مخابرات و اسکادا بین پستهای برق و بررسی ساختار و نحوه ارتباط در DPLC DG CCHP CHP

مخابرات و اسکادا بین پستهای برق و بررسی ساختار و نحوه ارتباط در DPLC DG CCHP CHP

• مقدمه: به دلیل گستردگی شبکه به هم پیوسته تولید و انتقال نیرو در صنعت برق و پراکندگی ایستگاه ها در نقاط بعضا دور از دسترس، احداث و بهره بردار سیستم های مخابراتی از نیازهای اساسی صنعت برق می‌باشد. کاربریهای عمده مخابرات در صنعت برق عبارتند از : 1- انتقال اطلاعات و ارسال فرامین خودکار حفاظتی برای جداسازی بخشهای حادثه دیده و معیوب در کوتاهترین زمان و جلوگیری از گستردگی حوادث جزئی به کل شبکه و پیشگیری از حوادث احتمالی. 2- انتقال اطلاعات جمع آوری شده از پست ها و نیروگاه ها به مراکز کنترل و انتقال فرامین کنترلی از مراکز کنترل به ایستگاه‌ها. 3- هماهنگی عملیات بهره برداری و برقراری ارتباط بین بخش های ستادی و عملیاتی از طریق شبکه تلفنی مستقل برق. سیستم های مخابراتی مورد استفاده در شبکه مخابرات صنعت برق شامل بیسیم، مایکروویو، PLC ، DTS ، فیبر نوری و سیستم سوئیچینگ می باشد.
• PLC سیستم مخابراتی است که از خطوط فشار قوی در فرکانس های 40 تا 400 کیلوهرتز برای انتقال پیام های مخابراتی استفاده می کند.
• DTS شبکه اختصاصی و Hot Line تلفنی دیسپاچینگ می باشد.
• کابل OPGWدر خطوط انتقال نیرو بجای سیم زمین برای انتقال اطلاعات با حجم و امنیت زیاد بکار می رود. سیستمPower Line Carrier یکی از شیوه های نوین انتقال داده می باشد که مخفف آن PLC است اما نه کنترل کننده های منطقی برنامه پذیر ، بلکه خطوط انتقال قدرت. توسعه منابع تولید، انتقال و توزیع انرژی الکتریکی نیاز مبرمی به وجود یک شبکه مخابراتی بین نقاط کلیدی سیستم برق رسانی مثل مراکز تولید، تبدیل، تصمیم گیری و توزیع که اکثرا در فواصل دور از هم واقع شده اند را به وجود آورده است. از خطوط انتقال می توان برای ارسال امواج فرکانس بالای حامل اطلاعات در سیستم های مخابراتی استفاده نمود. سیستمی که برای این گونه انتقال اطلاعات مورد استفاده قرار می گیرد را ابزار "انتقال موج حامل اطلاعات بر روی سیستم فشار قوی" یا PLC می نامند.

موارد زیر ضرورت ایجاد یک شبکه مخابراتی PLC را به وضوح روشن می نماید: 1- شبکه های مخابرات عمومی جوابگوی نیازهای ارتباطی جهت بهره برداری موثر از شبکه فشار قوی نمی باشد. 2- تبادل‌اطلاعات بین مراکز دیسپاچینگ و سایر پست‌ها‌توسط یک شبکه‌مخابراتی مطمئن‌و اختصاصی، از ضروریات این گونه مراکز می باشد. 3- با استفاده از یک شبکه جامع مخابراتی، پست ها می توانند به تجهیزات حفاظتی مجهز گردند که باعث قابلیت اعتماد بیشتر و بهره برداری موثر از شبکه می گردد. 4- عدم وجود یک شبکه مخابراتی اختصاصی، ضعف ارتباط از طریق شبکه مخابراتی شرکت مخابرات، عدم دسترسی اکثر پست های واقع در خارج شهر به خطوط ارتباطی PTT مشکلاتی هستند که در صورت وجود یک شبکه مخابراتی مطمئن بر طرف گشته و امکان بهره برداری موثرتر از شبکه را ایجاد می کند. با توجه به نکات فوق جهت مرتفع نمودن اشکالات ذکر شده و بهره برداری از شبکه، می توان با استفاده از سیستم‌هایPLCچنین شبکه‌های مخابراتی را برای استفاده در شبکه‌های برق رسانی طراحی نمود. استفاده از PLC به جای سایر سیستم های ارتباطی نظیر کابل تلفنی، امواج رادیویی و مایکروویو و ... دارای مزایایی می باشند که عبارتند از : 1- به علت ناچیز بودن افت سیگنال حامل اطلاعات در هر کیلومتر، مراکز تولید و توزیع انرژی الکتریکی که معمولا در فواصل دوری از یکدیگر واقعند را می توان مستقیما توسط کانال های PLC بدون استفاده از تکرار کننده به یکدیگر مرتبط ساخت. 2- خطوط انتقال فشار قوی که ارتباطات PLC توسط آنها صورت می گیرد، موجود بوده و احتیاج به سرمایه گذاری مجدد برای ایجاد محیط مخابراتی نیست به علاوه در شرایط متغیر آب و هوایی مصونیت ارتباط PLC در مقایسه با ارتباطات رادیویی بیشتر می باشد. 3- دستگاه های فرستنده و گیرنده PLC از درجه اطمینان بالایی برخوردار می باشند. 4- شبکه مخابراتی که از لوازم مدیریت برای کنترل و بهره برداری شبکه فشار قوی می باشد بطور اختصاصی تنها در اختیار شرکت برق منطقه ایی قرار خواهد گرفت. 5- سیستم های تلفنی PLC از شبکه تلفنی شرکت مخابرات مجزا می باشد و به عنوان سیستم های خصوصی فرض می شود.

1-2- سیستم Power Line Carrier (PLC) PLC وسیله ای برای انتقال امواج فرکانس بالا با استفاده از سیم فشار قوی می باشد. در این سیستم برای ارتباط دو طرفه میان دو پست A و B (شکل1) یک زوج فرستنده و گیرنده در هر کدام از پستها قرار می گیرد. فرستنده A سیگنال فرکانس بالای خود را با فرکانس FA-B بر روی خط فشار قوی واصل میان دو پست ارسال نموده و گیرنده موجود در پست B که بر روی فرکانسFA-B تنظیم شده است. موج ارسالی از A را از خط فشار قوی گرفته و مورد استفاده قرار می دهد. بالعکس فرستنده B سیگنال خود را با فرکانسFB-A ارسال نموده و گیرنده A نیز بر روی فرکانسFB-A تنظیم شده است. بدین ترتیب یک ارتباط دو طرفه (Duplex) میان دو نقطه A و B بر قرار می شود.

شکل 1- ارتباط دو طرفه میان دو پست A,B چون دستگاه های فرستنده و گیرنده PLC را نمی توان مستقیما به خط فشار قوی که ولتاژ بسیار زیادی دارد متصل نمود. برای اینکار به دستگاه ها و تجهیزات واسطه ای نیاز است که بین فرستنده و گیرنده و خط انتقال انرژی قرار گیرند تا هم سیگنال فرکانس بالای PLC را به خط کوپله نموده و هم مانع از اتصال مستقیم ولتاژ بالا به دستگاه های حساس PLC بشوند به همین خاطر از خازن های کوپلاژ استفاده می شود(شکل 2) با قرار دادن یک خازن بین خط انتقال و دستگاه PLC این منظور برآورده می شود.

شکل 2 – بکارگیری خازن کوپلاژ برای حفاظت از دستگاه های PLC خازن های CCoupl در مسیر سیگنال فرکانس بالای PLC به خط انتقال فشار قوی در مقابل موج با ولتاژ بالا و فرکانس 50 هرتز، امپدانس زیادی از خود نشان داده و مانع عبور آن به سمت دستگاه های PLC می شوند. در حالی که برای امواج حامل اطلاعات فرکانس بالا به صورت اتصال کوتاه عمل می کنند. این نکته از این حقیقت ناشی می شود که امپدانس خازن به صورت بیان می گردد که مقدار آن با فرکانس نسبت عکس دارد. لذا هر چقدر فرکانس کمتر باشد، امپدانس خازن بزرگتر خواهد بود. بالعکس برای فرکانس بالای سیگنال هایPLC که در محدوده40 الی400 کیلوهرتز قرار دارد، خازن CCoupl همانند اتصال کوتاه(امپدانس خیلی کوچک) عمل نموده و سیگنال PLC را به سمت خط فشار قوی هدایت می‌کند. معمولا CCoupl را بین 2000 تا 10000 پیکوفاراد انتخاب می نمایند. در پست های فشار قوی برای اندازه گیری ولتاژ و جریان خط از تقسیم کننده های (مبدلهای) ولتاژ خازنی بنام (Capacitive Voltage Transformer) CVT استفاده می شود. لذا از آنها می توان جهت خازن جداکننده CCoupl که خازن های کوپلاژ نامیده می شود نیز استفاده نمود. خط انتقال فشار قوی تلفات نسبتا زیادی برای سیگنال های فرکانس بالایPLC ایجاد می کند. این تلفات به طول، ولتاژ، وضعیت فیزیکی خط و فرکانس کار PLC بستگی دارد. بدین جهت لازم است که هنگام کوپله نمودن فرستنده PLC به خط فشار قوی، حداکثر توان فرستنده به خط کوپله شده و توان برگشتی به حداقل خود برسد. بدین دلیل لازم است مدار واسطه ای بین دستگاه PLC از یک طرف و یک سر خازن کوپلاژ از طرف دیگر قرار گرفته تا تطبیق امپدانس جهت انتقال حداکثر توان از فرستنده به خط و از خط به گیرنده صورت پذیرد. در شکل(3) چنین وضعیتی مشاهده می گردد.

شکل 3- تطبیق امپدانس بین دستگاه PLC و خط انتقال فشار قوی وسیله ای که جهت تطبیق امپدانس در شکل(3) بکار می رود جعبه یا واحد تطبیق امپدانس نامیده شده و با علامت اختصاری (Line Matching Unit) LMU نشان داده می شود. تطبیق امپدانس در LMU توسط یک ترانسفورمر صورت می گیرد که همراه با خازن کوپلاژ CCouplنقش یک فیلتر بالاگذر را ایفا می‌کند. فرکانس قطع این فیلتر توسط مقدار خازن کوپلاژ و نسبت تبدیل ترانسفورمر تطبیق مشخص می‌گردد. این فرکانس در واقع حداقل فرکانس قابل استفاده برای سیگنال های PLC را تعیین می کند. از آنجایی که ارتباط PLC میان دو پست A و B بایستی صورت می گیرد. انحراف سیگنال PLC به سمت خود پست نه تنها باعث تضعیف سیگنال ارسالی به پست مقابل شده ، بلکه باعث می شود که سیگنال ناخواسته ای به مسیرهای دیگر نفوذ کند. برای اینکه سیگنال ارسالی توسط PLC به خطوط دیگر انتشار پیدا نکند باید با قرار دادن مداری بر سر راه نشتی مانع از راه یابی آن به مسیر ناخواسته شویم به عبارت دیگر در مقابل فرکانس های بالای PLC مقاومت زیاد از خود نشان دهد و در مقابل سیگنال فشار قوی50 هرتز همانند یک اتصال کوتاه عمل کند با توجه به این دو خصوصیت عنوان شده به نظر می رسد، استفاده از دو عدد سلف سری با خط انتقال در پستهای A و B مسئله را حل می نماید. زیرا امپدانس سلفی رابطه مستقیم با فرکانس دارد.چنین سلفی برای فرکانس های بالای PLC دارای امپدانس زیاده بوده و همانند اتصال باز عمل می نماید در حالیکه برای فرکانس 50 HZ دارای امپدانس پایینی بوده و اتصال کوتاه می باشد در شکل (4) استفاده از سلف سری با خط انتقال جهت جلوگیری از نشت سیگنال های PLC و انتقال آن به مسیر مورد نظرشان نشان داده شده است.

شکل 4 – استفاده از مدار بازدارنده سری با خط فشار قوی به چنین سلف هایی که به صورت سری با خط انتقال انرژی قرار می گیرند، تله موج و یا Line Trap می گویند اما استفاده از یک سلف تنها آن هم سری با خط انتقال مطلوب نمی باشد. زیرا چنین سلفی با خازن های معادل ترانسفورمرهای موجود در پست به صورت سری قرار گرفته و چنانچه اندوکتانس L و سوسپتانس خازن های معادل تراسفورمرهای پست (C) بگونه ای باشند که فرکانس رزونانس یا تشدید مجموع سری این دو یعنی معادل فرکانس کار دستگاه PLC شود، مدار معادل سلف وخازن سری در حال رزونانس اتصال کوتاه بوده و در نتیجه نقطه کوپلاژ سیگنال PLC به خط انتقال از دید سیگنال PLC زمین شده و تمامی سیگنال از دست می رود.

شکل 5- چگونگی رزونانس سلف L با خازن معادل پست در صورتی که بجای یک سلف تنها، از یک سلف سری با یک مقاومت بزرگ استفاده شود، در فرکانس رزونانس ، امپدانسی معادل Zin بجای صفر معادل مقاومت سری با سلف خواهد بود و در صورتی که مقدار این مقاومت به اندازه کافی بزرگ باشد، مانع عبور سیگنال بالای PLC به مسیر ناخواسته می شود. اما وجود یک مقاومت بزرگ، آن هم سری با خط انتقال انرژی باعث تلفات شدیدی بر روی آن شده که انتقال انرژی الکتریکی را با دشواری های بسیاری روبرو می سازد. لذا بجای استفاده از یک سلف تنها و یا یک سلف سری با مقاومت از یک سلف که مدار تیونینگی(Tuning) به موازات آن قرار گرفته باشد و کل مجموعه با خط انتقال انرژی به صورت سری قرار گیرد، استفاده می نمایند. این مسئله در شکل (6) نشان داده شده است.

شکل 6- استفاده از سلف L موازی با یک مدار تیونینگ جهت ساخت تله موج مدار تیونینگی که به طور موازی با سلف L قرار می گیرد، عموما برای تله موج های با باند وسیع (Broad-Band) به صورت شکل(7) می باشد.

شکل 7 – تله موج های با باند وسیع همراه با مدار تیونینگ با تنظیم مدار تیونینگی که به موازات سلف اصلی تله موج قرار دارد، می توان مشخصه میان گذری برای مقدار حقیقی(جزء مقاومتی) امپدانس ورودی تله موج(RIn) بدست آورد. نمونه‌ای از چنین مشخصه‌ای را در شکل(8) ملاحظه می کنید.

شکل 8 – مشخصه فرکانسی مقدار حقیقی امپدانس ورودی تله موج شکل 8 با توجه به مشخصه شکل(8) ملاحظه می گردد که جزء حقیقی امپدانس ورودی(مقاومت ورودی) تله موج شکل(7)در حد فاصل فرکانس F1 الی F2 دارای حداقل مقاومت Rmin می باشد و در خارج این ناحیه یعنی برای فرکانس ها کمتر از F1 و بیشتر از F2 مقدار آن کاهش یافته و به سمت صفر میل می کند. در نتیجه تله موج سری با خط فشار قوی در باند فرکانس F1 یا F2 از خود حداقل مقاومت Rmin را نشان داده و در مواردی دیگر همانند اتصال کوتاه (با مقاومت ورودی صفر) عمل می کند. لازم به ذکر است که هزینه ساخت تله موج با بزرگ شدن Rmin نیز بیشتر می شود. لذا در عملRmin را بگونه ای انتخاب می کنند که تلفات حاصل از محدود بودن آن از حد استاندارد bD 6/2 پائینتر باشد. 1-3 روشهای کوپلینگ خطوط انتقال انرژی میان دو پست فشار قوی از سه فاز تشکیل می شوند. در صورتی که خط انتقال از نوع تک مداره باشد، دارای سه هادی خواهد بود و در صورتی که خط انتقال از نوع دو مداره باشد تعداد هادی ها به شش می رسد. بدین ترتیب این سوال مطرح می شود که بری کوپلینگ سیگنال PLC به خط فشار قوی از کدامیک از هادی ها(فازها) می توان استفاده نمود. در صورتی که خط تک مداره بوده و از سه فاز تشکیل شود، می توان به هر یک از فازها به تنهایی سیگنال PLC را کوپله نمود. با بررسی و مطالعه چگونگی انتشار امواج فرکانس بالا بر روی خطوط فشار قوی مشخص شده است که در صورتی که کوپلینگ تنها توسط یک فاز انجام گیرد، بهترین حالت استفاده از فاز وسط می باشد در شکل(9)این روش کوپلینگ فاز به زمین (Phase to Ground) نام دارد نشان داده شده است.

شکل 9- کوپلینگ فاز به زمین کوپلینگ فاز به زمین تلفات زیادی برای سیگنال های PLC بوجود آورده و بعلاوه در صورت وقوع خطا بر روی خط انتقال، بخصوص زمانی که فاز وسط اتصال کوتاه شود، امکان برقراری ارتباط PLC کلا از بین رفته و یا با تضعیف بسیار زیادی مواجه خواهد بود. لذا برای بالا بردن قابلیت اطمنیان ارتباط PLC و کاهش تضعیف حاصل از خط انتقال، در مواردی که که طول خط نسبتا بلند باشد سیگنال PLC را می توان به دو فاز کوپله نمود. در این صورت نه تنها با تضعیف کمتری نسبت به کوپلاژ فاز به زمین روبرو خواهیم بود، بلکه حتی با اتصال کوتاه و یکی از فازهای تحت کوپلینگ، ارتباط PLC از طریق فاز دیگر بر قرار خواهد بود و بالنتیجه قابلیت اطمینان سیستم بالاتر می رود. این روش کوپلینگ فاز به فاز نامیده شده و در شکل(10)نشان داده شده است.

شکل 10- کوپلینگ فاز به فاز در کوپلینگ فاز به فاز به دو مجموعه تجهیزات کوپلینگ شامل تله موج، خازن کوپلاژ و LMU نیاز می باشد که در نتیجه هزینه در مقایسه با کوپلینگ فاز به زمین دو برابر خواهد شد. کوپلینگ همزمان سیگنال PLC به سه فاز در خطوط تک مداره نیز امکان پذیر است. این نوع کوپلینگ اگر چه از قابلیت اطمینان بسیار بالایی برخوردار بوده و تضعیف کمتری نسبت به کوپلینگ فاز به فاز ایجاد می نماید. اما به جهت استفاده از سه مجموعه تجهیزات کوپلینگ از نظر اقتصادی گران بوده و بندرت از آن استفاده می‌شود.در خطوط فشار قوی که دو مداره می باشند، می توان از کوپلینگ بین دو مدار استفاده نمود.

شکل 11- کوپلینگ بین دو مدار همچنان که در شکل(11)ملاحظه می شود در کوپلینگ بین دو مدار به تجهیزات کوپلینگ معادلی با کوپلینگ فاز به فاز نیاز می باشد. اما حسن بزرگ این نوع کوپلینگ در قابلیت اطمینان بالاتر آن است. زیرا حتی با قطع کامل یکی از مدارها، ارتباط PLC از طریق مدار دیگر امکان پذیر می باشد. 1-4 کاربردهای PLC عمده استفاده سیستم های PLC در ارسال دو نوع اطلاعات بر روی خط فشار قوی است: 1- اطلاعات آنالوگ به صورت صحبت 2- اطلاعات دیجیتال یا آنالوگ به منظور تلگراف، کنترل از راه دور، اندازه گیری از راه دور، حفاظت از راه دور، دیتا و غیره که اصطلاحا سیگنال گفته می شوند. در سیستم های PLC اطلاعات ارسالی به صورت SSB مدوله شده و در پهنای باند 4 کیلوهرتز ارسال می گردد. فرکانس Carrier نیز عمدتا در محدوده 40 الی 400 کیلوهرتز به کانال های فرعی تقسیم شده و در هر کانال اطلاعات مربوط به یک نوع سیگنال گنجانده می شود. در مواردی نیز ممکن است که پهنای باند سیگنال PLC محدود به 5/2 کیلوهرتز باشد. البته واضح است که در این صورت اطلاعات کمتری را می توان ارسال کرد . در ذیل کاربردهای مختلف سیگنال های PLC تشریح می گردد: 1-4-1- ارتباط تلفنی(صحبت) (Speech): از PLC برای ارتباط تلفنی مستقیم بین دو نقطه می توان استفاده نمود. این نوع ارتباط بیشتر مابین مرکز دیسپاچینگ و کنترل شبکه و پست های مهم و نیروگاه ها مورد استفاده واقع می شود. در شبکه های مخابراتی شرکت های برق منطقه ای که شامل تعدادی مرکز تلفن در پست های کلیدی و مهم شبکه فشار قوی می باشد، برای ارتباط میان مراکز تلفن(Tie line trunks)عمدتا از کانال های PLC استفاده می‌شود. همچنین از کانال های PLC برای ارتباط تلفنی میان مشترکین(Extensions) با مراکز تلفن که عمدتا پست های فاقد مرکز تلفن هستند و دارای ارتباط الکتریکی با یکی از پست های دارای مرکز تلفن می باشد، استفاده می گردد. در صورتی که کانال ارتباط با PLC تنها برای ارتباط تلفنی(صحبت) مورد استفاده قرار گیرد، عموما اطلاعات صحبت را در محدوده300 الی3400 هرتز قرار می دهند. در صورتی که به همراه صحبت اطلاعات دیگری نیز ارسال گردد، طیف سیگنال صحبت بسته به تعداد سیگنال های ارسالی و سرعت انتقال آنها از 300 الی 2400 یا 2000 هرتز خواهد بود. 1-4-2- تلگراف و پست تصویری(Facsimile): کانال های ارتباطی PLC می توانند امکانات تلگراف خصوصی و پست تصویری را نیز فراهم نمایند. در شبکه های فشار قوی، می توان جهت اعمال مدیریت عملیاتی مناسب از دور نویس ها(Tele printer) استفاده نمود. در این حالت امکان نگهداری اطلاعات مبادله شده در مبدا و مقصد فرمان وجود خواهد داشت. سرعت ارسال سیگنال های تلگراف بسته به نوع دور نویس مورد استفاده معمولا بین(Bd)50 تا (Bd)70 بوده، در حالیکه سرعت ارسال اطلاعات پست تصویری ممکن است بالاتر باشد. 1-4-3- کنترل و نشاندهی از راه دور(Tele control & Tele indication): در شبکه های فشار قوی پیچیده، کنترل و دیسپاچینگ شبکه حلقه بسته ای را تشکیل می دهد که در آن وضعیت دستگاه های بسیاری از نقاط مختلف‌و دور از هم شبکه‌در یک مرکز مشخص می‌شود. اطلاعات استخراج شده، مورد تجزیه تحلیل قرار گرفته و تصمیمات مورد لزوم گرفته می شود سپس فرامین مناسب برای دستگاه های مختلف ارسال گشته و بدین ترتیب وضعیت آنها تصحیح می گردد و وضعیت جدید دستگاه ها توسط مرکز کنترل مشاهده می شود. جهت نظارت و دیسپاچینگ موثر برای بهره برداری کامل از شبکه لازم است اطلاعات مربوط به مقادیر آنالوگ نظیر ولتاژ، جریان و توان به علاوه اطلاعات مربوط به وضعیت کلیدها، ایزولاتورها و غیره همواره از پست ها و نیروگاه های مختلف به مرکز دیسپاچینگ ارسال گردند. در این رابطه از سیستم‌های PLC می توان استفاده شایان توجهی نمود. برای مخابره این اطلاعات از سرعت های پایین نظیرBd50 تا سرعت های بالا نظیر Bd 2400 استفاده می شود در صورتی که بخواهیم سیگنال ها را همراه با صحبت ارسال نمائیم طیف صحبت از 300 الی 2400 یا 2000 هرتز بوده و باقی باند فرکانسی4 کیلوهرتز به آنها اختصاص داده می شود. در سرعت های بالا نظیر Bd 1200 تا Bd 2400 لازم است که کلیه طیف فرکانسی4 کیلوهرتز به اطلاعات فوق الذکر تخصیص داده شود.

1-4-4- حفاظت از راه دور(Tele protection): به منظور حفظ جان پرسنل و پیشگیری از خسارت دستگاه ها و همچنین تضمین پیوستگی و تداوم نیرورسانی در شبکه های فشار قوی، این گونه سیستم ها را بایستی در مقابل خطاهایی از قبیل اتصال کوتاه حفظ نمود. حفاظت در مقابل اتصال کوتاه بوسیله رفع آن با بی برق کردن خط معیوب توسط دستگاه های تشخیص اتصال کوتاه (رله های حفاظتی) امکان پذیر می باشد. برای انجام این کار در اسرع وقت ودر عین حال برای پیشگیری از قطع شدن سایر کلیدها و رله های مربوطه در شبکه، برقراری یک مسیر ارتباط علائم حفاظتی پایین رله های حفاظتی ضروری می باشد.

https://www.instagram.com/solardg_iranian/ dgsolar.ir