در محیط شبیه‌سازی Matlab و به‌خصوص در حوزه سیستم‌های قدرت، ترکیب قابلیت‌های Simscape و Simscape Electrical Specialized Power Systems امکان طراحی مدل‌های دقیق‌تر و انعطاف‌پذیرتر را فراهم می‌کند. هر یک از این محیط‌ها دارای ویژگی‌های خاصی هستند؛ به‌گونه‌ای که Simscape امکان مدل‌سازی سیستم‌های فیزیکی مبتنی بر روابط انرژی و اجزای واقعی را فراهم می‌کند، در حالی که Simscape Electrical Specialized Power Systems مجموعه‌ای گسترده از بلوک‌های آماده برای تحلیل شبکه‌های قدرت، تجهیزات الکتریکی و سیستم‌های حفاظتی ارائه می‌دهد.

در این شبیه سازی، نحوه برقراری ارتباط بین مدل‌های ساخته‌شده در Simscape و مدارهای مبتنی بر Simscape Electrical Specialized Power Systems بررسی می‌شود. هدف اصلی، طراحی و مقایسه یک مدل کلید حفاظتی یا مدارشکن (Circuit Breaker) است که یک بار با استفاده از بلوک‌های Specialized Power Systems و بار دیگر با استفاده از اجزای Simscape پیاده‌سازی شده است. این مثال نشان می‌دهد که چگونه می‌توان یک تجهیز سفارشی را در Simscape ایجاد کرده و سپس آن را به‌صورت کاملاً هماهنگ در یک شبکه قدرت مبتنی بر Specialized Power Systems مورد استفاده قرار داد.

مقدمه‌ای بر ارتباط Simscape و Simscape Electrical Specialized Power Systems

در بسیاری از پروژه‌های مهندسی برق، ممکن است تجهیزات مورد نیاز برای یک شبیه سازی خاص در کتابخانه‌های آماده Matlab وجود نداشته باشند یا مدل‌های موجود تمام جزئیات مورد نیاز طراح را پوشش ندهند. در چنین شرایطی، قابلیت مدل‌سازی فیزیکی Simscape یک راهکار مناسب برای ایجاد مدل‌های سفارشی ارائه می‌دهد.

Simscape اجازه می‌دهد که مهندسان تجهیزات الکتریکی، مکانیکی، حرارتی و سایر سیستم‌های فیزیکی را بر اساس رفتار واقعی آن‌ها مدل کنند. از طرف دیگر، Simscape Electrical Specialized Power Systems مجموعه‌ای از مدل‌های آماده برای تحلیل سیستم‌های قدرت مانند خطوط انتقال، ترانسفورماتورها، ماشین‌های الکتریکی، کلیدها و تجهیزات حفاظتی را در اختیار کاربر قرار می‌دهد.

یکی از چالش‌های مهم در استفاده همزمان از این دو محیط، ایجاد یک رابط مناسب میان مدل‌های Simscape و مدارهای Specialized Power Systems است. Matlab برای حل این مسئله بلوک‌های رابط Simscape Interface را ارائه کرده است که امکان اتصال مستقیم این دو محیط را فراهم می‌کنند.

ساختار مدار مورد بررسی در شبیه سازی

در این مثال دو مدار مشابه به‌صورت موازی طراحی شده‌اند. هر دو مدار عملکرد یکسانی دارند و هدف، مقایسه عملکرد دو روش مختلف برای مدل‌سازی مدارشکن است.

مدار بالایی از بلوک‌های موجود در Simscape Electrical Specialized Power Systems استفاده می‌کند. در این مدل، مدارشکن با استفاده از دو بلوک اصلی شامل کلید ایده‌آل (Ideal Switch) و اندازه‌گیری جریان (Current Measurement) ساخته شده است. همچنین منطق کنترلی مورد نیاز برای عملکرد حفاظتی مدارشکن توسط بلوک‌های Simulink پیاده‌سازی شده است.

مدار پایینی کاملاً مشابه مدار بالایی است، اما در آن مدل مدارشکن با استفاده از بلوک‌های Simscape ایجاد شده است. در این روش، بلوک Switch و Current Sensor در محیط Simscape به کار گرفته شده‌اند تا رفتار یک مدارشکن واقعی را شبیه سازی کنند.

مدل‌سازی عملکرد مدارشکن در شبکه توزیع مسکونی

مدار مورد بررسی یک شبکه توزیع مسکونی با ولتاژ 240 ولت است. در شرایط اولیه، این شبکه یک بار 10 کیلوواتی را تغذیه می‌کند. در این وضعیت جریان مدار کمتر از مقدار تنظیمی حفاظتی است و مدارشکن در حالت وصل قرار دارد.

در زمان 0.05 ثانیه، بار دوم به مدار اضافه می‌شود. این بار دارای توان اکتیو 10 کیلووات و توان راکتیو 5 کیلووار است. اضافه شدن این بار باعث افزایش جریان عبوری از مدار شده و مقدار جریان از حد تنظیمی مدارشکن یعنی 100 آمپر عبور می‌کند.

پس از عبور جریان از مقدار تعیین‌شده، مدارشکن فرمان قطع دریافت می‌کند. یکی از ویژگی‌های مهم این مدل، قطع جریان در اولین نقطه عبور جریان از صفر پس از تحریک حفاظتی است. این عملکرد مشابه رفتار واقعی مدارشکن‌های AC است، زیرا قطع جریان در نقطه صفر باعث کاهش تنش‌های الکتریکی و جلوگیری از ایجاد قوس شدید می‌شود.

در ادامه شبیه سازی، در زمان 0.2 ثانیه مدارشکن مجدداً بازنشانی شده و بار اول دوباره به شبکه متصل می‌شود. این فرآیند امکان بررسی کامل رفتار حفاظتی مدارشکن در شرایط اضافه‌جریان و بازیابی مدار را فراهم می‌کند.

استفاده از بلوک رابط Simscape Interface

برای اتصال مدل مدارشکن ساخته‌شده در Simscape به شبکه قدرت موجود در Specialized Power Systems، از بلوک Simscape Interface Element استفاده شده است. این بلوک نقش واسط بین دو محیط را ایفا کرده و اجازه می‌دهد یک مدل فیزیکی ایجادشده در Simscape در کنار تجهیزات موجود در کتابخانه Specialized Power Systems استفاده شود.

این قابلیت اهمیت زیادی در طراحی سیستم‌های پیچیده دارد، زیرا مهندس می‌تواند بخش‌هایی از سیستم را با مدل‌های آماده Specialized Power Systems شبیه سازی کند و در قسمت‌هایی که نیاز به جزئیات بیشتر یا مدل اختصاصی وجود دارد، از Simscape استفاده نماید.

مدل مدارشکن Simscape استفاده‌شده در این شبیه سازی نسخه اصلاح‌شده‌ای از یک مدل مدارشکن موجود در محیط Simscape است که برای هماهنگی با مدار Specialized Power Systems تغییر داده شده است.

نتایج شبیه سازی و مقایسه عملکرد مدل‌ها

پس از اجرای شبیه سازی، نتایج حاصل از هر دو مدل مدارشکن با یکدیگر مقایسه می‌شوند. بررسی جریان و ولتاژ دو مدارشکن نشان می‌دهد که هر دو روش مدل‌سازی رفتار کاملاً مشابهی دارند.

در نمودارهای حاصل از شبیه سازی، پاسخ جریان مدارشکن مدل Specialized Power Systems و مدل Simscape روی یکدیگر قرار می‌گیرند. این موضوع نشان‌دهنده دقت بالای ارتباط بین دو محیط و صحت عملکرد مدل ایجادشده در Simscape است.

همچنین مشاهده می‌شود که پس از عبور جریان از مقدار تنظیمی 100 آمپر، مدارشکن در اولین عبور جریان از صفر عمل کرده و جریان مدار را قطع می‌کند. این نتیجه نشان می‌دهد که مدل ساخته‌شده در Simscape توانسته است رفتار حفاظتی مشابه مدل استاندارد موجود در Specialized Power Systems ارائه دهد.

اهمیت استفاده از مدل‌های سفارشی در سیستم‌های قدرت

در پروژه‌های پیشرفته مهندسی برق، نیاز به مدل‌سازی تجهیزات خاص و سفارشی بسیار رایج است. ممکن است یک تجهیز صنعتی، ساختار داخلی متفاوتی داشته باشد یا عملکرد آن نیازمند جزئیات بیشتری نسبت به مدل‌های آماده باشد. در چنین شرایطی، استفاده از Simscape امکان ایجاد مدل‌های دقیق بر اساس قوانین فیزیکی سیستم را فراهم می‌کند.

ترکیب Simscape با Simscape Electrical Specialized Power Systems باعث می‌شود که محدودیت‌های هر محیط کاهش پیدا کند. کاربر می‌تواند از سرعت و امکانات تحلیل شبکه‌های قدرت Specialized Power Systems بهره ببرد و در کنار آن، مدل‌های اختصاصی خود را در Simscape توسعه دهد.

جمع‌بندی

این شبیه سازی نشان می‌دهد که با استفاده از بلوک‌های رابط Simscape Interface در Matlab می‌توان مدل‌های سفارشی ایجادشده در Simscape را به‌صورت یکپارچه با مدارهای Simscape Electrical Specialized Power Systems ترکیب کرد.

مدل مدارشکن طراحی‌شده در Simscape عملکردی مشابه مدل ساخته‌شده با بلوک‌های Specialized Power Systems ارائه می‌دهد و نتایج جریان و ولتاژ هر دو مدل تطابق بسیار خوبی دارند. این قابلیت، مسیر مناسبی برای توسعه تجهیزات جدید، طراحی سیستم‌های حفاظتی پیشرفته و ایجاد مدل‌های دقیق‌تر در شبیه سازی سیستم‌های قدرت فراهم می‌کند.

به کمک این روش، مهندسان می‌توانند بدون محدود شدن به کتابخانه‌های آماده Matlab، تجهیزات مورد نیاز خود را طراحی کرده و آن‌ها را در کنار مدل‌های استاندارد سیستم‌های قدرت مورد استفاده قرار دهند. این موضوع نقش مهمی در توسعه شبیه سازی‌های مهندسی، تحقیقات دانشگاهی و طراحی سیستم‌های صنعتی دارد.