خازن گذاری بهینه در شبکه فشار ضعیف

در سال ۱۳۷۹ طرح خازنگذاری در شبکه های فشار ضعیف با هدف افزایش ظرفیت تولید و انتقال مطرح گردید. با توجه به استقبال مسئولین از این طرح مناقصات خرید گردید و حدود ۱۵۰۰ مگاوا خازن ۵/۱۲ کیلووار ۴۰۰ ولت خریداری و از اوایل سال ۱۳۸۰ تحویل شرکتهای برق گردید.

از همان زمان تحقیقاتی جهت یافتن روشی برای نصب بهینه خازنها در شبکه شروع شد. روشی که بتواند تعداد و محلهای نصب بهینه خازنها در فیدرهای فشار ضعیف را بگونه ای که نه تنها مشکلات و معضلاتی در شبکه پدید نیاورد بلکه بیشترین کاهش تلفات را نیز عاید نماید و در عین حال اقتصادی نیز باشد ارائه نماید.

در جستجوها و بررسیهای انجام شده بین مقالات داخلی و خارجی اثری از نصب خازن در شبکه فشار ضعیف بدست نیامده است. مقالات خازنگذاری در شبکه توزیع عمدتاً مربوط به بخش فشار متوسط شبکه می باشد و در بخش فشار ضعیف تاکنون خازنگذاری انجام نشده است. در کشورهای پیشرفته سازندگان دستگاهها و وسایل یا بار راکتیو مجبور به نصب خازن روی دستگاهها و جبران توان راکتیو تولیدات خود در محل مصرف می باشند و مابقی توان راکتیو جاری روی شبکه در بخش فشار متوسط یا ایستگاههای فوق توزیع جبران می شود.

جهت خازنگذاری در شبکه فشار ضعیف بررسی و مطالعه روشهای خازنگذاری در شبکه فشار متوسط می تواند مفید باشد. در برخی از این روشها محدودیتهایی جهت شبکه، بارها و خازنها درنظر گرفته شده است و این اجزاء مسئله در قالب فرمولهای ریاضی محدود شده تا با استفاده از روشهای ریاضی تابع هدف تشکیل شده بهینه گردد. از جمله اینکه گاهاً شبکه به صورت یک خط مستقیم بدون انشعاب با بار و سطح مقطع یکنواخت فرض شده است..

در بیشتر روشهای خازنگذاری مقدار خازن بهینه از راه محاسبه بدست می آید  و چنانچه نیاز باشد این روشها عملی شوند ناچاراً براساس خازنهای موجود در بازار مقدار خازن نزدیک به مقدار محاسبه شده انتخاب می گردد که قطعاً این مقدار بهینه نمی باشد. در برخی از روشهای خازنگذاری در شبکه فشار متوسط اجزاء مسئله به صورت واقعی و بدون فرض مدل شده  و ناچاراً جهت بهینه یابی از روشهای نوین از جمله الگوریتم ژنتیک و یا منطق فازی و غیره استفاده شده است.

۲ ) خازنگذاری در شبکه فشار ضعیف :
در این مقاله که نتیجه تحقیقات قریب به دو سال روی انواع فیدرهای فشار ضعیف در نقاط مختلف استان خراسان است سعی شده است با ارائه مدلهای واقعی و عملی از اجزاء مسئله، و استفاده از راه حل کاملاً عملی روش مناسبی جهت نصب بهینه خازن ثابت در شبکه فشار ضعیف ارائه گردد.
۲ – ۱ – مدل خازنها :
اندازه خازنهای مورد استفاده در این برنامه مشخص است و جهت موارد خاص می توان به جای ۵/۱۲ کیلووار از ظرفیتهای دیگر استفاده نمود. بنابراین مسئله بهینه یابی فقط باید تعداد خازنهای موردنیاز هر فیدر فشار ضعیف و محل نصب آنها بهینه گردند.
۲ – ۲ – مدل شبکه :

از آنجا که شبکه فشار ضعیف با شبکه فشار متوسط واصولاً تفاوتهایی از قبیل پنج سیمه بودن، تک فاز بودن برخی شاخه ها، داشتن سطح مقطع غیریکنواخت تر و غیره دارد خازنگذاری در این شبکه نیز باید ویژگیهای خود را داشته باشد.

شاخه های فرعی زیادی وجود دارد و برخی از این شاخه ها سه سیمه (تک فاز) می باشند و فاصله پایه ها و سطح مقطع شبکه یکسان نیست.
در مدل شبکه استفاده شده در این مقاله هر سکشن (فاصله دو پایه) به صورت واقعی مدل می شود و مقاومت سکشن که در آن فاصله و سطح مقطع سیم دیده شده است به برنامه داده می شود. لذا متفاوت بودن فاصله پایه ها و سطح مقطع شبکه در برنامه دیده شده است. همچنین شاخه های فرعی سه فاز مدل شده و روی آنها نیز محاسبات انجام می گیرد. اما با توجه به اینکه خازنهای مورد استفاده سه فاز می باشند و امکان نصب آنها در شاخه های فرعی تک فاز (سه سیمه) وجود ندارد. در مدل شبکه باید بارهای متصل به این شاخه ها به شاخه اصلی منتقل گردد.

۲ – ۳ – مدل بار :
علاوه بر اطلاعات فیزیکی فیدر فشار ضعیف، بار راکتیو فیدر نیز جهت برنامه موردنیاز می باشد. چنانچه حداقل توان راکتیو برای خازنگذاری انتخاب گردد، نصب خازن تأثیر قابل توجهی در کاهش تلفات نخواهد داشت. زیرا بیشترین مقدار جریان در پیک بار می باشد و تلفات نیز با توان دوم جریان ارتباط دارد. بنابراین سهم تلفات در بار پایه بسیار کم است. نصب خازن براساس پیک بار نیز صحیح نمی باشد زیرا در ساعات کم باری و یا حتی بار پایه ممکن است تلفات شبکه افزایش یابد[۵]. از این رو باید میانگین بار سالیانه فیدر مدنظر قرار گیرد زیرا در آن نه تنها حداقل و حداکثر بار روزانه دیده شده بلکه تغییرات فصلی بار نیز منظور شده است.

در این تحقیق رفتار بار انواع مختلف فیدرهای فشار ضعیف در نقاط مختلف استان خراسان و در همه فصول توسط دستگاههای ثبت اطلاعات (آنالایزر) برداشت شده و جدوالی جهت تعیین ضریب نوع فیدر، روزهای هفته و فصول سال تدوین گردیده است. بنابراین با برداشت منحنی بار ۲۴ ساعته هر فیدر و استفاده از ضریب نوع فیدر برای فیدرهای تجاری و خانگی، ضریب روز هفته برای روزی که اطلاعات برداشت شده و ضریب فصلی می توان میانگین بار راکتیو سالیانه فیدر را استخراج نمود.

می توان در مدل بار فیدرها رشد سالیانه بار را نیز درنظر گرفت. بدین صورت که با توجه به اینکه عمر خازنها ۸ سال می باشد بجای میانگین بار راکتیو سالیانه از میانگین بار راکتیو در ۸ سال آینده استفاده نمود. اما پیشنهاد می شود با توجه به تغییرات غیرخطی تعداد و مصرف مشترکین در طی ۸ سال در مناطق مختلف، هر دو سال یک مرتبه بار راکتیو فیدر اندازه گیری شده و برنامه خازن گذاری برای آن اجرا گردد و تعداد و محل جدید خازنها تعیین و خازنهای قبلی به محل جدید انتقال یابد.

۲ – ۴ – تابع هدف :
خازنگذاری و جبران توان راکتیو دو اثر اصولی کاهش جریان و افزایش ولتاژ را در پی دارد. و چنانکه می دانیم نقطه بهینه این دو اثر برهم منطبق نیست. یعنی چنانچه خازنگذاری با هدف حداقل نمودن جریان عبوری انجام شود، لزوماً حداقل افت ولتاژ حاصل نمی شود و برعکس چنانچه هدف از خازنگذاری حداقل نمودن افت ولتاژ باشد، جریان عبوری لزوماً حداقل نمی شود. بنابراین باید خازنگذاری با یکی از این دو هدف انجام پذیرد و در کنار آن هدف ثانوی نیز تا حدی محقق خواهد شد. یکی از اثرات بسیار مهم کاهش جریان عبوری کاهش مضاعف تلفات است و اثر دیگر آن آزاد سازی ظرفیت تولید و انتقال می باشد. با توجه به اینکه شیب منحنی Q-V بسیار کم و تأثیر خازنگذاری بر افزایش ولتاژ ناچیز می باشد

، و از طرفی نیز انرژی تلفاتی در شبکه های توزیع دارای اهمیت زیادی بوده و باعث هدر رفتن منابع بسیاری می گردد و نیز کاهش تلفات با توان دوم کاهش جریان رابطه دارد. انتخاب هدف کاهش جریان در خازنگذاری نه تنها می تواند هزینه های :
خرید، نصب و نگهداری خازنها را جبران نماید بلکه می تواند سودی نیر عاید شرکتهای توزیع نیروی برق نماید. در حالی که خازنگذاری با هدف کاهش افت ولتاژ اقتصادی نبوده و در شرایطی حتی ممکن است باعث افزایش جریان عبوری و افزایش تلفات نیز گردد. در تابع هدف سود ناشی از کاهش تلفات به عنوان سود ناخالص و مخارج مربوط به خرید، نصب، نگهداری و غیره به عنوان هزینه های طرح درنظر گرفته شده است. تابع هدف طبق رابطه ۲ معرفی شده است.

در این رابطه :
F تابع هدف
تغییرات تلفات شبکه در اثر نصب خازن در فیدر
C هزینه های خازنگذاری در فیدر
و K ضریب ریالی تلفات شبکه می باشد.
مقدار بهینه تابع هدف (F) حداکثر مقدار آن در فضای جواب می باشد. حداکثر مقدار F به معنی کسب بیشترین سود حاصل از نصب خازن در شبکه فشار ضعیف است. مقدار K طبق برآورد دفتر فنی تولید ۱۴۰۰ دلار بر کیلووات می باشد. با توجه به اینکه این عدد برای طرحهای ۳۰ ساله می باشد و عمر مفید خازنها ۸ سال است، مقدار K در رابطه ۲ عدد ۳/۳/۳۷ دلار بر کیلووات خواهد بود.

– طریقه محاسبه :
کاهش تلفات کل فیدر، مجموع کاهش تلفات سکشنهای آن مقدار کاهش تلفات برای هر سکشن از تفاضل مقدار تلفات قبل و بعد از نصب خازن بدست می آید :
(۳)

با توجه به اینکه از تغییر جریان اکتیو قبل و بعد از خازنگذاری می توان صرف نظر نمود و نیز جریان پس از خازنگذاری از تفاضل جریان قبل از خازنگذاری و جریان خازنها بدست می آید توسط خازنه خواهیم داشت:
(۴)

بنابراین کاهش تلفات کل فیدر فشار ضعیف از مجموع کاهش تلفات سکشنهای آن بدست می آید.
برنامه کلیه حالات ممکن ترکیب خازنها در شبکه را چک می کند و برای هر حالت را بدست آورده، تابع هدف را محاسبه می کند و بهترین حالت را که سود بیشتری دارد انتخاب می کند..

 ۱ ) کاربرد خازن های موازی :
استفاده از خازن های موازی در شبکه توزیع امروزه یکی از رایج ترین روش ها برای بالا بردن مشخصات فنی سیستم از نظر کمی و کیفی می باشد. مفهوم استفاده از خازن های موازی ر می توان چنین بیان کرد که این خازن ها بر حسب ظرفیت خود در حقیقت تولید کننده توان راکتیو و … و از مورد نیاز از محل نصب آنها به سمت مصرف کننده ها بوده و به این ترتیب از نیاز به تولید و استفاده توان راکتیو در شبکه های انتقال وفوق توزیه جلوگیری می کنند. مزایای حاصل از چنین تاثیری را به شرح زیر می توان خلاصه کرد که بر حسب شرایط و نقاط ضعف شبکه یک و یا چند مورد از موارد زیر می تواند انگیزه و علت لازم برای نصب خازن ها باشد.

۱ ) کاهش مولفه راکتیوپس فاز جریان مدار و نهایتاً کاهش جریان مدار و در نتیجه افزایش قابلیت انتقال بار راکتیو از خطوط و پست ها.
۲ ) افزایش سطح ولتاژ در محل نصب خازن ها و بهبود تنظیم ولتاژ در صورتیکه واحدهای خازنی را بتوان بنحو مناسبی به مدار وارد و از آن خارج کرد.

۳ ) کاهش تلفات اکتیو سیستم و در نتیجه افزایش توان اکتیو قابل تحویل به مصرف کننده ها.
۴ ) افزایش ضریب قدرت در محل نصب خازن ها و در نتیجه افزایش ضریب قدرت ژنراتورهای منبع؛
۵ ) کاهش بار (کیلو ولت آمپر) بر روی مدار (خطوط، پست ها و ژنراتورها) به منظور خارج شدن از حالت اضافه بار و یا آزاد کردن ظرفیت برای توسعه و افزایش بار.
۶ ) قابلیت افزایش بار اکتیو (کیلووات) بر روی ژنراتورها در صورت وجود ظرفیت لازم برای توربین ها.
۷ ) کاهش دیماند (کیلو وات آمپر) برای توان خریداری شده.

۸ ) کاهش هزینه سرمایه گذاری در تاسیسات سیستم برای تامین و تحویل هر کیلو وات از بار.
۲ ) مبانی و معیارهای انتخاب :
انتخاب محل نصب، ظرفیت واحدها (UNIIS) و ظرفیت راکتیو بانک های خازنی تابع یک بررسی فنی و اقتصادی براساس ارزش مزایای حاصل از نصب این خازن ها در مقایسه با هزینه سرمایه گذاری مورد نیاز بریا تهیه، نصب و راه اندازی و تعمیرات و نگهداری خازن ها و فیدرهای مربوط به آن و تا زمانی که ارزش مزایای حاصل از نصب خازن ها برابر و یا بیشتر از هزینه آن باشد، استفاده از خازن های موازی مقرون به صرفه می باشد.
۳ ) انتخاب محل در سیستم :
از نظر فنی خازن ها در طول شبکه و یا سیستم فوق توزیع تقریباً در هر سطح ولتاژی می توانند استفاده قرار گیرند چون با سری کردن یونیت های خازن می توان به سطح ولتاژ مورد نیاز رسید و با موازی کردن یونیت ها به ظرفیت ها مگاوار لازم دست یافت. با این حال عوامل زیر باعث محدود کردن محل نصب و سطح ولتاژ مورد استفاده برای خازن ها می گردد.

۱ ) مزایای حاصل از نصب خازن ها با نزدیک تر شدن محل نصب خازن ها به محل و مصرف کننده افزایش می یابد، چون باعث کاهش تلفات و آزاد شدن ظرفیت سیستم از محل نصب به سمت منبع می گردد و سطح ولتاژ را نیز به نحو موثرتری بهبود می بخشد.
۲ ) سطح ولتاژ کار خازن ها در تعیین قیمت آن ها نقش موثر و تعیین کننده ای داشته و یونیت های خازنی با ولتاژ کار زیر ۶ کیلو ولت و یا بالاتر از ۱۵ کیلو ولت گرانتر بوده و بهترین ولتاژ کار خازن ها موازی از نظر اقتصادی فاصله ولتاژ ۶ الی ۱۵ کیلو ولت است.

به این ترتیب با توجه به نحو اتصال خازن ها به شبکه به صورت ستاره و با مثلث، عملاً بهترین سطح ولتاژ شبکه برای نصب خازن ها از نقطه نظر قیمت آنها سطح ولتاژ ۶ الی ۲۰ کیلو ولت می باشد..

۳ ) با توجه به اینکه بانک های خازنی نیز نیازمند تجهیزات سوئیچینگ، حفاظت و کنترل هستند بنابراین مانند سایر تجهیزات پست ها بایستی تحت نگهداری و مراقبت مداوم قرار گیرند، لذا گرچه از نظر فنی و اقتصادی بهترین محل نصب آنها در انتهای فیدرهای ۲۰ کیلو ولت به نظر می رسد ولی به این لحاظ تجمع و نصب آنها در محل پست های ۲۰/۶۳ کیلو ولت و بر روی شینه ۲۰ کیلو ولت متداول بوده و توصیه می گردد.

۴ ) انتخاب ظرفیت هر واحد :
نصب خازن ها در پست ها نیاز به فضای کافی برای استقرار بانک های خازنی در داخل و یا خارج ساختمان دارد. این نیاز در هنگام اضافه کردن خازن های جدید به پست های موجود با مشکلاتی نیز روبرو می باشد و در بعضی موارد محدودیت های ناشی از کمبود فضای مورد نیاز باعث عدم امکان نصب خازن ها می گردد. بنابراین بدیهی است که هر چه فضای مورد نیاز برای نصب بانک های خازنی کوچکتر باشد، مطلوب تر است. با توجه به استاندارد بودن ابعاد سطح قاعده یونیت های ساخت داخل کشور (۳۴۵× ۱۳۵ میلیمتر)، از نظر تکنولوژی ساخت،

افزایش ظرفیت هر واحد باعث کاهش ارتفاع نسبی آن در مقایسه با ظرفیت مربوطه گردیده و به همین ترتیب قیمت ساخت هر کیلو وار از ظرفیت خازنی در واحدهای با ظرفیت بیشتر، ارزانتر بوده و در نتیجه واحدهای خازنی سهینه از نظر و قیمت تمام شده (هر کیلووار) در محدوده ظرفیت ۲۰۰ الی ۲۵۰ کیلو وار می باشد. با توجه به این مطلب و امکان وجود محدودیتهای از نظر تعداد سازندگان واحدهای خازنی ۲۵۰ کیلوواری، واحدهای خازنی با ظرفیت ۲۰۰ کیلووار انتخاب و توصیه می گردد.

۵ ) انتخاب ظرفیت بانک های خازنی :
انتخاب ظرفیت راکتیو بانک های خازنی مورد نیاز یک پست براساس استفاده از ظرفیت قطعی آن طبق رابطه زیر محاسبه می گردد.

که در این رابطه :
ظرفیت راکتیو بانک های خازنی مورد نیاز =
ظرفیت قطعی (MVA) = 5
ضریب قدرت پست پس از نصب خازن =
ضریب قدرت بار پست قبل از نصب خازن =PF
با توجه به مراتب بالا و انتخاب ظرفیت قطعی ۲۱ مگاولت آمپر برای یک ترانسفور ماتور ۳۰ مگاولت آمپری منحنی های دیاگرام شماره ۱ جهت محاسبه ظرفیت بانک های خازنی برای ضرایب قدرت بار مختلف (۵/۰ الی ۹۵/۰) توسط کامپیوتر محاسبه و ترسیم گردیده است.
محل تقاطع ه یک از منحنی های مذکور با محور افقی، ضریب بار پست را قبل از نصب خازن (ظرفیت راکتیو خازن برابر صفر) نشان می دهد و بنابراین برای هر منحنی مقدار ظرفیت راکتیو مورد نیاز برای رسیدن از ضرایب قدرت موجود (قبل از نصب خازن) به ضریب قدرت نهایی (پس از نصب خازن) را با استفاده از این دیاگرام می توان محاسبه نمود.

همانگونه که از منحنی های دیاگرام مذکور مشهود است، در فاصله ضرایب قدرت ابتدایی و نهایی ۵/۰ الی ۹۵/۰ ظرفیت خازن مورد نیاز تقریباً به صورت خطی تغییر می کند و هر چه به سمت ضریب قدرت نهایی یک نزدیک شویم تغییرات راکتیو خازن مورد لزوم غیر خطی تر شده معنی که برای رسیدن به ضرایب قدرت بالای ۹۵/۰ به ظرفیت راکتیو خازنی بیشتری در مقایسه با ضرایب قدرت پایین ۹۵/۰ نیاز می باشد.

برای تعیین ظرفیت راکتیو خازن جهت اصلاح ضریب قدرت، علاوه بر ظرفیت پست می باشد ضریب قدرت نهایی مورد نیاز و ضریب قدرت فعلی بار پست نیز مشخص گردد.با توجه به گزارش بررسی خازن های شبکه سراسری که توسط دفتر برنامه ریزی برق بخش مطالعات فنی سیستم وزارت نیرو و در سال ۱۳۶۵ تهیه گردیده، ضریب مطلوب برق های منطقه ای در سال ۱۳۷۱ معادل ۹۵/۰ پیش بینی گردیده است لیکن ضریب قدرت فعلی بار پست ها بر حسب و نوع و میزان مصرف کننده ها متفاوت بوده و نتیجتاً ظرفیت خازن مورد نیاز نیز متغیر می باشد و بر حسب مورد میبایست توسط طراح و براساس آمار مربوط به ضریب قدرت بار موجود محاسبه گردد. با اینحال اگر بخواهیم به لحاظ پیش فضای مورد نیاز برای نصب بانک های خازنی در داخل و یا خارج ساختمان، ظرفیتی را به عنوان ظرفیت نمونه بانک های خازنی معرفی کنیم، می توان ضریب قدرت بار موجود را ۸۵/۰ فرض کرد در حال حاضر از این ضریب قدرت به عنوان حداقل ضریب قدرت مجاز در تعرفه های فروش به مصرف کننده های عمده استفاده شده است.
بر این اساس منحنی های دیاگرام شماره ۲ برای دقت عمل بیشتر در محاسبه ظرفیت بانک های خازنی برای ظرفیت قطعی ۲۱ مگاولت آمپر و ضرایب قدرت بار ۸۵/۰ الی ۹۵/۰ توسط کامپیوتر محاسبه و ترسیم گردیده است.

با استفاده از منحنی ضریب قدرت موجود ۸۵/۰ در دیاگرام شماره ۲، ظرفیت بانک خازنی مورد نیاز برای افزایش ضریب قدرت به ۹۵/۰ به مقدار ۷/۵مگاوار بدست می آید.
برای انتخاب ظرفیت نمونه بانک های خازنی، علاوه بر نتیجه فوق باید به نکات زیر نیز توجه داشت:
۱ ) انتخاب و استفاده از واحدهای خازن ۲۰۰ کیلوواری؛
۲ ) قابلیت تقسیم متعادل کل ظرفیت خازنی بر روی سه فاز و انتخاب حداقل ۲ مرحله برای وارد و خارج کردن خازن ها به مدار؛

۳ ) ظرفیت بانک های خازنی موجود در پست های ۲۰/۶۳ کیلو ولت که طبق آمار و اطلاعات جمع آوری شده عمدتاً دارای ظرفیت های ۴/۲ و ۷/۲ مگاوارست.
با توجه به آنچه که گفته شد ظرفیت نمونه بانک های خازن متشکل از واحدهای ۲۰۰ کیلوواری با ولتاژ کار ۵۵/۱۱ کیلو ولت به میزان ۴/۲× ۲ مگاوار انتخاب و توصیه می گردد که این میزان خازن ضریب قدرت را از ۸۵/۰ به حدود ۹۴/۰ می رساند بطوریکه با وارد شدن بانک اول (۴/۲ ×! ۱ مگاوار) به مدار ضریب قدرت از ۸۵/۰ به حدود ۹/۰ (یا ۸۹۶/۰) رسیده و با وارد شدن هر دو بانک (۴/۲×۲ مگاوار) ضریب قدرت از ۸۵/۰ به حدود ۹۴/۰ (یا ۹۳۶/۰) می رسد.

۶ ) انتخاب تعداد و نوع فیدرها :
با توجه به نتایج حاصل از بخش ۵ بالا تعداد فیدرهی مورد نیاز برای بانک های خازنی انتخاب شده می تواند ۲ فیدر باشد و هر فیدر با کلید مربوط به خود ضمن حفاظت کلی بانک خازن آن را به مدار وارد و یا از مدار خارج کند با اینحال با توجه به نکات زیر، انتخاب یک فیدر با یک کلید رای هر دو بانک به همراه دو کلید قطع کنده زبر بار برای قطع و وصل جداگانه بانک های خازنی توصیه می گردد.
۱ ) قیمت یک کلید (CIRCUII BREAKER) گرانتر از قیمت دو کلید قطع کننده زیر بار (LDAD BREARER SWITCH) است.

۲ ) هزینه تعمیرات و نگهداری کلیدهای قطع کننده زیر بار پایین تر از کلید بوده و از سهولت و سادگی بیشتری نیز بر خوردار است.
۳ ) در اکثر موارد انگیزه اصلی برای نصب خازن های موازی اصلاح ضریب قدرت بوده و لذا در صورت قطع هر دو بانک خازنی برای مدت کوتاه بعلت بروز خطا بر روی یکی از آنها اشکال اساسی در سیستم به وجود نمی آید..