تقنية تحديد موقع عيوب كابلات توزيع الطاقة تعتمد على طريقة طيف الإنتروبيا القصوى

Summary

يقدم هذا البروتوكول طريقة تعتمد على تقدير طيفي بأقصى إنتروبيا لتحديد موقع العيوب بدقة في كابلات توزيع الطاقة الطويلة باستخدام الانعكاسات في مجال التردد. يشرح هذا النموذج نمذجة الكابلات عالية التردد، وتحليل طيف معاملات الانعكاس، والاستقراء الطيفي، والتحقق من الصحة عبر المحاكاة والتجارب، محققا دقة أعلى مقارنة بطرق FFT التقليدية.

Abstract

مع استمرار توسع مسافات تمديد الكابلات في شبكات التوزيع الحضرية الحديثة، تقل دقة تحديد موقع الصدع عبر الانعكاسية في مجال التردد (FDR) بشكل ملحوظ مع زيادة الطول. لتحسين الدقة للكابلات الطويلة، تقترح هذه الدراسة طريقة تعتمد على تقدير طيف أقصى إنتروبيا. تم تطوير نموذج معلمات موزعة عالية التردد لكابلات التوزيع لتقييم كمي تأثيرات شيخوخة العزل والتلف الميكانيكي على السعة والحث لكل وحدة طول. استنادا إلى نظرية خط النقل، تم استخلاص العلاقة بين طيف معاملات الانعكاس وموقع العيوب، إلى جانب معيار تحسين تردد الخطوات لتعزيز الدقة الطيفية. للتخفيف من تسرب الطيف والدقة المحدودة في تحليل المجال الترددي القائم على تحويل فورييه السريع (FFT)، يستخدم طريقة الطيف الأقصى للإنتروبيا لتقدير الطيف عالي الدقة، مما يرفع من دقة تحديد موقع مسافة العطل. تكشف المحاكاة أنه، مقارنة بتقنية FFT التقليدية، تقلل الطريقة المقترحة أخطاء الموقع بمقدار 2–4.5 مرة في الحالات النموذجية للكابل الطويل. تؤكد النتائج التجريبية خطأ نسبي أقل من 0.25٪ في نهج أقصى إنتروبيا، متجاوزة خطأ الطريقة التقليدية تحت 0.55٪، مما يؤكد فعاليتها وتفوقها في الممارسة الهندسية.

Introduction

مع تزايد الطلب على موثوقية وسلامة إمدادات الطاقة في أنظمة الطاقة الحديثة، تم اعتماد الكابلات على نطاق واسع في شبكات التوزيع الحضرية. من بينها، تستخدم كابلات البولي إيثيلين المتشابكة (XLPE) على نطاق واسع بسبب المزايا البارزة للمؤلف ^1,2. عادة ما يتم تركيب كابلات التوزيع تحت الأرض، حيث يكون بيئة التشغيل قاسية. مع زيادة وقت الخدمة، إلى جانب تقلبات الحمل والتحميل الزائد، يصبح عمر الكابلات أكثر وضوحا. وبالتالي، قد تحدث عيوب محلية مثل أشجار المياه، والأشجار الكهربائية، والتصريفات الجزئية، ورطوبة العزل تدريجيا. إذا لم يتم التعامل معها في الوقت المناسب، فقد تتطور هذه العيوب إلى إخفاقات شديدة، مما يؤدي في النهاية إلى انقطاعات في الشبكة ^3,4. لذلك، أصبح تحديد العيوب وتحديد مواقع الأعطال في كابلات التوزيع مكونات أساسية في تشغيل وصيانة شبكة الطاقة.

يمكن تصنيف طرق تحديد موقع الأعطال في كابلات التوزيع بشكل عام إلى نوعين: الطرق عبر الإنترنت والطرق غير المتصلة بالإنترنت. تمثل الطرق الإلكترونية بشكل رئيسي موقع الموجة المتحركة، ومراقبة التصريف الجزئي (PD)، وطريقة تيار التسرب في النمط المشترك. يحدد موقع الموجة المتحركة مواقع الصدع من خلال تحليل الموجات العابرة المتحركة الناتجة عند الصدع. ومع ذلك، يواجه عدة تحديات، منها صعوبات في استخراج الجبهات الموجية بدقة، وتراكب شديد لميزات الصدع مع توزيع غير خطي، وتركيب مزعج. والأهم من ذلك، أن هذه الطريقة غير قابلة للتطبيق في تحديد العيوب المرتبطة بالشيخوخة.⁵. تكتشف المراقبة الإلكترونية المعتمدة على PD إشارات العيوب الناتجة داخل الكابل وتمكن من تقييم ظروف التشغيل في الوقت الحقيقي. ومع ذلك، لا تزال تواجه عنق زجاجة تكنولوجية في التعرف على عيوب الشيخوخة وإجراء المراقبة طويلة الأمد. مشاكل مثل تداخل الإشارة، وكبت الضوضاء، وتحليل البيانات المعقد غالبا ما تؤدي إلى سوء تقدير في التطبيقات العملية ^6,7,8. تحدد طريقة تيار التسرب في الوضع المشترك موقع وشدة العيوب الناتجة عن التقادم من خلال قياس التغيرات في تيارات التسرب في الوضع المشترك عند أطراف الكابل. توفر هذه التقنية اكتشافا غير تدخلي بحساسية عالية. ومع ذلك، فإن قدرته على مقاومة التداخل ضعيفة نسبيا، حيث يمكن للتيارات ذات التردد العالي في الوضع التفاضلي، مثل تلك الناتجة أثناء تشغيل المعدات ذات التردد المتغير، أن تقلل بشكل كبير من دقة القياس. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تعالج المراقبة الإلكترونية للكابلات الكهربائية مشكلة عزل الإشارة في بيئات الجهد العالي، مما يزيد من تكاليف المعدات وتعقيد الصيانة ^9,10,11.

فيما يتعلق بالطرق غير المتصلة، تم اقتراح عدة طرق، منها الانعكاسية في مجال الزمن (TDR)¹²، وقياس الانعكاسات في مجال التردد (FDR)¹³، وقياس الانعكاسات في مجال الزمن والتردد (TFDR)¹⁴. من بينها، يعاني TDR من انخفاض الطاقة في المكونات عالية التردد لإشارة النبض المحقونة، وهو عرضة جدا لتأثيرات توهين الكابلات وتداخل الضوضاء، مما يؤدي إلى دقة موقعية محدودة وضعف القدرة على اكتشاف العيوب الناشئة في المراحل المبكرة من أعطال الكابل¹⁵. يقوم TFDR، من خلال حقن نبضات الزقزقة الغاوسية، بتخفيف نقص المكونات عالية التردد في TDR¹⁶. ومع ذلك، يتطلب TFDR دوائر تعديل إشارة معقدة وخوارزميات استخراج، وإشاراته عالية التردد تضعف بسرعة، مما يجعل اكتشاف العيوب في الكابلات الطويلة صعبا¹⁷. أما FDR، فيحقن إشارات التردد الممزوج بتوزيع طاقة متساو. يحتوي على أغنى المكونات عالية التردد، ويحقق دقة تحديد المواقع أعلى، ويظهر حساسية أكبر مقارنة ب TDR، الذي أدى إلى تطويره السريع. اعتمادا على نوع الإشارة المكتسبة، يمكن تصنيف FDR إلى طرق طيف المعاوقة عريض النطاق (BIS)^{18، 19، 20} وطرق الطيف الانعكاسي (RCS)^{21، 22، 23، 24}.

في عام 2003، اقترحت إحدى المجموعات لأول مرة طريقة تحديد موقع عيوب الكابل المحلية تعتمد على طيف معاملات الانعكاس المدخل للكابل²⁵. ومع ذلك، لم يأخذ هذا النهج في الاعتبار التأثيرات المعتمدة على التردد للمعاملات الموزعة، والتي قد تؤدي إلى سوء تقدير. لاحقا، تم تطبيق تحويل فورييه سريع عكسي (IFFT) لاستخراج المعلومات من طيف معاملات الانعكاس عند مدخل الكابل، مما مكن من تحديد موقع فعال للعيوب المحلية مثل الشيخوخة الحرارية، وشيخوخة الإشعاع، وتشوه البثق²⁶. كما لوحظ أنه كلما ارتفع التردد الأعلى لإشارة المسح الفضائية، زادت الدقة المكانية لقياس الانعكاس في مجال التردد (FDR). ومع ذلك، عند تطبيقها على الكابلات الطويلة، ينخفض التردد الأعلى لإشارة المسح بشكل كبير، مما يؤدي إلى انخفاض دقة تحديد الموقع.

تكمن جوهر طريقة FDR في أداء FFT على إشارات الانعكاس المكتسبة. ومع ذلك، وبسبب مشكلة تسرب الطيف الكامنة في اختبار FFT، اقترح الباحثون عدة تحسينات. قدمت دراسة استخدام نافذة المسافة مع دالة نافذة كايزر في تحويل فورييه المنفصل (DFT) لاستخراج مكونات العيوب من الجزء الحقيقي من طيف معامل الانعكاس، مما أتاح تحديد موقع عيوب الحماية النحاسية المرخية في الكابلات²⁷. تم تطبيق DFT²⁸ القائم على نافذة كايزر على الجزء الحقيقي من طيف معامل الانعكاس المدخل، محققا تحديد نوع الأعطال في ظروف الدائرة المفتوحة، والدائرة القصيرة، والمقاومة العالية، والمنخفضة المقاومة. اقترحت دراسة تطبيق DFT قائم على نافذة بلاكمان على الجزء التخيلي من مقاومة إدخال الكابل للكشف وتحديد موقع الرطوبة في الوصلات الوسيطة²⁹. تم تقديم خوارزمية استيفاء باستخدام نافذة هانينغ الذاتية الاللوثية في DFT لتقدير تردد وطور المكونات الدورية في الجزء الحقيقي من طيف معامل الانعكاس³⁰، مما مكن من تحديد قطبية شذوذات مقاومة الكابلات. لاحقا، تم تحقيق تحسينات من خلال دمج نوافذ نوتال، ونوافذ نوتال ثلاثية الحدود من الدرجة الرابعة، ونوافذ الالتفاف الذاتي من الدرجة الثانية، وخوارزميات تحويل التحويل الثلاثي النقاط³¹. بشكل عام، ركزت الدراسات القائمة بشكل رئيسي على تصميم وظائف النوافذ أو تحسين خوارزميات الاستيفاء، والتي حسنت دقة تحديد موقع العيوب إلى حد معين.

من منظور مبدأ FFT، في الانعكاسات في مجال التردد (FDR)، كلما زاد تردد الإشارة المحقونة، زادت دقة القياس. نظريا، إذا اقترب تردد الحقن من اللانهاية، يمكن تحديد عيب الكابل بدقة تامة. ومع ذلك، فإن نقل إشارات التردد الفائق على طول الكابلات يتعرض لتوهين شديد، مما يجعلها غير مناسبة للكابلات متوسطة وطويلة^{الطول 32,33}. لذلك، هناك مقايضة جوهرية بين أقصى تكرار حقن في FDR ودقة موقع العيوب الممكنة. لمعالجة هذه المسألة، تقترح هذه الورقة تقنية تحديد موقع عيوب الكابل تعتمد على طريقة طيف الإنتروبيا القصوى. تتنبأ الطريقة بالجزء عالي التردد من طيف معامل الانعكاس من بيانات التردد المنخفض المقاسة وفقا لمعيار أقصى إنتروبيا، ثم تحسب أقصى طيف إنتروبيا (MES) لمعامل الانعكاس لتحديد موقع العيب. مقارنة بطرق FDR التقليدية القائمة على FFT، والتي تقتصر على تسرب طيف وقيود الدقة، خاصة في تطبيقات الكابلات لمسافات طويلة، توفر الطريقة المقترحة لأقصى إنتروبيا الطيفية دقة طيفية أعلى من خلال استنتاج معلومات عالية التردد من بيانات محدودة المقاسة. على عكس التحسينات القائمة على وظائف النافذة التي تقمع بشكل رئيسي الحدة الجانبية دون تحسين الدقة بشكل أساسي، فإن نهج MES يحسن كل من الحدة القصوى ودقة تحديد الموقع. بالإضافة إلى ذلك، مقارنة بطرق التقدير الطيفي القائمة على الاستيفاء أو البرامتري، توفر طريقة MES توازنا أفضل بين الدقة والمتانة، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لاكتشاف العيوب الناشئة في كابلات التوزيع الطويل. يحسن هذا النهج دقة تحديد الموقع، حيث يقلل الخطأ النسبي من 0.55٪ في الطرق التقليدية إلى 0.25٪، مع إنتاج منحنيات تحديد مواقع أكثر سلاسة تسهل تحديد قمم العيوب.

Protocol

ملاحظة: قم بجميع القياسات على كابل الاختبار في حالة عدم اتصال (غير نشطة). استخدم محلل شبكة متجهات (VNA) أو جهاز قياس الانعكاسات المكافئة في مجال التردد القادر على حقن الإشارة بتردد مسحيل واكتساب معاملات الانعكاس. تأكد من أن الكابل مفتوح الدائرة في الطرف البعيد ما لم يذكر خلاف ذلك. تقليل انعكاسات الاتصال باستخدام وصلات قصيرة ومباشرة وشريط موصل للاتصال الآمن. راجع جدول المواد للمعدات والبرمجيات الموصى بها.

1. تحضير عينة الكابل وإعداد القياس

1. اختر كابل توزيع الطاقة للاختبار (مثلا، كابل YJLV22-8.7/10 kV-3×70 XLPE أو ما يعادله).
2. قس وسجل طول الكابل الكلي ومواقع العيوب المعروفة (إذا تم إدخالها صناعيا).
3. قس سرعة انتشار الموجة الكهرومغناطيسية في الكابل.
   1. وصل الكابل إلى الآلة من أحد الأطراف واترك الطرف البعيد مفتوحا.
   2. اكتساب طيف معاملات الانعكاس عبر نطاق تردد مناسب.
   3. حدد فترة التذبذب المقابلة لطول الكابل الكامل (ذهابا وإيابا).
   4. احسب السرعة ك (1)
4. جهز توصيل رأس الكابل.
   1. قم بإزالة نهاية الكابل لكشف النواة والدرع.
   2. استخدم شريط نحاسي موصل مزدوج الوجه لتثبيت أسلاك الآلات بإحكام على النواة والدرع.
   3. تقليل طول الفرع لتقليل الانعكاسات من الرأس.

2. تكوين معلمات مسح التردد

1. تحديد خطوة التردد (Δf) باستخدام معيار الاختيار.
   1. استخدم فترة تذبذب نهاية الكابل (2)
   2. اضبط لضمان وجود 200 نقطة أخذ على الأقل في كل دورة.
   3. خطوة التردد Δf تحدد أقصى نطاق للمسافة المرصودة: (3)
   4. لضمان أن طول الكابل الكامل L يمكن حله دون غموض:
      (4)
   5. في هذه الدراسة، تم اعتماد شرط أكثر صرامة لتحسين الدقة: (5)
2. اضبط نطاق التردد.
   1. اضبط الحد الأدنى إلى 100 كيلوهرتز (أو الحد الأدنى للآلة).
   2. اضبط الحد الأعلى إلى الحد الأقصى الممكن دون توهين مفرط (عادة 30–50 ميجاهرتز للكابلات <200 متر؛ تقليل للكابلات الأطول).
   3. الحد الأعلى للتردد f_max يؤثر مباشرة على الدقة المكانية: (6)
   4. أعلى fmax يؤدي إلى دقة أدق، لكنه مقيد بتوهين الكابلات.
3. احسب العدد المطلوب من نقاط العينة (7)
4. قم بتكوين الجهاز مع نطاق التردد المحسوب، الخطوة، والنقاط (مثلا، 100 كيلوهرتز–50 ميجاهرتز، ~5,000 نقطة للدقة العالية).

3. الحصول على طيف معامل الانعكاس

1. معايرة الجهاز (يوصى بمعايرة التحميل المفتوح والقصير للحمض النووي المضغوط).
2. وصل رأس الكابل المحضر إلى منفذ العدادات.
3. حقن إشارات جيبية بتردد ممتردد وقياس معامل الانعكاس الداخل Γ(ω) عند كل نقطة تردد منفصلة.
   1. يمكن التعبير عن معامل الانعكاس المقاس كما يلي: (8)
   2. حيث: Γ_d: معامل الانعكاس عند العيب، : ثابت الطور، d: مسافة العيب.
   3. تظهر هذه العلاقة أن طور معامل الانعكاس يتغير خطيا مع التردد، مما يشكل أساس تقدير المسافة.
4. سجل طيف معاملات الانعكاس المركب (المقدار والطور، أو الأجزاء الحقيقية والتخيلية).
5. احفظ البيانات كمعامل تردد مقابل معامل انعكاس حقيقي/تخيلي.

4. معالجة البيانات باستخدام طريقة FFT التقليدية (للمقارنة)

1. استخرج الجزء التخيلي من طيف معاملات الانعكاس.
2. تطبيق وظيفة نافذة (مثل نافذة بلاكمان) لتقليل تسرب الفص الجانبي.
3. قم بإجراء تحويل فورييه سريع عكسي (IFFT) على الجزء التخيلي المصور بالنافذة.
   1. يتم تقديم تحويل فورييه العكسي كما يلي: (9)
4. يتم حساب مسافة العيب كالتالي:
   (10)
   1. حيث t هو الزمن المقابل لموضع القمة بعد تحويل فورييه العكسي.
5. تحديد قمم العيوب (باستثناء الانعكاسات الرأسية والطرفية) في طيف معاملات الانعكاس.

5. تطبيق طريقة الطيف القصوى للإنتروبيا لتحديد موقع العيوب

1. تحميل بيانات الطيف المكتسبة لمعاملات الانعكاس.
2. قم بتحويل المسار ومركزه في تسلسل الجزء الخيالي.
3. اختر ترتيب النموذج الانحداري الذاتي
   (11)
   1. حيث N هو عدد نقاط البيانات.
4. تنفيذ خوارزمية التكرار في بورغ.
   1. قم بتهيئة أخطاء التنبؤ للأمام والخلف.
   2. يتم حساب معاملات الانعكاس والمعاملات ذاتية الانحدار بشكل متكرر مع تقليل قدرة الخطأ الهجومية والخلفية.
   3. استقر تسلسل الارتباط الذاتي بناء على معيار الإنتروبيا القصوى.
5. احسب طيف القدرة من التسلسل المستقر.
6. حدد القمم في طيف طاقة الإنتروبيا القصوى.
7. تحويل مواقع الذروة إلى مسافات عيوب باستخدام (12)
8. قارن بين وضوح الذروة وخطأ تحديد الموقع مع نتائج FFT التقليدية.

6. تفسير النتائج

1. التمييز بين القمم الإيجابية (اكتشاف العيوب الناجح) والقمم الزائفة أو الآثار غير المثالية.
2. احسب خطأ تحديد الموقع النسبي ك (13)
3. أكد نجاحك من خلال الخطأ النسبي <0.25٪ وذروة واضحة وناعمة دون تداخل جانبي ملحوظ.

Results

تم الحصول على نتائج طيف معاملات الانعكاس وتحديد موقع العيوب من كل من المحاكاة والتجارب باستخدام طريقة الطيف القصوى للإنتروبيا ومقارنتها بالطرق التقليدية القائمة على FFT. يتميز تحديد موقع العيب الناجح بطيف طاقة أملس مع قمة حادة وبارزة في موقع العيب بالضبط، وقمم زائفة قليلة (قمم زائفة ناتجة عن الفصوص الجانبية أو التسرب)، وخطأ نسبي منخفض (عادة <0.3٪). على النقيض من ذلك، غالبا ما تظهر النتائج غير المثالية من طرق FFT التقليدية العديد من القمم الزائفة، وقمم عيوب أوسع بسبب الدقة المحدودة وتسرب ...

Discussion

في هذه الدراسة، يقدم المؤلفون بروتوكولا مفصلا لتحديد مواقع العيوب في كابلات توزيع الطاقة باستخدام انعكاسية المجال الترددي (FDR) معززة بطريقة أقصى إنتروبيا طيفية (MES). غالبا ما اعتمدت الدراسات السابقة على التحليل التقليدي القائم على تحويل فورييه السريع (FFT)، الذي يواجه صعوبة مع تسرب طيفي، ودقة محدودة في الكابلات الطويلة، والقمم الزائفة التي تعقد تحديد العيوب³⁴. بالإضافة إلى ذلك، قد يواجه الباحثون الذين لا يملكون خبرة متقدمة في معالجة الإشارات تحديات في تحسين معلم...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
شريط نحاسي موصل، مزدوج الوجه	غير محدد	لا يوجد	يستخدم لتوصيل أسلاك الاختبار بنواة الكابل والدرع لتقليل التداخل بين الرأس والانعكاس https://www.shcenxin.com/metaltape/93.html
YJLV22-8.7/10 كيلوفولت-3&0; كابل 70 جهد متوسط	غير محدد	YJLV22-8.7/10 كيلوفولت-3&0; 70	كابل طاقة مغلف بشريط PVC من البولي إيثيلين (XLPE) المتصل متقاطعا؛ الطول الإجمالي 171 مترا؛ يستخدم ككائن اختبار مع عيب مستحث خارجيا http://www.xmdl518.com/jspn01-Products-6234877/
جهاز تحديد موقع عيوب كابل 10 كيلو فولت	غير محدد	غير محدد	أداة الانعكاس في مجال التردد؛ نطاق تردد 100 كيلوهرتز وعدد تردد (ndash); 50 ميجاهرتز؛ تم تكوينها ب 5,001 نقطة عينة لاكتساب الطيف بمعاملات الانعكاس https://www.163.com/dy/article/K6OHFJOO0552X57P.html