The wavelet-based approach for k-factor filtering method on the evaluation of high voltage impulse signals
Yüksek gerilim darbe işaretlerinin incelenmesinde kullanılan k-faktör filtreleme yöntemine dalgacık tabanlı yaklaşım
- Tez No: 503381
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ŞÜKRAN EMEL ÖNAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 108
Özet
Elektrik iletim ve dağıtım sistemlerinde kullanılan ekipmanlar yıldırımlar ve anahtarlama operasyonları nedeniyle sıklıkla darbe gerilimlerine ve akımlarına maruz kalmaktadır. Söz konusu darbe işaretleri elektrik güç sistemlerinde kullanılan transformatör, izolatör, kablo, havai hat ve diğer ekipmanlar üzerinde hatalı çalışmalara ve izolasyon problemlerine neden olabilmektedir. Bu tür sorunlar elektrik şebekelerinde kısa devre arızaları ve kesintiler oluşturarak tedarik sürekliliğini ve kalitesini azaltıcı yönde olumsuz sonuçlar doğurabilmektedir. Elektriksel cihazlar üzerindeki yapısal kusurlar veya üretim hataları izolasyon dayanımını azaltabilmekte ve ekipmanların yüksek gerilim geçici olaylarına karşı dayanımını azaltabilmektedir. Bu yüzden, yüksek gerilim ekipmanlarının darbe işaretleri ile test edilerek iç ve dış aşırı gerilimlere karşı dayanımlarının tetkik edilmesi gerekmektedir. Bahsedilen yüksek gerilim testlerinde kullanılan darbe işaretlerinin yük doğrulukta ve hassasiyette üretilmeleri beklenmektedir. Ancak bu şekilde gerçekleştirilen testlerde izolasyon malzemesi kalitesinin ve ekipman üretim sürecinin geliştirilmesi için tutarlı sonuçlar elde edilebilir. Literatürde yüksek gerilim testleri ve darbe işaretlerinin ölçümüyle ilgili olarak birçok çalışma bulunmaktadır. Çalışmalarda darbe işaretlerinin karakterize edilmesi için dalga formlarına ait parametrelerin değerlendirilmesi konusu öne çıkmaktadır. Tepe değeri, cephe süresi, yarı değer süresi ve kesim süresi darbe dalga formlarının standart bir şekilde üretilebilmeleri için önemli ve belirleyici parametrelerdir. Ancak darbe işaretlerinde görülen osilasyonlar ve çeşitli bozucu etkiler elektriksel ekipmanların yüksek doğrulukta ve hassasiyette test edilebilmeleri önünde engel teşkil etmektedir. Ekipmanın kendisi, test sistemi, ölçüm sistemi ve çevresel koşullara bağlı olarak söz konusu bozucu etkilerin frekans aralıkları değişebilmektedir. Bozucu etkiler darbe dalga formu üzerinde cephe ya da tepe civarında görülebilmekte birkaç yük kHz mertebelerinden 10 MHz seviyelerinin üzerine kadar geniş bir spektrumda oluşabilmektedir. Darbe işaretlerinin ölçümünde analog osiloskopların kullanıldığı dönemlerde darbe parametreleri test personeli tarafından el ile yapılan işlemlerle değerlendirilmekteydi. Analog osiloskop ekranında oluşan dalga formu üzerinde el ile ortalama eğri (mean curve) çizilmekte ve hesaplamalar çizilen eğri üzerinde gerçekleştirilmekteydi. İşaret üzerindeki bozucu frekans bileşenleri, parametrelerin hassas bir şekilde hesaplanmasını engellemekte böylece darbe işaretlerinin tekrar doğru bir şekilde üretilmelerinde sorunlar yaşanmaktaydı. Sayısal osiloskoplar ve bilgisayar destekli programlar gibi ölçüm ve değerlendirme sistemlerindeki gelişmeler söz konusu ölçümlerin yüksek doğrulukta yapılabilmesini olanaklı kılmıştır. Ancak darbe parametrelerin kestirimi ve hesaplanması söz konusu bozucu etkiler sebebiyle güncel araştırma konuları arasında önemini korumaktadır. Darbe parametrelerinin yüksek doğrulukta hesaplanması için osilasyon ve aşım (overshoot) gibi bozucu etkilerin ortadan kaldırılmasına yönelik çözümleri içeren birçok yaklaşım literatürde yer almaktadır. Çalışma grupları, üniversiteler ve endüstriyel test laboratuvarlarında çeşitli metotlar geliştirilmiştir. Metotlar arasında üssel fonksiyonlar ve diferansiyel denklem kullanılarak eğri uydurma, genetik algoritmalar, yapay sinir ağları, Kalman filtreleme, Prony serileri ve Fourier tabanlı yaklaşımlar yer almaktadır. Ayrıca nedensel ve nedensel olmayan alçak geçiren filtre yapıları da literatürde incelenmiştir. Yapılan tüm çalışmaların sonucunda IEC 60060-1 standardında k-faktör filtreleme yöntemi benimsenmiştir. Yöntemde artık filtreleme (residual filtering) olarak ifade edilen orijinal işaret ile uydurulan eğri arasındaki farka k-faktör filtre uygulanmaktadır. Böylece osilasyon ve aşım gibi bozucu etkiler filtrelenerek elde edilen işaret uydurulan eğri ile toplanmaktadır. Böylece hesaplamalarda kullanılacak dalga formu elde edilmektedir. Gerçekleştirilen çalışmada eğri uydurma ile birlikte osilasyon ve aşım gibi bozucu etkilerin filtrelenmesi amacıyla dalgacık dönüşümü tabanlı yaklaşımlara odaklanılmıştır. Dalgacık dönüşümü işaretin zaman ve frekans bilgisini aynı platformda gösterebilmesi ile birlikte işaretten gürültü arındırma fonksiyonuyla öne çıkmaktadır. Dalgacık tabanlı yaklaşımlarda sabit pencere fonksiyonu kullanılan Fourier tabanlı metotların ötesinde çok daha iyi zaman ve frekans çözünürlüğü sağlanabilmektedir. Zaman ve frekans aralıkları uygun dalgacık dönüşümü parametreleri seçilerek ayarlanabilmektedir. Dalgacık tabanlı dönüşümler alt-bantlara ayırma (sub-band decomposition) yaklaşımı ile her alt-bant çözünürlüğünde eğri uydurma ve gürültü filtreleme fonksiyonlarını sunmaktadır. Bu bağlamda, k-faktör filtreleme metoduna alternatif olarak dalgacık tabanlı çok- çözünürlüklü analiz yaklaşımı önerilmektedir. Darbe üreteci ve sayısal osiloskop kullanılarak gerçek zamanlı darbe işaretleri üretilmiş ve ölçülmüştür. Her bir ölçülen dalga formu k-faktör filtreleme ve çok-çözünürlüklü dalgacık analizi ile incelenmiş ve değerlendirilmiştir. Her iki yöntem kullanılarak ortalama eğriler ve darbe parametreleri hesaplanmıştır. Ardından elde edilen sonuçlar bağıl hata miktarlarına göre incelenmiş ve önerilen metodun IEC yaklaşımına göre değerlendirilmesi paylaşılmıştır. Birinci bölümde yüksek gerilim testleri ve darbe işaretleri üzerinde teorik bilgiler sunulmuştur. Darbe işaretlerinin değerlendirilmesi ve darbe parametrelerinin hesaplanması üzerine literatür araştırması ve güncel IEC yaklaşımının temelleri paylaşılmıştır. Gerçekleştirilen çalışmanın motivasyonu ve hipotezleri tanımlanmıştır. İkinci bölümde iç ve dış aşırı gerilimler tanımlanmıştır. IEC 60060-1 uyarınca darbe işaretleri dalga formlarının tanımları ve detayları sunulmuştur. Her bir işaret tipi için darbe parametreleri tanımları verilmiştir. Üçüncü bölümde çalışmada kullanılan dalgacık tabanlı çok-çözünürlüklü analiz ile ilgili bilgiler paylaşılmıştır. Bu amaçla Fourier Dönüşümü, Kısa Zamanlı Fourier Dönüşümü ve Dalgacık Dönüşümü metotları incelenmiştir. Dördüncü bölümde deney düzeneği ile ilgili bilgiler paylaşılmıştır. Darbe generatörü, osiloskop, elektrot konfigürasyonu ve deneysel çalışmalarla ile ilgili bilgiler paylaşılmıştır. Beşinci bölümde k-faktör ve dalgacık tabanlı yöntemler karşılıklı olarak incelenmiştir. Uygulanan yöntemlerin adımları ile ilgili bilgiler sunulmuştur. Optimum dalgacık fonksiyonu ve alt-bant seviye seçimi ile ilgili kriterler verilmiştir. Altıncı bölümde Çok-Çözünürlüklü Dalgacık Analizi ve k-faktör filtreleme uygulamaları ile elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Analizler deney düzeneği ile oluşturulan birçok işaret üzerinde gerçekleştirilmiştir. Dalgacık fonksiyonu ve alt-bant seviyesi beşinci bölümde tanımlanan kriterlere göre belirlenmiştir. Sonuç bölümünde, çalışmada elde edilen bulgular ve katkılar sunulmuştur. K-faktör filtreleme yaklaşımına alternatif bir çözüm olarak sunulan Çok-Çözünürlüklü Dalgacık Analizi'nin üstünlükleri değerlendirilmiştir. Gerçekleştirilen sayısal analizler ışığında dalgacık tabanlı yaklaşım ile k-faktör filtreleme ile elde edilen sonuçlara çok yakın değerlerin hesaplanabildiği tespit edilmiştir. Ayrıca, önerilen yöntemin eğri uydurma ve her alt-bant için filtreleme özelliğini bir arada sağlaması ile yüksek gerilim darbe işaretlerinin incelenmesine kompakt bir çözüm sunduğu belirtilmiştir.
Özet (Çeviri)
In transmission and distribution systems, electrical equipment is commonly exposed to impulse voltage and currents produced by lightning strikes and switching operations. Transformers, insulators, cables, overhead lines, and other electrical equipment suffer malfunctions and insulation problems leading to short circuits and interruptions in electrical networks. The structural defects and production failures of electrical equipment lowers the insulation durability of high voltage transients. Therefore, high voltage equipment is tested with impulse signals to verify its capability to withstand internal and external overvoltages. The high voltage signals used in the tests should be exactly the same to produce consistent outcomes in order to improve insulation material quality and the process of equipment production. In the literature, several studies have been carried out on high voltage testing and the measurement of impulse signals. Numerous studies have focused on the evaluation of waveform parameters to characterize impulse signals. The parameters of peak value, front time, time to half value, and time to chopping are substantial variables in producing a standard impulse waveform. Nevertheless, disturbances like oscillations and/or overshoots may occur in the impulse signals, preventing accurate and precise testing of high voltage equipment. The frequency range of disturbances varies depending on the source such as the equipment itself, test and measurement systems, and ambient conditions. The disturbances may present at the front or near the peak of impulse test signals and at a wide frequency range from several hundred kHz to a level of more than 10 MHz. When analogue oscilloscopes were used for the measurement of impulse signals, the impulse parameters were evaluated manually by test engineers. The values were calculated using mean curves drawn by hand through the trace provided by the analogue oscilloscopes. The disturbances present on the signals negatively affect these efforts, preventing an accurate reproduction of the impulse signals. Within the developments of measurement and evaluation systems including digital oscilloscopes and computer programs, the measurement of impulse signals can be performed with high accuracy. However, impulse parameter estimation is still a matter for research because of these types of disturbances. Several approaches have been proposed in the literature to provide an ideal solution for removing disturbances in order to have accurate evaluations of impulse parameters under oscillations and/or overshoots. Research conducted by working groups, universities, and industrial test laboratories focused on various methods such as exponential fitting algorithms, analysis by derivative equations, applying genetic algorithms, neural networks, Kalman filtering, and Prony series and Fourier based approaches. Causal and non-causal low pass filtering were also discussed in the literature. Eventually, the k-factor filtering approach was suggested in the IEC 60060-1 standard. In this method, the disturbance of oscillations and overshoots are removed from the impulse signal by residual filtering using the k-factor approach. This study is focused on wavelet-based analysis for the evaluation of impulse signals providing curve fitting and the filtering of disturbances resulted from oscillations and/or overshoots. A wavelet transform has the significant features of presenting time and frequency information at the same time while enabling signal de-noising naturally. Fourier based transforms suffer fixed resolution of window function while wavelet-based approaches provide better time and frequency resolutions. The intervals of time and frequency can be arranged by selecting appropriate wavelet parameters. A wavelet-based transform provides sub-band decomposition while presenting curve fitting and de-noising in each level of resolution. In this context, wavelet-based multi-resolution analysis was introduced as a suggestion for k-factor filtering. Real-time impulse signals were produced and measured using an impulse generator and a digital oscilloscope. Then, the sampled waveforms were analyzed through k-factor filtering and wavelet-based multi-resolution analysis. The mean curves and impulse parameters for each sampled signal were calculated using both methods. Afterwards, the differences in the calculated parameters were analyzed in terms of relative errors. An evaluation of the proposed method in comparison to the IEC approach is provided. In the first chapter, the theoretical background on high-voltage testing and impulse signals is presented. A literature survey and the basis of the current IEC standard for the evaluation of impulse signals and its parameters is provided. The motivation and hypothesis of this study is identified. In the second chapter, the internal and external over-voltages are defined. The definitions and the details on the waveforms of impulse signals are presented according to the IEC 60060-1. The definitions of impulse parameters for each type of signal are given. The third chapter presents the mathematical background of the wavelet-based multi-resolution analysis. For this purpose, the concepts of the Fourier transform, the short-time Fourier transform, and the wavelet transform are discussed. In the fourth chapter, the diagram of the experimental setup is given. The details about the impulse generator, the digital oscilloscope, the electrode configuration and case studies are presented. In the fifth chapter, a comparison of the filtering approaches of k-factor and wavelet-based decomposition is provided. The procedures for each approach are introduced. The steps for optimal wavelet function selection and assessment of sub-band levels are discussed. In the sixth chapter, the results obtained by the application of multi-resolution wavelet analysis and the IEC 60060-1 approach are evaluated. The analysis is conducted on several impulse signals produced by the experimental setup. The decomposition level and the wavelet function are determined through the procedures given in the fifth chapter. In the conclusion section, the findings and the contributions of this research are presented. As an alternative solution, the opportunities of multi-resolution wavelet analysis over k-factor filtering are discussed. Based on numerical analysis, it was found that wavelet-based multi-resolution analysis provides very close results to the k-factor approach. In addition, it was shown that the proposed wavelet-based approach provides a compact solution for curve fitting and filtering while enabling further evaluation of frequency content for each sub-band of high-voltage impulse signals.
Benzer Tezler
- Parmakizi imgesinin yönsel süzgeçler ile iyileştirilmesi ve dalgacık dönüşüm kodlama yöntemi ile sıkıştırılması
Başlık çevirisi yok
H.NURİ YANANLI
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiY.DOÇ.DR. M. ERTUĞRUL ÇELEBİ
- Condition monitoring and fault detection for electrical power systems using signal processing and machine learning techniques
Sı̇nyal ı̇şleme ve makı̇ne öğrenme teknı̇klerı̇ kullanılarak elektrı̇k güç sı̇stemleri ı̇çı̇n durum ı̇zleme ve arıza belirleme
YASMIN NASSER MOHAMED
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAHİN SERHAT ŞEKER
- Yere nüfuz eden radarlarda öğrenme tabanlı yeni kargaşa giderme yöntemleri
New learning-based clutter removal methods in ground penetrating radar
EYYUP TEMLİOĞLU
Doktora
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. IŞIN ERER
- COVID-19 hastalığının derin öğrenme yöntemleri kullanılarak tespiti
Detection of COVID-19 disease using deep learning methods
HÜSEYİN YAŞAR
Doktora
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT CEYLAN
- Zaman serisi sınıflandırması için dalgacık dönüşümüne dayalı yeni bir yaklaşım
A novel approach for time series classification based on wavelet decomposition
ARZU FİDAN
Doktora
Türkçe
2024
İstatistikMuğla Sıtkı Koçman Üniversitesiİstatistik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NEVİN GÜLER DİNCER