مجتمع كردن اتوماسيون پست هاي برق (3)

كنترل از راه دور ايستگاه ها و تجهيزات آن

كنترل از راه دور ايستگاهها از دهه 1960 شروع شد و در حدود دهه 70، جايگزيني وسايل الكترومكانيكي با ابزارهاي نيمه‌هادي در مرحله ابتدايي و مقدماتي بود.
يك طرح اتوماسيون پست، قبل از دهه 90 به طور معمول شامل سه ناحيه عملياتي اصلي بود: كنترل نظارتي و جمع‌آوري داده‌ها (Scada) كنترل پست شامل اندازه‌گيري و نمايش، حفاظت، نمايي از اين سيستم در جدول 1 ديده مي‌شود. تجهيزات اتوماسيون مورد استفاده در هر يك از نواحي به طور عمده شامل وسايل الكترومكانيكي نظير وسايل اندازه‌گيري، رله‌ها و وسايل حفاظت، زمان‌سنج‌ها، شمارنده‌ها و وسايل نمايش آنالوگ و ديجيتال بود. سيستم‌هاي آنالوگ و ديجيتال اطلاعات دراين سيستم‌ها را در محل وسايل و يا روي پانلهاي مدل سيستم نمايش مي‌دهند. همچنين دراين پانلها سوئيچهاي الكترومكانيكي قرار داشت كه اپراتورهاي پست براي كنترل وسايل اوليه داخلي پست استفاده مي‌كردند. معمولاً براي نمايش تجهيزات مربوط به هر يك از سه ناحيه عمليات اصلي قسمتي از پانل كنترل اختصاص داده شده بود.
با ظهور ريزپردازنده‌ها دردهه 70، شرايط عوض شد. سازندگان تجهيزات پست‌ها جايگزيني وسايل الكترومكانيكي ساخت خود را با وسايل نيمه‌هادي شروع كردند. اين وسايل مبتني بر ريزپردازنده‌ كه بعداً در صنعت به وسايل الكترونيكي هوشمند (IED) معروف شدند، مزاياي چندي نسبت به وسايل قديمي داشتند. آنها قابليتهاي اضافي نظير تشخيص خطا،‌خود چك كردن توانايي ذخيره داده‌ ها و ثبت وقايع، رابطهاي مخابراتي و واحد ورودي خروجي مجتمع با قابليت كنترل از راه دور داشتند. همچنين به خاطر اينكه چندين قابليت را مي‌توان در يك IED فشرده ساخت،‌مي‌توان وسايل جانبي را حذف كرد. براي مثال، وقتي IED به يك ترانسفورماتور ولتاژ و جريان در مدار وصل است. اين وسيله مي‌تواند همزمان وظيفه حفاظت، اندازه‌گيري و كنترل از راه دور را به عهده بگيرد. از امتيازات جالب توجه IED قابليت اطمينان، راحتي نگهداري و سرعت مشكل‌دهي و پيكربندي سيستم است.
دهه 70 و اوايل دهه 80 كه اين وسايل عرضه شدند به خاطر شك و ترديد در موردقابليت اطمينان آنها و همچنين هزينه زياد، از آنها استقبال نشد. اما با كمتر شدن قيمت و پيشرفت در قابليت اطمينان و اضافه شدن قابليتها، آنها پذيرش بيشتري پيدا كردند.
در همين حال، شركتهاي برق جايگزين كردن PLC را به جاي رله‌هاي الكترومكانيكي (كه درمنطقه رله‌اي و منطق كنترل حفاظت در تابلوهاي تجاري و معمول كنترل پستها به كار مي‌رفتند) شروع كردند. البته فروشندگان تجهيزات هنوز اين روند را متوقف نكرده‌اند.آنها همچنين زير سيستم رابط گرافيكي كاربر را گسترش دادند. به طوري كه اكنون روي يك سكوي كامپيوتري ارزان قيمت متكي به PC قابل اجراست. اين سكوهاي گرافيكي براي برقراري يك رابط انسان ماشيني (PMI) پيشرفته‌تر (نسبت به اندازه‌گيري‌هاي قديمي آنالوگ و صفحات نمايش ديجيتال) از واحدهاي كنترل از راه دور و PLC استفاده كردند. هر چه توابع و فعاليتهاي اتوماسيون پستها در يك دستگاه تنها فشرده‌تر مي شد، مفهوم يك IED گسترش مي‌يافت. اين كلمه هم‌اكنون در مورد يك وسيله مبتني بر ريزپردازنده‌ با يك درگاه ارتباطي (مخابراتي) كه همچنين شامل رله‌هاي حفاظت، اندازه‌گيريها، واحدهاي خروجي، PLCها، ثبت‌كننده‌ ها ديجيتالي خطا و ثبت‌كننده ترتيب وقايع نيز مي‌شود، به كار مي‌رود.

گفته‌هاي گروه‌كاري

IED اولين سطح فشرده‌سازي اتوماسيون است. اما حتي با استفاده گسترده از آن نيز تنها جزيره‌هايي از اتوماسيون در بين پستهاي مختلف پراكنده مي‌شوند. صرفه‌جويي بيشتر موقعي حاصل مي شود كه تمام IEDها در يك سيستم كنترل ايستگاههاي متمركز (ISCS) قرار گيرند. تحقق سيستمهاي كنترل كاملاً مجتمع، هزينه‌هاي سيم‌كشي، تعمير و نگهداري، مخابراتي و عملياتي را كاهش و كيفيت برق و قابليت اطمينان سيستم را افزايش مي‌دهد.
اگر چه اين مزايا ارزشمند است اما مجتمع كردن سيستم اتوماسيون ايستگاهها (مثلاً در آمريكاي شمالي) پيشرفت كمي داشته است و دليل عمده آن اين است رابطهاي سخت‌افزاري و پروتكلها براي IED استاندارد نيستند. تعداد پروتكل‌ها برابر تعداد سازندگان وسايل و يا بلكه بيشتر، به خاطر اينكه توليدات يك كارخانه نيز اغلب پروتكلهاي مختلفي دارند.
يك راه‌حل براي اين مشكل نصب و برقراري يك gateway است كه به عنوان يك سخت‌افزار ورابط پروتكل بين IED و يك شبكه عمل مي‌كند. gateway به شركت برق اجازه مي‌دهد تا با اجزاي يك شبكه و پروتكل ارتباطي مشترك، وسايل مختلف را با هم روي يك ايستگاه مجتمع كند. gateway به يك رابط فيزيكي بين IED و استانداردهاي الكتريكي شبكه و همچنين به يك مبدل پروتكل بين آنها است.
Gateway باعث مي‌شود تمام IEDها ازديدگاه شبكه مورد استفاده در پست، از نظر ارتباطي يكسان به نظر برسند. از آنجا كه براي هر IED يك نرم‌افزار نوشته شده اين وضعيت نرم‌افزار نيز كار را پيچيده‌تر و مشكل‌تر كرده است. براي مثال ممكن است يك شركت بخواهد تعدادي رله حفاظت از نوع DEL، رله‌هاي حفاظت فيدر از نوع ABB، مونيتورهاي با كيفيت بالاي GE Multilim اندازه‌گيريهاي PML و يك PLC نوع Modicon را در سيستم كنترلي ايستگاهي خود مجتمع كند. رله‌هاي SEL براي ارتباط از يك فرمت ASCLL كه توسط SEL پشتيباني مي‌شود استفاده مي‌كند. رله‌هاي ABB و GE پروتكل ENP3.00 را مورد استفاده قرار مي‌دهند و اندازه گيري هاي PML نيز از همين پروتكل استفاده مي كنند. در حالي كه PLC براي ارتباط از پروكتل Modbus كه Modicon تهيه كرده است،استفاده مي كند. براي داشتن تمام اين IED ها و پروتكلهاي نامتجانس آنها روي يك سكوي كامپيوتري،استفاده از درگاه بهترين راه حل است.
درگاه نه تنها به عنوان يك رابطه بين لايه فيزيكي شبكه محلي و درگاههاي RS232/RS485 كه روي IED ها هستند عمل مي كند بلكه به عنوان يك مبدل پروكتل،پروكتلهاي خاص هر IED را (مانند SEL DNP3.0 يا Modbus) به پروكتل استاندارد مورد استفاده شبكه محلي نصب شده ترجمه
مي كنند.

درگاهها

دو روش در استفاده از درگاه براي ارتباط دادن وسايل با شبكه ايستگاهي مورد توجه است. در يك روش براي وسيله هوشمند يك درگاه ارزان قيمت تك ارتباطي استفاده مي شود و در روش دوم از يك درگاه كه داراي چندين گذرگاه است براي ارتباط با چندين IED استفاده مي شود. اينكه كدام روش اقتصادي تر است به محل استقرار IED ها بستگي دارد. اگر آنها در يك محل مركزي جمع شده باشند روش استفاده از چند درگاه مطمئناً مناسبتر است.
يك مشكل ديگر كه هنگام مجتمع كردن IEDها بايد مورد توجه قرار گيرد پيكربندي تجهيزات است. تعداد زيادي از IEDها تنها يك درگاه ارتباطي دارند كه دو منظور را پشتيباني مي‌كند. يكي دريافت داده‌هاي گذشته و داده‌هاي زمان حاضر سيستم و ديگري خواندن و چندين كانال به صورت ترتيبي كار كند. اگر IDEها در تمام ايستگاه پخش شده باشند، هزينه كابل‌كشي ممكن است خيلي سنگين شود. همبند شدن قسمتهاي منطقي و هماهنگ عمل كردن، به يك كابل‌كشي مخرب نياز دارد. چرا كه معمولاً وروديها به صورت سخت‌افزاري به محلهاي مناسب وسيله متصل مي‌شوند. اين ارتباط مي‌تواند به صورت يك شبكه محلي (LAN) به عنوان يك نوع مسير ارتباطي خوب برقرار شود.
سرعت مسير ارتباطي براي انتقال اطلاعات حفاظت پست بايد بالا باشد (با زمان انتقال 2-4 ميلي‌ثانيه و اين مقدار اجباري است) يعني بدترين محدوديت قابل پيش‌بيني زمان انتقال منظور شود
براي جايگزيني و تعويض كابل‌كشي شبكه بايد قابليتهاي اضافه‌تري در مواجهه با تغييرات محيطي (فيزيكي و الكتريكي) و تاخير در پردازش و فراخواني داده و قابليت سنكرون شدن داشته باشد. سنكرون شدن در شبكه‌هاي كنترل ايستگاهي، براي تحليل وقايع گذشته و تعيين ترتيب وقايع در يك سيستم حادثه ديده حياتي است. اما دقت در حد ميلي‌ثانيه كه مناسب اين نوع كارها باشد، به ندرت در پروتكلهاي شبكه‌هاي سطح بالا پيش‌بيني شده است. اگر چه به نظر مي رسد به خاطر اين مشكلات استفاده از LAN روش خوبي نيست، اما به كمك ماهواره مي‌توان به وسايل مورد نياز، سيگنال سنكرون كننده (زمان يكسان) ارسال كرد و مشكل سنكرون نبودن سيستم را برطرف كرد.
در سيستمهاي آينده مبتني بر استانداردهاي باز LAN دسترسي به قسمت سوم تجهيزات و مجموعه‌هاي مهارتي آسانتر است. استفاده گسترده‌تر و معمولتر از استاندارد باعث مي شود تا قسمت سوم تجهيزات به سازگار بودن محصولاتشان با محصولات يكديگر مطمئن شوند و به عنوان آخرين مزيت، اين براي سرمايه‌گذاران اشتغال خوبي است كه به سادگي تجهيزات خود را با يكي از تجهيزات بزرگ موجود و پايه‌سازگار كنند.
جدا از بحث مربوط به نيازهاي يك شبكه، در حال حاضر دو شبكه استاندارد وجود دارد. حداقل آنها در بين شركت‌ها و سازندگان آمريكا و اروپا بيشتر از همه مورد توجه هستند. اين دو عبارت‌اند از: اترنت و پروفيبوس. هيچكدام از آنها تمام نيازهاي پيش‌گفته را برآورده نمي‌كنند، اما هر دو راه‌حلهاي تجاري خوبي هستند.
مزيت بزرگ، اترنت اين است كه سخت‌افزار و امكانات آن را سازندگان زيادي عرضه مي‌كنند، از كاربردهاي چند لايه پشتيباني مي‌كند،‌كيفيت مناسب دارد پشتيباني پروتكل شبكه مطابق با استانداردهاي صنعتي و كميت ناچيز وسايل آزمايش است. اما مهمترين نقص آن براي استفاده در پست، طبيعت احتمالي و غيرقطعي است كه در نسخه استاندارد استفاده شده است (البته روشهايي براي رفع اين مشكل ابداع شده است)
از شبكه پروفيبوس براي فرآيندهاي صنعتي در اروپا خيلي وسيع استفاده مي‌شود و قطعي و غير احتمالي گزارش شده است. اما پروتكل‌هاي شبكه و لايه‌هاي كاربردي تنها به استانداردهاي تعريف شده پروفيبوس محدود مي‌شود و تجهيزات و سخت‌افزار اضافي آزمايش خيلي بيشتر از آنهايي است كه براي اترنت در دسترس است.
به فرض اينكه تمام مشكلات و مباحث مربوط به سخت‌افزار IED، تكنولوژيهاي LAN و پروتكل IED و LAN حل شده باشد، سوال بعدي اين است كه تمام اين اطلاعات مجتمع را به چه روش اقتصادي و مناسبي براي اپراتور پست نمايش دهيم.

رابطهاي غيرمبهم مناسب كاربر

رابطه انسان – ماشين (PMI) شايد مهمترين قسمت در كل ISCS باشد. از طريق اين رابط است كه اپراتور پست بايد كل پست را نظارت و كنترل كند. داده‌ها بايد براي اپراتور با دقت و آشكار بيان شود. امكان خطا و يا ابهام نبايد وجود داشته باشد. چرا كه عمليات اپراتور روي تجهيزات سيستم مهم و حساس است، همان طور كه ايمني افراد اهميت دارد.
تكنولوژي انتخاب شده دراينجا PC است. PC يك مركز كامپيوتري قوي براي كاربردها فراهم مي‌كند. نرم‌افزارهاي گرافيكي براي ارتباط با كاربر PC را قادر مي‌كند كه به صورت يك وسيله پيشرفته نظارت و كنترل براي اپراتورهاي پست باقي بماند. كارت‌هاي شبكه زيادي براي ارتباط PC با شبكه LAN در دسترس است. همچنين محدوده انتخاب كامپيوترهاي قوي گسترده است. Pentium Pro, Pentium( و ...)
در يك دستگاه كامپيوتري، نرم‌افزارهاي كنترل نظارتي و ثبت اطلاعات،‌داده‌ هاي سيستم را از طريق اطلاعات،‌داده‌هاي سيستم را از طريق IEDهاي واصل به شبكه جمع‌آوري و در يك پايگاه داده مركزي ذخيره مي‌كند. سپس داده‌ها به راحتي توسط نرم‌افزارهاي كاربردي و رابطهاي گرافيكي در دسترس كاربر هستند. عمليات SCADA مي‌تواند هر دستور كنترلي اجرا شده به وسيله اپراتور را به IED مورد نظر بفرستد. در حال حاضر بسياري از نرم‌افزارهاي گرافيكي به اپراتورها كمك مي‌كنند تا كار نظارت و كنترل پستها را با راندمان بالايي انجام دهند. وضوح تصوير خوب و قابليت كامل گرافيكي بسياري از نرم‌افزارها به اپراتورها امكان مي‌دهد تا اطلاعات را به صورت‌هاي مختلف ببيند (به صورت جدولي، شماتيكي و يا هر نوع روش مناسب ديگر). حتي برخي بسته‌هاي نرم‌افزاري قوي توانايي اين را دارند كه بسياري از فرآيندهاي داخل يك پست را با متحرك‌سازي نمايش دهند.

پيشرفت‌ در اقتصادي شدن طرح

طرح iscs كه از IEDها، LANها، پروتكلها، رابطهاي گرافيكي كاربران (PMI) و كامپيوترهاي ايستگاهي تشكيل شده، پايه و اساس پستها و ايستگاهها خودكار است.اما بلوكهاي ساختماني كاربردي (كه متشكل از نرم‌افزارهاي عملياتي و نگهداري است). باعث سوددهي و توليد نتايج مطلوب شده و سرمايه‌گذاري در يك iscs را توجيه مي‌كند.
كاربردهاي در دسترس يا در حال توليد امروزي كه باعث افزايش ظرفيت و سود سيستم مي‌شوند تحت عناوين زيرند:
براي بازده عمليات: كاهش ولتاژ، كاهش VAR، متعادل كردن بار ترانسفورمرها و متعادل كردن بار فيدرها
براي قابليت اطمينان عملياتي: تشخيص خطا، مجزا كردن خطا و اصلاح سيستم، مديريت بار، بارزدايي، كليدزني راكتور و خازن و انتقال بار.
براي كاهش نگهداري: نظارت مدار شكن‌ها، نظارت ترانسفورمرها، ضبط ديجيتالي خطاها و ضبط ترتيب وقايع

نگهداري بر اساس پيش‌بيني به كمك‌ قوانين

اين موارد آخري اگر چه هنوز يك تكنولوژي نوظهور است، اما قادر است آنقدر قابليت اطمينان سيستم را بالا ببرد كه به تنهايي سرمايه‌گذاري در يك iscs را از نظر اقتصادي توجيه كند.

لزوم وجود پشتيبان براي سيستم

هر چه تعداد عمليات بيشتري بر روي يك سيستم تنها متمركز شود، اهميت قابليت اطمينان سيستم افزايش پيدا مي‌كند. براي مثال مشكلات كامپيوتر با قطع برق، ممكن است اجزايي از سيستم را به طور موقت از كار خارج كند. در يك طراحي خوب براي سيستمهاي كنترل مجتمع ايستگاهي بايد امكان خرابي تجهيزات سيستم را در نظر داشت و سيستمهاي كنترلي و نظارتي پشتيبان كافي قرار داد. بنابراين بايد همه تجهيزات و عملياتهاي مهم از پشتيبان برخوردار باشند. يك سيستم كنترل و حفاظت پشتيبان كه به عمليات سيستم كامپيوتري وابسته نباشد، بايد براي انجام عمليات مناسب وجود و سيستم براي قطع ناگهاني برق آمادگي داشته باشد.

بررسي ساير موانع

در مجموع يك iscs از يك سكوي كامپيوتري پشتيباني مي‌كند تا تمام فعاليتهاي يك پست برق در يك سيستم منفرد هوشمند و خودكار مجتمع شود. شركتهاي هماهنگ با اين محيط رقابتي به چند فايده دست پيدا مي‌كنند. صرفه‌جويي در هزينه‌هاي عمليات و نگهداري افزايش قابليت اطمنيان و معماري مدولار و قابل انعطاف كه در نتيجه به نيازهاي مشتري سريعتر پاسخ مي‌دهد و سرويسهاي مشتري بهتري فراهم مي‌كند.
با وجود اين قبل از پياده سازي اتوماسيون كامل پستها، مهندسان شركت با مشكلات چندي روبرو هستند. يك بررسي كه اخيراً شركت تحقيقي نيوتن – ايوان انجام داده است اين موارد را به ترتيب اهميت و اندازه به صورت زير فهرست مي‌كند. توجيهي نبودن كامل درستي پروژه، كمبود نقدينگي، عدم اعتقاد مديريت به فلسفه كار، كمبود مهارت مورد نياز در شركت، نبود تكنولوژي مناسب و اهميت هزينه‌هاي تغييرات مورد نياز سيستم براي بعضي از مديران.
معمولاً دو مانع اول وابسته هستند،‌به اين معني كه سرمايه‌گذاري موقعي انجام مي‌شود كه بتوان ثابت كرد نسبت سود به هزينه مثبت است. اما در شركتهاي كوچك شده امروزي پيدا كردن وقت و منابع مالي كافي براي توجيه اين كار بسيار سخت است. به خصوص اگر دانش داخلي مجموعه ناكافي باشد. دراين حالت تعدادي از مشاوران فني كار آزموده مي‌توانند درطرح و توسعه يك پروژه معقول و گويا كمك كنند. همچنين برخي از سازندگان رده اول تجهيزات اتوماسيون پستها مي‌توانند از نظر دانش فني نيز به خريداران براي توجيه و نصب سيستم كمك كنند.

مطالعه وضعيت اتوماسيون پستها در چند شركت برق

الف) شركت «انرژي استراليا»
اين شركتها بزرگترين شركت خدمات انرژي در استراليا است و يك پنجم نياز انرژي برق استراليا راتامين مي‌كند. در حال حاضر اين شركت، شش سيستم اتوماسيون پست مبتني بر صفحه نمايش دارد و سه پست ديگر از اين نوع در دست اقدام دارد. سه شركت سازنده اين سيستم‌ها را پشتيباني مي‌كنند و اولين نمونه در سال 1993 فروخته شده است.
قبل از كامپيوتري كردن سيستم از يك تابلوي كنترل تركيبي (CCB) استفاده مي‌شد كه تمام قسمتهاي نمايش و كنترل بر روي آن سوار مي‌شد. بعضي از اين تابلوها از قسمتهاي كنترلي كوچكتر تشكيل مي‌شد كه براي تعمير قابل جابه‌جايي بود و برخي از آنها از تابلوهاي ثابت تشكيل مي‌شد. در هر دو صورت هزينه طراحي، ساخت وتعمير و نگهداري آنها بالا بود. درانرژي استراليا از چهار نمونه CCB استفاده شده بود.
در طرحي كه از RTUهاي پراكنده در سيستم استفاده مي شود، اگر چه RTUهاي اضافي و شبكه ارتباط به همراه آن يك هزينه اضافي است، اما اطلاعات اضافي كه از سيستم به دست مي‌آيد نظير عملكرد رله‌ها، خود نظارتي و ثبت خطاها جبران اين هزينه اضافي را مي‌كند.
در طراحي اتوماسيون پستها قوانين زير توسط «انرژي استراليا» به كار گرفته شده است.
سيم‌كشي براي سيستم اتوماسيون بايدحداقل ممكن باشد. يعني به طور معمول يك RTU ساده و ارزان قيمت درداخل تابلو قرار مي‌گيرد و به يك يا دو وسيله يا تابلوي ديگر وصل مي شود، يا حداكثر به پنج رله هوشمند محلي متصل به bus وصل مي شود.
تعداد صفحه رابط با كاربرد معمولاً دو تا نيست، اما طرح به گونه‌اي است كه صفحه نمايش مي‌تواند توسط هر يك از SMUها استفاده شود.
عمليات اتوماسيون براي هر كار عملياتي مناسب با سطح همان كار انجام مي‌شود.
اين قوانين ثابت نيستند، اما بر اساس پارامترهاي زير به صورت قابل انعطاف اعمال مي شوند:
اهميت ايستگاه
تجهيزات و امكانات فيزيكي موجود
تكنولوژي قابل دسترسي
يكي از فوايد سيستم PMI نسبت به سيستم CCB براي شركت انرژي استراليا اين بود كه هزينه آن كمتر از نصف هزينه يك سيستم مشابه CCB بود. با تركيب برخي وسايل براي PMI يك پشتيبان قرار مي‌دهند (چرا كه در صورت خرابي PMI كار عملياتي براي اپراتور روي تجهيزات كليدزني خطرناك خواهد بود). مثلاً از تابلوي mimic به عنوان پشتيبان استفاده مي شود.
سيستمهاي نمايش PMI معمولاً دوگانه نبوده بلكه منفرد است، چون قابليت اطمينان آنها بالا است و در ضمن به طور دايم استفاده نمي‌شود و در ساعات غيرضروري خاموش هستند.
ب) شركت «قدرت الكتريكي آمريكا»
قدرت الكتريكي آمريكا (AEP) در كلمبوواهايو تشكيل شده ودر هفت ايالت، با جمعيت حدود هفت ميليون نفر، فعاليت دارد. AEP تا سال 1997 ده سيستم اتوماسيون ايستگاهي نصب شده است.
فوايد مشاهده شده در اتوماسيون پستها كه شامل PMI هستند عبارتند از:
كاهش هزينه به خاطر كاهش تجهيزات و فضاي ساختماني
كمتر شدن هزينه طراحي و نگهداري
بيشتر شدن انعطاف و توان عمليات سيستم: آرايش PMI به راحتي مي‌تواند به گونه‌اي انتخاب شود كه داده‌هاي عملياتي را در فرمتهاي مختلف بيان كند يا با ديگر داده‌ها تركيب كند.
تمركز اطلاعات: داده‌هاي سيستم در يك محل قرار مي‌گيرد و استفاده از آنها را براي عمليات ساده مي‌كند.
در AEP مي‌توان حدود 20% كاهش هزينه در سيستم كنترل و حفاظت يك پست توزيع را نشان داد. بيشترين صرفه‌جويي از حذف تابلوهاي كنترل ناشي شده است. از روش مجتمع كردن اتوماسيون سيستم به طور وسيع استفاده شده است تا بسياري از فاكتورهاي هزينه‌اي مانند ساخت و نصب و نگهداري درازمدت سيستم كنترل ايستگاه كاهش داده شود. تقريباً پنج رله هوشمند (بسته به اندازه ايستگاه) نيازهاي عملياتي در يك ايستگاه توزيع را انجام مي‌دهند (اندازه‌گيري، اخطارها، حفاظت، كنترل و SCADA). اين رله‌ها به وسيله يك شبكه محلي و از طيق Modbus بر پايه پروتكل ارتباطي به يكديگر وصل هستند.
ايستگاههاي كامپيوتري رابطهاي اوليه اي تهيه ديده‌اند تا اطلاعات در يك روش معمول وسازماندهي شده بيان شوند. نمايشگرهاي رله‌اي پشتيباني براي سيستم كنترل و نمايش ايستگاه كامپيوتري است. هر قسمت از اطلاعات در دسترس روي ايستگاه PMI در قسمت جلوي يك IED نيز دردسترس است. اين روش براي پيدا كردن اطلاعات كمي سخت‌تر است و به اندازه سيستم گرافيكي مورد استقبال نيست.
IED هاي مورد استفاده قابل برنامه‌ريزي هستند. IED رابط كاربر AEP را به گونه‌اي طراحي كرده است كه اجازه تغيير موقعيت سوئيچهاي كنترل را مي‌دهد. رابط كنترلي IED به سادگي استفاده از ايستگاه فرعي PMI نيست، اما AEP اعتقاد دارد كه اين روش مي‌تواند به عنوان يك كنترل پشتيبان در صورت از دست رفتن ايستگاه فرعي PMI عمل كند.
پ) شركت ComEd آمريكا
اين شركت چهارمين شركت بزرگ برق در آمريكا است. طرح اتوماسيون پستها تنها روي دو پست جديد اجرا شده و براي بعضي پستها در دست انجام است. در اين شركت يك پروژه جديد به منظور جمع‌آوري داده‌هاي بادقت بالا (جهت حفاظت و تحليل جريان خطا) تعريف شده است. اگرچه (به عنوان قسمتي از شبكه WAN) كارهاي نظارت و كنترل از طريق مركز كنترل انجام مي‌شود اما حفاظت سيستم به پروژه اتوماسيون واگذار نشده است.
ComEd كنترلهاي محلي تجهيزات را برنداشته و آنها در زمان خرابي سيستم اتوماسيون پست به عنوان پشتيبان عمل مي‌كنند. رابط WAN براي ComEd كاربرد اصلي را دارد. اين شبكه اجازه مي‌دهد تا هر يك از محل‌هاي كامپيوتري بتواند اطلاعات خود را بامحل ديگر مبادله كند و در نتيجه امكان كاربرد اتوماسيون توزيع را فراهم كند. همچنين اين مساله در سطوح بالاتر باعث مجتمع‌تر شدن بين اپراتور محلي و مركزي مي‌شود.
اخيراً يك آزمايشگاه كاري ايجاد شده است تا تغييرات نرم‌افزاري قبل از نصب آن روي ايستگاه كامپيوتري، آزمايش شود.

لزوم نگاهي جديد به طراحي شبكه زمين در پستهاي فشار قوي

بروز اتصال كوتاه در سيستمهاي قدرت به علت وجود اضافه ولتاژهاي موقت و گذرا و همچنين آسيب‌ ديدن برخي تجهيزات پيشامدي عادي است. بهنگام وقوع خطاي فاز به زمين، ولتاژ فازهاي سالم نسبت به زمين و بدنه تجهيزات به مقدار قابل توجهي افزايش مي‌يابد. زمين كردن موثر نقاط نوترال در سيستم قدرت باعث كاهش اين اضافه ولتاژها مي‌شود.
در اثر بروز خطاي اتصال كوتاه فاز و يا فازها به زمين، جريان زيادي به زمين داخل مي‌شود و باعث به وجود آمدن گراديان پتانسيل سطحي بزرگي در محوطه پست مي‌شودو ممكن است كاركنان را در معرض شوك ناشي از ولتاژ گام يا تماس قرار دهد.
وجود شبكه زمين با فاصله مناسب بين هاديهاي آن باعث كاهش گراديان پتانسيل سطحي خواهد شد. از مهمترين پارامترهايي كه در طراحي شبكه‌هاي زمين‌ مدنظر است مي توان به ولتاژ حلقه (مش)، ولتاژ گام، ولتاژ تماس و مقاومت شبكه زمين اشاره كرد كه با طراحي شبكه زمين مناسب اين پارامترها تا حد مجاز پايين مي‌آيند.
از سالها پيش تعيين دقيق ولتاژهاي تماس و گام تحت بررسيهاي محققان قرار داشته‌ است و روشهاي مختلفي جهت محاسبه ارايه شده است. در حال حاضر در صنعت‌برق كشور طراحي شبكه‌هاي زمين عمدتاً بر اساس استانداردهاي IEEE 80 انجام مي‌پذيرد.
با توجه به مقالات و استانداردهاي ارايه شده، بحث طراحي شبكه زمين از دو ديدگاه حالت ماندگار و رفتار شبكه زمين در حالت گذرا داراي اهميت است كه در ادامه به لزوم ارزيابي و مطالعات دقيق رفتار شبكه زمين در دو حالت ماندگار وگذرا پرداخته مي‌شود.

طراحي شبكه زمين در حالت ماندگار

در ادامه به برخي از مشكلاتي كه طراحان شبكه قدرت در بخش طراحي شبكه زمين مناسب در حالت ماندگار، با آن مواجه بوده و استانداردهاي موجود قادر به پاسخگويي آن نيستند اشاره مي‌شود:
1- مشخصات شبكه زمين
استانداردهاي موجود، محدوديتها و فرضيات متعددي در طراحي شبكه زمين استفاده مي‌كنند كه اين مساله، باعث مي‌شود كه از طرفي دقت محاسبات به اندازه كافي نباشد و از طرف ديگر دامنه كاربرد اين فرمولها در طراحي شبكه‌هاي زمين بسيار محدود شود. استاندارد IEEE 80 براي طراحي شبكه زمين پست از روابط و فرمولهايي استفاده مي‌كند كه استفاده از آنها در صورت رعايت محدوديتهاي زير داراي دقت مناسبي است.
مطابق بخش (8-14) استاندارد
IEEE 80-60، محدوديتهاي اين استاندارد براي طراحي شبكه زمين مناسب و ايمن به قرار زير است:
الف- 1- عمق دفن شبكه زمين (h):
الف- 2- فاصله بين هادي‌هاي موازي در شبكه زمين (D):
الف- 3- تعداد هاديهاي موازي در طول و عرض (n):
چنانچه به ناچار يكي ازشرايط فوق نقض شود از دقت محاسبات كاسته مي‌شود.
مطابق بخش (2-5-16) از استاندارد IEEE80-2000 عمق دفن شبكه زمين در محدوده ذكر شده در استاندارد IEEE80-86 كماكان جزء محدوديتها است.
به طور كلي به دليل وجود محدوديتها و همچنين پارامترهاي غيرقابل محاسبه، استانداردها و از جمله استاندارد IEEE80، با در نظر گرفتن حداكثر ملاحظات و بالاتر از حد طراحي (overdesign) روابط وضوابط خود را ارايه مي‌كند.
2- ميله‌هاي زمين
تعداد و محل نصب ميله‌هاي زمين (Rod) برايكاهش ولتاژهاي گام و تماس در محاسبه و طراحي شبكه‌هاي زمين از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. ولي استانداردهاي IEEE در اين مورد داراي محدوديت بوده و نه تنها تاثير ميله‌هاي زمين با يك ضريب تقريبي (تصحيح) در محاسبات مربوط دخالت داده مي‌شود بلكه تاثير محل نصب ميله‌هاي زمين در اين استانداردها به هيچ صورت در نظر گرفته نمي‌شود.
3- لزوم طراحي شبكه زمين با اشكال مختلف
با توجه به اشكال متفاوت و نامتقارن سطح پست، براي رسيدن به يك شبكه زمين ايمن لازم است كه محاسبات شبكه زمين با ابعاد و شكلهاي متفاوت و نامتقارن انجام پذيرد در حالي كه استانداردهاي موجود اشكال خاصي از شبكه زمين (مربع، مستطيل و L شكل (استانداردIEEE 80-2000 )را محاسبه وطراحي مي‌كند.
4- لزوم تحليل شبكه زمين در خاك دولايه
بطور كلي در عمل نمي‌توان خاك را يكنواخت (تك لايه) در نظر گرفت، بلكه حداقل بايد آنرا دولايه فرض كرده و تجزيه و تحليل رفتار شبكه زمين را در آن انجام داد. با بكارگيري ضرايب (ضرايب تصحيح) استاندارد و روش استاندارد IEEE 80 مي‌توان طراحي شبكه زمين در خاك دو لايه (بخش (3-12) استاندارد IEEE 80-86 و بخش (3-14) استاندارد IEEE 80-2000) را بطور تقريبي انجام داد، ولي براي ارايه روش دقيق، بايد از معادلات الكترومغناطيسي و بحث تئوري تصوير استفاده كرد.
5- پروفيل ولتاژ در سطح پست
براي دسترسي آسانتر به طرح مطلوب و ايمن سيستم زمين، محاسبه و رسم پروفيل ولتاژ (شكل) در سطح پست ضروري است كه اين ويژگي تنها مي‌تواند با استفاده از روشهاي دقيق الكترومغناطيسي بدست آيد.
6- در نظر گرفتن چاه زمين بهمراه شبكه زمين
گاهي ممكن است بدليل محدوديتهاي فضاي سطح پست، امكان دستيابي به طرح شبكه زمين ايمن، با افزايش ميله‌هاي زمين (Rod) و هاديهاي شبكه زمين وجود نداشته باشد. در اين حالت مي‌توان از وجود چاه زمين در كنار شبكه زمين براي دسترسي به سيستم زمين استفاده كرد. لازم بذكر است كه استانداردهاي IEEE قادر به بررسي شبكه زمين به همراه چاه زمين نيستند، در حاليكه اين نوع طرح سيستم زمين مي‌تواند توسط روش مبتني بر معادلات الكترومغناطيسي (روش دقيق) پياده‌سازي شود.
7- طراحي پستهاي كوچك
با توجه به محدوديت سطوح برخي از پستها (GIS) در مناطق متراكم شهري، ابعاد شبكه زمين نمي‌تواند از يك ميزان خاصي تجاوز كند لذا با توجه به بالا بودن جريان اتصال كوتاه و همچنين با توجه به اينكه افزايش تعداد ميله‌هاي زمين (Rod) از يك تعداد بخصوصي نمي‌تواند كاهش قابل ملاحظه‌اي در ولتاژهاي تماس و گام ايجاد كند، با روشهاي معمول طراح پست ممكن است نتواند به شبكه زمين ايمني دسترسي پيدا كند. استانداردهاي موجود در اين موارد هيچ راه و روش تحليلي در اختيار طراحان قرار نمي‌دهند. يكي از روشهاي مناسب در اين حالت طراحي شبكه زمين در دو عمق متفاوت است كه محاسبات در اين نوع طراحي (نصب دو شبكه زمين در عمقهاي متفاوت) نياز به يك روش تحليلي مبتني بر معادلات الكترومغناطيسي داشته كه استانداردهاي ارايه شده نمي‌تواند جوابگو باشند.
8- طراحي شبكه زمين در نيروگاههاي آبي
با توجه به لايه‌بندي عمودي و افقي محيط در برگيرنده شبكه زمين در نيروگاههاي آبي (بتن در سد و آب در درياچه پشت سد)، مساله طراحي شبكه زمين متفاوت با روشهايي است كه توسط استانداردها ارايه شده است. در اين حالت براي دسترسي به شبكه زمين بايد از روشهاي تحليلي مبتني بر معادلات الكترومغناطيسي استفاده شود در حالي كه در اين باره، استانداردهاي موجود راه حلي را پيشنهاد نكرده‌اند.
ب- تحليل شبكه زمين در حالت گذرا
علاوه بر مشكلات مربوط به حالت ماندگار در طراحي شبكه زمين ايمن، تجزيه و تحليل رفتار گذراي شبكه زمين در برابر امواج گذراي جريان ناشي از برخورد صاعقه و ايجاد اتصال كوتاه به زمين از اهميت بالايي برخوردار بوده و از مسائلي است كه هيچ استانداردي در اين باره ارايه نشده است.
برخورد صاعقه به يك خط انتقال سيستم قدرت و يا پستهاي الكتريكي و همچنين ايجاد اتصال كوتاه تكفاز و يا دو فاز بهم و به زمين، باعث جاري شدن جريانهاي بزرگي در پست و تجهيزات آن مي‌شود. قبل از آنكه اين جريان وارد شبكه زمين شده ودر خاك توزيع شود ميدانهاي الكترومغناطيسي كه در اثر عبور اين جريانها توليد مي‌شود منجر به القاء ولتاژ و جريان بزرگي مي‌شود كه ممكن است به تجهيزات الكترونيكي و ميكروپروسسوري حساس آسيب‌ جدي وارد كند و همچنين ممكن است باعث ايجاد خطراتي براي كاركناني كه در مجاورت تجهيزات پست كار مي‌كنند، شود.
يكي از مشكلات ديگر ميدانهاي ناخواسته، ايجاد خطاي اندازه‌گيري در تجهيزات اندازه‌گيري (پستها) است. همچنين با توجه به وجودطيف فركانسي بالا در شكل موجهاي جريان ناشي از صاعقه و اتصال كوتاه در شبكه قدرت اثرات امواج ضربه فركانس بالا را مي‌توان در دسته‌هاي زير بيان كرد:

- ايمني افراد

بدن انسان مي‌تواند جريانهاي الكتريكي بالاتري را در فركانسهاي بالا تحمل كند. بنابراين ولتاژهاي گام و تماس مجاز وابسته به فركانسهاي بالاي شكل موج جريان ضربه‌اي مربوطه بوده و مي‌تواند مقادير بالاتري داشته باشد. از طرفي حداكثر ولتاژهاي گذرا (TV) و افزايش پتانسيل زمين‌ گذرا (TGPR) نيز در محوطه پست بالا بوده و در نتيجه چنانچه از سيستم زمين مناسبي استفاده نشود ايمني افراد را به مخاطره مي‌اندازد. شكل زيرنمونه‌اي از ولتاژ گذراي ايجاد شده با تزريق جريان صاعقه را نشان مي‌دهد:

- سطح عايقي

جاري شدن جريان فركانس بالاي ناشي از برخورد صاعقه يا ايجاد اتصال كوتاه از طريق نقطه خنثاي شبكه باعث ايجاد افزايش ولتاژ گذراي بالايي مي‌شود. اين مساله مي‌تواند در تعيين سطح عايقي مناسب كابلها و تجهيزات الكتريكي موثر باشد و با طراحي شبكه زمين مناسب و محاسبه حداكثر افزايش ولتاژ مي‌توان سطح عايقي مناسب را محاسبه كرد.

- اعوجاج در امواج ولتاژ و جريان

ايجاد حالت گذرا در شبكه قدرت باعث ظاهر شدن هارمونيكهاي بالا در شكل موج ولتاژ و جريان فازهاي شبكه شده و در نتيجه بر عملكرد رله‌هاي حفاظتي ديجيتال تاثير منفي مي‌گذارد. لذا با نصب مناسب شبكه زمين مناسب و تحليل رفتار گذراي آن مي‌توان راهكارهاي مناسبي در جهت بهبود عملكرد رله‌هاي حفاظتي اتخاذ كرد.

- تغيير در ميدانهاي الكترومغناطيسي

ميدانهاي الكترومغناطيسي در فضاي پست وابسته به فركانس بالاي جريان عبوري از شبكه زمين است. ميدانهاي الكترومغناطيسي نامطلوب القاء شده بوسيله جريانهاي ناشي از صاعقه و اتصال كوتاه باعث ايجاد خطاهاي اندازه‌گيري و يا خسارت تجهيزات الكتريكي حساس مي‌شود. بنابراين سيستم زمين به ترتيبي بايد طراحي شود كه مقادير ميدانهاي الكترومغناطيسي از حدود قابل قبول تجاوز نكند.
با توجه به مطالب ارايه شده، براي محاسبه ميدانهاي الكترومغناطيسي در محيط و فضاي پست، بايد رفتار سيستم زمين در برابر جريانهاي فركانس بالا (گذرا) تعيين شود. نيجتا با توجه به مطالب ارايه شده لزوم بررسي دقيق طراحي شبكه زمين در دو حوزه ماندگار و گذرا را مي‌توان در موارد زير بيان كرد:
- لزوم به كارگيري روشهاي دقيق مبتني بر مطالعات الكترومغناطيسي در حالت ماندگار كه فارغ از محدوديتهاي موجود و همچنين تقريبهاي اضافي در استانداردهاي IEEE-80 باشد.
- لزوم توجه به رفتار سيستمهاي زمين در حالتهاي گذرا و طراحي مناسب آنها به منظور جلوگيري از بروز خسارات مادي و نقض ايمني افراد
- لزوم بررسي تاثير‌پذيري عملكرد تجهيزات ميكروپروسسوري (از جمله رله‌ها) از رفتار سيستم‌هاي زمين در رژيم گذرا

حفاظت تجهيزات پست به وسيله برقگير

از وسايل حفاظتي محدود كننده ضربه براي حفاظت تجهيزات سيستمهاي قدرت در برابر اضافه ولتاژها استفاده مي شود يك وسيله حفاظتي محدود كننده ضربه بايد اضافه ولتاژهاي گزرا يا اضافه ولتاژهاي كه باعث تخريب تجهيزات شبكه مي شوند را محدود و به زمين هدايت كنند و بتواند اين كار را بدون اينكه آسيبي ببيند به دفعات تكرار كند. برقگيرها نسبت به ساير وسايل حفاظتي بهترين حفاظت را انجام مي دهند و بيشترين مقدار حذف امواج گذرا را فراهم مي كند. برقيگرها به صورت موازي با وسيله تحت حفاظت يا بين فاز و زمين قرار مي گيرند انرژي موج اضافه ولتاژ به وسيله برقگير به زمين منتقل مي شوند.
يك برقگير خوب بايد داراي مشخصات زير باشد:
1-در ولتاژ نامي شبكه،به منظور كاهش تلفات داراي امپدانس بينهايت باشد.2-در اضافه ولتاژ به منظور محدود سازي سطح ولتاژ داراي امپدانس كم باشد.3-توانايي دفع يا ذخيره انرژي موج اضافه ولتاژ را بدون اينكه خود صرفه ببيند داشته باشد.4-پس از حذف عبور اضافه ولتاژ بتواند به شرايط مدار (حالت كار عادي) برگردد.

انواع برق گيرها:

1-برق گير ميله اي
2-برق گير لوله اي
3- برق گير سيليكون كاربايد (SIC)
4- برق گير نوع اكسيد فلزي (MOV)

معايب برقگير ميله اي:

1-تداوم عبور جريان به زمين حتي پس از حذف اضافه ولتاژ
2- افت شديد ولتاژ فاز به خاطر اتصال كوتاه شدن فاز در لحظه عبور جريان از برقگير
3-داراي تاخير زماني متناسب با اضافه ولتاژ
4-پراكندگي زياد ولتاژ جرقه

پارامترهاي مهم براي انتخاب برقگير مناسب جهت حفاظت عايقي:

1-ماكزيمم ولتاژ كار دائم (MCOV)
2-ولتاژ نامي (Ur)
3-جريان تخليه نامي (8.20µsec)
4-ماكزيمم جريان ضربه قابل تحمل (4.10µsec)
5-قابليت تحمل جذب انرژي W

عوامل مهم در آسيب ديدگي برقگيرها:

1-نفوذ رطوبت و آلودگي
2-اضافه ولتاژهاي گزرا و موقتي
3-عدم انطباق شرايط بهره برداري با مشخصه برقگير (طرحي غلط)
4-عوامل ناشناخته

مزاياي برقگير نوع اكسيد فلزي (MOV)

1-كارايي بهتر نسبت به ساير برقگيرها
2-پراكندگي كم ولتاژ پسماند همچنين داراي ولتاژ پسماند خيلي كم
3-داراي تاخير زماني خيلي كم
4-برگشت طبيعي به وضعيت اوليه يا مدار باز
5-داراي مشخصه ولت-جريان خطي تر از برقگير SIC
6-داراي سطح حفاظتي خوب
www.mohammadbarghy.blogfa.com
esig.blogfa.com
elcka-man.blogfa.com
http://www.ewa.ir
مهندس سيدمحمد شهرتاش- مهندس نبي‌ا... رمضاني
ماهنامه صنعت برق
/خ