طراحي يك روش جديد براي تشخيص خطاهاي امپدانس بالا براساس تبديل wavelet

چكيده

در اين مقاله طراحي يك روش جديد براي تشخيص خطاهاي امپدانس بالا در شبكه هاي توزيع براساس تبديل wavelet توصيف شده است. تشخيص خطاهاي امپدانس بالا باروشهاي مرسوم بسيار مشكل مي باشد. با رخداد خطا در اين شبكه، سيگنالهاي آغشته به مولفه هاي فركانسي در جريان ظاهر مي شوند. باتشخيص اين مولفه هاي فركانسي مي توان به وجود اين خطاها پي برد. بنابراين با توجه به قدرت بالاي تبديل
wavelet به نظر مي رسد اين تبديل مي تواند با استخراج طيف فركانسي شكل موج جريان با قابليت بالايي خطاهاي امپدانس بالا را تشخيص دهد.

هدف مقاله

در اين مقاله الگوريتمي مبتني بر اين تبديل براي تشخيص خطاهاي امپدانس بالا در شبكه هاي توزيع معرفي شده است. نتايج تست و شبيه سازي نشان مي دهد كه روش فوق باقدرت بسيار بالايي خطاهاي امپدانس بالا را تشخيص داده و مي تواند آن را از حالتهاي ديگر سيستم قدرت مانندكليدزني بار يا كليدزني خازن تفكيك نمايد.

كلمات كليدي

تبديل wavelet، شبكه هاي توزيع و خطاهاي امپدانس بالا.

1- مقدمه

در سيستم هاي توزيع الكتريكي به خطاهايي كه رله هاي اضافه جريان و رله هاي اتصال زمين قادر بهتشخيص آنها نيستند خطاهاي امپدانس بالا گفته مي شود. اين خطاها در اثر برخورد هادي با شئي مانند شاخهدرخت به هادي ها و يا قطع هادي و افتادن آن بر روي سطحي كه داراي خاصيت هدايت الكتريكي مناسبينيست بوجود مي آيد. دامنه جريان خطا در اين نوع خطاها بسيار كم است ولي با وجود آمدن اين خطاها احتمالآتش سوزي و يا برق گرفتگي اشخاص وجود دارد .

1 حسن خراشادي زاده
گروه برق قدرت، دانشكده مهندسي، دانشگاه بيرجند
2 سعيد حسيني نوهشركت توزيع شمال كرمان 

خطاهاي امپدانس

تاكنون تحقيقات زيادي براي تشخيص خطاهاي امپدانس بالاانجام و روشهاي متعددي براي آن ارائه شده است. تحقيقات نشان مي دهد كه خطاهاي امپدانس بالا موجب بوجود آمدن هارمونيك بر روي موج جريانمي شود. از اين لحاظ بعضي از محققين از هارمونيك ها براي تشخيص اين خطاها استفاده كرده اند [2-5].تبديل wavelet روش مناسبي براي استخراج طيف فركانسي يك شكل موج مي باشدامروزه اين تبديل درپردازش سيگنال، پردازش تصوير ، پردازش اطلاعات و . . . كاربرد بسيار زيادي پيدا كرده است [6]. بنابراين به نظر مي رسد اين تبديل مي تواند با استخراج طيف فركانسي شكل موج جريان با قابليت بالايي در تشخيص خطاهاي امپدانس بالا استفاده شود.

روش جديد

در اين مقاله نيز يك روش جديد بر اساس تبديل wavelet براي تشخيص خطاهاي امپدانس بالا پيشنهاد شده است. براي انجام مطالعات شبيه سازي، يك سيستم توزيع به كمك نرم افزار EMTDC شبيه سازي شده است.

نتايج حاصل از شبيه سازي نشان مي دهد روش پيشنهاد شده با دقت بالايي قادر به تشخيص خطاهاي امپدانسبالا مي باشد و در هنگام بوجود آمدن حالت هاي گذرايي مانند كليد زني، ورود و خروج خازن هاي تعديل شبكهكه در شبكه هارمونيك هاي زيادي بوجود مي آورند قادر به تفكيك اين حالات از خطاهاي امپدانس بالا ميباشد.

2-تبديل wavelet  

امواج پريونيك با دوره هاي نامحدود عموما به كمك تبديل فوريه به شكل موجهاي مختلف با فركانسهايمتفاوت تجزيه مي شوند. به طور مشابه تبديل wavelet يك سيگنال را به سيگنالهاي شيفت داده شده و تغييرمقياس يافته از يك سيگنال اصلي تبديل مي كند.

wavelet يك شكل موج محدود زماني با يك مقدار متوسط صفر است. تبديل wavelet براي آناليز شكل موجهاي كوتاه مدت، نامتقارن و نوساني بسيار كاربرد دارد تبديلwavelet براي تحليل بازه هاي طولاني و كوتاه مدت يك شكل موج نيز مناسب است به گونه ايكه هم اطلاعات مربوط به فركانسهاي بالا و هم اطلاعات مربوط به فركانسهاي پايين در تبديلwavelet باقي مي ماند. بنابراين تبديل wavelet داراي خاصيت چند رزولوشنه است و براي تحليل سيگنالهاي گذارا بسيارمناسب است [7].

تبديل wavelet پيوسته به صورت جمع حاصلضرب سيگنال زماني در تغيير مقياس يافته و شيفت داده شدهتابع اصلي wavelet به صورت زير تعريف مي شود:

دانلود رایگان فایلهای متلب

( , )

آناليزx(t)

در رابطه (x(t) (1 سيگنالي است كه بايد آناليز شود، a و b نيز ضرايب تغيير مقياس وشيفت زماني مي باشند.در اين رابطه (g(t تابع اصلي wavelet ناميده مي شود. نتيجه تبديل wavelet پيوسته ضرايب زيادي هستند كهتابعي از تغير مقياس و وضعيت سيگنال مي باشند.

شكل گسسته تبديل wavelet به تبديل wavelet گسسته مشهور است و به صورت زير تعريف مي شود:

åاين تبديل مشابه يك فيلتر ايمپالس برگشتي FIR عمل مي كند. در واقع تبديل waveletمشابه يك سري فيلترهاي ميان گذر با فركانس هاي مركزي متغير مي باشد. اين فركانس هاي مركزي مي توانند بوسيله تغيير مقياس و شيفت زماني در تابع اصليwavelet تغيير پيدا كنند. اين نشان مي دهد كه تبديل wavelet مي تواند در استخراج سيگنالهاي ناخواسته و اجزائ فركانسي گذرا در يك شكل موج بسيارمناسب باشد.

در اين مقاله از تبديل wavelet براي استخراج اجزائ فركانسي موجود در سيگنال گذرا برايتشخيص خطاهاي امپدانس بالا استفاده شده است.

3- طراحي تشخيص دهنده خطا بر اساس تبديل wavelet

1-3- شبيه سازي سيستم قدرت

شكل (1) يك شبكه توزيع شعاعي 20 kV را كه براي انجام مطالعات شبيه سازي بكاررفته است نشان ميدهد. اين شبكه داراي خطي با طول 35 كيلو متر و يك منبع 63 كيلو ولت با ظرفيت 200 MVA مي باشد.

فركانس قدرت نامي در اين سيستم 50 Hz لحاظ شده است. شبيه سازي اين سيستم توزيع قدرت به كمك نرمافزار EMTDC انجام شده است [8]. در انجام شبيه سازي مقاومت هاي قوس دار امپدانس بالاي غير خطي نيزدر نظر گرفته شده است. شرايط مختلفي كه در مطالعات شبيه سازي ملاحظه شده در جدول (1) آمده است.

چنانچه ديده مي شود با تغيير محل خطا، زاويه شروع خطا، مقاومت خطا و ولتاژ قوس شرايط مختلف سيستمشبيه سازي شده است.

جدول(1) شرايط مختلف براي شبيه سازي سيستم نشان داده شده در شكل (1)
،30 ،27 ،23 ،20 ،14 ،10 ،9 ،7 ،2
35 ،33

محل خطا (km)

مقادير متفاوت (0-5000) ولتاژ قوس (V)
مقادير متفاوت (0-360) زاويه شروع (deg)
C(kV (0-300) بين مختلف مقادير ar)

خطاهاي همراه با قوس در اين شبيه سازي با مداري مطابق شكل (2) مدل شده است.اين مدل شامل دومنبع و دو ديود كه نسبت به هم معكوس قرار گرفته اند مي باشد به وسيله قطع و وصل دو بريكر كه در مدار قراردارد قوس الكتريكي مدل شده است.V n
V pشكل(2) مدل مقاوت خطا با قوس الكتريكي.

2-3- انتخاب تابع پايه تبديل wavelet

انتخاب تابع پايه تبديل wavelet براي افزايش كارايي تشخيص خطاهاي امپدانس بالا واستخراج اطلاعات مفيد از اهميت زيادي برخوردار است. براي اين منظور توابع مختلفي مانند Biorthogonal ،Daubechies وCoiflets بررسي شده اند.

مطالعات انجام شده نشان مي دهد كه در روش Daubechies ضريب d1 با شروع خطا افزايش مي يابد و با انتخاب جمع ضرايب d1 در يك پنجره نمونه برداري مي توان بهترين معيار را برايتشخيص خطا بدست آورد. بعنوان مثال شكل (3)، جمع ضرايب d1 را براي خطاي a-g با مقاومت خطاي800اهم با زاويه شروع 45 درجه در هر كيلومتر نشان مي دهد. همچنانكه نشان داده شده است جمع ضرايب d1 دريك پنجره نمونه برداري بعد از خطا براي فاز a خيلي بيشتر از مجموع فوق براي دو فاز ديگر مي باشد. برايحالت هاي ديگر سيستم مانند كليدزني ، ورود و خروج خازنهاي تعديل نيز مجموع ضرايب d1 محاسبه شده است
و در تمامي اين موارد اين مجموع از 0/2 خيلي كمتر بوده است.

شكل (3) جمع ضرايب d1 در محلهاي مختلف خط توزيع

3-3- الگوريتم تشخيص خطا

در الگوريتم پيشنهادي سرعت نمونه گيري 4 kHz در نظر گرفته شده است و بر اساس آن مركز سطوح فركانسبصورت زير خواهد شد.

جدول(2) مراكز سطوح فركانس در تبديل wavelet

سطح مركز فركانسي سطح مركز فركانسي
500 3 62/5 0
1000 4 125 1
2000 5 250 2

شكل (4) فلوچارت الگوريتم پيشنهادي را براي تشخيص خطاهاي امپدانس بالا نشان میدهد. در اين فلوچارتk يك شمارنده، sum-d1، مجموع ضرايب d1 در يك پنجره نمونه برداري sum_m، سطح آستانه مجموعضرايب d1 و m سطح آستانه براي شمارنده مي باشد. در صورتيكه sum-d1 از sum_m بيشتر باشد، يكي بهشمارنده k افزوده خواهد شد و اين پروسه آنقدر ادامه پيدا مي كند تا شمارنده از سطح آستانه، m بيشترشود.هنگاميكه k از آستانه m بيشتر شود فرمان قطع ارسال خواهد شد. sum_m وm به ترتيب با 0/2 و 120تنظيم شده اند.

شكل(4) فلوچارت الگوريتم تشخيص خطاهاي امپدانس بالا با روش wavelet

4-3- نتايج تست الگوريتم پيشنهادي

به كمك نتايج حاصل از شبيه سازي سيستم توزيع نشان داده شده در شكل (1) الگوريتم پيشنهادي برايخطاهاي مختلف تست شده اند.شكل (5) مجموع ضرايب d1 را براي يك خطاي تك فاز ag نشان مي دهد. اين خطا در محل 10 km با ولتاژقوس 1400 ولت و زاويه شروع خطا 0 درجه رخ داده است. چنانچه ديده مي شود مجموع ضرايب d1 در اينخطا براي فاز a بيشتر از 0/2 مي باشد در حاليكه اين مقدار براي دو فاز ديگر كمتر از سطح آستانه است بنابراينبا كمك الگوريتم پيشنهادي مي توان اين خطا را به خوبي تشخيص داد.

در جدول (3) نمونه هايي از نتايج تست رله پيشنهادي آورده شده است. ديده مي شود كه در تمامي موارد رله قادربه تشخيص خطا بوده است. حتي براي خطا با مقاومت هاي قوسدار با ولتاژهاي بالا به خوبي خطا تشخيص دادهشده است. بعنوان نمونه براي خطاي AG كه در 17 كيلومتري با مقاومت همراه قوس 1800 ولت با زاويهشروع 60 درجه رخ داده است ديده مي شود كه فقط مجموع ضرايب فاز A از 0/2 بيشتر شده است.

4- نتيجه گيري:

اين مقاله يك روش جديد براي تشخيص خطاهاي امپدانس بالاي شبكه هاي توزيع راتوصيف مي نمايد. روشپيشنهادي داراي قابليت و قدرت بالاتري نسبت به روشهاي مرسوم در تشخيص اين نوع خطاها مي باشد. بااستفاده از الگوريتم پيشنهادي علاوه بر اين كه ميتوان خطاهاي امپدانس بالا را به خوبي تشخيص داد فازي كهدچار خطا شده است نيز قابل تشخيص مي باشد. نتايج حاصل از تست الگويتم پيشنهادي نشان ميدهد كهاستفاده از تبديل wavelet در تشخيص خطاهاي امپدانس بالا بسيار سودمند است.