آشنایی با PLC و حفاظت از راه دور (تله پروتکشن) – بخش اول

فناوری PLC که مخفف کلمات Power Line Carrier است، از سال های گذشته برای اهداف بسیار متفاوتی مورد استفاده قرار می‌گرفته است. به طور مثال برای کنترل و اهداف حفاظتی بین نیروگاه ها و پست های فشار قوی و مرکزهای کنترلی استفاده می‌شده است. از دیگر کاربردهای پی ال سی می توان به عنوان نمونه، به برقراری ارتباط تلفنی میان پست های فشار قوی و نیروگاه ها، ارسال انرژی، ولتاژ و تنظیم جریان کل یک شبکه به مرکز کنترلی و فرامین حفاظتی (PLC و تله پروتکشن) اشاره کرد. در واقع می توان گفت که مهم ترین کاربرد PLC انتقال داده های مخابراتی توسط خطوط فشار قوی بوده است.

PLC در شبکه‌های برق قدرت

محدوده فرکانسی سیگنال‌های انتقالی به طور معمول در حد کیلو هرتز است و البته در ایران با فرکانس های پائینی که بین ۴۰ تا ۵۰۰ کیلوهرتز است، کار می کنند. به همین خاطر هم می توان گفت که عمده ترین عاملی که باعث می شود ظرفیت انتقال کمی وجود داشته باشد همین فرکانس پایین است. البته با توجه به این که حجم اطلاعات کنترلی و حفاظتی شبکه برق زیاد نیست، این ظرفیت کم برای انتقال این داده ها زیاد به چشم نخواهد آمد و همین عامل هم باعث شده است که PLC جایگاه خود را به خوبی در شبکه های قدرت برق به‌خصوص در کاربردهای PLC و تله پروتکشن حفظ کند.

در این سیستم برای ارتباط دو طرفه میان دو پست A,B یک زوج فرستنده و گیرنده در هر کدام از پستها قرار می گیرد و چون دستگاه‌های فرستنده و گیرنده PLC را نمی توان مستقیماً به خط فشار قوی وصل کرد به همین خاطر به تجهیزات واسطه‌ای نیاز است تا هم سیگنال فرکانس بالای PLC را به خط کوپل نموده و هم مانع از اتصال مستقیم ولتاژ بالا به دستگاه‌های حساس PLC بشوند به همین خاطر از خازن‌های کوپلاژ استفاده می‌شود. که با افزایش فرکانس به طور اتصال کوتا عمل می کنند و در فرکانسهای بالا به صورت اتصال باز در می‌آیند. معمولاً خازن‌های کوپلاژ بین 1000pf تا 2000pf انتخاب می‌شوند.

PLC در پست‌های فشار قوی

در پست‌های فشار قوی برای اندازه گیری ولتاژ و جریان خط از تقسیم کننده های ولتاژ خازنی به نام CVT استفاده می شود لذا از آن‌ها می توان جهت خازن جدا کننده استفاده کرد. برای اینکه تلفات خط کم شود باید حداکثر توان فرستنده به خط کوپل شده و توان برگشتی به حداقل خود برسد. وسیله ای که جهت تطبیق امپدانس به کار می رود جعبه یا واحد تطبیق امپدانس نامیده می شود و با علامت اختصاری LMU (Line Matching Unit) نشان داده می شود.

برای اینکه سیگنال ارسالی توسط PLC به خطوط دیگر انتشار پیدا نکند باید با قرار دادن مداری بر سر راه نشتی، مانع از راه‌یابی آن به مسیر ناخواسته شویم به عبارت دیگر در مقابل فرکانس‌های بالای PLC مقاومت زیاد از خود نشان دهد و در مقابل سیگنال فشارقوی همانند یک اتصال کوتاه عمل کند با توجه به این دو خصوصیت عنوان شده، استفاده از دو سلف سری با خط انتقال در پست‌های A,B را حل می کند زیرا امپدانس سلفی XL=2∏FL با فرکانس رابطه مستقیم دارد. به آن‌ها Line trap  نیز گفته می‌شود. برای آشنایی بیشتر با PLC و تله پروتکشن، بد نیست با اجزای یک سیستم PLC آشنا شویم.

 

اجزای تشکیل دهنده یک سیستم PLC

به طور معمول یک سیستم PLC از اجزای زیر که با توجه به شکل زیر چینش میشوند تشکیل می‌گردد.

تله موج (Line Trap)

تله موج همراه با تنظیم کننده‌اش (Tuner) وسیله‌ای است که به صورت سری با خط قدرت برای انتقال سیگنال به کار گرفته می‌شود. تجهیز تله موج برای فرکانس‌های مرتبط با PLC به صورت امپدانس بالا ظاهر می‌گردد در صورتی که برای فرکانس شبکه قدرت (50Hz) امپدانس کمی نشان می‌دهد. این تجهیز در انتهای خط قدرت و پس از گره لینک PLC به صورت سری با خط قدرت نصب می‌گردد تا از انتقال سیگنال‌های PLC به سمت ناخواسته جلوگیری نماید و همچنین مسیر ارسال اطلاعات را از کلیدزنی‌هایی که منجر به تغییر امپدانس مسیر می‌گردد ایزوله می‌نماید.

خازن کوپلاژ (coupling capacitor)

تطبیق خازن کوپلاژ و واحد تطبیق امپدانس مسیر امپدانس کم را به وسیله تشکیل یک مدار تشدید (رزونانس) سری به سوی خط انتقال برای فرکانس حامل سیگنال ایجاد می‌نماید. در سوی دیگر خاصیت خازنی، خازن کوپلاژ برای جلوگیری از ورود توان فرکانس قدرت به تجهیزات کانال مسیر با امپدانس زیاد می‌سازد. اگر چه خازن کوپلاژ تشکیل یک مسیر امپدانس زیاد در برابر فرکانس قدرت را می دهد اما برای افزایش ضریب ایمنی در برابر عبور احتمالی فرکانس قدرت از خازن کوپلاژ، به وسیله یک سیم پیچ تخلیه مسیری به سوی زمین تشکیل می‌گردد. اگر چه امروزه به صورت پرکاربرد از تجهیزی به نام CVT به جای خازن کوپلاژ استفاده می‌گردد زیرا که توانایی‌های خازن کوپلاژ را دارد و هم در کاربردهای دیگر همچون استفاده به عنوان ترانسفورماتور ولتاژ به کار گرفته می‌شود.

واحد تطبیق امپدانس L.M.U (Line Matching Unit)

هدف از به کارگیری این تجهیز متصل به خازن کوپلاژ، فراهم نمودن مسیری با امپدانس کم برای توان فرکانس PLC و تشکیل مسیری با امپدانس زیاد برای توان فرکانس قدرت است. دیگر کاربرد واحد تطبیق امپدانس منطبق نمودن امپدانس میان کابل کواکسیال که معمولا 50 تا 75 اهم است با خط قدرت که امپدانسی برابر 150 تا 500 اهم می‌تواند داشته باشد، است. هر واحد کوپلینگ به طور معمول شامل، تجهیز تنظیم کننده، ترانسفورماتور ایزوله کننده و وسائل حفاظتی می‌باشد. این تجهیز همان گونه که در شکل هم می‌بینید روی استراکچر خازن کوپلاژ نصب می‌شود.

مسیر اتصال (connection line)

مسیر اتصال که به طور معمول کابل کواکسیال می‌باشد، واحد کوپلینگ را به PLC متصل می‌کند.

کابل کواکسیال

کابل کواکسیال یا هم محور، کابلی است الکتریکی که دور هسته آن یک لایه عایق لوله‌ای قرار می‌گیرد. روی لایه عایق لوله‌ای، یک هادی حفاظتی قرار دارد. نام گذاری کواکسیال به این دلیل است که هادی داخلی و لایه محافظ از یک محور هندسی مشابه بهره‌ می‌برند. این نوع کابل‌ها برای ارسال اطلاعات رادیوئی به وسیله آنتن‌ها، اتصالات شبکه‌های کامپیوتری و تلویزیونی کاربرد دارند.

ویژگی بارز این کابل این است که سیگنال الکترومغناطیس حامل اطلاعات تنها در فضای میان هادی داخلی و بیرونی موجود می‌باشد. این ویژگی اجازه می‌دهد تا این کابل را در محیط‌های فلزی همچون آبروها بدون تلفات به کار گرفت. همچنین سیگنال را در برابر تداخلات الکترومغناطیسی خارجی محافظت می‌کند. مزایای دیگر کابل کواکسیال، می‌توانیم به ظرفیت بالای انتقال داده (حداکثر پهنای باند 300 مگا هرتز)، قابلیت اطمینان بالا، دوام و پایداری زیاد و قابلیت استفاده در سیستم‌های آنالوگ و دیجیتال اشاره کنیم.

خطوط قدرت

خطوط قدرت برای کاربردهای مخابراتی طراحی نشده‌اند. بااین‌حال، به دلیل مزایای زیاد، قادر به دسترسی به مکان‌هایی هستند که برای سیستم‌های مخابراتی دیگر ممکن نیست.

به منظور به کارگیری از یک خط قدرت در سیستم PLC و تله پروتکشن می‌بایست شاخص‌های زیر را مد نظر قرار داد:

• مشخصه امپدانسی خط قدرت
• تضعیف ناشی از پراکندگی
• نویز ناشی از خط قدرت

مشخصه امپدانسی

این مشخصه خط قدرت می‌تواند هم چون نسبت ولتاژ و شدت جریان در هر نقطه از خط در فرکانس مخابراتی مشخص گردد. در یک خط ایده‌آل با بارهای متناسب در طرفین، این مقدار با بار منطبق است و هنگامی که نسبت ولتاژ و جریان متفاوتی وجود داشته باشد مقادیر متفاوتی ارائه می‌دهد. اگر چه نسبت ولتاژ به جریان در خطوط انتقال ثابت است اما این تصور که مقدار امپدانس خط به خاطر نقص همگانی در ساختمان واقعی آن در سرتاسر خط یکسان نیست نیز واقعیت دارد.

تضعیف در خط

در طول خط انتقال، تضعیف سیگنال رخ می‌دهد که به خاطر این تلفات رنج لینک محدود می‌گردد. تضعیف خط به نسبت زمان ثابت نیست و در نتیجه شاخص‌های محیطی هم چون دما، رطوبت، یخ، آلودگی و غیره در مواردی تضعیف بیشتری به اتصالات فرکانس بالا در ایستگاه‌های الکتریکی نصب شده در انتهای دو مسیر می‌گردد.

اغتشاش خط

جابه‌جایی انرژی در فرکانس قدرت می‌تواند باعث تولید نویزهای فرکانس بالا بر روی خطوط قدرت گردد. اثر کرونا بیشترین تاثیر را بر روی لینک‌های PLC دارد. این نویز که از نوع پیوسته است به ولتاژ خط متصل می‌شود و در شرایط آب و هوایی مناسب بزرگتر از شرایط خشک است. از دیگر نویزهای لحظه‌ای یا ضربه‌ای موثر بر روی خط قدرت می‌توان به بریکرها، کلیدها و قوس‌های ناشی از اتصال کوتاه که در سیستم الکتریکی رخ می‌دهد اشاره نمود.

روش‌های کوپلینگ خط

 

روش فاز به زمین

در این روش پایانه PLC به یکی از فازها و زمین متصل می‌گردد. از مزایای این روش می‌توان به سادگی و نیاز به تجهیزات کمتر اشاره نمود. از معایب آن می‌توان به دارا بودن تضعیف و کم بودن قابلیت اطمینان که باید در زمان بروز خطا موجود باشد نام برد.

روش فاز به فاز

در این روش سیگنال‌ها به صورت یکسان به دو فاز خط متصل هستند که می‌توان گفت فازها متعلق به یک بازوی خط هستند یا نیستند. این روش نسبت به روش فاز به زمین تضعیف کمتری دارد. البته نسبت به روش قبل، باید دوبرابر تجهیزات برای آن به کار بگیرید. در این روش می‌توان از یک ترانسفورماتور دیفرانسیل (DT: Differential Transformer) برای جدا نمودن فازها و افزایش قابلیت لینک بهره برد. ترانسفورماتور دیفرانسیل هم چون یک مدار هایبرید عمل می‌کند.  هنگامی که خطایی بر روی یک فاز رخ دهد، فاز دیگری می‌تواند به صورت یک سیستم فاز به زمین، به کار خود ادامه دهد.

روش سه فاز

در این روش سیگنال‌ها به سه فاز متصل می‌گردند. نیمی از توان از طریق فاز وسط و نیم دیگر به صورت یکسان از طریق دو فاز کناری انتقال می‌یابند. از مزایای این روش می‌توان به کمترین میزان تضعیف اشاره کرد. هم چنین در صورت بروز مشکل در یک یا دو فاز، لینک به صورت دو فاز یا فاز به زمین به کار خود ادامه می‌دهد. در مقایسه با دیگر روش‌ها آشکار است که تجهیزات بیشتری مورد استفاده قرار می گیرد.

در قسمت دوم همین مقاله در بلاگ لیان الکتریک، در مورد نحوه انتقال داده‌ها، اجزای داخلی سیستم PLC و تله پروتکشن یا حفاظت از راه دور صحبت خواهیم کرد.