وبلاگ

گسترش روز افزون شبكه های توزیع موجب شده تا دیگر امكان استفاده از روش های سنتی بهره برداری، نگهداری و حفاظت شبكه میسر نباشد. به همین دلیل برداشت اطلاعات شبكه های توزیع، مدون سازی آنها ونیز بهره گیری از سیستم اتوماسیون امری بدیهی و اجتناب ناپذیرمیباشد طبق سیستم اتوماسیون توزیع، IEEE تعریف ارائه شده از سوی موسسه سیستمی است كه قادر به نظارت، هماهنگ نمودن و اعمال فرمان روی DAS تجهیزات بصورت بلادرنگ و از راه دور دركل سیستم اعم از پست، فیدر و در محل مصرف میباشد معمولا میتواند بصورت فاز به فاز اجرا شود. ضرورت اجرای DAS سیستم اتوماسیون در ایران با توجه به شرایط نامطلوب اكثر شبكه های توزیع ،بیشتر احساس میشود. در حال حاضر از دغدغه های مهم صنعت برق كشور كه توجه تمامی مسئولین و كارشناسان بهره بردار را به خود جلب نموده، مشكلات و م عضلات موجود درسطح شبكه های توزیع میباشد. از جمله مشكلات موجود در شبكه های توزیع، بالا بودن تلفات، افت ولتاژ غیرمجاز، خاموشی های طولانی مدت برق میباشد كه با توجه به حجم زیاد سرمایه گذاری انجام گرفته در این نوع شبكه ها و لزوم بهره برداری مناسب، ایجاد مراكز اتوماسیون توزیع بعنوان یک راه حل اساسی مطرح میگردد. پیاده سازی سیستم اتوماسیون در شبكه توزیع به اقتصادی كردن بهره برداری منجر خواهد شد. مسئله اقتصادی آنقدر اساسی و مهم است كه در یكایک اهداف اتوماسیون بخوبی قابل لمس میباشد. بطوریكه از عوامل اصلی روی آوری و استفاده از آن در شبكه های توزیع میباشد. بهترین چشم انداز برای اهداف اتوماسیون متوجه شركتهایی هست كه با مسائل زیر درگیر هستند – نیاز به ظرفیت های جدید تولید، انتقال و پستهای جدید و افزایش ظرفیت سیستم – دارای شتركینی هستند كه نیاز به برق مطمئن تری دارند – دارای مناطقی با تلفات بالای غیرمعمول هستند كه دارای مشكل ولتاژ در رنج وسیع هستند – دارای طعیهای فراوان هستند تاریخچه استفاده از اتوماسیون به سالهای 1960 برمیگردد كه توسط كشورهای صنعتی شروع گردید و با ایجاد روش های جمع آوری مكانیزه اطلاعات و استفاده از امكانات نرم و سخت افزاری بسرعت گسترش یافت دستگاه های میكر و – پروسسوری اندازه گیری، حفاظتهای مجتمع دیجیتال و سیستم های كنترل كامپیوتری به همراه نرم افزارهای مدیریتی و محاسباتی سریع و تكامل یافته، موجب گردیده سیستم های اتوماسیون از قابلیت اطمینان بالا، امكان گسترش و كارآیی بهره مند گردد. بطور كلی وظایف اصلی اتوماسیون عبارتست از: 1- كنترل و نظارت بر كلید های پستها و فیدرها 2- اندازه گیری كمیتهای الكتریكی و غیرالكتریكی و نشان دادن آنها 3- تنظیم و نظارت بر عملكرد سیستم حفاظت 4- تشخیص محل وقوع خطا و جداسازی آن بصورت اتوماتیك

مدارهای مجتمع دیجیتال همواره به علت سادگی در طراحی، قابلیت پیاده سازی از یک تکنولوژی قدیمی تر به تکنولوژی جدیدتر، کم نویز بودن و کم مصرف کردن توان نسبت به مدارهای آنالوگ، بیشتر مورد توجه طراحان مدارهای مجتمع، قرار گرفته اند.
در دهه 80 میلادی بیشترین توجه طراحان بر روی مسئله سرعت و مساحت اشغال شده توسط سطح تراشه، متمرکز بود.
اما با پیشرفت تکنولوژی و افزایش تعداد ترانزیستورها در داخل یک تراشه، توان مصرفی توسط ترانزیستورها و در مجموع، توان مصرفی توسط مدارهای مجتمع اهمیت خود را نشان داد و طراحان را وادار نمود تا راهکارهائی جهت کاهش توان مصرفی ارائه دهند.
در این راستا مسائلی از قبیل مخابرات سیار و وسائل الکترونیک قابل حمل، نیز باعث گردیدند تا ضرورت کاهش توان مصرفی بیشتر مورد توجه طراحان و مهندسان قرار گیرد.
فصل اول
کلیات
1-1- اهمیت سرعت و توان مصرفی و سطح اشغال شده در مدارها
پس از به وجود آمدن مدارهای دیجیتال، همواره سه مسئله مهم مدنظر طراحان قرار داشته است، که این سه مسئله مهم عبارتند از:
1- سرعت پاسخگوی مدار به ورودی
2- مساحت اشغال شده روی سطح تراشه
3- توان مصرفی توسط تراشه
براساس نتایج به دست آمده، توان مصرفی تراشه ها در هر 3 سال به 3 سال، 4 برابر شده است و توان مصرفی در بعضی از تراشه ها به 100 وات رسیده است.

به دلیل پیشرفت های انجام شده در فن آوری ساخت مدارهای مجتمع و کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها، مساله فضای اشغال شده توسط مدارهای مجتمع تا حدودی کمرنگ و از اهمیت آن کم شده است و مهمترین مسائلی که باقی می مانند، مسئله سرعت و توان مصرفی است که با توجه به کاربرد مدار، هریک از این ویژگی ها می تواند در اولویت طراحی و مدنظر مهندسان طراح قرار گیرد.

2-1- مدارهای دیجیتال و دسته بندی آنها
مدارهای دیجیتال که از ترانزیستورهای MOSFET ساخته می شوند، به دو مقوله وسیع زیر تقسیم می شوند:
1- مدارهای ایستا (استاتیک)
2- مدارهای پویا (دینامیک)
به اختصار می توان بیان نمود که تمامی گره های یک دروازه ایستا مسیری مقاومتی از طریق ترانزیستورها به VDD یا زمین دارند.
اما در مدارهای پویا ولتاژ یک یا چند گره به بار ذخیره شده بر روی یک خازن بستگی دارد. دیگر تمایز این دو مدار، نیاز مدارهای پویا برای درست کار کردن به سیگنال های ساعت متناوب همگاه با سیگنال های داده است.
از مدارهای ایستا می توان به دروازه های CMOS و شبه NMOS اشاره نمود. طراحی گیت های منطقی به روش CMOS بسیار سرراست است، به این صورت که دو ترانزیستور NMOS سری عمل AND منطقی و دو ترانزیستور NMOS موازی عمل OR منطقی را انجام می دهند.
به نحوی مشابه دو ترانزیستور PMOS موازی عمل AND و دو ترانزیستور PMOS سری عمل OR را انجام می دهند. مدارهای حاصل دروازه های NOR دو ورودی و NAND دو ورودی را که در شکل (1-1) نشان داده شده است، تشکیل می دهند.
در روش شبه NMOS، یک ترانزیستور PMOS در مسیر VDD به مدار قرار می گیرد. شکل (2-1) یک گیت NAND دو ورودی شبه NMOS را نشان می دهد.
گیت های استاندارد CMOS نسبت به گیت های مشابه شبه NMOS، توان کمتری را مصرف می کنند؛ اما به علت تعداد زیاد ترانزیستورهای PMOS مورد نیاز و بزرگی ابعاد ترانزیستورهای NMOS برای دستیابی به تاخیرهای صعود، نزول یکسان، مساحت بیشتری اشغال می کنند.
در مدار معکوس کننده استاندارد CMOS معمولا ابعاد ترانزیستور PMOS دو برابر ابعاد ترانزیستور NMOS در نظر گرفته می شود زیرا مقاومت ترانزیستور PMOS در حالت روشن بودن تقریبا دو برابر مقاومت ترانزیستور NMOS در حالت روشن است، اما در گیت های طراحی شده با روش شبه NMOS، برای داشتن خروجی مطلوب؛ ابعاد ترانزیستورها به صورت تناسبی انتخاب می شوند و معمولا ابعاد ترانزیستورهای NMOS، چند برابر ابعاد ترانزیستور PMOS در نظر گرفته می شوند. که متاسفانه این نسبت زمان های صعود و نزول نابرابری را ایجاد می کند.

: با توجه به مزایای زیاد موجبرها، استفاده از آنها در بسیاری از موارد اجتناب ناپذیر می باشد برای انتشار موج داخل موجبر، باید فركانس موج از فركانس قطع موجبر، بزرگتر باشد، در غیر این صورت موج تزریقی به موجبر به شدت با فاصله تضعیف شده و میرا می شود. چون فركانس قطع به ابعاد مقطعی موجبر وابسته است، ابعاد آن در فركانس های پایین باند مایكروویوكه از پركاربرد ترین رنج های فركانسی می باشد، نسبتا بزرگ خواهد بود. استفاده از مواد متامتریال كه دارای خصوصیات منحصر به فردی می باشند، به موج اجازه انتشار زیر فركانس قطع موجبر خالی به علت پشتیبانی Backward waves ها یا امواج وارونه را خواهد داد، از این ویژگی می توان برای كوچك سازی موجبر استفاده كرد. خصوصیت جالب توجه دیگر متامتریال ها اینست كه ضریب شكستشان می تواند منفی یا نزدیک به صفر شود. طبق قوانین الكترو مغناطیسی، اگر ضریب شكست ماده ای نزدیک به صفر شود، پدیده فوق شكست رخ داده و امواج بازتابشی به جهت بردار نرمال سطح نزدیک شده و باعث متمركز شدن میدان ها شده و خصوصیات تشعشعی بطور موثری بهبود می یابد. بدین منظور ماده متامتریال با ضریب شكست نزدیک به صفر در فركانس مورد نظر به صورت لایه فوقانی در بالای صفحه تشعشعی آنتن قرار گرفته و تاثیر آن در بهره آنتن بررسی خواهد شد. فصل اول: کلیات 1-1) ه دف با وجود اینكه ساختارهای هدایت كننده صفحه ای در بسیاری از موارد كوچك سازی، جایگزین موجبرهای مستطیلی شده اند، موجبرها هنوز هم دربسیاری از موارد مورد نیاز هستند. موجبرها دارای مزایایی مثل تلفات كمتر و قابلیت انتقال توان بالاتری می باشند. آنتن های صفحه ای مثل آنتن های پچ، دارای معایبی چون تلفات زیر لایه و تشعشع از منبع تغذیه و پایین بودن میزان غلظت پلاریزاسیون هستند، معایب آنتن های موجبری این است كه ابعادشان در فركانسهای پایین تر، نسبتا بزرگ می باشند، پس ما می خواهیم با استفاده متامتریال ها اندازه این آنتن ها را كوچك كرده و بهره آنها را افزایش دهیم. از قوانین الكترومغناطیسی می دانیم كه برای انتشار موج داخل یک موجبر باید مقطع طولی موجبر حداقل نصف طول موج عبوری از آن باشد. روش ابتدایی برای كوچك كردن موجبرها، پر كردن آنها با یک ماده دی الكتریک بود كه منجر به كاهش ابعاد آنها با ضریب 1<εr نسبت به موجبر خالی كوچكتر شد، در اینجا εr ثابت دی الكتریک می باشد. با این وجود موجبرهای پر شده از هوا دارای تلفات كمتری نسبت به موجبرهای معادل پر شده از دی الكتریک می باشند، همچنین بالا بودن ضریب دی الكتریک εr در موجبرهای پر شده، اجازه تشعشع از انتهای باز موجبر را نخواهد داد. از قانون اسنل می دانیم كه اگر ضریب شكست ماده ای صفر یا نزدیک به صفر باشد اگر موجی تحت هر شرایطی به آن ماده بتابد سوی موج خروجی از سطح به جهت بردار نرمال نزدیكتر شده و این بدین معنی است كه میدان های بازتابشی از سطح ماده حالت متمركزتری پیدا كرده و در نتیجه خصوصیات تشعشعی آنتن، بطور موثری بهبود می یابد.

پیشرفت سریع تکنولوژی ارتباطات و محیط انتقال تار نوری، ارسال انواع مختلف اطلاعات را به راحتی امکان پذیر کرده است. به طوری که امروزه شبکه های ارتباطی باند وسیع قادرند سرویس های مجتمع شامل داده، صوت و تصویر را با کیفیت مناسب ارسال نمایند. بررسی بخش کوچکی از سیستم های مخابراتی تار نوری موضوع بحث این پایان نامه می باشد. در این پروژه تحلیل دقیق توری پراشی سطح برجسته باینری و نحوه استفاده از آن به عنوان مالتی پلکس کننده و دی مالتی پلکس کننده نوری مورد بررسی قرار گرفته است. در این زمینه نخست تئوری های مختلف به اختصار بررسی و سپس تئوری دقیق براساس معادلات موج تزویج شده شرح داده می شود.
در این پایان نامه نرم افزاری نوشته شده است که آنالیز دقیق توری های پراشی سطح برجسته باینری را به روش تئوری موج تزویج شده انجام می دهد. بررسی حساسیت توری های باینری نسبت به پارامترهای مختلف و موج ورودی از موارد مهم آنالیز توری می باشد که مورد بحث قرار گرفته است. از آنالیز حساسیت توری باینری در طراحی مالتی پلکس کننده و دی مالتی پلکس کننده نوری استفاده شده است. در این زمینه دو ساختار مختلف براساس توری پراشی سطح برجسته باینری در حالت بازتابی و انتقالی طراحی، و نحوه قرار گرفتن توری ها در این ساختارها تعیین گردیده است.

فصل اول: کلیات

1-1- پیشگفتار
ارائه روش های متنوع ارسال اطلاعات براساس تکنولوژی تار نوری با پهنای باند وسیع از موضوع مهم در سیستم های ارتباطی به شمار می رود. در این سیستم ها جهت استفاده بهینه از ظرفیت کانال انتقال، عمل مالتی پلکس و دی مالتی پلکس کردن سیگنال ها صورت می گیرد. مالتی پلکس کردن به ترکیب سیگنال های مربوط به کانال های مختلف موجود در فرستنده بر روی یک خط انتقال گفته می شود و عمل دی مالتی پلکس، جدا کردن سیگنال های مربوط به کانال های متفاوت در گیرنده را بر عهده دارد. استفاده از این دو روش در ارسال و دریافت اطلاعات ظرفیت سیستم را به طور قابل ملاحظه ای افزایش می دهد. روش های مختلفی برای این کار موجود است که از جمله آنها می توان به مالتی پلکس های تقسیم زمانی، تقسیم فرکانسی و تقسیم طول موجی اشاره کرد.
شبکه های مبتنی بر مالتی پلکس تقسیم طول موجی موسوم به شبکه های WDM و DWDM بحث اصلی این پایان نامه را تشکیل می دهد که جزئیات آن در فصل های آینده مورد بررسی قرار خواهد گرفت. از مهمترین قسمت های این شبکه می توان به مالتی پلکس کننده و دی مالتی پلکس کننده اشاره کرد. در این سیستم ها روش های مختلفی جهت انجام عمل مالتی پلکسینگ به کار می رود. از جمله این روش ها می توان به استفاده از کاپلرهای جهت دار، توری های پراشی، تداخل سنج های فابری – پرو و ماخ – زندر، فیلترهای نوری و توری های آرایه موجبری اشاره کرد. در این پایان نامه نحوه استفاده از توری های پراشی و مخصوصا توری پراشی سطح برجسته باینری در طراحی مالتی پلکس کننده ها و دی مالتی پلکس کننده های نوری مورد بررسی قرار گرفته است.
2-1- هدف و روش کار
هدف اصلی این پایان نامه تهیه بسته نرم افزاری برای آنالیز دقیق توری های پراشی سطح برجسته باینری و استفاده از آن در طراحی مالتی پلکس کننده و دی مالتی پلکس کننده نوری می باشد. آنالیز توری به روش تحلیل دقیق موج تزویج شده (RCWA) که توسط گیلرد و محرم در سال 1995 میلادی ارائه شده است، صورت گرفته که در مورد آن و توری مورد نظر در فصل بعد بحث خواهیم کرد. بخش هایی از نرم افزار مذکور به تحلیل حساسیت توری باینری نسبت به پارامترهای مختلف توری و نور ورودی اختصاص دارد که با بهره گرفتن از آن می توان مقادیر بهینه پارامترها را برای استفاده توری در طراحی مورد نظر به دست آورد. در نهایت روش به کار بردن توری سطح برجسته باینری در مالتی پلکس کننده ها و دی مالتی پلکس کننده های نوری در هر دو حالت بازتابی و انتقالی ارائه شده است.

مسائل پایداری، پیوستگی عمیقی با موضوعات قابلیت اطمینان، برنامه ریزی، بهینه سازی و حتی کیفیت توان در سیستم قدرت دارند. مسئله پایداری دارای جنبه های مختلفی است که از این میان، ناپایداری ولتاژ به عنوان یک معضل نسبتا جدید، گریبان گیر سیستم های قدرت امروزی است و از آنجا که وجود اغتشاشات، به خاطر خطای انسانی یا عوامل طبیعی، یک واقعیت اجتناب ناپذیر است، بروز ناپایداری ولتاژ ناشی از یک اغتشاش اولیه، باعث خاموشی های متعددی در شبکه های کشورهای مختلف شده است. وقوع چند خاموشی وسیع در آمریکا و اروپا از جمله این وقایع است. در 14 آگوست 2003 (اواسط مرداد) یک حادثه خروج متوالی تجهیزات انتقال و تولید در سیستم به هم پیوسته شرق آمریکای شمالی منجر به خاموشی بیشتر بخش های ایالت نیویورک و قسمت هایی از پنسیلوانیا، اوهایو، میشیگان و انتاریوی کانادا شد. این خاموشی آمریکایی – کانادایی، تقریبا 50 میلیون نفر را در 8 ایالت آمریکا و 2 استان کانادا تحت تاثیر قرار داد. 63 گیگاوات بار قطع شد که تقریبا 11 درصد کل بار تأمین شده در این سیستم است. حین این اتفاق، 400 خط انتقال و 531 واحد تولیدی در 261 نیروگاه قطع شدند. بررسی های بعدی نشان داد این حادثه از نوع ناپایداری ولتاژ بوده است. ساعاتی قبل از وقوع این حادثه، مشکل تامین توان راکتیو در بعضی مناطق به وجود آمده بود. نرم افزارهای تخمین حالت و آنالیز بلادرنگ پیشامد، اطلاعات کافی از حوادث در حال وقوع فراهم می کنند و ارزیابی «هشدار زود هنگام» را انجام می دهند. این نرم افزارها قبل از حادثه فوق و در طی آن دچار مشکل بودند. تولید بادی را می توان به عنوان یکی از منابع تولید پراکنده دانست. تولید پراکنده به تمام واحدهای تولید با حداکثر ظرفیت 50 تا 100 مگاوات گفته می شود که معمولا به شبکه توزیع متصلند و به طور مرکزی برنامه ریزی یا توزیع نمی شوند. گزارشات اخیر حاکی از این است که تولید بادی در دنیا در سال های اخیر سریع ترین رشد را در بین منابع تولید برق تجربه می کند. سیستم انتقال دانمارک غربی یک مورد واقعی از یک سیستم قدرت بادی بزرگ است. در ایران نیز با گسترش بازار برق و وجود مناطق بادخیز مناسب و سند چشم انداز 20 ساله توسعه کشور، الحاق مزارع باد بیشتر دور از انتظار نیست و هم اکنون بخش خصوصی برای احداث چند نیروگاه بادی اقدام کرده است. در سال 2008، 17 مگاوات به ظرفیت نصب شده کشورمان اضافه شده و مجموعا به 85 مگاوات در انتهای سال رسیده است. هدف این پروژه بررسی تاثیر نیروگاه های بادی بر حد بارپذیری و پایداری ولتاژ گذرای یک سیستم قدرت و راهکارهای مختلف موجود برای بهبود مشکلات ناشی از آنها و تاثیر عوامل مختلف مثل پارامترهای کنترل و نوع و محل نصب تجهیزات پشتیبانی توان راکتیو است. هرچند تمرکز اصلی بر روی مسائل مربوط به توربین های سرعت ثابت است، اما از مزایای توربین های نسل جدید که مجهز به ادوات الکترونیک قدرت هستند، نیز استفاده شده است. ریشه مشکلات ناشی از نیروگاه های بادی را می توان در چند دسته قرار داد. اول متغیر و غیرقابل پیش بینی بودن سرعت باد، دوم ناتوانی نیروگاه های باد در تأمین توان راکتیو و سوم قر ار گرفتن مزارع باد در قسمت های ضعیف شبکه و دور از مراکز بار. در فصل اول، مسئله پایداری ولتاژ به همراه علل و راه حل های آن مطالعه شده و زمینه هایی که اخیرا در مراجع مورد توجه قرار گرفته معرفی شده است. در فصل دوم، انواع توربین های باد و مشکلات مربوط به آنها از منظر شبکه و از منظر توربین مورد توجه قرار گرفته است و راه حل های موجود معرفی شده در مراجع، ارائه شده است. فصل سوم، به توصیف ادوات FACTS به عنوان جبران سازهای دینامیک پرداخته و سیستم های ذخیره انرژی را به عنوان زیر شاخه ای از این تجهیزات معرفی کرده است. در فصل چهارم، با هدف کشف تأثیر کیفیت اتصال به شبکه بر کار یک ژنراتور القایی و برای درک عمیق عملکرد یک ماشین القایی، منحنی های تغییرات کمیات مختلف الکتریکی نسبت به لغزش در شرایط متفاوت رسم شده است. در فصل پنجم با ارائه نتایج مطالعه استاتیک و شبیه سازی حوزه زمان، انواع روش های موجود برای ارتقای پایداری ولتاژ گذرای یک سیستم ضعیف، با یک مزرعه باد سرعت ثابت موجود، مورد بحث قرار گرفته و یک تکنیک جدید و مقرون به صرفه با تکیه بر استانداردهای بروز شده سیستم های دارای تولید بادی، ارائه شده است. نهایتا در فصل ششم به کمک نتایج شبیه سازی به نتیجه گیری پرداخته شده است.