نظام تحذير من المخاطر الخفية وقياس مسافة العطل في خطوط التوزيع حل

1. تحليل السيناريو

 1.1 المشاكل الرئيسية التي تواجه خطوط الشبكة التوزيعية

غالباً ما تعتمد الشبكات التوزيعية المتوسطة الجهد على بنية طوبولوجية شجرية متشعبة، حيث يتدفق الطاقة بشكل أحادي الاتجاه في الشبكة أثناء التشغيل الطبيعي. ومع بناء الشبكات الذكية، تم تشكيل الشبكة التوزيعية إلى بنية طوبولوجية متعددة الأفرع، وخطوط الكابلات الهوائية المختلطة، والطوبولوجيا الدائرية، وبنية طوبولوجيا الشبكة التوزيعية المعقدة الحديثة التي تحتوي على مصادر الطاقة الموزعة. تغير البنية الطوبولوجية المتعددة الأفرع والمختلطة والدائري والمصادر المتعددة للمحولات في الشبكة التوزيعية خصائص انتقال الأمواج العابرة للأخطاء، وتزيد من صعوبة استخراج خصائص الأخطاء، وعدم اليقين في تدفق الطاقة. إعادة بناء بنية الطوبولوجيا للشبكة الخطأ تتغير بشكل ديناميكي، مما يشكل تحديات كبيرة لمراقبة حالة الأخطاء في الشبكة التوزيعية. حالياً، المشاكل الرئيسية التي تواجه خطوط الشبكة التوزيعية هي كالتالي:

• تأخر التطوير وعدم التوازن

في السنوات الأخيرة، حظيت شبكات التوزيع باهتمام واسع واستمرت الاستثمارات في الزيادة. ومع ذلك، بسبب نقص الاستثمار الأولي وكثرة الديون التاريخية، لا تزال شبكات التوزيع، خاصة الشبكات التوزيعية المتوسطة الجهد، متأخرة عن شبكات النقل. بقيت مشكلة عدم التوازن في التطوير بين المناطق الحضرية والريفية، وكذلك بين شبكات الطاقة الشرقية والوسطى الغربية، بارزة. الشبكة التوزيعية الحالية تعاني من مشاكل تأخر التطوير وعدم التوازن، ولا تزال موثوقية إمدادها بالطاقة متأخرة عن المستوى الدولي المتقدم، مما يجعل من الصعب تلبية احتياجات خدمة التنمية الاقتصادية.

• انخفاض مستوى الترابط وضعف البنية الشبكية

لا تزال بنية الشبكة ذات مستويات الجهد 10 كيلوفولت ضعيفة. تقريباً نصف خطوط الجهد 10 كيلوفولت لم تترابط بعد، ونسبة الترابط في الشبكة الريفية هي فقط ثلث نسبة الترابط في الشبكة الحضرية، مما يشير إلى انخفاض مستوى الترابط.

• نقص الأجهزة النهائية ومنصات الإدارة، مستوى منخفض من الأتمتة

مستوى الأتمتة للتوزيع نسبياً منخفض، وما زال في مرحلة البدايات. يستغرق التشخيص والعزل والاستعادة وقتاً طويلاً، مما يجعل من الصعب تحقيق إعادة بناء الشبكة والشفاء الذاتي. يعكس هذا قدرة التزويد المتبادلة المنخفضة، ويكون الشعور المباشر هو أن استعادة الإمداد بالكهرباء تستغرق وقتاً طويلاً.

• عزل البيانات الأساسية وتقنيات المعلومات القديمة

يتضمن إدارة الشبكة التوزيعية أقسام مختلفة مثل التطوير والطاقة الزراعية والتشغيل والتفتيش والتسويق والتخطيط، مع تشتت البيانات الأساسية عبر أنظمة مختلفة. لا تتوافق معايير وأنماط البيانات بين الأنظمة، بالإضافة إلى ذلك، هناك نقص في آليات مشاركة البيانات. إن المستويات المنخفضة للاستثمار والبناء في الشبكة التوزيعية أدت إلى تأخر نسبي في تطوير أنظمة الاتصالات والمعلومات، وعدم وجود قنوات للحصول على المعلومات. يعكس هذا ضعف الإدارة الدقيقة، حيث لا يمكن تطابق البيانات والرسومات والمعلومات.

• استراتيجية الحماية لها عيوب وتعرض مخاطر أمنية كبيرة

عند حدوث خطأ في التوصيل الأرضي ذو المقاومة العالية في الشبكة التوزيعية، تعمل "بالإصابة". على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي الخطأ التوصيلي الفردي إلى صدمات كهربائية للأشخاص أو الطيور، وإلحاق الضرر بالبشر والحيوانات؛ تعرضت شبكة التوزيع لأخطاء حرائق الغابات، وأخطاء التوصيل الأرضي ذات المقاومة العالية صعبة التعرف عليها، ولا يتم تشغيل الحماية التتابعية، مما يشكل مخاطر أمنية.

تعتمد القضايا التقنية والتحديات التي تؤثر على التشغيل الآمن والاستقرار في الشبكة التوزيعية على أنظمة الأتمتة التوزيعية عالية المستوى لحلها. يعتبر نظام تشخيص أخطاء الشبكة التوزيعية جزءًا مهمًا من نظام الأتمتة التوزيعية، الذي يحقق تحذيرًا عن الحالات غير الطبيعية للخطوط التوزيعية، وموقع الخطأ بدقة، وتحديد نوع الخطأ، والحماية على الموقع، وغيرها، مما يوفر أساس بيانات لإزالة الأخطاء السريعة واستعادة الأتمتة التوزيعية تلقائيًا.

1.2 حلول لتنبيه المخاطر المحتملة في خطوط الشبكة التوزيعية

تحديد موقع الخطأ في الشبكة التوزيعية، كوظيفة رئيسية لضمان تزويد الطاقة الموثوق به والجودة العالية، هو محور البحث في تقنية الأتمتة للشبكة التوزيعية. وفقاً للاحصائيات من الأقسام ذات الصلة في الشبكة الكهربائية، فإن 80% أو أكثر من انقطاعات الطاقة في الشبكة ناتجة عن أخطاء في الشبكة التوزيعية. لتحسين مستوى الأتمتة للشبكة التوزيعية وبناء شبكة توزيع ذكية، لا يزال من الضروري القيام بأبحاث وتطبيقات حول تحسين مستمر للحالة الطبيعية للشبكة التوزيعية وتحديد سريع لمواقع الأخطاء. المفتاح لحل تحسين مستمر للحالة الطبيعية للشبكة التوزيعية وتحديد سريع لحالات الأخطاء هو تحقيق مراقبة آلية للشبكة التوزيعية، وتحقيق تحديد دقيق لموقع الخطأ وتحذير مبكر للحالات غير الطبيعية للشبكة التوزيعية. إنه جزء مهم من بناء الشبكات التوزيعية الذكية في الشبكات الذكية، وهو متوافق مع احتياجات الاستراتيجيات الوطنية الكبرى، ولديه أهمية كبيرة في تعزيز التعديل الاستراتيجي لبنيوية صناعة الشبكة الكهربائية، وحل العقبات الرئيسية في تطور الإنترنت للأشياء الكهربائية، وتحسين جودة التزويد بالكهرباء.

يعتبر نظام تشخيص أخطاء الشبكة التوزيعية جزءًا مهمًا من نظام الأتمتة التوزيعية. نظام تشخيص أخطاء الشبكة التوزيعية القائم على الذكاء الاصطناعي والحوسبة الحافة له وظائف التنبيه المبكر للحالة غير الطبيعية، وتحديد موقع الخطأ بدقة، وغيرها، والتي يمكن أن تعزز فعالية استقرار الشبكة التوزيعية، وتسريع عزل الأخطاء، وتقصير وقت استعادة الأخطاء، وتحسين استمرارية التزويد بالكهرباء. في الوقت نفسه، يمكن للنظام تحقيق تصفح الويب، وإشعارات الرسائل القصيرة عبر الهاتف المحمول، وتوجيه فحص الأخطاء وإصلاحها. 

2. تصميم الحل العام

2.1 مبدأ تحديد موقع الأمواج العابرة للأخطاء في خطوط الشبكة التوزيعية

يعتمد تحديد موقع الخطأ في خطوط الشبكة التوزيعية على تقنية تحديد الموقع بالأمواج العابرة. المبدأ الأساسي موضح في الشكل 2.1. يستخدم طريقة تحديد الموقع بالأمواج العابرة ثنائية النهاية لحساب موقع الخطأ بدقة استنادًا إلى الفرق الزمني بين الأمواج العابرة التي تمر عبر نقاط المراقبة المجاورة للأخطاء والمخاطر الخفية في خط التوزيع؛ يمكن لخوارزمية المحطة الرئيسية تشكيل طوبولوجيا الشبكة استنادًا إلى معلومات خط التركيب لكل نقطة مراقبة، مما يشكل طريقة قياس المسافة للأمواج العابرة للأخطاء الشبكية. يتم التحقق من نتائج تحديد الموقع لكل نقطة مراقبة وتلاؤمها بشكل متبادل، مما يضمن بدقة وفعالية دقة نتائج قياس مسافة الخطأ. في الوقت نفسه، يمكن للنظام أيضًا تحقيق تنبيه المخاطر للخطوط التوزيعية، بدقة تحديد موقع الخطأ تصل إلى 150 مترًا، مما يوفر دعمًا قويًا لأعمال التشغيل والصيانة وتحسين قدرة الشفاء الذاتي لتزويد خطوط التوزيع بالكهرباء.

من بينها، L1 وL2 هما المسافتان من نقطة الخطأ إلى نقاط المراقبة 1 و2، L هي المسافة بين نقطتين من نقاط المراقبة، T1 وT2 هما الأوقات التي يتم فيها اكتشاف الأمواج العابرة بواسطة نقاط المراقبة 1 و2، وv هي سرعة الأمواج العابرة. 

الشكل 2.1 مخطط توضيحي لموقع الموجة المسافرة ثنائية الطرف

2.2 وصف المنتج لمقترح التصميم

يشمل مقترح التصميم للتحذير من المخاطر والموقع الفعلي للأعطال في خطوط التوزيع قواطع الدائرة ذات النوع المقيس للموقع، جهاز قياس المسافة بالموجة المسافرة الخارجي، محطة قياس المسافة بالموجة المسافرة لمحول التوزيع، وأجهزة الرصد عبر الإنترنت لأعطال خطوط التوزيع الموزعة. يظهر تركيب الجهاز في الشكل 2.2.

الشكل 2.2 مخطط توضيحي لتوزيع المنتج المقترح

• جهاز تحديد موقع عطل خط التوزيع

يتم استخدام طريقة التطبيق الخارجية لوحدة قياس المسافة بالموجة المسافرة في شبكة التوزيع لتجديد الأجزاء الموجودة من خطوط التوزيع. يتم تثبيته بين قاطع الدائرة الأصلي ووحدة FTU ويتم توصيله عبر كابلات ذات مأخذ طيران للتثبيت الحي. يستخدم الجهاز نفس الإشارة المستخدمة في الوحدة، وكل الإشارات الداخلة معزولة. تقوم وحدة تحديد الموقع بالموجة المسافرة ومتحكم وحدة FTU بجمع الكميات الإشارية المقابلة بشكل مستقل ومعالجتها والفصل بينها دون التداخل مع بعضها البعض. 

• محطة تحديد موقع العطل لخطوط التوزيع

تعتمد محطة تحديد موقع العطل لخطوط التوزيع بشكل أساسي على مبدأ تحديد الموقع بالموجة المسافرة ثنائية الطرف كطريقة لتحديد موقع العطل. يتم تثبيت الجهاز على الجانب الثانوي لمحول التوزيع لخط التوزيع، ويستخرج إشارة الموجة المسافرة المنقولة من الجانب الأولي 10kV إلى الجانب ذو الجهد المنخفض عند حدوث عطل في خط 10kV على الخط 400V على الجانب ذو الجهد المنخفض لمحول التوزيع. يحل هذا المشكل بشكل شامل مشكلة النقط العمياء في رصد الموجة المسافرة عند نهاية فروع الخط. 

• جهاز الرصد الموزع للأعطال في خطوط التوزيع

يتم تثبيت الجهاز مباشرة على أسلاك خط التوزيع، باستخدام تغذية بالطاقة عن طريق الاستشعار بالتداخل والطاقة الشمسية وتغذية البطارية. يتطلب التشغيل الطبيعي للجهاز أن يصل الحمل الخطي إلى 5A. يستخدم أساساً كاحتياطي للحل النهائي ويُطبق في الحالات التي يوجد فيها عدد قليل من قواطع الدائرة أو فروع كثيرة تتطلب تثبيت نقاط الرصد.

• قاطع الدائرة العمودي - نوع قياس المسافة للأعطال

يتم تثبيت وحدة قياس المسافة بالموجة المسافرة في وحدة FTU، مما يضيف وظيفة تحديد موقع العطل بدقة إلى الوظيفة التقليدية لعزل عطل قاطع الدائرة. تستخدم الوحدة الإشارة الثانوية لقاطع الدائرة ويمكنها جمع معلومات التيار الكهربائي ثلاثي الأطوار، التيار والجهد الموجة المسافرة، إشارة 3U0، إشارة 3I0، وغيرها. يمكن تعديلها بشكل مرن وفقًا لنوع المحول الخاص بقاطع الدائرة سواء كان كهرومغناطيسيًا أو إلكترونيًا. يمكن تكييف وحدة قياس المسافة بالموجة المسافرة مع العديد من أنواع وحدات FTU بما في ذلك النوع الصندوق والغطاء والدمج العميق. تم تطبيق وحدة قياس المسافة بالموجة المسافرة بشكل مشترك في الموقع مع العديد من مصنعي قواطع الدائرة.

2.3 المقترح العام لتصميم نظام تحديد موقع العطل لخطوط شبكة التوزيع

يتكون نظام تشخيص أعطال شبكة التوزيع من ثلاثة أجزاء: طبقة تنفيذ الرصد الحالة، طبقة تحليل البيانات، وطبقة تقييم النظام. يظهر الهيكل العام في الشكل 2.3. ومن بينها

• طبقة الرصد الحالة

تشمل طبقة الرصد الحالة أجهزة جمع المعلومات (مثل أجهزة استشعار التيار، وأجهزة استشعار الجهد، وأجهزة استشعار الاهتزاز، وأجهزة استشعار الحرارة، والاستحواذ على الصور، وأجهزة استشعار البيئة، وأجهزة استشعار حالة المفتاح، والاتصال السلكي واللاسلكي، وما إلى ذلك)، وأجهزة إخراج الحالة (مثل قواطع الدائرة، وأجهزة التحميل، وأجهزة المؤشرات التنبيهية، وما إلى ذلك)، لتحقيق جمع واتصال متعدد المصادر بشكل حقيقي وفي الوقت الحالي وبدرجة عالية من الدقة؛

• طبقة تحليل البيانات

تشمل طبقة تحليل البيانات التحليل والإبلاغ عن التنبيهات للأحداث التحذيرية أو الأعطال، وذلك على أساس الحوسبة الحرفية والحاسوب الذكي لتحقيق الرصد الحقيقي والموثوق به والدقيق لموقع النظام المحلي والواسع النطاق؛

• طبقة تقييم النظام

تشمل طبقة تقييم النظام وحدة التعرف على البنية، وحدة إعادة بناء الشبكة، وحدة فحص الأعطال الذكية، وحدة التعرف على أنواع الأعطال، وحدة التنبؤ بالحالات غير الطبيعية، وحدة تقييم نقاط الضعف، ووحدة بناء مكتبة حالات الخبرة. بناءً على التحليل الشامل، يتم تحقيق التنبيهات بشأن الحالات غير الطبيعية وكشف الأعطال الخفية لنظام التحكم والحماية.

الشكل 2.3 مخطط توضيحي لهيكل نظام تشخيص أعطال شبكة التوزيع

خصائص تقنية لحل النظام:

• طريقة تحديد أنواع الأعطال واستخراج خصائص الأعطال في شبكات التوزيع

بناءً على معلومات المفاتيح، ومعلومات 3U0، ومعلومات الكهرباء الكهربائية، وملفات تسجيل التيار والجهد الكهربائي للأعطال، وملفات تسجيل التيار العالي للأعطال، ومعلومات الموجة المسافرة العتادية، وغيرها من المعلومات لخط التوزيع، يتم استخدام طرق الذكاء الاصطناعي لاستخراج خصائص أخطاء شبكة التوزيع، مما يوفر أساس حساب فعال لتحذيرات الحالات غير الطبيعية وتحديد موقع الأعطال بدقة؛ دراسة خصائص الموجة للأوساخ، والأشجار، والتجمد، والأجسام العائمة، والفواصل، والأعطال الأرضية ذات المقاومة العالية، أو الحالات غير الطبيعية لعوازل شبكة التوزيع، تشكيل مكتبة بصمات الخصائص الموجية غير الطبيعية، استخراج عوامل الخصائص للأعطال، واستخدام التوافق بين عوامل الخصائص لتحديد الحالات غير الطبيعية لخطوط التوزيع. 

• طريقة تحديد موقع العطل الواسع النطاق المستندة إلى شبكة التوزيع

إعادة بناء طوبولوجيا الشبكة من خطوط الكابلات المعلقة المتداخلة، وخطوط الفروع المتعددة، وخطوط شبكة التوزيع ذات الهياكل الطوبولوجية القابلة للتغيير، واستخدام طرق تحديد الموقع الشبكي الواسع النطاق لتحقيق قياس المسافة الواسع النطاق والطرق الشاملة الأمثل لشبكات التوزيع. 

• الرصد عبر الإنترنت والتحذير من المخاطر

تنتج المخاطر بسبب عدم كفاية المسافة العازلة، مثل الأشجار، والأضرار الناجمة عن الطيور، والأجسام العائمة، والتلوث العازل، والتجمد، إشارات الموجة المسافرة الضعيفة قبل الانفجار. يتم نقل إشارة الموجة المسافرة على طول الأسلاك إلى الطرفين، وراقب وتحليل إشارات الموجة المسافرة الضعيفة على خط الجمع لتحقيق تحديد الموقع ثنائي الطرف والتحذير من المخاطر على خط الجمع. 

3.مقترح الاتصال بالبيانات وتصميم النظام

جميع أجهزة الرصد الموزعة للأعطال، وأجهزة تحديد موقع العطل، وأجهزة تحديد موقع العطل لخطوط التوزيع تستخدم بطاقات APN المعينة من قبل شركة الكهرباء وطرق الاتصال اللاسلكي 4G أو 5G.

يُنصح ببناء نظام تشخيص أعطال شبكة التوزيع في المكتب البلدي. يمكن نشر النظام بشكل مستقل على الخوادم أو منصات السحابة الرئيسية لشبكة التوزيع، ويمكن ربطه بمنصة إدارة العقارات عبر بروتوكولات الاتصال مثل MQTT و HTTP لجمع البيانات، مما يحقق تشخيص الأعطال الشامل لشبكة التوزيع في المدينة. يمكن دمج النظام مع نظام تلقائي لشبكة التوزيع.

4. مبدأ اختيار نقاط التثبيت

مقارنة بالخطوط الناقلة، منتجات تحديد المواقع بالامتدادات الموجية لشبكة التوزيع أقل بكثير. مستوى الجهد للخطوط التوزيعية منخفض، وبالتالي فإن سعة إشارة الامتداد الموجي للأعطال منخفضة نسبيا. بالإضافة إلى ذلك، كلما مر عبر نقطة عدم استمرارية معاوقة موجية (مثل اتصال T للخط، نقطة الاتصال بين الكابل والخط الهوائي)، ستقوم إشارة الامتداد الموجي بالتقوس والانعكاس، وسيقل حجم إشارة الامتداد الموجي. لضمان أن يمكن كشف إشارة الامتداد الموجي للأعطال بواسطة جهاز الرصد عند وصولها إليه، يميل جهاز الرصد عادةً لمتابعة مبدأ اختيار وتثبيت المسافات البينية بمقدار 3-5 كم. المتطلبات المحددة هي كالتالي:

• عند تثبيت المحول التلقائي على الخط المرسل وفي نقطة T للخط، يتم اختيار أجهزة قياس المسافة بالامتدادات الموجية FTU. عادةً ما يتم تثبيت مجموعة من أجهزة تحديد المواقع بالامتدادات الموجية بالقرب من القاطع في بداية ونهاية الخط، بينما يعتمد التثبيت في الوسط على طول الخط وحالة الخطوط الفرعية. إذا لم تكن هناك خطوط فرعية في الوسط، يمكن تثبيت مجموعة واحدة على فترات حوالي 5 كم. وإذا كانت هناك عدة فروع، يجب تثبيت مجموعة واحدة على أقصى فترة تبلغ 3 فروع (الفروع القصيرة التي طولها أقل من 200 متر يمكن تجاهلها). عندما يكون هناك عدة خطوط فرعية في الوسط، يجب ألا يتجاوز المسافة بين أجهزة الرصد 3 كم.
• اختيار محولات التوزيع وتثبيت أجهزة قياس المسافة بالامتدادات الموجية على مسافة حوالي كيلومترين في بداية ونهاية الخطوط الفرعية، مع عدم تجاوز فرعين فرعيين في الوسط.
• عند وجود عدة محولات توزيع قابلة للاختيار بالقرب من نفس نقطة التثبيت، يجب إعطاء الأولوية لاختيار المحول ذو السعة الأكبر لتثبيت جهاز قياس المسافة بالامتدادات الموجية.

5. خطة تصميم مفصلة لأنظمة التحذير من المخاطر وتحديد موقع الأعطال في خطوط التوزيع

الخطوط التوزيعية التالية هي خمسة خطوط كخطوط تجريبية: كما هو موضح في الشكل 5.1-5.5.

الشكل 5.1 الطريق التجريبية 1

الشكل 5.2 الطريق التجريبية 2

الشكل 5.3 الطريق التجريبية 3

الشكل 5.4 الطريق التجريبية 4

الشكل 5.5 الطريق التجريبية 5