تحديد الأعطال الكهربائية لخطوط التوزيع ضمن المكون الرئيسي

في هذا البحث، يتم بحث طريقة تحديد قسم الأعطال القائم على تحليل المكون الأساسي (PCA-) أحادية الطرف لخط توزيع هجين (نظام تأريض غير فعال)، وهو خط علوي مدمج مع كابل تحت الأرض عندما يحدث خطأ أحادي الخط إلى الأرض (SLG).

أهمية تحديد الأعطال الكهربائية لخطوط التوزيع بشكل عام

مع تطور شبكات التوزيع الكهربائي في المدن، زادت نسبة خطوط التوزيع الهجينة بشكل كبير، كما ويصعب العثور على الأعطال التي تحدث في “خطوط الكابلات الأرضية” أكثر من الخطوط العلوية، وذلك عبر أجزاء من بقية هذه الدراسة، وللإيجاز يتم استخدام “كبل” للإشارة إلى الكابلات الأرضية و “الخطوط” أو “النفقات العامة” للإشارة إلى الخطوط العلوية.

وبمجرد حدوث الأعطال؛ فإنها ستؤثر بلا شك على موثوقية مصدر الطاقة الكهربائية، بحيث يمكن منع الخسائر الكبيرة إذا تم اكتشاف الخطأ وتحديد موقعه بدقة وسرعة، وبالتالي يعد التحديد الدقيق لقسم الأعطال أمراً مهماً لتقليل التكاليف التشغيلية لأنظمة الطاقة وتحسين موثوقية نظام الطاقة وتسهيل استعادة الخدمة بسرعة.

كما يزداد تعقيد مشكلات تحديد قسم الأعطال مع انتشار الهياكل غير العادية، مثل خطوط التوزيع المدمجة مع الكابلات الأرضية، لذا؛ فإن تحديد قسم الأعطال في الخطوط العلوية جنباًَ إلى جنب مع خطوط الكابلات يعد مهمة صعبة، وذلك مقارنة طرق الموقع المختلفة على النحو التالي.

تعتمد طرق تحديد موقع الأعطال للخطوط الهوائية المدمجة مع الكابلات الأرضية على الأساليب القائمة على تردد الطاقة أو موجات الإزاحة الموجية المنتظمة أو الذكاء الاصطناعي، بحيث تعتبر الطرق المعتمدة على الموجة المتنقلة أكثر موثوقية عند مقارنتها بالطرق القائمة على تردد الطاقة، ولكن يلزم وجود أجهزة استشعار متقدمة ذات معدلات أخذ عينات عالية.

كما اقترح الباحثون طريقة تعتمد على تردد الطاقة لتحديد موقع الخطأ الذي يتطلب بيانات قياس الطور من أحد طرفي خط التوزيع والقياسات المتزامنة في أقصى نهاية كابل الطاقة، وذلك إضافة خوارزمية جديدة قائمة على موجة السفر والتي لا تفترض الانعكاسات شبه الكلية عند الانقطاعات، وبالتالي فهي أكثر دقة على نطاق واسع من المعطيات المتغيرة.

استخدام الطرق المتطورة لتحديد أعطال الخطوط الكهربائية

في السنوات الأخيرة، غالباً ما تُستخدم الطرق الذكية لتحديد خطوط التوزيع الهجينة ذات المقطع الخاطئ، بحيث تم اقتراح طريقة هجينة جديدة تجمع بين التحويل الموجي المنفصل (DWT) والشبكة العصبية الاصطناعية (ANN) لتحديد قسم الأعطال (FSI) وموقع الخطأ (FL) في أنظمة الطاقة، كما يتم استخدام التحويل الموجي المنفصل (DWT) لاستخراج الميزات ويتم تغذية الميزات المستخرجة لاحقاً في آلة ناقلات الدعم (SVM)، والتي تُستخدم أيضًا لتصنيف الأعطال.

كما أن [time-time (TT)] والمحولات الكهربائية (S) تُستخدم لاستخراج المعلومات من إشارات الجهد الكهربائي العابر المقاسة عند طرف واحد، بحيث يتم استخدام آلة متجه الدعم (SVM) لتصنيف الأعطال، كما يستخدم تحليل المكون الرئيسي (PCA) على نطاق واسع في تقليل أبعاد البيانات، وفي العقود الأخيرة تم استخدام (PCA) لمعالجة البيانات في مختلف المجالات.

كذلك تم تقديم خوارزمية جديدة للتعرف على الوجوه ثنائية الأبعاد تعتمد على (PCA)، بحيث قدم كل من (Nunzio Cotrufo) و (Radu Zmeureanu) طريقة جديدة قائمة على (PCA)، وذلك للكشف عن الأعطال وتحديدها للتشغيل المستمر للمبردات، كما تم استخدام (PCA) في اكتشاف أعطال نظام القدرة الكهربائية، بحيث يتم تقديم تحليل المكون الرئيسي (PCA) لاستخراج أنماط ضربات البرق على خطوط النقل.

وفي التجارب العملية؛ فقد تم اختبار أداء الطريقة في خطوط توزيع هجينة (35) كيلو فولت لنظام توزيع يعتمد على (PSCAD / EMTDC) لمواقع الأعطال المختلفة وزوايا بداية الخطأ المختلفة (FIAs) ومقاومة الأعطال بنتائج مرضية، كم أنه تم فحص تأثير التوليد الموزع (DG) وأطوال الكابلات والخطوط الهوائية على دقة الطريقة المقترحة.

الطرق المقترحة لحل الأعطال في خطوط التوزيع الكهربائية بشكل كامل

في هذا القسم، نصف طريقة تحديد قسم الأعطال المستندة إلى (PCA) المقترحة أحادية الطرف لخط توزيع هجين، وهو عبارة عن خط علوي مدمج مع كابل تحت الأرض، كما تم رسم خط التوزيع في الشكل التالي (1)، حيث (L1) هو طول الكابل تحت الأرض و (L2) هو طول الخط العلوي في الشكل (1-a) و (L1) هو طول الخط العلوي و (L2) هو طول الكابل الأرضي في الشكل (1-b)، كذلك (M) هو موقع القياس، أما الخطان الآخران هما مغذيات الكابلات الأرضية بطول (8 ، 15) كم.

كما تم تطوير تحديد قسم الأعطال بناءً على الافتراضات التالية:

• تتوفر القياسات عند نهاية الإرسال لخط الكابل أو الخط العلوي.

• لا يتوفر التوليد والحمل عند نقطة الوصل.

• أجهزة القياس غير موجودة في نقطة الوصل.

• مغذيات الكابلات تحت الأرض بطول (8) كم و (15) كم هي مغذيات صحية، ولا تحدث الأعطال أحادية الطور إلى الأرض إلا عند خط التوزيع الهجين بطول (20) كم.

شكل موجة متحركة في أقسام صدع مختلفة

يختلف حجم العبور الحالي وفقاً لتعريفات قسم الأعطال المختلفة، مما يشير إلى حدوث أخطاء في خط علوي أو خط كابل تحت الأرض، كذلك (L1) هو الخط العلوي و (L2) هو كابل تحت الأرض.

ونظراً لأن مقاومة خط الكبل أقل بكثير من مقاومة الخط العلوي؛ فعند حدوث خطأ في خط علوي، يجب أن تنتقل الموجة المتنقلة من القسم المعيب من الخط العلوي إلى خط الكابل وعبوراً لنقطة التوصيل وأخيراً الوصول إلى نقطة القياس (M).

تحديد قسم خطأ المسافة الإقليدية

تُستخدم المسافة الإقليدية للحكم على الخطأ الذي يحدث في خطوط التوزيع وكذلك لقياس عينة الاختبار و (k -)، بحيث يعني مركز بيانات التجميع التاريخي، (k -)، بحيث يعني التجميع هو تقنية تحدد النقطة الوسطى للعنقود كمتوسط النقاط في الكتلة، كما أن خطوات الخوارزمية المحددة هي كما يلي.

• تحديد بيانات نموذج (k) عشوائياً من مجموعة البيانات، كما وتمثل كل بيانات عينة المركز الأولي للمجموعة.

• لكل بيانات عينة متبقية، بحيث يتم تخصيصها لأقرب مجموعة وفقاً للمسافة الإقليدية من كل مركز كتلة.

• يتم حساب متوسط الكتلة الجديد على أنه المركز، ويتم إعادة توزيع بيانات العينة.

• الاستمرار في التكرار حتى يصبح التخصيص مستقراً.

وأخيراً في هذه الدراسة، تم تقديم طريقة تحديد قسم الخطأ القائم على (PCA) أحادية الطرف لخط توزيع هجين، أي خط علوي مدمج مع كابل تحت الأرض، كما أنه يتم استخراج تيارات الوضع الأرضي أو الجوي لخط الصدع من نقاط القياس أحادية الطرف عند حدوث أعطال في الكابلات أو الخطوط العلوية لتطبيقها على (PCA) وطريقة اندماج المسافة الإقليدية.

كذلك يتم اختبار أداء الطريقة المقترحة لمختلف سيناريوهات الأعطال الكهربائية المتنوعة، بما في ذلك مواقع الأعطال المختلفة  و (FIA) والمقاومة (بما في ذلك أخطاء المعاوقة العالية) وأطوال الكابلات والخطوط العلوية وكذلك المواقع المختلفة في نظام خط التوزيع الهجين، بما في ذلك (DGs)، وتكون جميعها بنتائج مرضية.