قابلیت اطمینان در نرمافزار DigSILENT
نرمافزار Digsilent یک ابزار شبیهسازی برای محاسبه و تحلیل رفتار سیستمهای قدرت با اهداف طراحی و بهره برداری است. ویرایش یازدهم این نرمافزار که بنامPower Factory معروف است در سال 1993 بر اساس تجربیات موفق نسخه های قبل و در محیط C++ ایجاد گردیده است. Digsilent در عین اینکه می تواند به عنوان یک ابزار محاسباتی قوی برای سیستمهای قدرت در مقیاس بزرگ با ابعاد هزار ماشین استفاده شود. همچنین بهعنوان یک ابزار مقیاس کوچک برای حل مسائل برق استفاده میگردد. الگوریتم و تکنیکهای مدلسازی این نرم افزار مطمئن و قابل انعطاف است، به گونه ای که قادر است طیف وسیعی از رفتارهای سیستم قدرت را در حالت های ماندگار و یا گذرا شبیه سازی نماید.
نرمافزار Digsilent نرمافزاری ماژولار است، به این مفهوم که دارای ماژولهای متعددی بوده و میتواند مطالعات متنوعی را بر روی سیستم قدرت انجام دهد. ازجمله این محاسبات عبارت اند از: پخش بار، پخش بار اقتصادی، اتصال کوتاه، مطالعات هارمونیکی و کاهش شبکه و… . یکی از مهمترین این محاسبات، مربوط به تحلیل قابلیت اطمینان است. برای انجام این محاسبات ، وارد کردن اطلاعاتپایه و پخش بار و دادههای قابلیت اطمینانی تجهیزات، لازم است. با داشتن این اطلاعات، نرمافزار، محاسبات قابلیت اطمینان شبکه را انجام میدهد. در قسمت بعد به نحوه انجام محاسبات قابلیت اطمینان در این نرمافزار پرداخته میشود.
در حال حاضر بسیاری از شرکتهای برق منطقه ای ایران از این نرم افزار برای انجام مطالعات سیستم استفاده میکنند
روش ارزیابی قابلیت اطمینان
ارزیابی قابلیت اطمینان در نرمافزار Digsilent شامل موارد زیر است.نحوه ارتباط بین این موارد در شکل 1 نشان داده شده است.
مدل کردن خطا مدل کردن بار ایجاد حالت سیستم آنالیز اثر خطا آنالیز آماری گزارش دهی
آنالیز قابلیت اطمینان در Digsilent دیاگرام پایه
در محاسبات آنالیز قابلیت اطمینان ،مدلهای خطا نحوه خروج اجزا را توصیف میکنند، به این مفهوم که آنها با چه نرخ احتمالاتی ممکن است دچار خطا شوند و هنگامیکه خارج شدند متوسط زمان لازم برای تعمیر آنها چه مدت است .مدلهای بار میتواند تعداد محدودی از تقاضاهای بار را شامل شود و یا بر مبنای پیشبینی و افزایش باری که توسط کاربر تعریفشده، مدل شود .
ترکیب یک یا چند خطای همزمان و شرایط بار مخصوص به عنوان “حالت سیستم” شناخته میشود. نرمافزار Digsilent ، با استفاده از مدلهای بار و خطا، لیستی از حالتهای مرتبط با سیستم را ایجاد میکند .بعدازآن، آنالیز اثر خطا FEA با شبیه سازی واکنش های سیستم به هر خطا ، هرکدام از حالت های سیستم را تحلیل میکند. آنالیز اثر خطا سیستم قدرت را پس از خطا به چندین حالت عملیاتی شامل حالتهای زیر تبدیل میکند:
پاک کردن خطا با تریپ دادن بریکرها یا فیوزهای حفاظتی جدا کردن خطا به وسیله باز کردن کلیدهای جداکننده بازیابی توان با بستن کلیدهای باز
کاهش اضافه بار توسط جابجایی بار و یا بار زدایی
رفع محدودیتهای ولتاژ توسط کاهش بار فقط برای شبکه توزیع
هدف تابع FEA این است که مشخص کند که آیا خطاهای سیستم باعث قطع بار میشوند؛ و اگر چنین است کدام بارها و به چه مدت باید قطع شوند. نتایج FEA با اطلاعات مدل حالت سیستم ترکیب میشود تا شاخصهای قابلیت اطمینان به دست آیند. اطلاعات حالت سیستم، فرکانس مورد انتظار وقوع هر حالت سیستم و مدتزمان مورد انتظار متناظر با آن را توصیف میکند. البته لازم به ذکر است که مدتزمان این حالتهای سیستم را نباید با مدتزمان قطعی بار یکسان گرفت. بدین معنی که زمان متناظر باحالت سیستم مرتبط با خروج یک خط، که مثل به دلیل وقوع اتصال کوتاه در آن خط رخداده، برابر بازمان موردنیاز برای تعمیر آن خط است. اما اگر خطی موازی با این خط وجود داشته باشد که بتواند بار را تأمین کند ،مدتزمان قطعی برابر صفر خواهد بود و هیچ باری قطع نخواهد شد. حتی اگربارها در اثر خروج تجهیزات قطع شوند، ممکن است با بازآرایی شبکه بتوان توان آنها را بازیابی کرد .این کار میتواند با انجام مانور لازم پس از جدا کردن محل خطا صورت گیرد. در این حالت زمان قطعی بازمان بازیابی برابر میشود و نه با مدت زمان تعمیر
مدل آماری خطا و رفع خطا در نرمافزار Digsilent
مدل تصادفی قابلیت اطمینان یک بیان آماری از نرخ خطا و مدتزمان تعمیر برای اجزای سیستم قدرت است .به عنوان مثال، یک خط ممکن است بعد از اتصال کوتاه، از مدار خارج شده و آسیب ببیند. حال بعد از خروج باید تعمیر آغاز شود و خط دوباره بعد از تعمیر موفق، به شبکه برمیگردد. با توجه به این توضیح میتوان دو حالت برای خط A متصور شد که حالت اول در مدار بودن، و حالت دوم در حال تعمیر بودن این خط است. شکل دو حالت در مدار بودن یا سالم بودن و در حال تعمیر بودن تجهیز را نشان میدهد. عدر مدار یا تحت تعمیر( هرکدام از این حالتها برای یک مدت زمان مشخص به طول میانجامند.
مدل تصادفی تجهیزات برای محاسبات قابلیت اطمینان
خط A ، در زمان T خارج میشود. بعد از تعمیر در زمان T2 به مدار برمیگردد و این روند تکرار می گردد .مدت زمانهای تعمیرTTR برابراست با:
R1 = T2 – T1
R2 = T4 – T3
همچنین TTR برابر با کل زمان تعمیر تقسیمبر تعداد خروج های تجهیز است. زمان مورد انتظار خروج TTF برابر با کل زمان سالم بودن تجهیز تقسیم بر تعداد خطاهای تجهیز است. در این مثال TTF برابر است با:
S1=T1
S2=T3-T
هر دو کمیتTTR وTTF کمیت هایی تصادفی هستند. با جمع کردن اطلاعات خروج یک نوع تجهیز در شبکه، اطلاعات آماری در موردTTR وTTf مانند مقدار متوسط و مقدار انحراف آنها به دست می آید و این اطلاعات درنهایت برای ایجاد مدل تصادفی سیستم استفاده میشوند. برای تعریف مدل تصادفی، از مدل مارکوف همگن سادهشده، استفاده می شود. داده های ورودی مدل مارکوف همگن یعنی نرخ خروج تجهیزات ? و نرخ تعمیر ? آنها به صورت زیر محاسبه میشوند:
دسترسی پذیری: نسبتی از کل زمان مورد مطالعه است که المان در حال کار سرویس است.
دسترس ناپذیری: نسبتی از کل زمان مورد مطالعه است که المان در حال تعمیر است.
برای روشنتر شدن موضوع مبحث را با یک مثال ادامه می دهیم، فرض کنید برای 7500 ترانسفورماتور در طول 10 سال ،140 خروج ثبت شده است و کل زمان خروج برای تعمیر ،7360 ساعت به طول کشیده است. در این حالت پارامترها و کمیت های زیر به دست خواهد آمد
احتمال یا امید ریاضی با ساعت بر سال h/a نشان داده میشود.
ارزیابی سیستم های مرکب تولید و انتقال مرکب، یک مسئله بس یار پیچیده است . همانطوری که در شکل نشان داده شده است داده های موردنیاز برای تحلیل این مسئله می تواند به دو بخش کلی تقسیم شوند. به مفهوم ساده تر، این دادهها میتوانند به عنوان داده های قطعی و تصادفی در نظرگرفته شوند.
داده های مورد نیاز
داده های قطعی
این داده ها در سطح سیستم و اجزاء واقعی، مورد نیاز هستند. داده های اجزاء دربرگیرنده پارامترهای شناخته شده ای نظیر امپدانسهای خط، سوسپتانس ها ، توانایی انتقال جریان، پارامترهای واحد تولید و دیگر مقادیر مشابه ای که معمولاً در مطالعات پخش بر به کار گرفته میشوند ، هستند. معمولاً مش کلی در تعیین این داده ها نیست چون این مقادیر در بخش مطالعات استفاده میشوند.
اما درک و تهیه داده های سیستم بسیار مشکل است و باید در برگیرنده پاسخ سیستم تحت شرایطم ش خص خامو شی هم با شد. این داده ها در مطالعه قابلیت اطمینان مرکب بسیار مهم هستند. مدل کامپیوتری باید به همان روش، به عنوان یک سیستم واقعی رفتار کند در غیر این صورت نتایج مناسب به دست نمیآید. این موضوع ، مسئله مهمی در ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم های مرکب است و موضوعی است که تابه حال، به طور صحیح تشخیص داده نشده است.
داده های تصادفی
داده های تصادفی را می توان مجدداً به دو بخش تقسیم کرد: داده های اجزاء و سیستم. داده های اجزاء موردنیاز، به پارامترهای خرابی و تعمیر تک تک اجزاء موجود در سیستم وابسته است. این داده ها معمولاً در دسترس هستند. اغلب لازم است تا نسبت تا نسبت به در نظر گرفتن و لحاظ کردن حوادث سیستمی که دو یا چند جزء را در برمیگیرد ، اقدام شود. این نوع داده ها، ویژه سیستم است و معمولاً به عنوان دومین یا سومین سطح داده های ورودی، به تحلیل قابلیت اطمینان کل سیستم مرکب اضافه می شوند . داده های سیستم شامل چندین خرابی است که از آرایش های متعارف خط انتقال یا اثراختلال پستها به دست میاید.
انواع مختلف خاموشی ها میتواند به صورت زیر دسته بندی شوند:
خاموشی های مستقل خاموشی های وابسته
خاموشی های علت مشترک یا مد مشترک در خاموشی های ناشی از پست
خاموشی های مستقل
خاموشی های مستقل به سادگی در ارتباط با دو یا چند تجهیز هستند. آنها را خاموشی های اشتراکی 2 یا خاموشی های مستقل همزمان نیز می نامند. احتمال چنین خامو شی هایی، حا صل احتمالات خرابی برای هرکدام از اجزا است. مدل اجزاء اصلی مورداستفاده در این موارد، نمایش ساده دو حالتهایی است که در آن اجزاء فعال یا غیرفعال هستند.
نرخ گذر از حالت فعال به حالت غیرفعال اجزاء، با نرخ خرابی λ تعیین می شود . فرایند بازیابی از حالت غیرفعال به حالت فعال، تا حدی پیچیدهتر است و معمولاً به وسیله نرخ تعمیر µ تعیین میشود . بازیابی خاموشی اجباری میتواند با روش های مشخصی صورت گیرد که این روشها نتیجه تفاوتهای مهم در احتمال یافتن اجزاء در حالت غیرفعال است تعکه معمولاً به عنوان دست ترسناپذیری تعیین میشت ودر برخی از فرایندهای بازیابی به صورت:
الف) بازبست خودکار سرعت بالا؛ ب) بازبست خودکار سرعتپایین؛ ج) بدون تعمیر؛ د) با تعمیر؛
این روش ها مقادیر مختلف زمانهای خاموش و در نتیجه نرخ های مختلف تعمیر را شامل میشوند.
دیاگرام فضای حالت برای آرایش با دو جزء با در نظر گرفتن خرابیهای مستقل در شکل نشان داده شده است. علاوه بر خروج اجباری ، ممکن است اجزاء برای خروج زمان بندی شده نیز از مدار خارج شوند. درهرحال نرخ خروج با برنامه نباید مستقیماً به نرخ خرابی اضافه شود چون خاموشتی های با برنامه حوادث تصادفی نیستند. برای نمونه، اگر خروج حتمی یک جزء باعث قطع برق مشترکین گردد، اجزاء معمولاً برای تعمیرات خارج نمیشوند. در اکثر روشهای حاضر برای ارزیابی قابلیت اطمینان فرض بر این است که خروج های احتمالی، مستقل از هم هستند.
مدل پایه خرابی مستقل همزمان
خاموشی های وابسته
همانطوری که از اسم آنها مشخص است، این خاموشی ها بستگی به وقوع یک یا چندین خاموشی دیگر دارند .به عنوان مثال، خاموشی مستقل در یک خط در یک شبکه دو مداره، منجر به خروج خط دوم به دلیل اضافه بار، از مدار می شود. این خاموشی ها معمولاً در تعیین قابلیت اطمینان سیستم های مرکب لحاظ نمیگردند و نیازمند درکی از داده های سیستم علاوه بر داده های تک تک تجهیز است.
خاموشی های مد مشترک
همان طوری که در بخش قبل بیان گردید ، احتمال وقوع یک حادثه که در برگیرنده دو یا چندخاموشی همزمان است ، احتمال خاموشی تکی را ایجاد می نماید. اگر احتمال خاموشی های تکی پایین باشند حاصل می تواند خیلی کوچک باشد. اما احتمال خاموشی مد مشترک، ناشی از پیشامد احتمالی مشابه میتواند چندین بار بزرگتر باشتتد. بنابراین تأثیر این خاموشی ها روی شاخصهای قابلیت اطمینان باس، میتواند به طور عمده با خاموشی های مستقل از مرتبه دو یا بیشتر مقایسه شود.
هنگامیکه پیشامد دیگری نباشد خاموشی مد مشترک یک حادثه با علت خارجی، به دلیل اثر چند خرابی است.مثال خیلی روشن خاموشی مد مشترک، خرابی نگهدارنده دو یا چند مدار و به عبارتی دکل است. این حادثه میتواند با خروجی یک آرایش مشابه مقایسه شود اما این بار هر کدام از دو مدار روی دکل مجزا قرارگرفته اند و حتیالمقدور باید فاصله آن دو از هم زیاد باشد.
گروهی که بر روی خروج مد مشترک تأسیسات تأمین توان در زیر کمیته IEEE فعالیت میکنند مدلی برای کاربرد روشهای احتمالی خروجهای مد مشترک برای دو خط انتقال روی یک مسیر عبور یا روی یک دکل انتقال، پیشنهاد دادهاند. این مدل که در شکل 6نشان داده شده، به طور اساسی مشابه با شکل است بهجز اینکه نرخ گذر مستقیم از حالت 1 به حالت 4 برابر λc است. این مدل فرض میکند که مراحل تعمیر مشابه ای برای تمام خرابیها اعم از خرابیهای مد مشترک به کار میرود
مدل خاموشی مد مشترک
خاموشی های ناشی از پست
خروج دو یا چند تجهیز انتقال لزوماً به همان صتتورت واحدهای تولید نیستتت، بلکه میتواند به ستتبب خاموشی های ناشی از پست باشد. خاموشی های ناشی از پست میتواند به علت خطای زمین روی کلید قدرت، ش رایط گیرکردن کلید قدرت، خطای باس و غیره یا ترکیبی از این خاموشی ها رخ دهد.چنین خامو شی هایی قبلاً در نرخ های خامو شی خط و یا ژ نراتور به وسیله ترکیب این خامو شی ها با نرخ های مستقل خاموشی به حساب آورده شده اند.اما چنین روشی نمیتواند وضعیتی را تشخیص دهد، که در آن بیش از یک جزء سیستم به طور همزمان به سبب تنها یک حادثه مجزا در پست قطع شوند.
بنابراین در نظر گرفتن این خاموشی ها به صورت حوادث جداگانه ضروری است. اثر خاموش یهای ناشی از پست در قابلیت اطمینان سیستم مرکب به صورت گسترده تحلیل نشده است و میتواند تأثیر محسوس ی روی شاخصه ای قابلیت اطمینان نقطه بار داشته باشد. این اثر میتواند به وضوح در پست شکل دیده شود.
آرایش نیروگاه Squaw Rapids در سیستم شرکت Saskatchewan از آرایش شکل مشاهده میشود که یک خطای زمین روی کلید قدرت 901 ، کلیدهای قدرت 902 و 907 را بازخواهد کرد و بنابراین چهار واحد تولید را از سیستم جدا میکند. این نوع حوادث معمولاً در مطالعات قابلیت اطمینان ظرفیت تولید یا سیستم مرکب قرار نمیگیرند.گرچه مدت زمان خروج در این حالت، شاید با مدت زمان تعمیر کلید 901 در ارتباط نباشد ولی به طور ساده، با انجام عمل کلید زنی که بایستی کلید از سیستم خارج و چهار واحد تولیدی به مدار برگردانده شوند در ارتباط است. ازاین رو توجه به این نکته حائز اهمیت است که رفع خطای ترمینال پست در این حالت شاید مستقیماً با تعمیرات درگیر نباشد و تنها نیازمند عملیات کلید زنی بوده و لذا مدل متفاوتی موردنیاز است و شکل یک مدل ممکن که شامل مد مشترک و حوادث مربوط به پست میشود را نشان میدهد.
مدل متداول حوادث مربوط به مد مشترک، مستقل و پست
دیاگرام تغییر حالت شکل ، دو حادثه خرابی مد مشترک را که به وسیله λc1 وλc2 مشخص شده استتت، نشان میدهد. این حوادث ازلحاظ فیزیکی متفاوت هستتتند. در اولین حالت، تعمیر از فرایند مشابه حوادث مستقل پیروی میکند درصورتیکه در دومین حالت، تعمیر از نوع فرایند تعمیر مد مشترک است. در یک وضعیت به خصوص ممکن است هر یک از آنها و یا هردو موجود باشند.
درک تأثیرات متفاوتی که حوادث مد مشترک و حوادث ناشی از پست میتواند بر روی اجزای سیستم انتقال بگذارند، حائز اهمیت است. شکل دو آرایش خط را نشان میدهد . خطوط 1 و2 در شکل از پست شروع میشوند و به دو پست B و C ختم میگردند. این دو خط شاید بهو سیله دو خرابی مستقل همزمان یا به و سیله خرابی یک تجهیز در پست A از مدار خارج شوند. دو خط نشان داده شده در شکل هر دو به پست B ختم میشوند. در این حالت یک علت خاموشی اضافی میتواند حاصل شود؛ اگر خطوط روی دکل مشترک یا مسیر عبور مشترک واقع شوند .تمام این عوامل باید برای تحلیل جامع سیستم مرکب لحاظ گردند و بدیهی است که مناسب ترین روش آن است که آنها را به عنوان اجزاء و داده های جدا از هم در سیستم، در نظر بگیرند.
آرایش های دو خط
بنابراین دادهای تصادفی مورد نیاز برای قابلیت اطمینان سیستم مرکب شامل پارامترهای تکتک اجزاء و سطوح بالاتر داده های دربرگیرنده بیش از یک جزء و شاید خاص سیستم باشد، است.
بدیهی است که تعداد نسبتاً زیادی از داده های مربوط به خروجهای خاص هر جزء وجود دارد. بیشتر شرکتها، روشهایی برای جمع آوری اطلاعات خاموشی تنظیم کرده اند و یا در حال انجام این فرایند هستند. این اطلاعات باید قادر باشد داده های مربوط به خاموشی هر جزء را در سطح قابل قبولی ارائه کند. این مسئله در خصوص خرابی های مد مشترک، مستقل و ناشی از پست وجود ندارد. اما با افزایش آگاهی، لزوم چنین داده هایی بهمنظور مطالعات کفایت سیستم، به سمت جمع آوری بهتر و بیشتر این اطلاعات پیش برده میشود.
نتایج
ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم مرکب در ساختار عملی، مسئله پیچیدهای است. این موضوع دربرگیرنده درک فیزیکی و عملکرد واقعی سیستم تحت شرایط خروج است، همچنین آگاهی درستی از شاخص های محاستبه شده را ارائه مینماید. بنابراین حوزهای که بین عملکرد و شاخصه قرار میگیرد، ارزیابی کفایت است. بنابراین مهم است که شاخص های تعیین شده دقیقاً ازنقطه نظر خودش تفسیر شوند. شاخص های تکتک نقطه بار و شاخص های سیستم هر دو با ارزش هستند و جایگزین یکدیگر نمیگردند؛ بلکه همدیگر را کامل میکنند و در دو وظیفه کاملاً متفاوت به کار گرفته میشوند.
این موضوع از ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم قدرت، شاید کمتر توسعه یافته است و نیز یکی از پیچیده ترین موضوع ها است. از دید محدودیت های محیطی، بومش ناشی، اجتماعی و اقتصادی که بیشتتر شرکتهای برق با آن مواجه می باشند، انتظار میرود که این موضوع در دهه های آینده مورد توجه بیشتری قرار گیرد.
