أعطال خطوط نقل الطاقة الكهربائية العلوية بناء على التوقيعات المغناطيسية

تخديد أعطال خطوط النقل العلوية بناءً على التوقيعات المغناطيسية

يمكن أن يضمن نظام نقل الطاقة الكهربائية القوي والموثوق توافر الطاقة لتلبية النمو السكاني والتنمية الصناعية، وذلك من خلال ربط العديد من محطات توليد الطاقة الكهربائية بمراكز المستهلكين الحضرية الكبيرة وأيضاً بالمناطق الريفية الأقل كثافة سكانية، والتي تشكل أنظمة مترابطة كبيرة، كما تخضع هذه الأنظمة لظروف غير طبيعية قد تحدث في أجهزة مختلفة، ومع ذلك؛ فإن خطوط النقل أكثر عرضة للتأثر لأنها تغطي مساحات كبيرة، وبالتالي فهي أكثر عرضة للظروف الجوية المعاكسة والحوادث وما إلى ذلك.

ولضمان إمداد الطاقة بالجودة والموثوقية والأمان وتقليل أوقات الانقطاع، من المستحسن أن تقضي أطقم الصيانة أقل وقت ممكن لتحديد الأعطال واستعادة التشغيل، ولهذه الأسباب تم اقتراح الخوارزميات وطرق تحديد موقع الخطأ في الدراسات، كما ويمكن تقسيمها إلى المجموعات الرئيسية التالية:

الطرق القائمة على الممانعة وموجات السفر والنهج القائمة على المعرفة، بحيث اعتمدت الطرق الأولى المستخدمة لتحديد موقع الخطأ في خطوط النقل على المكون الأساسي لإشارات الفولتية والتيارات، وغالباً ما يشار إليها باسم طرق حساب الممانعة، بحيث تربط هذه الطرق مسافة الخطأ بمقاومة خط النقل، كما وتستخدم قياسات إشارات الجهد والتيار، والتي توفرها محولات الجهد (VTs) أو محولات التيار (CT)، وذلك لإجراء مثل هذه الحسابات وتعتمد على عوامل دقيقة لخط النقل من أجل تقديم نتائج دقيقة.

كما قد تقدم خوارزميات تحديد موقع الخطأ بناءً على حساب الممانعة، العديد من مصادر الخطأ، مثل الأحمال المتغيرة وتغذية عن بعد مقاومة الخطأ اقتران متبادل ممانعات خط غير دقيقة وكذلك تعويض التيار المستمر والتشبع المقطعي وطوبولوجيا خط النقل (مثل الخطوط ثلاثية الأطراف أو الخطوط الشعاعية المستغلة)، كما تم اقتراح عدة طرق في الدراسات للتغلب على هذه العيوب فيما بعد.

كذلك تعتمد الطرق التي تعتمد على موجات السفر (TWs) على انتشار وانعكاس موجات الجهد والتيار الكهربائي وخاصةً عندما يحدث خطأ، كما تنتشر هذه الموجات عبر خط النقل وتعكس مرة أخرى عند محطتي خط النقل، حيث أن تحديد هذه الموجات وقياس أوقات وصولها، والمرتبطة بسرعة انتشار خطوط النقل، يوفر نتائج دقيقة.

أيضاً؛ فإنه يمكن تقسيم هذه الطريقة إلى مجموعتين، زهما أساليب سلبية ونشطة، بحيث تستفيد الطرق السلبية من جهد خط النقل الكهربائي أو التيارات الكهربائية من نوع (TWs) لتحديد مسافة الخطأ من أطراف الخط، بينما تضخ الطرق النشطة إشارات عالية التردد في خط النقل عند حدوث عطل، وكل ذلك من أجل تحديد موقع العطل بدقة عالية.

طرق تحديد موقع العطل (TWs)

تعتمد على الكشف الفوري لحدوث الخطأ وانتشار انعكاس إشارات الخطأ، بحيث تتطلب عادةً معدلات عالية لأخذ العينات، مما يعني أنها تعتمد على معدات متطورة ومكلفة وعلى خوارزميات ذات تكاليف حسابية عالية، كما تحتاج إلى تزامن زمني بين الأطراف (للخوارزميات القائمة على معطيات طرفية أو أكثر)، كما وتكون أكثر دقة بشكل عام، وخاصةً عند مقارنتها بالطرق الأخرى.

لذلك تتمثل الاهتمامات الرئيسية فيما يتعلق بهذه الأساليب في القدرة على الكشف الصحيح عن الحوادث والموجات المنعكسة وكذلك لتقليل اعتمادها على معطيات خطوط النقل، كما تهدف معظم الأبحاث الحديثة نحو هذا الهدف، وفي هذا السياق، تقدم الدراسات طريقة تحديد موقع خطأ الموجة المتنقلة بناءً على نموذج الشجرة الموجه والتركيب الخطي، والذي يحل مشكلة مزامنة الوقت.

بينما يقترح المهندسون طريقة دقيقة للكشف عن (TWs)، وذلك بناءً على تحويل فورييه السريع، بحيث يقدم طريقة غير متزامنة لتجنب الحاجة إلى التزامن بين محطات خط النقل. إلى جانب ذلك، يقدم المختصون طريقة تحديد موقع الخطأ التي تستخدم التحويل النموذجي وعملية التحسين التي تكون مستقلة عن معطيات ومتطلبات الخط.

وهناك طرق تحديد موقع الخطأ المستندة إلى المعرفة تتسامح مع الأخطاء وقادرة على التعميم، وهذه التقنيات مستوحاة من خوارزميات التعرف على الأنماط أو مشاكل اتخاذ القرار، وفي كثير من الأحيان تستخدم الأساليب القائمة على المعرفة ميزات من طرق تحديد موقع الخطأ الأخرى ومن معلمات خطوط النقل، بالإضافة إلى مكونات التردد العالي لإشارات الجهد والتيار، وكل ذلك لتوفير مدخلات لنهج التعلم الآلي التي يمكنها حساب موقع الخطأ.

طريقة تحديد موقع الخطأ الكهربائي لخطوط النقل العلوية

تجمع طريقة تحديد موقع الخطأ المقترحة في هذا الطرح المعلومات المقدمة من مجموعتين من أجهزة الاستشعار المقاومة للمغناطيسية القائمة على الأجهزة المثبتة فقط في محطات خط النقل، وذلك تحت موصلات الطور لبرج الإرسال الأول في كلا المحطتين أو في بوابات المحطات الفرعية باستخدام خوارزمية قائمة على موقع خطأ النوع (D -TW)  والمعلومات التي توفرها الأجهزة الإلكترونية الذكية (IEDs) المسؤولة عن عزل العطل في خط النقل (TL)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1).

لذلك تتمتع هذه المستشعرات بالقدرة على التقاط المجال المغناطيسي الناتج عن تيارات الطور والعملية وإخراج المعلومات عبر شبكة اتصالات إلى مركز التشغيل، ولمعالجة هذه المعلومات، تستخدم المستشعرات طريقة تعتمد على “مرشح كالمان” الممتد (EKF) القادر على اكتشاف وقت حدوث حدث التيار الزائد عن طريق اكتشاف التشوهات كلما تجاوزت الأخطاء بين الحقول المغناطيسية المقاسة والتنبؤ بالنموذج لنفس الحقول حدود محددة مسبقاً.

وعند حدوث ذلك، ترسل المستشعرات هذه المعلومات إلى مركز التشغيل حيث يتم إجراء توطين الخطأ، كما تعتمد خوارزمية توطين الخطأ على تقنية تحديد موقع خطأ الموجة المتنقلة من النوع (D) وكلما تم اكتشاف خطأ داخل منطقة الحماية بواسطة أجهزة الحماية الكهربائية، بحيث يتم توفير الموقع للمهندسين في مركز التشغيل.

كما تقدم الأقسام التالية (II-A ، II-B ، II-C) اعتبارات حول قياسات المجال المغناطيسي وتفاصيل حول نظرية (EKF) وتطبيقها وموقع الخطأ في حد ذاته.

قياسات المجال المغناطيسي

تنتج التيارات التي تدور على طول الموصلات “مجالاً مغناطيسياً”، بحيث يمكن أن يتحلل إلى مكونين مكانيين عمودي [Hx (k)] وأفقي [Hy (k)]، ووفقاً لقانون أمبير للدائرة الكهربائية؛ فإنه يمكن وصف المجال المغناطيسي كما في العلاقات الرياضية التالية:

حيث أن:

(a ^ x ، a ^ y): هما متجهان لمحور (x ،y).

(n): هو رقم الموصل ( 2،3،n =1).

(k): هي العينة (k th) للإشارة الحالية المتداولة في الموصل (n).

كما أن تصرفات المستشعر المكاني فيما يتعلق بالموصل (n) هي:

وكما تصف المعادلة السابقة (1) تراكب مساهمات المجال المغناطيسي لكل موصل على المحورين الأفقي والرأسي، بهذه الطريقة؛ فإنه يمكن الحصول على القيمة المطلقة التربيعية للمجال المغناطيسي كما في العلاقة التالية:

كما تصف الإشارات [Hx (k) و Hy (k)] السلوك الجيبي وتردد إشارات تيارات خط النقل، وذلك عن طريق رفع المجال المغناطيسي إلى المربع، أي بمعنى [Hx (k) 2] ، [Hy (k) 2] تتضاعف ترددات الإشارات ويظهر مكون تيار مستمر، كما يستخدم (EKF) المقترح في هذا الطرح هذه الإشارات المربعة.