PWM'ye Dayalı Güç Kablosu Hasar İzleme Sisteminin Tasarımı
Son yıllarda, yeni trafo merkezlerinin gelişmesiyle birlikte, enerji nakil hatlarının ve elektrik kablolarının güvenliği ve güvenilirliği, enerji şirketlerinin karşılaştığı ana sorunlardır. Bakır, güç kablolarında en pahalı malzeme olduğu için, iletim hatlarındaki güç kabloları genellikle çalınır. Ayrıca yolların, binaların, yer altı tünellerinin vb. Yapım sürecinde kablolar kırılmaya meyillidir. Bu nedenle, kablo kesildikten sonra elektrik şirketinin arıza yerini doğru ve hızlı bir şekilde tespit etmesi, hasarı zamanında onarması ve ulusal ekonomik kaybı azaltması çok önemlidir.
Kablo durumu algılama teknolojisi, voltaj ve akım yöntemlerini ve güç hattı taşıyıcı iletişim yöntemlerini içerir. Gerilim ve akım izleme yöntemi, güç kablosu hattının bağlantısının kesilip kesilmediğini tespit etmek için kullanılır. Kapasitans yöntemi esas olarak kablonun osilatörün çıkış frekansına göre hasar görüp görmediğini yargılar. Güç hattı taşıyıcı iletişim yöntemi, sinyalin tespit edilip edilmediğine göre belirlenir. Ek olarak, bazı akademisyenler, coğrafi bilgi sistemine ve kızılötesi termal görüntüleme teknolojisine dayanan güç kablosu hırsızlık önleme sistemi; gücün hattın sonuna aktarılıp aktarılmadığına göre, otoyol güç kablosu hırsızlık önleme sisteminin tasarımı; yük nedeniyle Sistem nispeten kararlıdır ve kablo sistemi empedansının ani değişimine göre tasarlanmıştır; ayrıca güç kablosunun durumunu rezonans kondansatörü ve endüktans ile izlemek için bir yöntem vardır.
Yukarıdaki yöntemlerin çoğu, hareketli dalga teorisine dayanmaktadır.Hızlı yayılma hızları ve yüksek tanıma doğruluğu nedeniyle, güç sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.Bazı departmanlar, uygulamalarını geliştirmek için bir dizi karşılık gelen standardı bile formüle etmiştir. Ancak, güç kablosu kesildiğinde, hat arızası hemen ortaya çıkacaktır. Çünkü geleneksel izleme yöntemleri, güç sistemi güvenliği ve güvenilirliği gereksinimlerini karşılayamaz. Bu makale, görev döngüsü ve süresi izleme kablosunun uzunluğuna göre otomatik olarak ayarlanabilen bir güç kablosu izleme sistemi tasarlamak için darbe genişlik modülasyonu (PWM) dalgalarını kullanır. Aynı zamanda, kablonun durumunu izlemek için modern iletişim teknolojisi GPRS kullanılır.
1 İlke analizi
PWM dalga sinyali, darbe sinyalinin yayılma karakteristikleri aracılığıyla kablo durumunun izlenmesinin temelidir Darbe voltajındaki yüksek frekans bileşeninin dalga boyu kablo uzunluğuna eşit olduğundan, kablodaki darbe sinyalinin yayılma süresi göz ardı edilemez. İzleme sistemi, kablo ucuna düşük görev döngüsü PWM dalga sinyali gönderir. Yüksek genlikli bir sinyal (bir darbe sinyaline eşdeğer) bir kablo konektöründen geçtiğinde veya iletim sırasında kesildiğinde, yüksek genlikli sinyal yansıtılacaktır. Üretilen sinyal ile yansıtılan sinyal arasındaki zaman farkını ölçerek, kablonun uzunluğu hesaplanabilir.
Alarm etkinleştirildiğinde, izleme sistemi kablonun kesildiğini algılayabilir. Bununla birlikte, kablo bağlantısında yansıyan sinyal, izlenen sisteme müdahale edecektir. Bu nedenle, kabloda yüksek genlikli sinyal yayılmasının temel özellikleri analiz edilmelidir. Kabloda yüksek seviyeli sinyal yayıldığında, denklem (1) ile verilebilecek olan kablonun karakteristik empedansı dikkate alınmalıdır:
Bunlar arasında, Ui giriş voltajı ve Ii giriş akımıdır. Alıntı yapılan literatürde, karakteristik empedans 10 ila 40 arasında değişir. Kablodaki yüksek seviyeli sinyal, yük empedanslı empedans uyumsuzluk noktası z2 ile birleştirildiğinde, karmaşık sayılarda oluşan yansıma ve kırılma sırasıyla ve T katsayıları ile temsil edilir ve hesaplama formülü aşağıdaki gibidir:
Bunlar arasında Ur yansıyan voltaj ve Ut iletim voltajıdır. Kablo bağlantısındaki kontak direnci çok küçüktür, bu nedenle, buradaki kontak direnci Z2Z1 iken, 0, T1 ve sinyal enerjisinin çoğu kablo eklemi boyunca yayılır. Bu noktada, kablo kesme noktasındaki eşdeğer empedans Z2, 1 ve T0. Bu noktadaki sinyal, çok fazla enerji üretecek olan toplam yansıma üretir. Kablonun durumu, yansıyan sinyalin genliği karşılaştırılarak belirlenebilir. Yüksek seviyeli sinyaller, farklı frekanslardaki voltaj sinyallerine dönüştürülebilir.Fourier dönüşümü ve iletim doğrusal denklemleri aracılığıyla aşağıdaki ifadeler elde edilebilir:
Bunlar arasında, R0, L0, C0 sırasıyla kablonun birim uzunluk başına endüktansını, kapasitansını ve direncini temsil eder. Ve zayıflama katsayısı, kablodaki dalganın faz gecikme katsayısıdır. Denklemler (4) ve (5), farklı frekansların değişen derecelerde genlik zayıflamasına ve iletimde faz gecikmesine sahip olduğunu kanıtlayabilir. Bu nedenle, yüksek seviyeli sinyallerin bozulma derecesini analiz etmek gerekir. Değişim eğrisini elde etmek için, 8.7 / 10 kV üç fazlı çapraz bağlı polietilen yalıtımlı kablonun deneysel doğrulamasını düşünün ve analizi MATLAB aracılığıyla çalıştırın.
Şekil 1'de görüldüğü gibi, frekans düşük olduğunda zayıflama katsayısı frekansla büyük ölçüde artar ve frekans yüksek olduğunda zayıflama katsayısı frekansla fazla değişmez. Şekil 2'de gösterildiği gibi, faz sabiti frekansla yaklaşık olarak doğrusal olarak artar. Ancak, bu iki parametre sinyal bozulmasına neden olacaktır.
Bu makale, tek uçlu kablo uzunluğu ölçüm yöntemlerinin ve izleme sistemlerinin araştırma ve geliştirilmesine odaklanmaktadır. İlk yansıyan dalga, çarpık dalganın neden olduğu hatayı azaltmada ölçümde en iyisidir. Uygun bir eşik voltajı ayarlayarak, yalnızca iletilen dalga ve yansıyan dalga elde edilir. Ek olarak, kablo bağlantılarında yansıyan dalgalar da filtrelenir. Kablo uzunluğunu ölçmek için PWM kullanmanın şematik diyagramı Şekil 3'te gösterilmiştir.
Şekil 3'ten darbe genişliği modülasyon periyodu T = t3-t1 ve üretilen gerilim ile yansıyan gerilim dalgası t = t2-t1 arasındaki zaman farkı görülebilmektedir. Sinyal kablosundaki yayılma hızının v olduğunu varsayarsak, kablonun mesafesi aşağıdaki formülle belirlenebilir:
2 Sistem tasarımı
Güç kablosu durum izleme sisteminin çalışma akış şeması Şekil 4'te gösterilmektedir. Sistem bir mikro denetleyici, PWM iletim devresi, sinyal alıcı devre, alarm devresi (GPRS dahil) ve LCD'den (kullanıcı arayüzü) oluşur. Mikrodenetleyici, yüksek performanslı kayan noktalı ARM Cortex TM-M332 bit RISC çekirdeği, ARM Cortex TM-M332 bit RISC çekirdeği, kontrol birimi (FPU), doğrudan bellek erişim birimi (DMA), 12 bit D / A dönüştürücü, örnekleme oranından oluşur 10 MSPS'ye kadar 12-bit A / D dönüştürücü ve 144 MHz'e kadar frekans aralığına sahip gelişmiş bir zamanlayıcıdan oluşur. DMA ünitesi, yüksek hızlı verileri çevresel cihazdan belleğe aktarabilir ve bu da sistem hızını büyük ölçüde artırır. Mikrodenetleyiciler, yüksek performans, gerçek zamanlı performans, dijital sinyal işleme ve yüksek entegrasyon açısından önemli avantajlara sahiptir. Sistemin ana parçası donanım tasarımı ve yazılım tasarımıdır.Donanım tasarımı PWM üreten devre ve alıcı devre içerir ve yazılım tasarımı tüm sistemin senkronizasyonundan sorumludur.
2.1 PWM oluşturma devresi
Herhangi bir noktada bir kablo parçası kesildiğinde, arıza güç kablosunun herhangi bir yerinde olabilir. Üretilen PWM görev döngüsü büyükse, yansıyan sinyal ve iletilen sinyal karıştırılacaktır Bu durumda güç kablosunun uzunluğu ölçülemez. Yüksek seviyeli sinyalin genişliği dar olduğunda, sinyal iletim sırasında bozulacak ve bu da ölçüm doğruluğunu etkileyecektir. Bu nedenle, PWM üreten devrenin görev döngüsü ve genliği belirli bir noktada ayarlanabilir olmalıdır. PWM iletim devresi temel olarak üç bölümden oluşur: ikinci dereceden bir düşük geçişli aktif filtre devresi, bir çoklayıcı devresi ve bir darbeli sürücü devresi. D / A dönüştürücü, ikinci dereceden alçak geçiren filtre devresine 0 ~ 3,3 V'luk çift yönlü bir voltaj verir ve ikinci dereceden alçak geçiren filtre devresi, yüksek frekanslı bileşenleri filtreler. Düşük geçiş filtresindeki işlemsel yükseltici, güçlü yeteneklere sahiptir ve çoklayıcı işleme için güvenilir bir garanti sağlar. Mikrodenetleyici tarafından üretilen PWM dalgası çoklayıcıyı kontrol eder. Kablo kapasitif bir yük olduğu için büyük bir akım gerektirir. Anahtardan gelen PWM sinyali kablo yükünü etkinleştiremez, bu nedenle darbeli sürücü devresi büyük bir akım çıkarmak için tasarlanmıştır. Sürücü devresinin çıkış direnci kablonun karakteristik empedansıyla eşleştiğinde, sistem maksimum enerji üretecektir.PWM tasarım akış şeması Şekil 5'te gösterilmektedir.
2.2 Alıcı devre
Sinyal alıcı devresi, PWM yansıma sinyalini elde etmek için kullanılır ve devre yapısı blok diyagramı Şekil 6'da gösterilir. Kablo terminali tarafından iletilen ve yansıtılan sinyal, önerilen devrede, voltaj bölücü öngerilim devresi ve voltaj izleyici devresi olmak üzere iki kısma ayrılır. Bir sinyal, mikrodenetleyicideki yüksek hızlı A / D dönüştürücüsüne filtre aracılığıyla gönderilir ve diğer sinyal, karşılaştırıcı aracılığıyla mikro denetleyicideki kontrolörün zamanlayıcısına gönderilir. İletim devresi tasarımının çıkış empedans değeri, kablonun karakteristik empedansıyla yüksek derecede eşleştiğinden, iletim portundaki ilk yansıyan sinyalin iletimi T1'dir ve yansıtma özelliği 0'dır, bu nedenle ikinci ve üçüncü yansıyan sinyaller ciddi genliklere sahiptir. İlk sinyalden daha düşüktür, yani yansıyan dalga üç kez yansıtılıp iletildikten sonra zayıflatılır. Bu nedenle, kablo uzunluğunu hesaplamak için PWM dalgasını kullanırken, uygun bir eşik ayarlayarak, 2. ve 3. yansıyan sinyallerin paraziti filtrelenebilir. A / D dönüştürücü, üretilen ve yansıtılan sinyallerin genliğini toplamak için kullanılır. Sinyal genliği ayarlanan aralığı aşarsa, iletilen sinyalin görev döngüsünün çok büyük olduğu ve iletilen sinyal ile yansıtılan sinyalin üst üste bindirildiği sonucuna varılabilir, bu da denetleyicinin iletilen sinyalin darbe genişliğini azaltmasını gerektirir. Zamanlayıcı, üretilen sinyalin yükselen kenar süresini kaydetmek için kullanılır ve yansıyan sinyal, sırasıyla tl, t2 ve sinyal iletim süresi elde edilebilir.
2.3 Yazılım tasarımı
Bu makalede önerilen yazılımın ana işlevi, alıcı devresinden gönderilen bilgileri ve A / D dönüşüm devresinin zamanlayıcısını işlemektir. PWM dalgasının işlevi nedeniyle, üretilen ve yansıtılan sinyalleri toplamak için çift kanallı bir A / D dönüştürme edinim modülü kullanılır. Ek olarak, mikro denetleyici bir sinyal yığını olup olmadığını ayırt edecektir. Zamanlayıcının ölçüm doğruluğu, frekansına bağlıdır. Yazılım tasarımı çift frekans teknolojisini kullanır ve zamanlayıcı frekansı 144 MHz'e ulaşır. Yani sistemin doğruluğu 7 ns'dir. Tüm ölçüm verileri, donanımın kendi ölçüm hatasını azaltan doğrudan bellek erişim modülü tarafından kaydedilir. Ek olarak, kullanıcı arayüzü de yazılıma entegre edilmiştir. Kullanıcı arayüzü aracılığıyla, operatör alarm fonksiyonunu, PWM'nin başlangıç fazını ve görev döngüsünü ve farklı kablo hat tiplerinde yayılma hızını ayarlayabilir. Yazılım tasarım akış şeması Şekil 7'deki gibi gösterilmektedir.
3 Deneysel sonuçlar
Önerilen kablo hattı hırsızlık önleme izleme sisteminin performansını, verimliliğini ve güvenilirliğini doğrulamak için laboratuvarda yapılan testler. Deneyde iki adet çapraz bağlı polietilen kablo (model: YJV22-8.7 / 153 × 50) kullanıldı. Kablonun metal kılıfı sistemin toprak GND'sine bağlanır. PWM tarafından iletilen bu sinyaller, Şekil 8'de gösterildiği gibi kablo çekirdeğinde ve deneysel test gösteriminde geçirilir.
Deneysel sonuçlardan sinyalin kablo içinden yayılma hızı 170 m / s olup, kablonun 3 çekirdeği sırasıyla 1 #, 2 # ve 3 # olarak işaretlenmiş ve kablolar arasındaki farkı izlemek için kabloyu bağlayarak veya çıkararak test edilmiştir. Bir arıza durumunda durum. Örneğin, ilk adımda, nokta 1 ve nokta 2'yi bir bütün kablo olarak düşünün ve bunları klipslerle bağlayın. İkinci adımda, kablo hasarını simüle etmek için kelepçe çıkarılır ve kablo uzunluğu cihaz tarafından ölçülür. Üçüncü adım, kablo uzunluğunu bir mezura ile ölçmek ve cihaz sonuçları ile karşılaştırmaktır Deneysel sonuçlar Tablo 1'de kaydedilmiştir.
Tablo 1'den görülebileceği gibi, ölçülen kablo uzunluğu ile gerçek uzunluk arasında bir fark vardır. Maksimum uzunluk ölçüm hatası% 3'tür. Bu hata, yayılmadaki dalga bozulması ve sistemin ölçüm doğruluğundan kaynaklanır. Önerilen sistem ölçülen kablo uzunluğunun başlangıç değerinden daha az olduğunu tespit ettiğinde, sistemin GPRS modülü, çalışan trafo merkezinin merkezine bir alarm mesajı gönderecektir. Kablo durumunun kopuk veya kesik olup olmadığını onaylamak için alarm işleminin 5 saniye içinde tekrar tekrar kontrol edilmesi gerekir.
4. Sonuç
Bu belge, PWM teknolojisine dayalı bir güç kablosu hasar izleme sistemi tasarlar ve önerir. Sistem hatası% 3'ten az Hata, prototipin STM3S330VCT6'yı mikrodenetleyici olarak 7 ns doğrulukla benimsemesinden ve yayılma işlemi sırasında dalga biçimi bozulmasından kaynaklanmaktadır. Teorik olarak, sistem, güç kablosunun kırılmasının ve hırsızlığın önlenmesinin güvenlik takibini karşılamak için kablo uzunluğunu 10 ila 1000000 m aralığında ölçebilir Bu yöntem, uzak bölgelerdeki güç kablolarının güvenliğini etkili bir şekilde artıracaktır.
Referanslar:
NAKAMURA M, NANAYAKKARA N, HATAZAKI H, et al. Denizaltı güç kablolarının güvenilirlik analizi ve harici mekanik korumaların belirlenmesi. IEEE Process on Power Delivery, 1992, 7 (2): 895-902.
TUINEMA B W, RUEDA J L, LOU V D S. Havai hatlar ve yer altı kablolarından oluşan iletim bağlantılarının güvenilirliği Güç Dağıtımında IEEE İşlemleri, 2016, 31 (3): 1251-1260.
ISHIHARA J, SUZUKI H, SAKUMA S, ve diğerleri. 275 kV XLPE kablo için ekstrüzyon tipi kalıplanmış bağlantının güvenilirliğinde iyileştirme. Güç Tesliminde IEEE İşlemleri, 1992, 7 (4): 1735-1744.
JANG S I, KIM K H. Gerilim dengesizliği ve akımın toplam harmonik distorsiyonunu kullanarak dağıtılmış nesiller için bir adalama algılama yöntemi Güç Dağıtımında IEEE İşlemleri, 2004, 19 (2): 745-752.
HOHN J W, ZIPP J A, BAUMGARTNER E A. Güç hattı taşıyıcı uygulamaları ve deneyimleri Güç Dağıtımında IEEE İşlemleri, 1995, 10 (2): 639-646.
Zhang Neng Güç hattı taşıyıcı alçak gerilim kablolarına dayalı bir hırsızlık önleme çözümü Elektronik Test, 2009 (6): 45-48.
Xu Guofeng, Xi Zhonghua, Gao Yunhui, ve diğerleri GIS ve kızılötesi teknolojisine dayalı kablo hırsızlık önleme sistemi üzerine araştırma.Elektromekanik Bilgi, 2013 (12): 160-161.
Zou Xiaochun, Li Maohua Karayolu kablosu hırsızlık alarm teknolojisinin araştırılması ve geliştirilmesi Karayolu Trafik Teknolojisi, 2010 (3): 131-134.
Yu Zhen. Empedans mutasyon ölçümüne dayalı yeni bir kablo hırsızlık önleme mekanizması üzerinde araştırma. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2012 (2): 377-382.
Zhou Huifeng, Zeng Xiangjun, Deng Feng, et al.Yarayan dalga ağlarında iletim hattı arızalarının yerini tespit etmek için yeni bir yöntem.Otomasyonu Elektrik Güç Sistemleri, 2013 (19): 93-99, 2013.
Liu Huihai, Zhang Xiaoli, Jiang Bo, ve diğerleri. Seyahat eden dalga arıza tespit cihazlarının tespiti ve değerlendirilmesi. Güç Sistemi Koruma ve Kontrolü, 2015 (1): 145-149.
Liu Yang, Liu Zhong, Jiang Bo, vb. Yüksek gerilim kablo arıza analizi ve tespit yöntemleri Liaoning Teknik Üniversitesi Dergisi (Natural Science Edition), 2015 (1): 107-111.
yazar bilgileri:
Zhao Yi 1, 2, 3, Hu Guohui 1, 2, 3, Cao Xiaofeng 1, 3, Liu Yong 1, 2, Shi Hang 1, 2, 3, Aftermath 1, 2, 3
(1. Chongqing Metroloji ve Kalite Denetimi Enstitüsü, Chongqing 401123;
2. Ulusal Dizüstü Bilgisayar Kalite Denetim ve İnceleme Merkezi, Chongqing 401123;
3. Chongqing Elektrikli Aletler Test Mühendisliği Teknolojisi Araştırma Merkezi, Chongqing 401123)
