بخشی از مقاله
تعيين محل دقيق انواع خطاي خطوط توزيع برق با استفاده از پردازش سيگنال هاي سيار فرکانس بالاي ولتاژ
چکيده: گستردگي شبکه هاي توزيع برق سبب مي شود اين خطوط (١١-٣٣ کيلو ولت ) در محدوده هاي جغرافيائي وسيع با انشعابات زياد استقرار يابند. عيب يابي اين خطوط با روش هاي سنتي، زمان رفع خاموشي را افزايش مي دهد. با بکارگيري سيستم هاي مکان ياب خطا در ابتدا و وسط خطوط، زمان تعيين ناحيه ، محل و مدت زمان رفع عامل خطا کاهش ميابد. مکان ياب هاي مبتني بر اندازه گيري امپدانس ظاهري خط ، براي خطوط توزيع مناسب نيستند، چون دقت اين روش ها به مقدار امپدانس خطا، مشخصات خط و منبع ، تغيير بار و عوارض ساختاري خط بسيار حساس مي باشد. همه موارد فوق جزئي از واقعيت هاي خطوط توزيع بويژه در ايران است . با پردازش امواج سيار گذراي ولتاژ يا جريان که درمحل بروز خطا و اتصالي با پهناي باند گسترده توليد شده و در طول خط منتشر ميشوند و محاسبه زمان رفت و برگشت اين امواج، مي توان فاصله را از محل خطا محاسبه نمود. اگر انواع فرکانس بالاي اين امواج در الگوريتم مکان يابي استفاده شوند، عوارض موثر در بالا رفتن خطاي روش هاي امپدانسي بي اثر شده و در دقت مکان يابي با استفاده از امواج سيار گذرا خللي بوجود نمي آيد. به خاطر خصوصيات منحصر بفرد تحليل ويولت در پردازش انواع سيگنال هاي گذرا، از اين تحليل براي فيلتر و آناليز امواج سيارگذراي فرکانس بالاي توليد شده توسط خطاي خطوط برق استفاده مي شود.
کليد واژه- ويولت ، امواج سيار، مکان يابي .
١- مقدمه
مکان يابي خطوط فشار متوسط همواره يکي از مشکلاتي است که اکيپ هاي عمليات شرکت هاي توزيع برق را آزار مي دهد . اگر از ميزان و سختي کار اين اکيپ ها که مجبور به پيدا نمودن محل خطا بعضا" در نقاط صعب العبور ، برف و سرما ، گرما و بسياري ديگر مسائل است بگذريم . مدت زماني که صرف مي شود با روش هاي فعلي محل خطا را پيدا نموده و نسبت به رفع عامل خطا اقدام نمود بسيار طولاني بوده و از استانداردهاي بين المللي هم فاصله زيادي دارد . بنابراين بايد بدنبال راهکاري بود که ضمن حذف نقش و جايگاه فيزيکي انسان در پروسه مکان يابي خطا مدت زمان پيدا نمودن محل خطا را کاهش داد . سيستم هاي مکان ياب گوناگوني بر مبناي محاسبه امپدانس ظاهري وجود دارند اما اين تئوري ها به شدت در مقابل عوارض ساختاري شبکه از جمله وجود اتصالات سست ، رنج مختلف مقاومت خطا ، انواع خطا و ميزان بارها ، مقاومت مخصوص خط و غيره حساس است . اما وقوع خطا با انواع مختلف تکفاز ، دو فاز و سه فاز و در هر دو نوع EF وOC با امپدانس هاي متفاوت در خطوط توزيع فشار متوسط امري اجتناب ناپذير و طبيعي است ، همچنين وجود عوارض ياد شده به تعبيري جزء لاينفک خصوصيات خطوط توزيع است . بنابراين بديهي است که از روش امپدانسي در خطوط توزيع نمي توان بطور دقيق نتيجه گرفت .
بنابراين راهکاري انديشيده شد که با بهره مندي از خصوصيات امواج سيار که از دير باز اساس مکان يابي خطا در خودرو هاي عيب ياب ادارات برق را تشکيل مي داد روشي پيشنهاد شود که در نقاط مختلف شبکه بتوان مکان خطا را بطور زنده وآني محاسبه نمود. ذکر اين نکته خالي از لطف نيست که تئوري امواج سيار از دهه ٤٠ ميلادي شکل گرفته است .نحوه واستفاده از امواج سيار در مکان يابي خطا از همان ابتدا تا بحال يک اصل بوده است و آنچه که در گذر زمان ارتقا و تغيير يافته است روش هاي مختلف پردازش اين امواج سيار است که آخرين متد آن تبديل ويولت است . اين تبديل از دهه ٨٠ميلادي تا کنون همچنان در حال رشد و ارتقا مي باشد.
٢- خصوصيات روش امواج سيار براي مکانيابي خطا
قبل از بيان اصل تئوري لازم است به خصوصيات اين روش پيشنهادي اشاره نمائيم :
١-اين روش به نوع خطا اعم از EF و يا OC حساس نيست .
٢- دقت روش با تغيير امپدانس خطا به مخاطره نمي افتد.
٣- مکان يابي براي وقوع خطا در زواياي نزديک به صفر ولتاژ امکان پذير است .
٤- براي خطاهاي نزديک به شينه مکان يابي امکان پذير است .
٥- مکان يابي خطاي گذرا بطور زنده صورت مي پذيرد .
٦- نيازي به انجام عمليات کابل سوزي و جداسازي قسمت معيوب نيست .
٧-وجود انشعابات و بارهاي گوناگون در خط با حفظ تمهيدات خاصي دقت روش را به مخاطره نمي اندازد.
در اينجا لازم به ياد آوري است که هنگامي که خطا در زواياي نزديک به صفر ولتاژ صورت پذيرد جريان اتصال کوتاه مورد نياز بوجود نيامده و امکان مکان يابي به روش امپدانس ظاهري وجود ندارد همچنين مولفه هاي موج سيار فرکانس پائين نيز توليد نمي شود . بنابراين يکي از خواص بکار گيري امواج سيار فرکانس بالا توليد مولفه هاي سيار در شرايط مذکور است که براي مکان يابي خطا مورد نياز مي باشد .
٨-براي خطاهاي نزديک به شينه به دليل سرعت زياد موج سيار و فاصله کم خطا تا مکان ياب، رفت و برگشت امواج در اين فاصله همپوشاني امواج را بوجود مي آورد . در چنين شرايطي امکان جدا سازي اولين موج سيار و دومين موج سيار وجود ندارد و پيشنهاد مي گردد از دو مکان ياب در ابتدا و انتهاي خط استفاده نمود.
٣- تئوري موج سيار در مکان يابي خطا
اساس اين تئوري بر مبني موارد ذيل است :
١- موج سيار يا توليد و به خط تزريق مي شود ( مانند پالس تزريقي توسط دستگاه هاي رفلکتور خودرو هاي عيب ياب به خط سرد ) و يا با بروز خطا بوجود آمده و در خط جاري مي گردد.
٢- موج سيار بين محل خطا و شينه رفت و برگشت مي نمايد .
٣- از محاسبه زمان رفت و برگشت موج سيار بين محل خطا و شينه و بکارگيري سرعت سير موج در معادله حرکت يک بعدي مکان دقيق خطا محاسبه مي گردد.
بررسي ما در اين مقاله بر روي استفاده از امواج سيار توليد شده توسط خطا متمرکز مي گردد . نوع فرکانس بالاي اين امواج خواص الکترو مغناطيسي را به خود مي گيرد و بنابراين مجموعه قوانين حاکم بر امواج الکترو مغناطيسي بر اين امواج نيز حاکم است . به همين دليل امواج مذکور هنگامي که به يک مانع (امپدانس ) مانند خطا يا شينه و غيره برخورد مي نمايند بنا به ميزان امپدانس مانع قسمتي از آنها منعکس شده و قسمت ديگر از مانع عبور مي کند.
اما اثرات انواع عوارض شبکه مانند اتصالات سست در تئوري امواج سيار چندان تاثير گذار نيست . عوارض شبکه از جمله اتصالات سست ، محل اتصال جمپرها ، مفصل ها و غيره بعنوان يک مانع با امپدانس کم که ميزان امپدانس آن با امپدانس خطا قابل مقايسه نيست قسمتي از موج سيار را عبور داده و قسمتي را منعکس مي کند اما آنچه مهم است دامنه موج منعکس شده است که ازدامنه موج عبورکرده کوچکتر بوده و البته دامنه اين موج در محل مکان ياب خطا از ازدامنه موج منعکس شده از محل خطا نيز بسيار کوچکتر و قابل صرف نظر کردن مي باشد.
طراحي و ساخت مکان ياب هاي مبتني بر تئوري امواج سيار بر اساس نحوه پردازش سيگنال اين امواج متفاوت است در روش هاي مبتني برتزريق پالس براي پردازش سيگنال از "تبديلات فوريه زمان کوتاه" STFT استفاده مي شود. اين تبديل براي پردازش امواج با شکل و پهناي باند مشخص مفيد مي باشد . به همين دليل هم در روش هاي تزيق پالس بدليل آنکه يک موج سيار با شکل و فرکانس مشخص توسط خود دستگاه به خط تزريق مي شود از اين نوع تبديل براي پردازش امواج سيار برگشتي و محاسبه زمان رفت و برگشت خطا استفاده مي شود. اما زماني که بحث مکان يابي بر روي استفاده از امواج سياري که توسط خطا توليد مي شود متمرکز مي گردد ، به دليل آنکه هنگام بروز خطا يک طيف بسيار گسترده از امواج سيارمرکب با فرکانس ها و اشکال متفاوت از حدود ٢٠ تا ١٠٠ کيلو هرتز توليد مي گردد ديگر براي پردازش چنين طيف گسترده اي از امواج سيار "تبديلات فوريه زمان کوتاه" توانائي لازم را ندارند .پس بدنبال روشي هستيم که در بين امواج سيار يک شکل موج مشخص را با بالا ترين فرکانس فيلتر نموده و متعاقبا زمان رفت و برگشت آنرا از محل خطا تا مکان ياب محاسبه نمائيم . چنين روشي موسوم به تحليل موجک يا ويو لت مي باشد . اين تحليل از دهه ٨٠ کشف شد و تا بحال با پيشرفت هائي که داشته است انقلاب بزرگي را در بحث پردازش سيگنال و بويژه در پردازش سيگنال هاي گذرا بوجود آورده است . تبديل ويولت داراي مشخصه اي است به نام موجک مادر که انواع مختلفي دارد. اين تبديل در ابتدا بين کل امواج موجود موج سياري را که با موجک مادر شباهت دارد، جدا نموده و سپس موج جدا شده را بر اساس انواع مولفه هاي فرکانس بالا تا پائين تشکيل دهنده آن ارنج مي نمايد به طوريکه با جمع آنها مي توان موج اوليه را بدست آورد. به عنوان نمونه در (شکل ١ ) جداسازي امواج تشکيل دهنده يک موج مرکب توسط تبديل ويولت نشان داده شده است .[5] [4] [1]
(شکل ١ ) تجزيه چند سطحي يک سيگنال واقعي
لازم به ذکر است چون موج سيار توليدي توسط خطا ترکيبي از شکل موج هاي گوناگون است لذا پردازش هاي گوناگون توسط ويولت نشان داده است که در بين خانواده هاي ويولت ، اجزا خانواده موجک دابچيز بهترين موجک مادر براي فيلترينگ تنش هاي خطوط برق ، کيفيت توان و مکانيابي خطا مي باشد.
نمونه موجکهاي مادر خانواده ويولت دابچيز در (شکل ٢ )قابل مشاهده مي باشد [٧]
(شکل ٢) نمايش خانواده موجکهاي Daubechies
٤- الگوريتم مکان يابي خطا مبتني بر امواج گذرا:
هنگام خطا، در ابتداي خط و در محل استقرار مکان ياب ولتاژ سه فاز نمونه برداري مي شود . سيگنال نمونه برداري شده در فضاي فازي مي باشند. در اين فضا به دليل القا متقابل فازها ، تغييرات آرايش خط و بسياري عوامل ديگر، سرعت حرکت امواج در هر سه فاز يکسان نمي باشد، لذا لازم است که با بردن سيگنال ولتاژ به فضاي مد (مختصات D-Q-O) ضمن حذف فاز يک سرعت ثابت را براي هر سه مد در نظر گرفت . اين عمل را مي توان توسط ماتريس کلارک انجام داد ولتاژهاي فازي به ترتيب Vc، Vb، Va و ولتاژ هاي مدي به ترتيب V1 V2 وV3مي باشند .
ماتريس کلارک
خروجي تبديل داراي سه مولفه مدي است که دو مولفه اول و دوم آن در مکان يابي استفاده مي شود . اولين سطر مربوط به مد ١ يا مد زميني است V١ و دومين سطر مربوط به مد ٢ يا مد ناحيه ايست V٢. مد ١ براي خطا هاي فاز به زمين يا هر خطا که سيستم را از تقارن خارج کند داراي مقدار است . ولي مد ناحيه اي در همه انواع خطا داراي مقدار مي باشد . به اين ترتيب در کليه محاسبات پيشنهاد مي شود از اين مد استفاده گردد .
پس از اعمال تبديل کلارک، از سيگنال در مد ٢ تبديل ويولت از خانواده db گرفته مي شود در اين حالت مي توان ازموجک مادر db2 يا db4 استفاده نمود اين تبديل حداقل در ٤ سطح گرفته مي شود . هرچه تعداد سطوح بالاتر تعريف شود تبديل ويولت موج سيار را به تعداد بيشتري از مولفه هاي فرکانسي تشکيل دهنده اش تقسيم مي کند . در اين حال شکل موج مربوط به بالاترين مولفه فرکانسي را بطور جدا در اختيار داريم اين نمودار با نمايش وضعيت موج سيار در محور زمان به راحتي زمان هاي رفت و برگشت سيگنال بين محل خطا و مکانياب را نشان مي دهد (شکل ٣). تنش هاي قوي مربوط به انعکاس از محل خطا و شينه است و تنش هاي ضعيف مربوط به امپدانس هاي مزاحم مانند جمپر ها ، اتصالات سست ، انشعابات و غيره مي باشد .
درشکل ٣ نمودار b مشاهده مي شود نحوه حرکت موج سيار در محور زمان قابل مشاهده است .
(شکل ٣) نحوه مکانيابي خطاي گذرا با امواج گذراي توليد شده توسط خطا a
