متمرکز کننده داده های فازور (PDC)

شکل 1: PDCها اجزای ضروری مانیتورینگ سیستم های قدرت مدرن، به ویژه در سیستم های اندازه گیری منطقه وسیع (WAMS) هستند.

متمرکز کننده های داده فازور (PDC) نقش مهمی در تمرکز، اعتبارسنجی و انتقال اطلاعات حیاتی در مورد سیستم های انتقال الکتریکی دارند. یک شبکه سنکروفازور شامل بسیاری از واحدهای اندازه گیری فاز (PMUs) است که داده ها را به PDC ها جمع آوری و ارسال می کند. اطمینان از اینکه سیستم های الکتریکی ولتاژ، فاز و جریان مناسب را در سراسر سیستم حفظ می کنند تا کل سیستم مطابق طراحی کار کند لازم است. PDCها اطلاعات مربوط به پارامترهای کلیدی سیستم را جمع آوری می کنند، اطلاعات را در نقطه زمانی صحیح علامت گذاری می کنند و سپس آن اطلاعات را به سایر PDC ها یا کنترل کننده های پایین دستی منتقل می کنند.

نمایش تمام سازندگان متمرکز کننده داده های فازور (PDC)

تئوری عملیات

PDCها اجزای ضروری نظارت بر سیستم های قدرت مدرن هستند، به ویژه در سیستم های اندازه گیری منطقه وسیع (WAMS). آنها برای جمع‌آوری، تنظیم زمان، پردازش و جمع‌آوری داده‌های PMU طراحی شده‌اند که اندازه‌گیری همزمان فازهای ولتاژ و جریان، فرکانس و نرخ تغییر فرکانس از مکان‌های مختلف در شبکه برق است. داده های تولید شده از PMU ها باید جمع آوری و به کنترل کننده های پایین دستی به شیوه ای بسیار قابل اعتماد و کارآمد منتقل شوند.

شکل 2: PMU ها برای گرفتن داده های نقطه ای با وضوح بالا از سراسر شبکه مستقر شده اند.

جمع آوری داده ها

در سرتاسر شبکه برق، PMUها برای گرفتن داده های نقطه ای با وضوح بالا از سراسر شبکه مستقر می شوند. سپس PMU ها اندازه گیری های خود را با استفاده از پروتکل های ارتباطی استاندارد به PDC ها منتقل می کنند.

تراز زمانی

از آنجایی که PMUها از همگام‌سازی زمانی مبتنی بر GPS برای نشان دادن زمان اندازه‌گیری‌های خود استفاده می‌کنند، PDCها می‌توانند داده‌های دریافتی را با مقایسه مُهر زمانی، زمان‌بندی کنند. همه اندازه‌گیری‌های داده‌ها در زمان UTC علامت‌گذاری می‌شوند تا از سازگاری بین اندازه‌گیری‌ها اطمینان حاصل شود. با همگام سازی تمام اندازه گیری ها در زمان، اندازه گیری های مختلف را می توان با دقت مقایسه کرد. این اندازه‌گیری‌های نامتجانس که همگی در یک راستا قرار گرفته‌اند، امکان نمایش منسجمی از وضعیت کل سیستم قدرت را فراهم می‌کنند.

پردازش داده ها

PDCها داده های تراز زمانی را پردازش می کنند، کارهایی مانند فیلتر کردن، درون یابی یا برون یابی را برای رسیدگی به داده های گمشده یا اشتباه و محاسبه مقادیر مشتق شده مانند جریان های توان، زاویه ها و سایر پارامترهای الکتریکی انجام می دهند.

تجمیع داده ها

PDC ها داده های پردازش شده را از چندین PMU جمع آوری می کنند و یک نمای جامع از وضعیت سیستم قدرت ایجاد می کنند. در حالی که PDC ها معمولا داده ها را ذخیره نمی کنند، دارای بافرهای ورودی هستند که اجازه می دهد داده ها قبل از انتقال جمع شوند. این داده‌ها را می‌توان برای کاربردهایی مانند تخمین حالت، نظارت بر نوسانات و تشخیص عیب بیشتر پردازش و تجزیه و تحلیل کرد.

انتقال داده

PDCها می‌توانند داده‌های جمع‌آوری‌شده را به نهادهای مختلف در سیستم قدرت، مانند مراکز کنترل، تاسیسات و سایر PDC‌ها، انتقال دهند و نظارت، کنترل و تصمیم‌گیری بلادرنگ را تسهیل کنند.

PDCها نقش مهمی در افزایش آگاهی موقعیتی اپراتورهای سیستم قدرت ایفا می‌کنند و امکان تصمیم‌گیری سریع‌تر و آگاهانه‌تر برای حفظ پایداری شبکه، افزایش قابلیت اطمینان و بهینه‌سازی عملکرد سیستم را فراهم می‌کنند.

مشخصات

با توجه به اهمیت عملکرد و قابلیت اطمینان PDC ها، مشخصات فوق العاده مهم هستند.

پروتکل های ارتباطی

مسلماً مهمترین ویژگی «زبانی» است که PDCها به آن صحبت می کنند. PDC ها باید از پروتکل های ارتباطی استاندارد برای تبادل داده ها با PMU و سایر دستگاه های سیستم قدرت پشتیبانی کنند، مانند پروتکل IEEE C37.118 که فرمت و انتقال داده های فازور را تعریف می کند و پروتکل IEC 61850 برای اتوماسیون ابزار. بسیاری از PDC ها ممکن است متعلق به سرویس های ابزار مختلف باشند، اما همچنان باید بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند تا نمای کلی شبکه را به دست آورند. بسیاری از PDC ها توانایی پشتیبانی از پروتکل های ارتباطی متعدد را دارند که به انعطاف پذیری بیشتری اجازه می دهد.

شکل 3: PDCها باید دارای قابلیت پردازش کافی برای مدیریت داده های با وضوح بالا و فرکانس بالا جمع آوری شده از PMU های متعدد باشند.

قابلیت های پردازش داده ها

PDCها باید قابلیت پردازش کافی برای مدیریت داده های با وضوح بالا و فرکانس بالا جمع آوری شده از چندین PMU را داشته باشند. آنها باید بتوانند تراز زمانی، فیلتر کردن، درون یابی، برون یابی و محاسبه کمیت های مشتق شده، مانند جریان های توان و زوایا را در زمان واقعی یا نزدیک به زمان واقعی انجام دهند. سرعت برای PDCها حیاتی است تا همانطور که طراحی شده اند کار کنند. اگر انتظار می رود PDC حجم زیادی از پردازش داده را انجام دهد، به اسب بخار محاسباتی نیاز دارد تا بتواند آن پردازش را به سرعت انجام دهد.

مقیاس پذیری

PDCها باید به گونه ای طراحی شوند که تعداد مختلفی از PMU ها را مدیریت کنند و مقیاس پذیر باشند تا رشد سیستم قدرت و استقرار PMU های اضافی را تطبیق دهند. این شامل توانایی مدیریت و پردازش حجم فزاینده داده و انطباق با نیازهای شبکه برق در حال تحول است.

امنیت

امنیت سایبری برای هر ارائه دهنده ابزار مهم است. PDC ها باید اقدامات امنیتی سایبری قوی برای محافظت از یکپارچگی و محرمانه بودن داده های در حال مبادله، پردازش و ذخیره سازی داشته باشند. این شامل کانال های ارتباطی امن، کنترل دسترسی و رمزگذاری می شود.

قابلیت اطمینان و افزونگی

PDCها باید برای قابلیت اطمینان و در دسترس بودن بالا طراحی شوند، از جمله اقدامات اضافی برای اطمینان از عملکرد مداوم در صورت خرابی قطعات یا اختلالات ارتباطی. PDCها و داده‌هایی که آنها متمرکز می‌کنند در شرایط غیرعادی که سیستم قدرت ممکن است تحت فشار باشد، بسیار مهم است. PDCها باید حتی در شرایط سخت به کار خود ادامه دهند.

این مشخصات تضمین می‌کند که PDCها می‌توانند به طور مؤثر داده‌های فازور را جمع‌آوری، پردازش و جمع‌آوری کنند و اپراتورهای سیستم قدرت را قادر می‌سازند تا پایداری شبکه را حفظ کنند، قابلیت اطمینان را افزایش دهند و عملکرد سیستم را بهینه کنند.

انواع

PDC ها را می توان بر اساس عملکرد، معماری و محل استقرار آنها دسته بندی کرد. در اینجا چند نوع متداول PDC آورده شده است:

طبقه بندی های عملکردی

PDCهای اساسی در درجه اول بر جمع آوری و تنظیم زمان داده های فازور از چندین PMU تمرکز دارند. آنها ممکن است قبل از انتقال داده ها به مراکز کنترل یا سایر PDC ها، برخی از وظایف پردازشی اولیه، مانند فیلتر کردن یا درون یابی را انجام دهند.

علاوه بر عملکردهای اولیه PDC، PDC های پیشرفته قابلیت های پردازش داده های پیشرفته، از جمله محاسبه مقادیر مشتق شده، مانند جریان های توان، زاویه ها و سایر پارامترهای الکتریکی را ارائه می دهند. آنها همچنین ممکن است ویژگی های تجسم، ذخیره سازی و تجزیه و تحلیل داده ها و همچنین پشتیبانی از پروتکل های ارتباطی مختلف و ادغام با سایر برنامه های کاربردی سیستم قدرت را ارائه دهند.

طبقه بندی های معماری

در یک معماری متمرکز، یک PDC واحد مسئول جمع آوری، پردازش و تجمیع داده های فازور از تمام PMU ها در یک سیستم قدرت است. این رویکرد مدیریت سیستم را ساده می‌کند، اما می‌تواند یک نقطه شکست ایجاد کند و ممکن است برای سیستم‌های قدرت بزرگ با تعداد PMU زیاد مقیاس‌پذیر نباشد.

در یک معماری سلسله مراتبی، چندین سطح از PDC ها مستقر می شوند. PDC های سطح پایین داده ها را از زیر مجموعه کوچکتری از PMU جمع آوری و پردازش می کنند، در حالی که PDC های سطح بالاتر داده ها را از چندین PDC سطح پایین تر جمع آوری می کنند. این رویکرد مقیاس پذیری و افزونگی را بهبود می بخشد، زیرا پردازش داده ها در چندین PDC توزیع می شود.

طبقه بندی مکان استقرار

PDC های مستقر در پست های برق در درجه اول داده ها را از PMU ها در همان پست جمع آوری و پردازش می کنند. آنها می توانند عملکردهای نظارت و کنترل محلی را ارائه دهند و داده های انبوه را به مراکز PDC یا مراکز کنترل سطح بالاتر منتقل کنند.

PDC های منطقه ای داده ها را از چندین پست یا PDC های سطح پایین در یک منطقه جغرافیایی خاص جمع آوری، پردازش و تجمیع می کنند. آنها می توانند به ارائه دید وسیع تری از وضعیت سیستم قدرت در منطقه کمک کنند و هماهنگی بین تاسیسات همسایه یا مناطق کنترل را تسهیل کنند.

PDCهای ملی یا به هم پیوسته داده‌ها را از چندین PDC منطقه‌ای یا سیستم‌های قدرت در مقیاس بزرگ جمع‌آوری و پردازش می‌کنند و نمای جامعی از شبکه برق متصل به هم ارائه می‌دهند. آنها نقش مهمی در تقویت ثبات و هماهنگی شبکه در مناطق مختلف کنترلی، تاسیسات و حتی کشورها دارند.

انتخاب نوع PDC به نیازهای خاص، اندازه و پیچیدگی سیستم قدرت تحت نظارت بستگی دارد. در عمل، ترکیبی از این انواع ممکن است برای ایجاد یک WAMS انعطاف پذیر و مقیاس پذیر متناسب با نیازهای شبکه برق مورد استفاده قرار گیرد.

شکل 4: PDC های ملی یا به هم پیوسته داده ها را از چندین PDC منطقه ای یا سیستم های قدرت در مقیاس بزرگ جمع آوری و پردازش می کنند، و یک نمای جامع از شبکه برق متصل به هم ارائه می دهند.

ساخت

فرآیند تولید PDC ها عموماً شامل طراحی، توسعه و مونتاژ قطعات سخت افزاری و نرم افزاری است که PDC را قادر می سازد تا وظایف مورد نظر خود را در WAMS انجام دهد. در اینجا مراحل اصلی درگیر در ساخت PDC آمده است:

اولین قدم تجزیه و تحلیل الزامات و مشخصات PDC با در نظر گرفتن عواملی مانند پروتکل های ارتباطی، قابلیت های پردازش داده ها، مقیاس پذیری، امنیت و قابلیت همکاری است. این تجزیه و تحلیل به تعریف معماری کلی سیستم و شناسایی اجزای سخت افزاری و نرم افزاری مورد نیاز برای PDC کمک می کند. به دلیل تاکید بر استانداردها و مقررات برای PDC ها، ضروری است که به روزترین نسخه های این استانداردها در نظر گرفته شود.

بر اساس الزامات، قطعات سخت افزاری انتخاب یا طراحی می شوند. این اجزا ممکن است شامل واحدهای پردازش، حافظه، ذخیره سازی، رابط های ارتباطی و منابع تغذیه باشند. انتخاب قطعات سخت افزاری به عواملی مانند قابلیت های پردازش، قابلیت اطمینان، مصرف انرژی و هزینه بستگی دارد.

شکل 5: اجزای سخت افزاری انتخاب شده برای ایجاد ساختار فیزیکی PDC مونتاژ می شوند.

اجزای سخت افزاری انتخاب شده برای ایجاد ساختار فیزیکی PDC مونتاژ می شوند. این فرآیند مونتاژ شامل اتصال اجزایی مانند واحد پردازش، حافظه، ذخیره سازی و رابط های ارتباطی بر روی یک برد مدار چاپی (PCB) یا داخل یک محفظه است. هنگامی که مونتاژ سخت افزار کامل شد، PDC تحت آزمایش های مختلفی قرار می گیرد تا از عملکرد، قابلیت اطمینان و عملکرد آن اطمینان حاصل شود.

اجزای نرم افزاری PDC توسعه یافته اند، از جمله سیستم عاملی که روی واحد پردازش اجرا می شود، و همچنین هر برنامه نرم افزاری سطح بالاتر برای پردازش داده، تجسم و ارتباطات. این نرم افزار باید برای پشتیبانی از پروتکل های ارتباطی استاندارد (IEEE C37.118 یا IEC 61850) طراحی شده باشد و بتواند وظایف پردازش داده های مورد نیاز را انجام دهد.

اجزای سخت‌افزار و نرم‌افزار با هم ادغام و آزمایش می‌شوند تا اطمینان حاصل شود که PDC همانطور که در نظر گرفته شده است کار می‌کند. این ممکن است شامل آزمایش توانایی PDC برای جمع‌آوری، تنظیم زمان، پردازش، تجمیع و انتقال داده‌های فازور از چندین PMU و همچنین قابلیت همکاری آن با سایر دستگاه‌ها و برنامه‌های سیستم قدرت باشد.

PDC برای اطمینان از اینکه مشخصات و استانداردهای صنعتی مورد نیاز مانند استانداردهای IEEE یا IEC را برآورده می کند، مراحل تضمین کیفیت را طی می کند. این ممکن است شامل آزمایش، بازرسی و تأیید عملکرد، قابلیت اطمینان و ایمنی PDC باشد. در برخی موارد، PDCها ممکن است قبل از استقرار در سیستم های قدرت، نیاز به دریافت گواهینامه یا تأییدیه از مقامات نظارتی یا سازمان های صنعتی داشته باشند.

هنگامی که PDC تمام آزمایشات و گواهینامه ها را گذراند، بسته بندی شده و برای مشتریان، مانند شرکت های برق یا اپراتورهای سیستم قدرت، برای نصب و ادغام در شبکه برق ارسال می شود. سپس PDC در محل مورد نظر در سیستم قدرت، معمولاً در یک مرکز کنترل یا پست نصب می‌شود و به PMUهای مربوطه و سایر دستگاه‌های سیستم قدرت متصل می‌شود. سپس PDC راه اندازی و آزمایش می شود تا از عملکرد مناسب و یکپارچگی با زیرساخت های موجود سیستم قدرت اطمینان حاصل شود.

برنامه های کاربردی

PDC ها نقش مهمی در نظارت و کنترل سیستم های قدرت مدرن دارند. PDCها داده‌های فازور همگام‌سازی شده را از چندین PMU مستقر در سراسر شبکه برق جمع‌آوری، زمان‌بندی، پردازش و جمع‌آوری می‌کنند. برخی از کاربردهای کلیدی PDC در سیستم های قدرت عبارتند از:

برآورد وضعیت

PDC ها داده های فازور همگام شده ای را ارائه می دهند که می توانند در الگوریتم های تخمین حالت برای به دست آوردن نمایشی دقیق و در زمان واقعی از وضعیت سیستم قدرت، از جمله بزرگی های ولتاژ، زاویه ها، جریان های توان و سایر پارامترهای الکتریکی استفاده شوند.

مانیتورینگ نوسان

PDCها با تجزیه و تحلیل داده های فازور همگام به شناسایی و نظارت بر نوسانات در سیستم قدرت، مانند نوسانات بین ناحیه ای کمک می کنند. این اپراتورها را قادر می سازد تا مسائل پایداری بالقوه را شناسایی کرده و اقدامات اصلاحی مناسب را انجام دهند.

شکل 6: PDCها با تجزیه و تحلیل تغییرات فازهای ولتاژ و جریان در طول رویدادهای خطا، تشخیص و محلی سازی عیب ها در سیستم قدرت را تسهیل می کنند.

تشخیص خطا و محلی سازی

PDCها با تجزیه و تحلیل تغییرات فازهای ولتاژ و جریان در طول رویدادهای خطا، تشخیص و محلی سازی خطاها در سیستم قدرت را تسهیل می کنند. این به اپراتورها کمک می کند تا مناطق آسیب دیده را شناسایی کنند، بخش های معیوب را جدا کرده و سیستم را سریعتر بازیابی کنند.

پایش پایداری ولتاژ

PDC ها می توانند با ارائه اطلاعات بلادرنگ در مورد مقادیر ولتاژ، زاویه ها و جریان های توان راکتیو در سیستم قدرت به نظارت بر پایداری ولتاژ کمک کنند. این اطلاعات اپراتورها را قادر می سازد تا مسائل بالقوه ناپایداری ولتاژ را شناسایی کرده و اقدامات پیشگیرانه مانند تنظیم دستگاه های جبران توان راکتیو را انجام دهند.

حفاظت و کنترل منطقه وسیع

PDC ها نمای جامعی از وضعیت سیستم قدرت ارائه می دهند که می تواند برای اجرای طرح های حفاظت و کنترل در محدوده وسیعی مانند جزیره سازی تطبیقی، طرح های اقدام اصلاحی، یا خاموش شدن هماهنگ ژنراتور استفاده شود.

ادغام شبکه منابع انرژی تجدیدپذیر

PDCها می توانند با ارائه اطلاعات بلادرنگ در مورد وضعیت سیستم قدرت و تأثیر این منابع بر پایداری ولتاژ و فرکانس، به نظارت و کنترل ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر، مانند نیروی باد و خورشیدی کمک کنند.

شکل 7: PDCها می توانند به نظارت و کنترل ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر مانند نیروی باد و خورشید کمک کنند.

تحلیل پس از رویداد

PDCها می‌توانند داده‌های فازور را برای تجزیه و تحلیل بعدی ذخیره کنند و به اپراتورها اجازه می‌دهند رویدادهای گذشته مانند خاموشی یا اختلالات را بررسی کنند و علل اصلی و عوامل مؤثر را شناسایی کنند. از این اطلاعات می توان برای توسعه اقدامات پیشگیرانه و بهبود قابلیت اطمینان سیستم استفاده کرد.

این کاربردهای PDC به افزایش آگاهی موقعیتی، قابلیت اطمینان و قابلیت های کنترل اپراتورهای سیستم قدرت کمک می کند و آنها را قادر می سازد تا پایداری شبکه را حفظ کنند، عملکرد سیستم را بهینه کنند و به اختلالات و رویدادها به طور موثرتری پاسخ دهند.

استانداردها

چندین استاندارد برای PDC ها اعمال می شود تا از عملکرد قابل اعتماد و کارآمد، ارتباطات داده ها و قابلیت همکاری با سایر دستگاه های سیستم قدرت اطمینان حاصل شود. از آنجایی که PDC ها برای حفظ یک سیستم انتقال الکتریکی پایدار و قابل اعتماد بسیار مهم هستند، استانداردها بسیار مهم هستند. برخی از استانداردهای کلیدی مرتبط با PDCها عبارتند از:

• IEEE C37.118

• IEC 61850

• IEEE 1588 (پروتکل زمان دقیق)

• IEEE C37.244-2013

• IEEE C37.247-2019

IEEE C37.118 توسط موسسه مهندسین برق و الکترونیک (IEEE) توسعه یافته است و الزامات PMU ها، PDC ها و سایر دستگاه های مورد استفاده در WAMS را تعریف می کند. این فرمت، انتقال، و دقت داده های فازور، و همچنین عملکرد و الزامات تست برای PMU ها و PDC ها را مشخص می کند. استاندارد را می توان به دو بخش اصلی تقسیم کرد: IEEE C37.118.1 و IEEE C37.118.2.

IEEE C37.118.1 بر الزامات اندازه گیری فازور همگام شده، از جمله فرمت داده، همگام سازی زمانی، و دقت اندازه گیری ها تمرکز دارد. همچنین پروتکل ارتباطی را برای تبادل داده های فازور بین PMU و PDC تعریف می کند.

IEEE C37.118.2 پروتکل ارتباطی داده را برای تبادل داده های فازور بین PDC و سایر دستگاه های سیستم قدرت، مانند مراکز کنترل یا سایر PDC ها مشخص می کند. فرمت داده، انواع پیام و خدمات ارتباطی برای انتقال داده فازور و همچنین الزامات بافر داده و ارسال مجدد را تعریف می کند.

IEC 61850 توسط کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی (IEC) تعریف شده است. این استاندارد یک چارچوب جامع برای ارتباطات، اتوماسیون و یکپارچه سازی دستگاه های سیستم قدرت، از جمله PDC ها تعریف می کند. PDCهایی که از استاندارد IEC 61850 پشتیبانی می کنند می توانند داده های فازور و سایر اطلاعات را با طیف گسترده ای از دستگاه های سیستم قدرت مانند رله های حفاظتی، قطع کننده های مدار و ترانسفورماتورها مبادله کنند.

IEEE 1588 پروتکل زمان دقیق نامیده می شود زیرا روشی را برای دستیابی به همگام سازی زمان با دقت بالا در شبکه های اترنت تعریف می کند. همگام سازی زمان برای حفظ تراز زمانی دقیق داده های فازور در PDC ها بسیار مهم است. در حالی که بسیاری از PDC ها از سیگنال های GPS برای همگام سازی زمان استفاده می کنند، IEEE 1588 روش جایگزینی را ارائه می دهد که می تواند سطوح مشابهی از دقت را ارائه دهد و به ویژه در شرایطی که سیگنال های GPS در دسترس یا قابل اعتماد نیستند مفید است.

IEEE C37.244-2013 و IEEE C37.247-2019 هر دو استانداردهایی هستند که دستورالعمل های عملکردی، عملکردی و آزمایشی را برای PDC ها تنظیم می کنند. IEEE C37.247-2019 شبکه اندازه گیری PMU را بیشتر توصیف می کند و مکان PDC را در آن نشان می دهد. این استاندارد همچنین حداقل عملکردهایی را که یک PDC باید انجام دهد و امنیت سایبری شبکه را لمس می کند، تعریف می کند.

PDC ها نقش مهمی در شبکه های برق مدرن دارند. استانداردهای ایمنی، قابلیت اطمینان و عملکرد کمک می کند تا اطمینان حاصل شود که PDC ها در هر زمان که مورد نیاز هستند، همانطور که انتظار می رود کار می کنند.

منبع

globalspec