بخشی از مقاله
خلاصه
استفاده از کابلهای قدرت زیرزمینی در قسمتهای مختلف شبکه توزیع به دلیل مزایای اتصالات زیرزمینی توسعه فراوانی یافته است. در این مقاله روشی جدید برای مکانیابی خطای تکفاز به زمین در کابلهای زیرزمینی سهفاز مبتنی بر پردازش سیگنال دیجیتال و بدون استفاده از پارامترهای خط کابلی معرفی میشود. اندازهگیریها تنها از ولتاژ و در یک سمت از خط انجام میشود. با استفاده از تبدیل هیلبرتBهوانگ و ایجاد تمایز بین طیف موجهای امواج گذرای تولیدی، مکان خطا تعیین میشود.
در الگوریتم پیشنهادی با استفاده از امواج انتشار یافته بعد خطا و بدون استفاده از پارامترهای خط کابلی سرعت سیر امواج محاسبه میشود. روش پیشنهادی، نیازی به داده های GPS و همزمانی اطلاعات ندارد. سیستم قدرت مورد مطالعه با یک خط انتقال ولتاژ متوسط کابلی با عایق XLPE در نرمافزار ATP/EMTP مدلسازی شده است.
اطلاعات نمونه برداری شده از ولتاژ سه فاز، جهت محاسبه مکان خطا با استفاده از تبدیل هیلبرتBهوآنگ به نرمافزار MATLAB منتقل شده است. عملکرد روش پیشنهادی به ازای شرایط مختلف خطا شامل موقعیتهای مختلف خطا، زاویههای متفاوت شروع خطا و مقاومتهای مختلف خطا بررسی شده است. نتایج حاصله حاکی از کارآمد بودن این روش جهت مکانیابی دقیق، سریع و عدم وابستگی آن به شرایط مختلف خطا بوده است.
.1 مقدمه
با افزایش مصرف انرژی از سوی شهرهای بزرگ، مشکلات متعددی جهت انتقال انرژی به مصرف کنندگان در شهرهای با تراکم جمعیت زیاد وجود دارد. از جمله این مشکلات نبود فضای کافی برای احداث خطوط هوایی است. به همین دلیل در بسیاری از مواقع، خطوط کابلی جایگزین خطوط هوایی جهت انتقال توان الکتریکی میشوند.
کابل های زیرزمینی به علت مزایای اتصالات زیرزمینی، نظیر عدم نگرانی های زیست محیطی و قابلیت اطمینان بالاتر نسبت به خطوط هوایی، به طور گستردهای مورد استفاده قرار گرفته است. امروزه به دلیل افزایش مصرف انرژی و همچنین پیچیدهتر شدن ساختار شبکههای توزیع، شرکتهای توزیع در صدد بهبود قابلیت اطمینان و کیفیت انتقال انرژی به منظور کاهش وقفه در سیستم هستند. اما وجود وقفه در سیستم به دلیل ایجاد خطای ناشی از عوامل مختلف امری اجتنابناپذیر است.
بنابراین یک روش سریع و دقیق برای تشخیص محل خطا به منظور کاهش وقفه در سیستم، بهبود قابلیت اطمینان و به حداقل رساندن زیانهای مالی مورد توجه است. خطاهایی که در کابل های زمینی رخ میدهند شامل خطاهای سری در اثر بریدگی کابل ها بدون آسیبدیدگی عایق و خطاهای موازی در اثر از بین رفتن عایق می باشند. به طور کلی روشهای تعیین مکان خطا در کابلهای قدرت به روشهای آنلاین و آفلاین تقسیم میشود
در روش آفلاین از ابزارهای مخصوصی جهت تست خرابی کابل استفاده شده، اما دقت کافی برای تعیین نقطه دقیق خطا وجود ندارد. روش آنلاین بر مبنای تجزیه و تحلیل سیگنال فرکانس بالا و دانش پیشنهاد شده است
مکانیابی خطا در خطوط انتقال به دو دستهی، روشهای مبتنی بر امپدانس و روشهای مبتنی بر امواج سیار تقسیم میشوند. از جمله روشهای ابتدایی برای تعیین مکان خطا در کابلهای قدرت میتوان به روش امپدانسی اشاره کرد، که الگوریتمی بر مبنای محاسبه امپدانس ظاهری کابل قدرت در فرکانس پایه برای تعیین مکان خطا در کابل میباشد
اما این الگوریتم وابسته به پارامترهای کابل قدرت است. مکانیابی خطا مبتنی بر امواج سیار، سریعترین و دقیقترین روش در میان تکنیکهای مکانیابی خطا است. استفاده از این روش مکانیابی، معمولأ نیازمند آشکارسازی امواج سیار بعد از وقوع خطا می باشد
از جمله روشهای ارائه شده با استفاده از امواج سیار، میتوان به استفاده از ضریب همبستگی بین موج اولیه و موج منعکس اشاره کرد
یک روش تک پایانه ای مکانیابی خطا بر اساس امواج سیار با استفاده از تبدیل موجک در [6] ارائه شده که در آن، مبدلهای جریان نوری برای ثبت امواج گذرای جریان به کار رفتهاند. استفاده از پارامترهای کابل قدرت و مدل توزیع شده کابل زیرزمینی همراه با اندازهگیری از ولتاژ و جریان در دو سمت خط انتقال کابلی به منظور مکانیابی در [7] بیان شده است. در جریان گذرا به عنوان ورودی دستهبندی کنندهی ماشین بردار پشتیبان - SVM - برای مکانیابی خطا در خطوط جبرانسازی شده سری بیان شده است. اما، این روش برای تشخیص خطا به ازای مقاومت خطای زیاد دارای درصد اشتباه بالای است.
در مکانیابی خطا در شبکه کابلی به کمک تئوری امواج سیار و تبدیل موجک بر مبنای تجزیه و تحلیل موجهای رفت و برگشت، مکان خطا تخمین زده شده است. در استفاده از شبکه عصبی برای مکانیابی خطا در خط انتقال تک مداره و دو مداره پیشنهاد شده است.
در این روش به کمک مولفهی DC و هارمونیک اصلی و سوم ولتاژ و جریان سهفاز به مکانیابی خطا پرداخته شده است. در [11] الگوریتمی مبتنی بر سیستم استنتاج فازی عصبی تطبیقی 1 - ANFIS - در خطوط ترکیبی - هوایی/کابلی - بیان شده، که ابتدا بخش خطا شناسایی و سپس مکان خطا تعیین میگردد. اما این الگوریتم به شدت وابسته به آموزش اولیه است.
در این مقاله، الگوریتمی جدید بر مبنای پردازش سیگنال پیشرفته و بدون استفاده از پارامترهای کابل، به منظور تعیین مکان خطای تک فاز به زمین ارائه شده است . روش پیشنهادی با استفاده از آنالیز سیگنالهای ولتاژ گذرای فرکانس بالا و اطلاعات اندازهگیری شده از یک سمت خط کابلی میباشد. اطلاعات گذرای ولتاژ و مولفههای مودال به عنوان ورودیهای روش تجزیه حالت تجربی 2 - EMD - ، برای استخراج توابع ذاتی سیگنال خطا 3 - IMF - در نظر گرفته میشوند. سرعت انتشار امواج در کابل زمینی بدون استفاده از پارامترهای خط کابلی محاسبه میشود. به کمک تبدیل هیلبرت هوآنگ و سرعت انتشار امواج، مکان خطا محاسبه میشود.
روش پیشنهادی برای مکانیابی خطا با استفاده از نرم افزار ATP/EMTP بهازای شرایط مختلف مانند مقاومت خطا، زاویه شروع خطا و موقعیتهای مختلف خطا بر روی سیستم قدرت مورد مطالعه تست شده که در مقایسه با سایر مراجعی که از روش مکانیابی مبتنی بر امواج سیار استفاده نمودهاند، از حساسیت بسیار کمتری به ازای خطاهای نزدیک باس و خطاهایی با زاویه شروع کوچک و مقاومت متفاوت برخوردار است.
.2 مفاهیم پایه ای
.1-2 تبدیل هیلبرت هوآنگ
این تبدیل روشی جدید برای تجزیه و تحلیل سیگنالهای غیرخطی، همراه با تغییرات غیرثابت است. تبدیل هیلبرت-هوآنگ از مزایایی از جمله داشتن خاصیت تطبیقپذیری، عدم نیاز به تعریف و پیش فرضهای اولیه نسبت به سایر ابزارهای پردازش سیگنال برخوردار میباشد. تبدیل هیلبرت-هوآنگ - HHT - از دو بخش تجزیه حالت تجربی - EMD - و تبدیل هیلبرت - HT - تشکیل شده است.
بخش اول - تجزیه حالت تجربی - : بخش اصلی تبدیل هیلبرت-هوآنگ، تجزیه حالت تجربی سیگنال - EMD - است. مطابق با شکل 1، سیگنال اصلی S - t - با استفاده از الگوریتم تجزیه حالت تجربی، به توابع ذاتی سیگنال خطا - IMF - ، تبدیل می شود. مولفهی تابع ذاتی اول - IMF1 - ، مهمترین تابع ذاتی به دلیل دارا بودن بالاترین فرکانس است
در این مقاله، - IMF1 - به عنوان پیش پردازش برای تبدیل هیلبرت در نظر گرفته شده است.
شکل - 1 تجزیه سیگنال S - t - به مولفه های ذاتی
که ci - t - مولفههای توابع ذاتی - IMF - و rn - t - مقادیر باقیمانده سیگنال اصلی می باشد.
بخش دوم - تبدیل هیلبرت - : پس از استفاده از روش تجزیه حالت تجربی - EMD - ، با اعمال تبدیل هیلبرت بر مشخصه فرکانسی محاسبه شده در بخش قبل، منحنی مشخصه فرکانس و دامنه لحظهای محاسبه میشود. اگر X - t - یک سیگنال در حوزه زمان باشد
