس دهی شوند.

 

 

 

  • شیوه های کنونی طراحی سیستم توزیع

امروزه در صنعت بسیاری از طراحان سیستم توزیع برق از برنامه های کامپیوتری که براساس تکنیک های تجربی است استفاده می کنند مانند برنامه های پخش بار، برنامه های پخش بار شعاعی با خلقوی، برنامه های محاسبه اتصال کوتاه، برنامه های محاسبه افت ولتاژ برنامه های محاسبه امپدانس كل سیستم و نیز الگوریتم های پیش بینی بار تنظیم ولتاژ، طراحی خازن، اطمینان بخشی، الگوریتم های انتخاب مکان و اندازه بهینه. این روش ها عموماً با فکر استفاده از خروجی یک برنامه بعنوان ورودی برنامه بعدی به کار می روند.

البته کامپیوترها محاسبات را بسیار سریع انجام می دهند و مهندس توزیع را از انجام کارهای مفصل آسوده می کنند. بنابراین مهندسان می توانند وقت خود را بجای انجام محاسبات، برای بازنگری آن ها صرف کنند. با وجود این، در هیچ مرحله ای از پیشرفت سیستم های قدرت، صرفنظر از آنکه محاسبات چگونه انجام شود، جانشینی برای داوری مهندسی در طراحی مناسب وجود ندارد. بطور کلی استفاده از ابزارهای گفته شده و سودمندی آن ها در طراحی سیستم منحصراً براساس نظر طراح و سیاست کاری شرکت است. شکل (۲) یک نمودار از روندهای جاری طراحی سیستم توزیع را نشان می دهد.

 

نمودار بلوکی روش طراحی سیستم توزیع

 

شکل (۲) نمودار بلوکی روش طراحی سیستم توزیع 

 

 

این روند در هر سال از دوره طراحی دراز مدت (۱۵ تا ۲۰ سال) تکرار می شود. هدف این نمودار، نمایش چارچوب روند طراحی است. مطابق نمودار، روند طراحی شامل چند فعالیت عمده است: پیش بینی بار، طراحی آرایش سیستم توزیع، گسترش پست ها، گزینش مكان پست. طراحی آرایش سیستم از سطح مشترکین آغاز می شود. نوع سیستم توزيع لازم را نوع تقاضا، ضریب بار و دیگر مشخصه های بار مشترکین تعیین می کند. پس از مشخص شدن بار مشترکین، خط های ثانویه که باید به ترانسفورماتورهای توزیع اتصال یابند معین می شوند.

این ترانسفورماتورها ولتاژ اولیه را تا سطح ولتاژ مشترکین کاهش می دهند. از ترکیب بارهای ترانسفورماتور توزیع تقاضا در سیستم توزیع اولیه به دست می آید. سپس بارهای سیستم توزیع اولیه را از پست های کاهنده ولتاژ زیر انتقال تأمین می کنند. بارهای سیستم توزیع به نوبه خود اندازه و مکان پست ها همچنین مسیر و ظرفیت خط های زیر انتقال متناظر را معین می کنند. هر مرحله از روند طراحی، ورودی مراحل بعدی را فراهم می کند.

شاید واضح نباشد اما در عمل، چنین روش سرراست قابل اجرا نیست. روش متداولتر آن است که پس از دریافت داده های پیش بینی بار، کارآیی سیستم را تحلیل می کنند تا معین شود که آیا سیستم موجود با توجه به معیارهای شرکت، قابلیت تحمل چنین افزایش باری را دارد یا نه. انجام این تحلیل که مرحله دوم روند طراحی است، مستلزم استفاده از ابزارهایی مانند برنامه پخش بار توزیع، منحنی ولتاژ و برنامه تنظیم ولتاژ است.

مطابق شکل (۲) اگر نتایج تحلیل کارآیی نشان دهد که سیستم کنونی تقاضای آتی را برنمی آورد، یا باید سیستم کنونی را با اضافات جدید و نسبتاً جزئی گسترش داد و با پست جدیدی برای رفع نیازهای آتی ساخت. اگر قرار شود سیستم موجود با تغییرات کوچک در آن توسعه یابد، باید آرایش شبكه اضافه شده را طراحی و از نظر کفایت بررسی کرد. اگر آرایش جدید ناکافی باشد باید روند را تکرار نمود تا به آرایش رضایت بخشی دست یافت. هزینه هر آرایش را باید محاسبه کرد.

اگر بسیار زیاد باشد و یا کارآیی مناسب به دست نیاید باید تصمیم گیری قبلی در مورد توسعه یا ساخت، دوباره ارزیابی شود. اگر تصمیم ساخت پست جدیدی گرفته شد باید مکان جدیدی برگزید. اگر قیمت خرید مکان برگزیده زیاد است، باید تصمیم گیری در مورد توسعه با ساخت را از نو بررسی کرد. این روند را باید تا دستیابی به آرایش مناسب ادامه داد تا راه حل برای مسائل موجود و آتی با هزینه ای معقول به دست آید. بسیاری از مراحل روش های بالا تنها با بهره گیری از برنامه های کامپیوتری قابل اجرا است.

 

 

بطور کلی، فراوانی متغیرها و کار دشوار نمایش ریاضی الزامات و محدودیت های بی شمار ناشی از آرایش سیستم، روش پیچیده ای را در طراحی سیستم توزیع ایجاب می کند. بنابراین، مدل های ریاضی مختلفی برای نمایش سیستم به وجود آمده است که طراحان سیستم توزیع می توانند آن ها را برای بررسی و تعیین طرحهای گسترش بهینه به کار برند. مثلاً انتخاب:

  • جای بهینه پست ها
  • توزیع بهینه پست ها
  • اندازه هسته ترانسفورماتورهای توزیع
  • انتقال بهینه بار بین پست ها و مراکز تقاضا

و مسیر و اندازه بهینه فیدرها برای تغذیه بارهای داده شده که همگی قیود بی شماری دارند هزینه کل را کاهش می دهند.

 

بعضی از روش های پژوهشی عملیات که برای اجرای این وظایف به کار می روند عبارتند از:

  • روش سیاست های گوناگون که با آن چند سیاست مختلف مقایسه و بهترین آنها برگزیده می شود. 
  • روش تجزیه که در آن مسأله اصلی به مسائل چندی تجزیه و هر یک جداگانه حل شود.
  • روش های برنامه ریزی خطی و برنامه ریزی عدد صحیح که در آن ها شرایط محدود کننده را خطی می کنند.
  • روش برنامه ریزی پویا

هر یک از این روش ها مزایا و معایب خاص خود را داراست. بویژه در طراحی بلندمدت تعداد متغیرها زیاد است بنابراین طرح های مختلفی امکان پذیر است. این امر، انتخاب شکل بهینه را دشوار می کند.

 

 

  • طراحی سیستم توزیع در آینده
  • عوامل اقتصادی

چند عامل اقتصادی در طراحی سیستم توزیع نقش مؤثری خواهد داشت. اولین آن ها تورم است. تورم در اثر کمبود انرژی سوخت، هزینه تبدیل منابع انرژی، وابستگی های محیطی و کسر بودجه دولت، همچنان نقش مهمی ایفا خواهد کرد.

دومین عامل مهم اقتصادی، افزایش هزینه کسب سرمایه است. با ادامه تورم، ارزش واقعی دلار کم می شود و دولت ها می کوشند منابع پول را کاهش دهند. این امر رقابت برای جذب سرمایه لازم جهت توسعه سیستم های توزیع را افزایش می دهد.

 

  • عوامل جمعیت نگاری

در آینده نزدیک، پیشرفت های مهم جمعیت نگاری بر طراحی سیستم توزیع تأثير خواهد گذاشت. مهمترین آن ها گرایشی است که در پنجاه سال اخیر شدت یافته است. مهاجرت مردم از مناطق روستایی به شهرهای بزرگ بدلیل مشکلات اقتصادی همچنان ادامه دارد. در این قرن، تعداد مزارع تک خانواری پیوسته کم شده است و هیچ گرایش مشهود معکوسی در مقابل مهاجرت توده ها به شهرها وجود ندارد.

با ترک حومه شهرها، اهالی شهرهای کوچک نیز که از نظر زندگی اقتصادی به حومه وابسته اند، مهاجرت می کند. سال هاست که طراحان توزیع، این گرایش را در ملاحظات خود منظور می کنند. مهاجرت از حومه ها به شهرها و کناره شهرها گرايش نوینی ناشی از بحران انرژی است. اکنون نتیجه چنین گرایشی مشهود است و آن افزایش سکنای چند خانواری در حوزه های با تراکم زیاد مردم است.

 

  • عوامل تکنیکی

آخرین گروه از عوامل مهم برای طراحی سیستم توزیع عواملی است که از پیشرفت های تکنیکی سرچشمه می گیرد و بحران انرژی آن را تقویت می کند. مهمترین آن ها پیشرفت در تکنیک سلول های سوختی است. توان خروجی این وسایل به حدی رسیده است که در حوزه های با چگالی زیاد مردم، گروه بزرگی از سلول های سوختی می توانند بخش عمده ای از کل توان لازم را تأمین کنند. دیگر منابع نا مرسوم انرژی که می توانند بخشی از شبکه انرژی باشند ژنراتورهای خورشیدی و بادی هستند. گروه های مصرف کنندگان،شرکت های برق رسانی را برای موافقت با استفاده از این انرژی مازاد در کل سیستم توزیع، تحت فشار می گذارند. اگر این گرایش زیاد شود كل ماهیت سیستم توزیع کنونی را بطور مؤثری تغییر می دهد.

 

 

 

  • ماهیت آتی طراحی سیستم توزیع

پیشگویی در مورد روش های آتی طراحی سیستم توزیع، ضرورتاً نتیجه قیاس منطقی روش های فعلی است. سال هاست که الگوریتم های اصلی تحلیل شبکه شناخته شده اند و در آینده نزدیک نیز تغییری نخواهند کرد. با وجود این، با بهره گیری از مزایای روش های جدیدی که تکنولوژی ممکن کرده است انتظار می رود که برای بهره گیری از روش های تازه ای که تکنیک جدید ممکن می سازد روبنایی که این الگوریتم ها را نگه می دارد و لوازمی که طراح برای حل مسأله به کار می برد به کلی تغییر کند. 

 

 

  • اهمیت فزاینده طراحی خوب

بدلایل اقتصادی که گفته شد هزینه ساخت، گسترش و اصلاح سیستم های توزیع در آینده بیشتر خواهد بود. بنابراین کاهش هزینه طرح سیستم توزیع اهمیت خاصی دارد. بدان معنی که سیستم باید از دیدگاه های متعدد، از لحظه شروع به کار تا محدوده زمانی طراحی شده، بهینه باشد. علاوه بر برآورد دقیق رشد بار باید دسته بندی اجزا بگونه ای باشد که هزینه سرمایه را حداقل، هدف های کارایی را برآورد و اتلاف را حداقل کند.

این الدامات را باید در زمانی پاسخ گفت که گرایش های جمعیت نگارانه نسبت به عادات سالهای گذشته در حال تغییر است و طراحی سیستم های توزیع بعلت پیدایش روز افزون نکته های فعال (مانند سلول های سوختی) بجای نمونه های غیرفعال معمولی، در حال پیچیده تر شدن است.

 

 

  • آثار مدیریت بار

در گذشته، شرکت های برق رسانی تقاضای همه مشترکان را بمحض طرح تقاضا، با تأمین انرژی الکتریکی برآورده می کردند. اما اخیراً این فلسفه پایه ای به علت محدودیت های مالی (مانند هزینه زیاد نیروی کار، مواد و نرخ بهره) وابستگی های محیطی و کمبود فعلی سوخت (یا بهای زیاد آن) مورد بازبینی قرار گرفته است و مدیریت بار مشترک جای توسعه ظرفیت را می گیرد.

مزایای حاصل از مدیریت بار بسیار گسترده است. دگرگونی در الگوهای بهره برداری از انرژی برقی نه تنها بر تقاضای تجهیزات تولیدی سیستم مؤثر است، بارگذاری دستگاه های توزیع را نیز تغییر می دهد. مدیریت بار بار پست ها و مدارهای حاشیه ای را کم یا متعادل می کند و در نتیجه عمر آن ها را افزایش می دهد. بنابراین در آینده به کارگیری سیاست های مدیریت بار تأثير قاطعی بر مکان و زمان توزیع بار در سیستم توزیع، سیستم زیر انتقال و سیستم قدرت اصلی خواهد داشت. تاکنون سیستم های توزیع متناسب با الگوهای کنترل بار طراحی شده اند اما سیستم های آینده الزاماً باید بگونه ای متفاوت طراحی شوند تا بتوانند در شرایط متغیر سودمند باشند.

طراحان سیستم باید ابزار لازم را برای ایجاد طرحی یکپارچه که سیستم انرژی الکتریکی متحول را نیز در بر گیرد دارا باشند در غیر این صورت منافع ناشی از مدیریت بار کاملاً حاصل نخواهد شد. بسط تدریجی سیستم در پاسخ به الزامات متغیر و تحت قیود متغیر، روندی است که شامل تردیدهای زیادی است. دلگادو، الزامات یک برنامه مدیریت بار موفق را چنین مشخص کرده است:

  • باید بتواند تقاضا را در دوره های بحرانی بار سیستم کاهش دهد.
  • باید بتواند ضرورت تولید جدید، قدرت خریداری شده و با هزینه های سوخت را کاهش دهد.
  • باید نسبت هزینه به سود آن قابل قبول باشد. – کارکرد آن باید با طراحی و کار کرد سیستم سازگار باشد.
  • باید اطمینان بخشی قابل قبولی داشته باشد. 
  • باید سطح آسایش قابل قبولی برای مشترکان تأمین کند.
  • باید با کاهش نرخ ها یا با انگیزه های دیگر، برای مشترک سودمند باشد.

 

 

  • نسبت هزینه به سود برای نوآوری

اقتصاد مهمترین عامل شکل دهنده آینده صنعت برق رسانی است. بنابراین هر نوآوری به خودی خود پذیرفتنی نیست مگر آن که هزینه فعالیت هایی را کاهش دهد و یا تأثیری ارزشمند از نظر اقتصادی داشته باشد که پیش از این با هزینه های مشابه به دست نمی آمد. این معیار مبنای تشخیص جایگزینی روش ها با ابزارهای نوین بجای موارد متناظر کنونی است.

از ابزارهای طراحی که معیارهای طراحی را برآورده می کنند، کامپیوترهای عددی هستند که سیستم توزیع را بر حسب مؤلفه های شبکه تحلیل می نمایند. ممکن است تصور شود که این ابزارهای طراحی، برای صنعت برق رسانی کافی است اما این دیدگاه با توجه به گرایش های رو به رشد فعلی و دوره گسترش کامپیوتر درست نیست.

 

 

  • ابزارهای نوین طراحی

این ابزارها به دو مقوله تقسیم می شوند: ابزارهای طراحی شبکه و ابزارهای تحلیل شبکه.

اما ابزارهای طراحی باید دائما بهبود یابند ریرا طراحی خوب اثر عمده ای در صنعت برق رسانی دارد. بهبود ابزارهای طراحی مشخصه های زیر را پدید می آورد:

  • با کاربرد روش های برنامه ریزی تحقیق در عملیات، طراحی شبکه نسبت به معیارهای بسیاری بهینه می شود.
  • طراحی شبکه تنها لایه ای از مدیریت سیستم توزیع است که مهندسان به کمک سیستم های کامپیوتری که برای کارکردهای مدیریتی طراحی شده اند آن را راهبری می کنند.

 

 

  • نقش کامپیوتر در طراحی سیستم توزیع

سالهاست که طراحان سیستم توزیع برای انجام محاسبات خسته کننده ای که برای تحلیل سیستم ضروری است از کامپیوتر استفاده می کنند. با این همه تنها در چند سال اخیر، تکنولوژی ابزارهای لازم برای کاربرد روشی سیستماتیک در کل طراحی و تحلیل در اختیار طراح قرار داده است.

مجموعه برنامه های کامپیوتری که برای حل مسائل تحلیلی یک طراح به کار می روند حتی اگر از خروجی یک برنامه بعنوان ورودی دیگری استفاده شود لزوماً سیستم مؤثری برای حل مسائل وی نیست. در روش سیستماتیک طراحی، ابتدا انواع اطلاعات مورد نیاز و منابع آن ها کسب می شود. به کمک این اطلاعات تصمیم گیری هایی صورت می گیرد و اطلاعات جدیدی تولید می شود. این اطلاعات از یک مرحله روند طراحی به مرحله دیگر می رود. باید توجه کرد که در مراحل معینی، مهندس باید اطلاعات به دست آمده را ارزیابی کند و داده های خود را بدان بیفزاید. سرانجام نتایج باید نشان داده شوند و برای مراجعات بعدی ذخیره گردند.

با چنين مفهومی از روند طراحی، روش سیستماتیک تا حد ممکن روند را اتوماتیک می کند. روش سیستماتیک مراقبت می نماید که تبدیلات مختلف اطلاعات  تا حد ممکن مؤثر باشد. برنامه های تحلیلی سیستم را سیستم مدیریت پایگاه داده که داده های مختلف سیستم توزیع را ذخیره، بازیابی و اصلاح می کند نگهداری می نماید.

در پنج سال اخیر تکنولوژی گام های مهمی در این عرصه برداشته است بطوری که نه تنها ما را قادر کرده است که داده های بسیاری را بگونه اقتصادی ذخیره کنیم بلکه بازیافت داده های مورد نیاز را طی چند ثانیه ممکن کرده است. سیستم مدیریت پایگاه داده وجه مشترک روندها با داده های مورد نیاز آنها را تأمین می کند. نهاد ویژه ای که در آینده نزدیک بصورت عامل مسلط پدیدار خواهد شد بر مبنای مفهوم ارتباط است. سیستم مدیریت پایگاه داده (DBMS) عملیات بر روی داده پایه را انجام می دهد.

 

 

  • اتوماسیون سیستم توزیع

هدف اصلی سیستم قدرت، تولید انتقال و توزیع انرژی الکتریکی با بازده خوب است. بهره برداری از سیستم به سیستم های کنترل و نظارت پیچیده ای که از نظر جغرافیائی پراکنده و از نظر کارکرد بمانند شکل (۳) می باشند نیازمند است. مطابق شکل، کنترل جامع کل سیستم برعهده سیستم مدیریت انرژی (EMS)  است. سیستم کنترل نظارتی و کسب داده ها (SCADA)، بر سیستم های تولید و انتقال احاطه دارد.

 

 

نظارت و کنترل سیستم قدرت الکتریکی

 

شکل (۳) نظارت و کنترل سیستم قدرت الکتریکی

 

سیستم اتوماسیون و کنترل توزيع (DAC) بر سیستم های توزیع و بارهای متصل احاطه دارد. تا مدت ها وسایل اتوماتیک نظارت و کنترل، بخشی از سیستم کنترل نظارتی و کسب داده ها بود. اخيراً اتوماسیون، بخشی از کل سیستم مدیریت انرژی شده است که سیستم توزیع را نیز در بر می گیرد. دلایل وجودی سیستم اتوماسیون و کنترل توزیع چنین است:

  • بهبود بازده کل سیستم در بهره گیری از سرمایه و انرژی
  • افزایش زغال سنگ، سوخت هسته ای و منابع انرژی دامی تجدید شدنی در بازار 
  • کاهش الزامات ذخیره سازی در انتقال و تولید
  • افزایش اطمینان بخشی در سرویس دهی به بارهای اصلی

پیشرفت در تکنولوژی، اتوماسیون واقعی توزیع را عملی کرد. اخیراً مهندسان سیستم های توزیع به ابزارهای نوینی مانند مینی کامپیوترهای ارزان و میکروپروسسورهای نیرومندی مجهز شده اند که بسیاری از مفاهیم اتوماسیون توزیع را دستبافتنی کرده اند.

عبارت اتوماسیون توزیع، معنای گسترده ای دارد و هر روزه کاربردهای جدیدی بدان افزوده می شود. از نظر عده ای، این عبارت به معنای سیستمی ارتباطی در سطح توزيع است که بار مشترک را کنترل می کند و بار حداکثر را با مدیریت بار کاهش می دهد. از دید عده ای دیگر، اتوماسیون توزیع به معنی پست توزیعی است که انسانی برای نظارت بر آن حضور ندارد و یک میکروپروسسور می تواند بر آن نظارت کند.

میکروپروسسوری که در پست توزیع قرار دارد همواره از وضعیت سیستم خبر می دهد، می تواند تصمیمات کاربردی بگیرد، فرمان بفرستند و هرگونه تغییری در وضعیت سیستم را به مرکز دیسپاچینگ توزيع (DDC) گزارش کند و بسته به نیاز شرکت برق رسانی آن تغییرات را در حافظه نگهدارد و یا از ذخیره سازی آن صرفنظر کند.

 

 

  • اتوماسیون توزیع و عملکردهای کنترل

شرکت های برق رسانی در مورد عملکرد سیستم اتوماسیون و کنترل توزیع، توافق عمومی ندارند. 

 

 

  • کلیدزنی اختیاری بار

این کارکرد را مدیریت بار مشترک نیز می نامند که کنترل مستقیم بار تک تک مشترکین از یک مرکز دوردست است. کنترل به قصد کاهش بار حداکثر بار سیستم و یا کاهش بار پست یا فیدر ویژه ای که اضافه بار دارد صورت می گیرد.

 

 

  • نرخ گذاری زمان حداکثر بار

اجرای این عملکرد به کمک برنامه های نرخ گذاری حداکثر باری انجام می گیرد که در آن ثبات ها بطور اتوماتیک از دور کلیدزنی می شوند تا سنجش متناسب با اوقات روز صورت گیرد.

 

 

  • قطع بار

 این عملکرد امکان قطع سريع مجموعه بزرگی از بارها را در شرایط معینی بر طبق اولویت خاصی فراهم می کند.

 

 

  • اتصال مجدد بار قطع شده

 در این عملکرد نتیجه ای از عملکرد قطع بار است و متضمن کنترل اتصال مجدد بار قطع شده است.

 

 

  • آرایش تغذیه بار

این کار کرد، کلیدها و مدارشکن ها را از دور کنترل می کند و امکان تغییر آرایش تغذیه روزانه، هفتگی یا فصلی فیدرها با بخش هایی از فیدر را برای بهره گیری از ناهم زمانی بار آنها فراهم می آورد. این کار، سرویس دهی سیستم به بارهای بزرگتر را بدون تقویت فیدرها با ساخت فیدرهای جدید ممکن می سازد و نیز نگهداری و تعمیرات فیدرها را بدون قطع بار مشترک میسر می کند.

 

 

  • تنظیم ولتاژ

این عملکرد، کنترل تنظیم کننده های ولتاژ شبکه توزیع و کلیدزنی خازن های شبکه را از دور عملی می کند و بدین ترتیب امکان کنترل هماهنگ ولتاژ کل سیستم را از یک مرکز فراهم می آورد.

 

 

  • مدیریت بار ترانسفورماتور (TIM)

این کار کرد، نظارت و گزارش دهی پیوسته داده های بار و دمای هسته ترانسفورماتور را مقدور می کند و با تقویت، جابجایی یا تغییر آرایش به هنگام ترانسفورماتورها از اضافه بار شدن، سوختن، یا کار غیر عادی آنها جلوگیری می کند.

 

 

  • مدیریت بار فیدر (FLM)

این عملکرد مشابه مدیریت بار ترانسفورماتور است با این تفاوت که نظارت و اندازه گیری را برای بار فیدرها یا بخش هایی از نیدر (فیدرهای فرعی) انجام می دهد و بار چند فیدر را متعادل می کند.

 

 

  • کنترل خازن

این عملکرد امکان انتخاب و کلیدزنی خازن های توزیع را از دور فراهم می کند.

 

 

  • آشکارسازی، جایابی و جداسازی خطا

سنسورهای شبکه توزیع شرایط غیر عادی شبکه را آشکار و گزارش می کنند. این داده ها می توانند بطور اتوماتیک به تعیین محل خطا، جداسازی بخش های معیوب و به تغییر آرایش مدارها بپردازند. این عملکرد، مسؤول دیسپاچینگ را قادر می سازد تا گروه تعمیرات را سریعتر به محل عیب اعزام نماید و زمان قطع برق مشترک را کوتاه کند.

 

 

  • بررسی بار

این عملکرد، شامل گردآوری و ثبت اتوماتیک داده های بار برای تحلیل بعدی آن هاست. داده ها را می توان در یک مکان، در یک پست گرد آورد و یا به یک مرکز دیسپاچینگ فرستاد. این عملکرد اطلاعات دقیق و بهنگام را برای طراحی و مهندسی سیستم قدرت فراهم می کند.

 

 

  • مونیتورینگ وضعیت و حالت

این کار کرد، داده های بهنگام را گردآوری و وضعیت را گزارش می کند و با آن می توان تازه ترین وضعیت سیستم قدرت را تعیین کرد.

 

 

  • خواندن اتوماتیک کشور مشترک

این کار امکان خواندن کنتور مشترک را از دور برای تعیین کل مصرف، تقاضای حداکثر یا مصرف در اوقات روز فراهم می آورد و هزینه نفرات لازم برای خواندن کنتورها را صرفه جویی می کند.

 

 

  • قطع و وصل سرویس دهی از دور

این کار کرد، امکان کنترل کلیدهای تک تک مشترکین را از دور، برای قطع یا وصل آن ها از یک مرکز کنترل فراهم می کند.

 

 

  • میزان توانمندی اتوماسیون توزيع

میزان توانمندی اتوماسیون توزیع بسته به میزان نفوذ اتوماسیون در سیستم توزیع است. امروزه، نیاز به گردآوری داده های پست ها و نیروگاه ها افزایش یافته است. این نیازها همزمان با کاهش نسبی قیمت کامپیوتر و دیگر دستگاه های الکترونیکی مطرح شده است. در نتیجه، جهش بارزی در حجم داده هایی که یک سیستم کنترل نظارتی و کسب داده ها با سیستم مدیریت انرژی گردآوری می کند به وجود آمده است.

بخش عمده ای از این داده ها، شامل سنجش های کمیت های الکتریکی مانند وات، وار و ولت است که در مکان دوری بطور دوره ای نمونه برداری می شوند سپس به مرکز کنترل انتقال می یابند و کامپیوتر آن ها را برای نمایش روی CRT یا ثبات پردازش می کند. بدین ترتيب، متناسب با رشد حجم اطلاعاتی گزارش، تعداد کانالهای ارتباطی و منابع کامپیوتری لازم در مراکز کنترل افزایش می یابد.

بنابراین هر چه تعداد تجهیزاتی (پس از فیدر) که کنترل می شوند و یا از وضعیت آن ها آگاه می شویم افزایش یابد، شرکت برق رسانی اطلاعات بیشتری به دست می آورد و می تواند از کنترل وسیع تر و انعطاف پذیری بیشتری برخوردار شود اما هزینه ها نیز مانند سود افزایش می یابند.

امروزه میکروپروسسورها از الگوریتم هایی استفاده می کنند که امکان کنترل به هنگام آرایش سیستم توزیع را فراهم می کنند. مثلاً با کنترل نرم افزاری کلیدهای قطع بار که اینک به واقعیت پیوسته است، می توان بارگذاری ترانسفورماتورهای پست و فیدرها را اقتصادي تر کرد. نصب سیستم کنترل نظارتی و کسب داده ها از دور در پست های توزیع که معمولاً با کامپیوتر راهبری می شود افزایش یافته است. مزایای آنها نظارت پیوسته، عملکرد سریعتر و اطمینان بیشتر است، با کاهش قیمت میکروپروسسورها، انجام برخی کارهای کنترل در سیستمهای توزیع کم هزینه خواهد شد.

بطور خلاصه انتخاب یک سیستم ارتباطی ویژه با ترکیبی از سیستم ها، به کارکردهای کنترلی با نظارتی لازم، مقدار و سرعت لازم برای انتقال داده ها، آرایش سیستم موجود، چگالی نقاط کنترل، نیازمندی به ارتباط یک طرفه یا دو طرفه و البته قیمت تجهیزات بستگی دارد. و می توان از سیستم های ترکیبی، مانند دو یا چند سیستم ارتباطی مختلف بین شرکت برق رسانی و مشترک بهره برد.

مثلاً می توان بین پست کنترل و ترانسفورماتور توزیع، حامل رادیویی و بین ترانسفورماتور و کنتور مشترک، حامل خط قدرت (PLC) به کار برد. ممکن است خط فرمان (رفت) از یک نوع سیستم ارتباطی مثلاً حامل رادیویی و خط بازگشت (داده ها) از سیستم ارتباطی نوع دیگر مثلا VHF رادیویی باشد.

 

 

 

  • سیستم های مختلف مخابراتی

سیستم های مختلف مخابراتی برای اتوماسیون سیستم توزیع بشرح ذیل هستند:

۱) حامل خط قدرت

۲) حامل رادیویی

۳) حامل (خطوط) تلفنی

۴) امواج مایکروویو

۵) کابل های اختصاصی مانند فیبرهای نوری.

سیستم های حامل خط قدرت (PLC) از خط های توزیع برق برای انتقال سیگنال های ارتباطی استفاده می کنند. مزیت سیستم عامل خط قدرت در پوشش کامل کل سیستم برق و کنترل کامل شرکت برق رسانی است. عيب آن در این است که بر اثر عیب و خرابی بخش عمده سیستم توزیع، سیستم ارتباطی نیز ممکن است مختل شود و بنابراین باید تجهیزات دیگری به سیستم توزیع اضافه کرد.

در سیستم های حامل رادیویی، سیگنال های ارتباطی بوسیله امواج رادیویی از نقطه ای به نقطه دیگر انتقال می یابند. این سیستم ها ممکن است خصوصی باشند و شرکت های برق رسانی آن ها را به کار گیرند. سیستم ارتباطی از سیستم توزيع جداست و به وضعیت آن وابسته نیست. این سیستم می تواند با نرخ داده بسیار بالایی کار کند. عیب اصلی سیستم رادیویی در آن است که مسیر سیگنال می تواند سهواً یا عمداً مسدود شود.

در سیستم های حامل تلفنی از خطوط تلفن موجود برای ارتباط سیگنالی استفاده می کنند و بنابراین کمترین هزینه را دارد اما تلفن های موجود تعرفه بندی شده اند و اکنون این سیستم جزء گرانترین سیستم هاست. عیب دیگر این سیستم در آن است که شرکت های برق رسانی کنترل کامل بر سیستم تلفن ندارند و در همه مکان های اندازه گیری با در نزدیکی آنها خدمات تلفنی وجود ندارد.

بطور خلاصه سیستم های توزیع آینده نسبت به امروز پیچیده ترند و این به معنای پیچیده تر شدن وظیفه طراحان سیستم توزیع است. برای بهینه کردن هزینه ساخت، سرمایه گذاری، قابلیت اطمینان و بازده کارکرد سیستم هایی که باید طراحی شوند، ابزارهای طراحی بهتری لازم است. گرچه پیش بینی تمامی تأثیری که تکنولوژی بر کار طراحی و مهندسی توزیع خواهد گذاشت غیر ممکن است می توان نیروهای عمده ای را که تغییر در متدولوژی و پیش بینی ها را آغاز کرده اند شناخت.

 

 

مقالات مرتبط