مخطط الاستحواذ عالي السرعة يجعل مراقبة شبكة الطاقة باستخدام تقنية الكشف عن التفريغ الجزئي UHF حقيقة واقعة

“طوال القرن العشرين ، أصبحت الكهرباء في كل مكان وضرورة للحياة اليومية. ليس من الصعب تخيل مدى تعقيد شبكات الطاقة التي تدعم احتياجاتنا اليومية من الطاقة الكهربائية اليوم. يحتاج الناس إلى التعامل مع مجموعة متنوعة من القضايا مثل صيانة الأنظمة القديمة أو استبدالها ، وربط المرافق القديمة بحلول جديدة لتوليد الطاقة الخضراء ، ودعم التقلبات في الطلب على الطاقة والاستجابة لها ، ونقل الطاقة عبر مسافات طويلة ، ونقلها وتوزيعها في المناطق المزدحمة وما يقابلها المعايير ، وضمان رضا العملاء بشكل عام.

“

المقدمة

طوال القرن العشرين ، أصبحت الكهرباء في كل مكان وضرورة للحياة اليومية. ليس من الصعب تخيل مدى تعقيد شبكات الطاقة التي تدعم احتياجاتنا اليومية من الطاقة الكهربائية اليوم. يحتاج الناس إلى التعامل مع مجموعة متنوعة من القضايا مثل صيانة الأنظمة القديمة أو استبدالها ، وربط المرافق القديمة بحلول جديدة لتوليد الطاقة الخضراء ، ودعم التقلبات في الطلب على الطاقة والاستجابة لها ، ونقل الطاقة عبر مسافات طويلة ، ونقلها وتوزيعها في المناطق المزدحمة وما يقابلها المعايير ، وضمان رضا العملاء بشكل عام. كانت انقطاعات خدمة الطاقة في دائرة الضوء على مدار العقود القليلة الماضية ودفعت البحث إلى مراقبة مشاكل المعدات والتنبؤ بها ومنعها. تم استخدام ظاهرة جسدية تسمى التفريغ الجزئي (PD) لاكتشاف هذه المشاكل. ستقدم هذه المقالة بإيجاز مفهوم ومزايا التفريغ الجزئي ، بالإضافة إلى تقنيات الالتقاط المختلفة ، مع التركيز على أنظمة التردد الفائق (UHF) ، وخاصة أنظمة الحصول على البيانات ، ثم تقديم حلول تحويل البيانات لبناء مثل هذه الأنظمة.

التفريغ الجزئي ولماذا يجب اكتشافه

التفريغ الجزئي هو التفريغ الذي يحدث في عزل المعدات الكهربائية (الكابلات ، المفاتيح الكهربائية ، قواطع الدائرة ، إلخ). نظرًا لأن هذا التفريغ لا يربط المحطات الموصلة بالكامل ، فإنه يطلق عليه التفريغ الجزئي.

الشكل 1 الشكل 1 التفريغ الجزئي

يمكن أن يحدث التفريغ الجزئي في أجزاء كثيرة من الشبكة ، وعادةً عندما ينتقل الجهد العالي ويحيط به بعض الوسط العازل (صلب ، سائل ، هواء). نظرًا للطبيعة الموضعية والمتكررة لعمليات التفريغ الجزئي ، سيتعرض عزل المحولات وكابلات الطاقة والملحقات للتلف بمرور الوقت. يعتبر التفريغ الجزئي مؤشرًا جيدًا على حالات الفشل المستقبلية التي تتطلب استبدال المواد ويستحق المراقبة. يمكن للمرء اكتشاف الأعطال مبكرًا وإجراء عمليات استبدال وقائية بأقل تأثير على مستخدمي الكهرباء من خلال الاضطرابات في الشبكات المحلية.

تعتبر عمليات تصنيع الكابلات الحديثة اليوم ناضجة جدًا لدرجة أنها نادرًا ما تنتج منتجات معيبة ، والتي غالبًا ما يتم اكتشافها والتخلص منها قبل أن تصل إلى مرحلة التثبيت. عادة ما تحدث أهم المشاكل الناتجة عن التفريغ الجزئي في المفاصل والملحقات.

كما ذكرنا سابقًا ، يمكن أن تساعد مراقبة PD في أي نوع من الشبكات في التخطيط للصيانة. بالإضافة إلى ذلك ، من خلال تحديد مكان التفريغ الجزئي ، فإنه يساعد على تحديد المشكلات وحلها بسرعة. هذا مفيد بشكل خاص للأقسام تحت الأرض ، حيث تكون الحفريات باهظة الثمن ولها تأثيرات أخرى مثل إغلاق الطرق.

كيفية الكشف عن التصريفات الجزئية وتحديد موقعها

هناك عدة تقنيات للكشف عن التصريفات الجزئية ، ولكل منها مزاياها وتحدياتها وحالات استخدامها. التركيز الرئيسي لهذه الورقة هو تقنية الترددات الفائقة (UHF) ، والتي تتطلب نظام كشف عالي السرعة لاكتشاف النبضات القصيرة الملتقطة بشكل صحيح. يلخص الجدول 1 بإيجاز التقنيات المختلفة للكشف عن التصريفات الجزئية.

الشكل 1: نظرة عامة على تقنيات الكشف عن التفريغ الجزئي الرئيسية

لاحظ أن التقنيات المذكورة أدناه لا تنطبق على جميع أنواع المعدات. على سبيل المثال ، تعد التقنيات UHF والبصرية أكثر ملاءمة لمحولات الجهد العالي المعزول بالغاز (GIS). بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام تقنيات مختلفة لتحسين أداء نظام المراقبة الشامل.

من حيث المبدأ ، تراقب كاشفات التفريغ الجزئي UHF نبضات التفريغ القصيرة التي يتم إنشاؤها (عادةً ما تدوم بضع نانوثانية). نظرًا لوقت النبض القصير جدًا ، يمكن أن يمتد نطاق تردد إشارة التفريغ من التيار المستمر إلى عدة جيجاهرتز. هناك العديد من المزايا لاستخدام جزء UHF للإشارة. يتأثر نطاق التردد هذا بشكل أقل بالتداخل ، ومن الأسهل اتخاذ تدابير لتقليل التداخل. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تحقيق حساسية عالية باستخدام أحدث تقنيات مستشعر UHF ومحول البيانات ، كما يتيح نظام الكشف UHF دقة تحديد أفضل وتحديد الأنماط الافتراضية. بالنسبة لمراقبة الشبكة ، يعني هذا تحديد مكان حدوث العطل بشكل أفضل وتقييم تأثيره.

يمكن تحقيق توطين التفريغ الجزئي من خلال مجموعة متنوعة من التقنيات. تتطلب كل تقنية قنوات استشعار متعددة وتحدد الموقع من خلال مقارنة المعلمات المختلفة للنبضات التي تلتقطها كل قناة. تتطلب معظم الحلول 4 قنوات استشعار على الأقل لتحقيق دقة توطين PD تبلغ مترًا واحدًا أو أفضل.

الحل الأكثر لفتًا للنظر اليوم هو التثليث. يرتبط وقت الانتشار (وقت الرحلة) للنبضة من PD إلى موقع قناة الاستشعار بالمسافة بين الاثنين. من خلال مقارنة الأوقات النسبية لوصول النبضات بين قنوات الاستشعار المختلفة ، يمكن استنتاج موقع التفريغ الجزئي ، عادةً بدقة 1 متر أو أفضل.

حل آخر هو النظر في قوة الإشارة التي تم التقاطها بواسطة قنوات الاستشعار المختلفة. ترتبط قوة الإشارة بالمسافة بين PD وقناة الاستشعار. لذلك ، من خلال مقارنة قوة الإشارة التي تم التقاطها بواسطة قنوات الاستشعار المختلفة ، يمكن تحديد موقع أحداث PD بدقة.

نظام الاستحواذ UHF هو مفتاح أداء الكشف

الهدف من نظام الاستحواذ هو التقاط دقيق للإخراج التناظري لمستشعر التفريغ الجزئي الذي يحتوي على معلومات التفريغ الجزئي. بعد خطوة تكييف الإشارة ، يتم تحويل الإشارة التناظرية إلى المجال الرقمي ثم معالجتها لتحديد ما إذا كان التفريغ الجزئي قد حدث ، وللحصول على موقع التفريغ الجزئي وأي معلمات أخرى ذات أهمية.

الشكل 2: مخطط كتلة عالي المستوى لنظام الاستحواذ

أحد أهم المكونات في نظام الاستحواذ هو ADC (المحول التناظري إلى الرقمي) ، والذي يحول إخراج المستشعر إلى دفق بيانات رقمي يمكن للكمبيوتر المضيف معالجته. نظرًا للطبيعة النبضية لـ PD ، يمكن أن يصل مكون UHF الخاص به إلى أوقات عابرة أقل من 1 نانوثانية. من أجل التقاط النبض بدقة ، يجب مراعاة العديد من معلمات ADC. مثل عرض النطاق الترددي للإدخال التناظري -3 ديسيبل ، الدقة ، سرعة أخذ العينات ، عدد القنوات ، إلخ.

-3dB عرض النطاق الترددي للإدخال التناظري: من أجل التقاط تردد النبض بدقة ، يجب أن يكون عرض النطاق الترددي لـ ADC مرتفعًا بدرجة كافية. إذا كان تردد النبض أعلى من عرض النطاق الترددي الخاص بـ ADC ، فسيتم تصفية جزء من معلومات النبض بواسطة النظام. القاعدة الأساسية هي أن عرض النطاق الترددي ADC يحتاج إلى أن يتجاوز 5 إلى 10 أضعاف الحد الأقصى لمكون التردد للنبضة من أجل الدقة الكافية. يمكن استخدام المعادلة التالية لتحويل وقت النبض العابر إلى تردد:

Bp هو عرض النطاق الترددي للنبض و Tr هو وقت ارتفاع / هبوط النبضة بنسبة 10-90٪. تعتمد هذه الصيغة على استجابة مرشح الترددات المنخفضة RC وهي طريقة بسيطة لتقدير عرض النطاق الترددي المطلوب لالتقاط النبض. على سبيل المثال ، وقت الصعود من 10 إلى 90٪ هو 1 نانو ، وعرض النطاق الترددي للنبض 350 ميجاهرتز. لاستعادة النبض بدقة ، يجب أن يكون عرض النطاق الترددي للإدخال التناظري -3 ديسيبل لـ ADC بين 1.75 ~ 3.5 جيجا هرتز.

لاحظ أن الأنظمة المختلفة لها متطلبات مختلفة وبالتالي احتياجات مختلفة لعرض نطاق ترددي أعلى من ADC. بشكل عام ، كلما زادت المعلومات التي نريد الحصول عليها من الجهاز ، زادت دقة التقاط النبض المطلوب وزادت متطلبات النطاق الترددي. على العكس من ذلك ، إذا كان الهدف من الجهاز هو مجرد تحديد حدوث التفريغ الجزئي ، فإن عرض النطاق الترددي من 2 إلى 3 أضعاف تردد النبض كافٍ.

الدقة: يمكن فهمها أيضًا على أنها دقة رأسية (جهد). يمثل دقة القيمة لكل عينة. يمكن أن تؤدي الدقة العالية إلى تحسين دقة التحويل. على سبيل المثال ، يتوافق ADC بدقة 10 بت مع 1024 قيمة ممكنة للمقياس الكامل. بافتراض وجود جهد كامل النطاق يبلغ 1 فولت ، فإن كل خطوة تتوافق مع 977 فولت ، وبالنسبة لـ ADC المثالي ، يتم أخذ عينات من إشارة الإدخال وتحويلها بخطأ رأسي +/- 488 فولت. من هذا المنطلق ، من السهل أن نفهم أنه في حالة زيادة الدقة بمقدار 2 بت ، ستزداد الدقة بمقدار 4 مرات. في حين أن زيادة الجهد على نطاق واسع لالتقاط نبضات أكبر يقلل من دقة الجهد ، تجدر الإشارة إلى أن الدقة الرأسية تمثل الأداء النظري. في التطبيقات العملية ، يمكن أن تؤثر أنواع مختلفة من الضوضاء على أداء ADC. لذلك ، عند تقييم الدقة الرأسية ، من الأفضل أيضًا مراعاة ENOB (العدد الفعال للبتات) لأنه يتضمن تأثير الضوضاء.

وبالمثل ، تحدد متطلبات النظام متطلبات ENOB. بشكل عام ، كلما زاد حجم ENOB ، زادت تعقيد المعالجة وكلما زادت المعلومات التفصيلية المستخرجة من نبض PD.

سرعة أخذ العينات: يمكن فهمها أيضًا على أنها دقة أفقية (زمنية). يمثل عدد العينات في الثانية بواسطة ADC. تتوافق معدلات العينة الأعلى مع فترات أقصر للعينات المستمرة ، ودقة أعلى في توقيت النبض. من الناحية النظرية ، وفقًا لنظرية شانون-نيكويست ، فإن الحد الأدنى لسرعة أخذ العينات لاستعادة نبضة معينة هو 2 * بي بي. في مثالنا السابق لعرض النبضة 350 ميجاهرتز ، يكفي استخدام ADC بمعدل أخذ عينات يبلغ 700 ميجاهرتز. كما ذكرنا سابقًا ، تحدد أهداف المعدات الاحتياجات. مطلوب سرعات أعلى لأخذ العينات إذا كانت هناك حاجة لاستخراج معلومات أكثر تعقيدًا من النبض ، مثل موقع PD ، أو نمط الطاقة أو الطاقة في PD ، وما إلى ذلك.

عدد القنوات: يمكن فهمه ببساطة على أنه عدد قنوات الاستحواذ المتاحة. تتمثل الميزة الرئيسية لنظام PD متعدد القنوات في أنه عند استخدام 4 قنوات ، يمكن تحديد موقع الخطأ من خلال تقنيات التثليث. بالإضافة إلى ذلك ، يتيح عدد أكبر من القنوات إجراء قياسات متزامنة ، وهو أمر مفيد للأنظمة الأكبر ، مثل جمع جميع معلومات PD في مبنى التحكم في المحطة الفرعية ، و / أو إرسال هذه المعلومات للمراقبة عن بُعد.

جزء رئيسي آخر من نظام الاستحواذ هو وحدة المعالجة الأمامية التي تتفاعل مع ADC. في معظم الحالات يتم ذلك باستخدام FPGA. يتصل FPGA بـ ADC ، ويكمل المرحلة الأولى من المعالجة ، ويرسل البيانات التي تمت معالجتها إلى الكمبيوتر المضيف ، والذي يقوم بمعالجة إضافية ، وتخزين ، وترجمة البيانات لتحديد ما يجب القيام به عند اكتشاف تفريغ جزئي. تعد إمكانات المعالجة المتوازية وخيارات الواجهة المتقدمة لـ FPGAs مثالية لهذا التطبيق.

بالإضافة إلى ذلك ، تحتاج FPGAs إلى أن تكون قادرة على معالجة كميات هائلة من البيانات الناتجة عن ADCs عالية السرعة. على سبيل المثال ، قد ينتج عن ADC رباعي القنوات 10 بت يعمل بمعدل عينة 2Gsps 80 جيجابت في الثانية أو 10 جيجابت في الثانية من البيانات الأولية. يمكن لـ FPGA التفاعل مع ADC ، واستعادة جميع البيانات ، وإجراء معالجة في الوقت الفعلي من المستوى الأول (مثل التصفية الرقمية ، وقمع الضوضاء غير الخطية ، وتثبيت خط الأساس الرقمي ، وما إلى ذلك) ، ثم تحديد البيانات المفيدة بناءً على آليات الزناد المعقدة. في بعض الحالات ، لتقليل كمية البيانات المنقولة إلى الكمبيوتر المضيف ، يجب أيضًا إجراء معالجة المستوى الثاني (مثل تحليل النبض) في FPGA. بالطبع ، من الممكن أيضًا اختيار أداء معالجة المستوى الثاني في الكمبيوتر المضيف.

الشكل 3: نظرة عامة على خطوات المعالجة

المحلول

تقوم Teledyne SP Devices بتطوير بطاقات اكتساب رقمية عالية الأداء (محولات رقمية) تدمج ADCs و FPGAs في حل أجهزة متكامل يدعم التقاط الإشارات ومعالجتها. تتفاعل هذه المحولات الرقمية مباشرة مع كمبيوتر مضيف وتوفر إمكانات قوية للبرامج الثابتة وحلول البرامج.

كما هو مبين في الشكل 2 ، توفر هذه المحولات الرقمية الثلاثة حلاً جيدًا خاصة لمعدات الكشف عن التفريغ الجزئي UHF.

كما هو موضح في الجدول أعلاه ، يوفر ADQ8-4X حلاً مُحسّنًا من حيث التكلفة مع حجم صغير وعدد قنوات مرتفع. كما أنه يدعم المزامنة بين اللوحات المتعددة والشاسيه بدقة 200ps ، مما يسهل تصميم أنظمة فحص معقدة متعددة في مناطق واسعة. بالإضافة إلى ذلك ، يتوفر أيضًا إصدار معدل عينة من 8 قنوات 1Gsps (ADQ8-8C).

يوفر ADQ14 دقة أعلى من ADQ8 ، مما يتيح قياس نبضات أكثر دقة. يمكن تهيئتها كقناة مفردة أو مزدوجة أو رباعية ، وتكون الأخيرة أكثر ملاءمة للأنظمة التي تحتاج فيها تأثيرات التفريغ الجزئي إلى توطين أو تحديد كمية.

أخيرًا ، من أجل الأداء الفائق ، يوفر ADQ7DC عددًا أقل من القنوات ، ولكن مع سرعات أخذ العينات تصل إلى 10 جيجابت في الثانية ، للأجهزة عالية الأداء وذات النطاق الترددي العالي.

تحتوي جميع المحولات الرقمية الثلاثة على خيارات مختلفة للبرامج الثابتة ، بما في ذلك وظائف الاستحواذ العامة والتشغيل ، بالإضافة إلى خيارات أداة تطوير البرامج الثابتة التي تتيح للمستخدمين تنفيذ الخوارزميات المخصصة الخاصة بهم على FPGA على اللوحة. على جانب البرنامج ، فإن أداة التحويل الرقمي Studio GUI سهلة الاستخدام تجعل من السهل تكوين البيانات والحصول عليها وعرضها وتحليلها وتخزينها. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تساعد واجهات برمجة التطبيقات وإجراءات التصميم في تحسين البرامج لتلبية احتياجات الأنظمة الأكثر تعقيدًا و / أو المتخصصة.

بالإضافة إلى ذلك ، يتوفر كل من ADQ14 و ADQ7DC في شكل 10 جيجابت. هذه ميزة للبيئات القاسية مثل المحطات الفرعية ، حيث توفر عزلًا كهربائيًا كاملًا بين جهاز التحويل الرقمي وجهاز الكمبيوتر المضيف. تعني الألياف الضوئية أيضًا أن المسافة بين جهاز الكمبيوتر والمحول الرقمي يمكن أن تكون طويلة جدًا ، ويمكن استخدامها في التركيبات الكبيرة التي تحتوي على نقاط قياس متعددة موزعة على مساحة كبيرة.