جزیرهسازی سیستمهای قدرت به هم پیوسته که به جداسازی و شکستن سیستمهای قدرت نیز مشهور است آخرین خط دفاعی برای مقابله با فروپاشی سیستم و جلوگیری از وقوع حوادث سهمگین در شبکه قدرت میباشد.جزیرهسازی سیستمهای قدرت به هم پیوسته به عنوان یک روش کنترل گسترده به صورت یک مساله تصمیم‌گیری جامع با جزئیات بسیار زیاد و به عنوان یک بخش مهم از استراتژیهای کنترل اصلاحی مطرح می‌گردد. پس از وقوع یک اغتشاش بزرگ در یک سیستم قدرت در صورتی که به موقع هیچگونه طرح و الگوی چاره‌ساز مناسبی موجود نباشد، این اغتشاش ممکن است منجر به فروپاشی کلی سیستم گردد.طبق تعریف جزیرهسازی سیستمهای قدرت به معنی تعیین نقاط صحیح جداسازی سیستم یکپارچه به تعدادی جزیره کوچکتر میباشد در صورتی که حفظ یکپارچگی سیستم امکان پذیر نباشد.در این رساله یک روش نوین و بهینه جهت جزیرهسازی سیستمهای قدرت به هم پیوسته ارائه گردیده است. الگوریتم ارایه شده طوری طراحی شده است تا بتواند بر بسیاری از محدودیتهای موجود در بحث جزیرهسازی غلبه کرده و نتایج و دستاوردهای قابل قبولی را ارایه کند. در روش پیشنهادی این رساله از مشخصه‌های استاتیکی و دینامیکی شبکه‌های قدرت به هم پیوسته برای تعیین تعداد جزایر و نقاط صحیح شکسته شدن آنها استفاده گردیده است. در این رساله ابتدا با استفاده از تئوریهای خوشه‌بندی دینامیکی و همسویی، مرزهای تقریبی جزایر احتمالی با توجه به گروه‌بندی ماشینهای همسو تعیین می‌گردد و به دنبال آن با اعمال یک الگوریتم جستجوی قوی بر اساس نظریه گراف مرز دقیق جزایر اولیه تعیین می گردد. در بخش اول الگوریتم هدف تعیین سریع و کلی تعداد و مرز تقریبی جزایر با توجه به محدودیتهای دینامیکی و توپولوژی شبکه و خوشه بندی ماشینها در گروههای همسو میباشد. در قدم بعدی مرز دقیق نواحی طوری تعیین می‌گردد که پس از جداسازی، حداقل بارزدایی در بین جزایر وجود داشته باشد. با توجه به این حقیقت که اصولا الگوریتم جزیرهسازی بایستی در حالت ایده‌ال به صورت زمان واقعی بوده و از طرفی با توجه به پیچیدگی بسیار زیاد و گستردگی ابعاد فضای جستجوی آن یک تلاش اساسی لازم است تا بتوان ضمن ارائه یک الگوریتم دقیق سرعت محاسبات آن را نیز افزایش داده و بر مشکل زمان غلبه کرد.تلاش پژوهش حاضر عمدتا در روی این دو امر متمرکز بوده است تا بتواند تا حد امکان بر پدیده زمان بر بودن محاسبات آن غلبه کرده و حدلاامکان جزایری با احتمال پایداری بیشتر ارایه کند. از آنجا که پایداری جزایر تعیین شده از مسایل عمده در امر جزیره سازی است و نیاز به توجه فراوان دارد بنابراین از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. در این تحقیق سعی بر این بوده است تا بتوان قبل از اعمال الگوریتم جداسازی بتوان پایداری جزایر را پیش بینی کرده و آنها را مورد بررسی قرار داد. یک جزیره‌بندی دقیق و صحیح به معنی تعیین جزایری است که پس از عمل جداسازی پایدار بوده و حداقل بارزدایی را داشته باشند. بخش دیگری از تلاشهای این تحقیق این بوده است تا مرزهای جزایر پیشنهادی را با دقت بالاتری انتخاب کند. مرزبندی دقیق جزایر با استفاده از الگوریتمهای قوی در تئوری گراف تعیین می‌گردد. این الگوریتمها به عنوان الگوریتمهای جستجوی مستقیم و غیر تکراری بوده و جوابهای قطعی را ارایه می‌کنند که این امر امکان تصمیم گیری دقیق برای جزیره سازی را در اختیار می‌گذارند.به طور کلی در بحث جزیرهسازی سیستمهای قدرت سه سوال اساسی مطرح می‌گردد که به صورت زیر بیان می‌شوند.الف – یک سیستم قدرت که در شرایط معین بهره‌برداری با یک اغتشاش شدید روبرو شده است، آیا نیاز به جزیرهسازی دارد؟پاسخ به این سوال لزوم جزیرهسازی را آشکار می‌سازد.ب - در صورتی که پاسخ به سوال بالا مثبت باشد سیستم قدرت مورد نظر از کجاها باید شکسته شود؟ و مرزهای جداسازی جزایر در کجاها قرار دارند؟پاسخ به این سوال به معنی تعیین دقیق نقاط جداسازی سیستم به هم پیوسته میباشد.ج- چگونه بایستی جزیرهسازی صورت گیرد و ترتیب و زمان بازکردن خطوط چه لحظاتی میباشد؟پاسخ به این سوال به معنی تعیین لحظات صحیح و ترتیب باز کردن خطوط به منظور جزیره سازی است.هدف این تحقیق پاسخ به سوالات فوق با تاکید بر سوالات شماره (ب) و (ج) میباشد.با توجه به نتایج آخرین تحقیقات صورت گرفته هنوز یک استراتژی کلی که بتواند به هر سه سوال فوق در یک زمان کوتاه به طور مناسب پاسخ دهد وجود ندارد و رسیدن به این هدف جامع نیاز به تحقیقات گسترده‌ای دارد. متاسفانه تاکنون جوابهای جامعی برای سوالهای (ب) و (ج) ارایه نشده است و تحقیقات در مورد این سوالات با چالشهای جدی روبرو میباشد.در یک کلام حل جامع و یکپارچه مساله جزیرهسازی صحیح به معنی پاسخ به همه سوالات فوق در کمترین زمان ممکن است. کلمات کلیدی: پایداری سیستمهای قدرت، جزیره سازی، الگوهای حفاظتی خاص، نظریه گراف، بهینه سازی چند منظوره، الگوریتمهای هوشمند عنوانصفحهچکیده1 مقدمه41-1- مقدمه4 سابقه کارهای انجام يافته، اهداف، ايدهها و محدوديتهای انجام رساله 92-1-مقدمه92-2- مطالعات انجام شده در تشخيص پايداري گذرا 92-3- مطالعات انجام شده در مورد همسويي(Coherency) و تعيين معادلهای ديناميکی112-3-1- مطالعات انجام گرفته در حوزه زمان132-3-2- مطالعات انجام گرفته در حوزه فرکانس132-4- مطالعات انجام شده در مورد همسويي و جزيره‌سازی سيستم152-5- مطالعات انجام گرفته در حوزه جزيره‌سازي182-6- كاهش شبكه در جزیرهسازی262-7- روش جزاير توده‌اي يا متراكم282-8- بارزدايي در جزایر302-8-1- تعريف حذف بار302-8-1- تعريف حذف بار312-9- ضرورت انجام پژوهش312-10- اهداف تحقیق 322-11- استراتژی جزیره سازی362-11-1- فضای جستجوی اصلی (واقعی) 372-11-2- استراتژی شدنی 372-11-3- فضای استراتژی شدنی372-12- ايدهها و نوآوريها372-13- نيازمنديها و ملاحظات لازم در تشکيل جزيره‌ها402-14- الگوهاي حفاظتي خاص412-14-1- معيارهاي مورد نياز در طراحي SPS422-15- روش پيشنهادي43 پايداري سيستمهاي قدرت533-1- پايداري سيستمهاي قدرت533-2- پايداري گذرا533-2-1- مدل بدون ورودي53-2-2- معادلات حالت در چهارچوب مركز زاويه (COA)563-2-3- قضيه لياپانف573-2-4- تابع لياپانف براي يك سيستم چند ماشينه573-2-5- محاسبه ناحيه همگرايي593-3- پايداری فرکانس613-4- معیار برابری سطوح توسعه یافته 62کاهش مرتبه سيستمهای قدرت و خوشه بندی اطلاعات664-1-کاهش مرتبه سيستمهای قدرت و خوشه بندی اطلاعات 664-1-1- خوشه‌بندی تقسیم‌گر K-Means684-2- بکارگیری روشهای خوشه بندی در سیستم های قدرت694-3- روشهای معادلسازی دینامیکی694-4- روش تحلیل شکل نرمال (NFA: Normal Form Analysis)744-4-1- آنالیز شکل نرمال در نزدیکی تشدیدهای قوی774-5- روش زیرفضای Krylov804-5-1- روش اسکالر Arnoldi814-5-2- روش بلوکی Arnoldi814-5-3- تطبیق گشتاورها و زیرفضای Krylov834-6- کاهش مرتبه با زیر فضای Krylov و نظریه همسویی844-7-تئوری اختلالات ویژه (PA: Perturbation Analysis )87 نظریه گراف و کاربرد آن در سیستمهای قدرت905-1- تعريف گراف915-2- تعريف گرافهاي متصل915-3- ماتريس همسايگي يك گراف915-4- اتصال (Connectivity)925-5- گراف جهت دار925-6- تعريف حداقل كات‌ست925-7- تعريف ادغام رئوس (گوشه‌ها)925-8- حداقل درخت پوشا935-9- درخت استينير935-10- تحقق تئوري گراف در سيستم قدرت935-11- بکارگیری الگوریتم پریم (AlgorithmPrim) جهت حل مساله درخت پوشای حداقل945-12- الگوریتم Prim965-13- الگوریتمKruskal975-14-الگوریتم Baruvka98امنیت سيستمهای قدرت1006-1- قابلیت اطمینان سيستمهای قدرت1006-2- حالت نرمال1026-3- وضعيت هشدار1026-4- وضعيت اضطراري1026-5- وضعيت فوق بحراني1026-6- وضعيت بازيابي1036-6-1- بازيابي سيستم قدرت (Power System Restoration)1046-7- پايداري فركانس1106-8- ناپايداري ولتاژ1116-9- ناپايداري زاويه‌اي گذرا1126-10- عوامل موثر در پديده فروپاشي سيستم1126-10-1- راه‌حلهاي بلندمدت1136-10-2- دستيابي به كنترلهاي هوشمند1136-10-3- جزيره‌سازي1136-10-4- حذف بار 1146-11- طراحي يك سيستم انعطاف‌پذير به جاي يك سيستم شكننده1146-12- بازيابي از خروجهاي متوالي1166-13- امنیت استاتیکی و دینامیکی سیستمهای قدرت1176-13-1- معیارهای امنیت1186-13-2- روشهای ارزیابی امنیت1196-13-3-روش انتگرالگیری عددی1206-13-4- روش مستقیم لیاپانف1206-13-5- روشهای احتمالی1206-13-6- روشهای مبتنی بر سیستمهای خبره1216-14- ارزیابی آنلاین امنیت دینامیکی1226-15- ویژگیهای حوادث متوالی در سیستمهای قدرت1246-16- روشهای بررسی حوادث نادر1256-17- خطای پنهان (Hidden Failure) در سیستمهای حفاظتی1276-18- ارزیابی احتمال خطر (Probability Risk Assessment)1296-19- درخت حادثه دینامیکی (DET: Dynamic Event Tree) 130 نتایج حاصل از پژوهش1337-1-نتایج حاصل از پژوهش1337-2- محاسبه مدهای بین ناحیه‌‌ای1337-3- تحلیل پدیده همسویی با استفاده از روش ماتریس های اسپارس1427-4- شبیه سازی و ارایه نتایج 1427-5- شبیه سازی زمانی1497-6- مطالعه بر روی شبکه 118 شینه IEEE1577-7- شبیه سازی زمانی در شبکه 118 باسه IEEE162 نتیجه گيری و ارائه پیشنهادات1718-1- نتیجه‌گيری1728-2- ارائه پیشنهادات174 مراجع و ماخذ176ضمائم184ضمیمه (الف)NPCC68 BUS TEST SYSTEM (STATIC AND DYNAMIC DATA)185ضمیمه (ب)IEEE118 BUS TEST SYSTEM (STATIC AND DYNAMIC DATA)188ضمیمه (ج)INCIDENT BUS MATRIX FOR IEEE 118BUS SYSTEM193ضمیمه (د)LOAD-GENERATION MISMACH FOR IEEE118 BUS (7 AREA)195ضمیمه (و)LOAD-GENERATION MISMACH FOR IEEE118 BUS (2 AREA) 199 1-1- مقدمهشبکه قدرت بزرگترين و پيچيده‌ترين شبکه به هم پيوسته‌اي است که تاکنون بدست بشر طراحي شده است از اینرو کار کنترل آن بسیار مشکل میباشد. با ظهور خصوصي‌سازي و تجديد ساختار شبکه قدرت، بهره‌برداري از سيستم قدرت به دليل فشارهاي تجديد ساختار شبکه، که اهداف جديد فنی و اقتصادي را در بهره‌برداري از سيستم قدرت دنبال می کند، تنشهاي فزاينده‌اي را براي سيستم قدرت تحميل کرده است. زماني که سيستم قدرت در نزديکي حدود بهره‌برداري کار مي‌کند، اتصالات ضعيف، حوادث غيرمترقبه، خطاهاي پنهان در سيستمهاي حفاظتي، خطاهاي انساني و نيز يک مجموعه‌اي از عوامل ديگر، ممکن است باعث ناپايداري سيستم شده و يا حتي سيستم را به سمت خطاهاي سهمگين (Catastrophic Failures) پيش ببرند. از اينرو مطالعه سيستماتيک شبكه قدرت و طراحي يک استراتژي جامع براي کنترل آن مورد توجه روزافزون قرار گرفته است [3-1].در حالت کلي توانايي يک سيستم قدرت در مقابله با وقوع يک اغتشاش معين بستگي به شرايط بهره‌برداري سيستم در لحظه وقوع آن دارد و هر شکل از کنترل تطبيقي بايستي طوري طراحي گردد که تنها در شرايط مناسب بهره‌برداري سيستم فعال شود. از طرف ديگر توجه به اين نكته ضروري است كه در هنگام وقوع اغتشاشات شديد در شبکه قدرت بررسی پايداري گذراي آن، سيستم به طور كلي غيرخطي بوده و براي پيش‌بيني پايداري و يا ناپايداري آن تنها بايستي از تئوري سيستمهاي غيرخطي استفاده كرد كه اين امر كار تحليل آن را در اين شرايط دشوارتر خواهد كرد. به طور كلي دو نوع روش كنترلي روي شبكه قدرت قابل اعمال است كه اولي بنام كنترل پيش‌گيرانه (PreventeControl) و دومي بنام كنترل اصلاحي(CorrectiveControl) مشهور است [10-4]. استراتژيهاي كنترلي اصلاحي در حل مسايل مربوط به امنيت در بسياري از جنبه‌ها مانند اضافه بار خطوط، مسائل ولتاژ و حالات گذراي سيستم قدرت مشاركت مي‌كنند[11]. زماني كه سيستم در وضعيت هشدار قرار دارد، يك اغتشاش نسبتا بزرگ ممكن است آن را وارد حالت اضطراري كند كه در آن ولتاژهاي بسياري از باسها در زير حدود نرمال خود قرار مي‌گيرند و ممكن است يك يا چندين المان سيستم دچار اضافه بار شوند. در اين حالت، شبكه همچنان در وضعيت بهره‌برداري بوده و اين امكان وجود دارد كه بتوان آن را با استفاده از كنترلهاي اصلاحي مانند بازآراي سيستم قدرت (TSR : Transmission System Reconfiguration)، تغيير برنامه توليد (GR : Generators Scheduling )، بارزدايي ( Load shedding: LS) و غيره به حالت هشدار برگرداند.در صورتي كه كنترلهاي اصلاحي مربوطه در مرحله بحراني اعمال نشوند و يا اينكه غير موثر بوده باشند سيستم وارد وضعيت فوق بحراني مي‌شود. در اين حالت روشهای كنترلي اصلاحي شامل بارزدايي و جزيره‌سازي سيستم قدرت (CSI : Controlled System Islanding) مي‌باشد [12]. اين نوع كنترل قصد دارد تا حد ممكن شبكه را حفظ كرده و از فروپاشي كلي آن جلوگيري كند. در حالت كلي چنين سيستماي كنترلي را الگوي حفاظتي خاص (SPS: Special Protection Scheme)، سیستمهای حفاظتي خاص (SPS: Special Protection System)، و يا طرح اعمال شفابخش(RAS: Remedial ActionScheme) گويند. از اينرو SPS يك طرح حفاظتي است كه براي تشخيص شرايط خاص سيستم قدرت كه باعث ايجاد تنشهاي غيرمعمول در سيستم شده‌اند، طراحي گرديده است تا يك سري اعمال كنترلي از پيش‌تعيين شده را براي مقابله با شرايط ايجاد شده به صورت كنترل شده انجام دهد. در بعضي حالات، SPS براي تشخيص شرايط خاص سيستم مانند اضافه بار، ناپايداري و فروپاشي شبکه در سيستم استفاده مي‌گردد. اين اعمال از پيش‌تعيين شده می‌تواند شامل بازكردن يك يا چندين خط، خارج‌كردن يك ژنراتور، تغيير توان انتقالي با خطوط HVDC، بارزدايي و جزيره‌سازي شبكه باشد كه همگي براي كاهش اثرات مضر بحران بوجود آمده مورد استفاده قرار مي‌گيرند. انواع مرسوم حفاظت مانند حفاظت خطوط و ادوات ديگر سيستم قدرت شامل اين نوع سيستم حفاظتي نمي‌باشند.