Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật mang tên "Xây dựng giải pháp chẩn đoán sự cố trong máy biến áp 3 pha sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu thông minh" do nghiên cứu sinh Đào Duy Yên thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên (năm 2021), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Hoài Linh và PGS. Trần Xuân Minh, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa (mã số: 9520216).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Máy biến áp (MBA) là phần tử then chốt trong cấu trúc truyền tải và phân phối của hệ thống điện. Trong quá trình vận hành, MBA chịu tác động liên tục từ các yếu tố ứng suất điện môi, nhiệt độ, lực điện động và rung động cơ khí, dẫn đến nguy cơ xuất hiện các sự cố như ngắn mạch giữa các vòng dây, nới lỏng cuộn dây, lỏng kết cấu bu-lông gá hoặc suy thoái điện môi. Việc bảo vệ rơ-le thông thường chỉ phản ứng khi sự cố đã bộc phát hoàn toàn và cắt thiết bị ra khỏi lưới.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định gồm:

  1. Đa số các nghiên cứu chẩn đoán sự cố trước đây tập trung vào dòng MBA lực truyền tải công suất lớn làm việc ở chế độ không tải, ít có các nghiên cứu chuyên sâu về MBA phân phối cấp điện áp 22/0.4 kV khi mang tải.
  2. Các phương pháp chẩn đoán đơn lẻ (như chỉ đo dòng áp hoặc chỉ phân tích nồng độ khí cháy DGA) gặp hạn chế về độ nhạy đối với các hư hỏng cơ khí giai đoạn đầu hoặc độ bền của cảm biến trong môi trường làm việc liên tục.
  3. Các giải pháp phân tích rung động cơ học (VFRA) trước đó chủ yếu dừng lại ở các bài toán thực nghiệm trên máy tĩnh/không tải, chưa kết hợp đồng bộ các thông số đặc trưng điện từ và rung động vỏ máy dưới các mức phụ tải khác nhau.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Xây dựng giải pháp chẩn đoán các dạng sự cố tiềm ẩn trong MBA phân phối 3 pha 22/0.4 kV kết hợp đồng thời tín hiệu điện và tín hiệu rung cơ học.
  2. Ứng dụng phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS để xây dựng mô hình 3D đa vật lý (ghép nối trường điện từ và trường cơ học), mô phỏng trạng thái làm việc bình thường và 5 dạng sự cố dưới các mức tải khác nhau để tạo lập cơ sở dữ liệu tín hiệu mẫu.
  3. Xây dựng thuật toán trích chọn đặc trưng và cấu trúc mạng nơ-ron Perceptron đa tầng (MLP) sử dụng thuật toán tối ưu Levenberg–Marquardt để nhận dạng chính xác trạng thái của MBA.
  4. Chế tạo thiết bị phần cứng thu thập độ rung sử dụng cảm biến gia tốc và thực nghiệm đo độ rung trên MBA đang vận hành thực tế tại trạm biến áp phân phối.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình và mô hình chẩn đoán sự cố máy biến áp phân phối 3 pha. Cấu hình máy biến áp cụ thể được khảo sát và mô hình hóa là MBA phân phối 400 kVA, tỉ số biến áp 22/0.4 kV, tổ đấu dây Y-Y0, sử dụng lõi thép kỹ thuật JGH100.
  • Phạm vi không gian và đối tượng mô phỏng:
    • Mô phỏng trên phần mềm ANSYS Maxwell 3D và ANSYS Mechanical Workbench đối với 6 kịch bản làm việc: 01 trạng thái bình thường và 05 trạng thái sự cố (chập 2 vòng dây cuộn cao áp pha B; chập 5% số vòng dây cuộn cao áp pha B; chập 10% số vòng dây cuộn cao áp pha B; nới lỏng cuộn dây quấn theo trục thời gian; nới lỏng bu-lông gá cuộn dây).
    • Các chế độ tải khảo sát: 50%, 80% và 100% công suất định mức.
  • Phạm vi thực nghiệm: Thử nghiệm đo đạc độ rung trên MBA thực tế tại Trạm biến áp Đại học Công nghiệp 3 (Thái Nguyên) vào ngày 15/9/2020, đối sánh đồng thời với thông số công suất tác dụng tổng ($P$) thu thập từ hệ thống đo xa của Điện lực Thái Nguyên.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp, phân loại và đánh giá các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến 4 nhóm phương pháp chẩn đoán sự cố MBA chính:

Nhóm phương pháp Công trình / Tác giả trích dẫn Nguyên lý và kết quả ghi nhận trong văn bản Tồn tại / Hạn chế được chỉ ra
Phân tích tín hiệu điện (dòng, áp, tổng trở) - Khảo sát mạch RLC tương đương [11]
- Máy vector hỗ trợ (SVM) [19]
- Mạng nơ-ron PNN và Wavelet DWT [25]
- Phân tích dòng từ hóa quá độ bằng Wavelet Daubechies bậc 4 [60]		 - [11]: Mô phỏng MBA 345/16 kV 250 MVA trên PSIM; chập 30% vòng làm tâm elip lệch 0,08%, trục lớn lệch 11,71%; chập 60% làm tâm lệch 0,21%, trục lớn lệch 16,36%.
- [19]: Nhận dạng chập 1–25% số vòng dây trên 144 trường hợp sự cố, độ chính xác 92,2%–96,96%.
- [25]: Nhận dạng sự cố trong MBA đạt 96,3%, sự cố ngoài đạt 83,3%.
- [60]: Cảnh báo ngắn mạch khi sai lệch năng lượng sóng hài vượt quá 1%.		 - Chủ yếu nghiên cứu trên MBA truyền tải công suất lớn.
- Phương pháp đo dòng từ hóa chỉ đo được ở chế độ quá độ, không giám sát liên tục được.
- Kém nhạy với các biến dạng cơ khí cục bộ ở giai đoạn đầu.
Phân tích nồng độ khí hòa tan (DGA) - Phương pháp các tỷ số khí [3, 40]
- Phương pháp tỷ số ban đầu [3, 17, 22, 30]
- Tiêu chuẩn Dornenburg [3, 24, 28]
- Nghiên cứu trong nước của Nguyễn Hữu Công		 - Phân tích nồng độ và tỉ số các khí hòa tan trong dầu cách điện: $\text{H}_2, \text{CH}_4, \text{C}_2\text{H}_2, \text{C}_2\text{H}_4, \text{C}_2\text{H}_6, \text{CO}, \text{CO}_2$ để phát hiện quá nhiệt, vầng quang hoặc phóng hồ quang. - Chỉ áp dụng cho MBA ngâm dầu.
- Cảm biến khí có tính chọn lọc hữu hạn, dễ bị nhiễu bởi khí lạ.
- Cảm biến làm việc liên tục có tuổi thọ thấp, chi phí bảo trì và thay thế định kỳ cao.
Phương pháp nhiệt độ / Ảnh nhiệt - Cảm biến nhiệt [12, 33, 37, 63]
- Camera ảnh nhiệt [64]		 - Đo nhiệt độ tại các điểm phát nóng cục bộ trên vỏ và đầu cực MBA; camera ảnh nhiệt hỗ trợ giám sát không tiếp xúc đa điểm. - Phản ứng trễ so với thời điểm phát sinh sự cố điện từ bên trong thùng máy; chịu ảnh hưởng của điều kiện tản nhiệt môi trường.
Phân tích đáp ứng tần số rung (VFRA / FRA) - Phân tích đáp ứng rung [38, 41]
- Mô phỏng rung động kết cấu ANSYS [31]
- Nghiên cứu trí tuệ nhân tạo của Nguyễn Văn Lê		 - [38, 41]: MBA 220 kVA dòng 5A, dải tần 230–626 Hz; dùng độ lệch tuyệt đối trung bình (AAD) để định lượng biến dạng cuộn dây.
- [31]: Mô phỏng biến dạng hướng trục cuộn hạ áp pha C của MBA 220 kV.		 - Các nghiên cứu thực nghiệm chủ yếu thực hiện ở trạng thái không tải hoặc trên mô hình phòng thí nghiệm.
- Chưa khảo sát phối hợp nhiều dạng sự cố kết hợp biến đổi phụ tải thực tế.

Vị trí và giải pháp của luận án

Khác phục các tồn tại trên, luận án định vị hướng tiếp cận mới: kết hợp phương pháp mô phỏng số phần tử hữu hạn 3D (FEM) với mạng nơ-ron nhân tạo MLP để xử lý đồng thời tập tín hiệu điện (dòng, áp) và tín hiệu cơ học (lực điện từ, chuyển vị rung động 3 trục trên vỏ máy) trên đối tượng MBA phân phối 400 kVA 22/0.4 kV hoạt động ở các dải tải khác nhau.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

1. Cơ sở vật lý về hiện tượng rung trong máy biến áp

Hiện tượng rung động trong MBA trong quá trình vận hành bắt nguồn từ hai nguồn lực cơ bản:

  • Rung động của cuộn dây: Do lực điện động sinh ra từ sự tương tác giữa dòng điện chạy trong cuộn dây và từ trường tản. Lực điện động tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện ($F \propto I^2$) và phân tách thành hai thành phần: lực dọc trục (gây nén ép theo chiều cao cuộn dây) và lực xuyên tâm (gây nén/giãn bối dây theo hướng kính). Khi tần số dòng điện lưới là $f = 50\text{ Hz}$, lực điện từ biến thiên và gây rung động với tần số cơ bản là $2f = 100\text{ Hz}$, đi kèm các thành phần sóng hài bậc lẻ của tần số rung do dòng từ hóa và sóng hài lưới điện.
  • Rung động của lõi thép: Do hiện tượng từ giảo (sự biến dạng cơ học của vật liệu sắt từ khi đặt trong từ trường biến thiên). Mối quan hệ giữa độ biến dạng dài và cảm ứng từ xấp xỉ bậc hai ($\Delta l/l \propto B^2$). Vì điện áp đặt vào tỷ lệ thuận với cảm ứng từ ($U \approx 4{,}44 f N B S$), lực từ giảo tỷ lệ thuận với bình phương điện áp đặt ($F_{tg} \propto U^2$), tạo ra dao động cơ bản ở tần số $100\text{ Hz}$ cùng các sóng hài bậc cao do tính chất phi tuyến của đường cong từ hóa $B\text{-}H$ và cấu trúc ghép lớp cách điện của các lá thép kỹ thuật.

2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và mô hình hóa trường ghép

Luận án sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng mô tả trường điện từ và trường cơ học kết cấu:

  • Hệ phương trình Maxwell trường điện từ: $$\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}$$ $$\nabla \times \mathbf{H} = \mathbf{J} + \frac{\partial \mathbf{D}}{\partial t}$$ $$\nabla \cdot \mathbf{B} = 0, \quad \nabla \cdot \mathbf{D} = \rho$$ Liên hệ vật liệu: $\mathbf{B} = \mu \mathbf{H} = \mu_r \mu_0 \mathbf{H}$ (với $\mu$ là ten-xơ từ thẩm của vật liệu sắt từ). Từ thế vectơ $\mathbf{A}$ được áp dụng qua hệ thức $\mathbf{B} = \nabla \times \mathbf{A}$ với điều kiện chuẩn $\nabla \cdot \mathbf{A} = 0$.

  • Tensor ứng suất Maxwell và lực điện từ: Lực điện từ tác động lên các phần tử dẫn điện và lõi thép được tích phân thông qua tensor ứng suất Maxwell $\mathbf{T}{ij}$: $$T{ij} = \mu_0 \left( H_i H_j - \frac{1}{2}\delta_{ij} H^2 \right)$$ $$\mathbf{F}_{em} = \oint_S \mathbf{T} \cdot d\mathbf{S} = \int_V (\mathbf{J} \times \mathbf{B}) dV$$

  • Phương trình động lực học kết cấu cơ học: $$[M]{\ddot{u}} + [C]{\dot{u}} + [K]{u} = {F_a}$$ Trong đó $[M], [C], [K]$ lần lượt là ma trận khối lượng, ma trận cản và ma trận độ cứng tổng thể; ${u}$ là vectơ chuyển vị nút. Bài toán ghép nối được thiết lập bằng cách gán tải trọng ngoại lực ${F_a} = \mathbf{F}_{em}(t)$ thu được từ mô phỏng điện từ trường Maxwell 3D sang mô hình cơ học kết cấu Mechanical Workbench.

3. Mạng nơ-ron Perceptron đa tầng (MLP) và thuật toán Levenberg–Marquardt

Mô hình nhận dạng sử dụng cấu trúc mạng MLP truyền thẳng:

  • Cấu hình mạng: 15 nút đầu vào (tương ứng 15 đặc trưng trích chọn), 01 lớp ẩn (khảo sát số nơ-ron từ 1 đến 5) và 01 nút đầu ra (chỉ thị trạng thái bình thường hoặc mã hóa dạng sự cố).
  • Thuật toán học Levenberg–Marquardt (LM): Kết hợp giữa thuật toán dốc giảm cực đại (Gradient Descent) và thuật toán Gauss–Newton để tối ưu hóa véc-tơ trọng số $w$: $$\Delta w = - [J^T J + \mu I]^{-1} J^T e$$ Trong đó $J$ là ma trận Jacobian chứa các đạo hàm riêng bậc nhất của sai số theo trọng số, $e$ là véc-tơ sai số huấn luyện, và $\mu$ là tham số điều chỉnh tốc độ hội tụ.
       CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐẦU VÀO
 [ Mô hình hóa 3D MBA phân phối 400 kVA ]
 [ Trích chọn 15 thông số đặc trưng ]

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Phần mở đầu xác lập cơ sở khoa học, tính cấp thiết, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi, phương pháp luận và các đóng góp cốt lõi của đề tài; đồng thời trình bày cấu trúc tổng thể gồm 4 chương nội dung cùng phần phụ lục thiết kế phần cứng và thuật toán.

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp chẩn đoán sự cố trong máy biến áp

Chương 1 hệ thống hóa các nguyên nhân hư hỏng của MBA trong lưới điện (hỏng cách điện vòng dây, quá nhiệt dầu, quá tải, dịch chuyển cơ khí cuộn dây, nới lỏng gá kẹp). Tác giả phân tích chi tiết ưu điểm và tồn tại của từng trường phái kỹ thuật hiện hành:

  • Phương pháp đo tín hiệu điện áp/dòng điện theo mô hình RLC và wavelet.
  • Phương pháp phân tích khí hòa tan trong dầu DGA theo các chuẩn tỉ số khí và chuẩn Dornenburg.
  • Phương pháp giám sát nhiệt độ tiếp xúc và camera ảnh nhiệt.
  • Phương pháp phân tích đáp ứng tần số rung VFRA.

Từ việc chỉ ra các hạn chế về đối tượng MBA phân phối và tính đơn lẻ của các tín hiệu đo, chương 1 đề xuất cấu trúc giải pháp kết hợp mô phỏng FEM trên phần mềm ANSYS với mạng nơ-ron MLP đa ngõ vào để chẩn đoán trạng thái MBA dựa trên tín hiệu điện và chuyển vị rung động.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết các đề xuất của luận án

Chương 2 thiết lập nền tảng toán học và vật lý phục vụ các đề xuất của luận án:

  1. Bản chất vật lý của lực điện động trong cuộn dây dẫn ($F \propto I^2$) và hiện tượng từ giảo trong lõi sắt từ ($F_{tg} \propto U^2$), giải thích nguồn gốc sinh ra các phổ tần số rung $100\text{ Hz}$ và các sóng hài bậc cao.
  2. Cơ sở kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số (FRA) dựa trên mạng tham số tập trung RLC và định nghĩa chỉ số sai lệch tuyệt đối trung bình (AAD).
  3. Lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Thiết lập sơ đồ khối tính toán gồm 7 bước; phân tích các hệ phương trình Maxwell vi phân/tích phân, điều kiện biên và nghiệm từ thế vectơ $\mathbf{A}$; mô hình hóa tensor lực Maxwell 3D.
  4. Cơ học môi trường liên tục: Ma trận độ cứng đàn hồi, tensor ứng suất, tensor biến dạng, nguyên lý cực tiểu hóa thế năng toàn phần và phương pháp ghép nối lực điện từ sang phương trình động lực học kết cấu dạng $[M]{\ddot{u}} + [C]{\dot{u}} + [K]{u} = {F_a}$.
  5. Lý thuyết mạng nơ-ron nhân tạo MLP: Cấu trúc toán học của nơ-ron, hàm kích hoạt, thuật toán lan truyền ngược sai số và thuật toán tối ưu tham số Levenberg–Marquardt.

Chương 3: Xây dựng mô hình trong phần mềm ANSYS cho MBA phân phối trong một số trường hợp sự cố

Chương 3 trình bày quy trình xây dựng mô hình hình học 3D, thiết lập vật liệu, điều kiện biên và chia lưới phần tử hữu hạn cho MBA phân phối 400 kVA (22/0.4 kV, tổ đấu dây Y-Y0) bằng các mô-đun ANSYS Maxwell, ANSYS Design Modeler, ANSYS Meshing và ANSYS Mechanical:

Thông số thiết kế / Mô phỏng Giá trị và đặc tính kỹ thuật xác lập
Công suất định mức / Điện áp $400\text{ kVA}$, Cấp điện áp $22/0{,}4\text{ kV}$, Tổ đấu dây Y-Y0
Vật liệu lõi từ Thép kỹ thuật JGH100 (khai báo đường cong thực nghiệm $B\text{-}H$ phi tuyến)
Vật liệu cuộn dây Đồng kỹ thuật điện (khai báo độ dẫn điện, khối lượng riêng, mô-đun đàn hồi $E$)
Dạng phần tử chia lưới Phần tử tứ diện 4 đỉnh 8 nút (Maxwell 3D); Phần tử lập phương phi tuyến 20 nút (Cơ học)
Kịch bản mô phỏng 1 (Bình thường) Trạng thái chuẩn, kết cấu gá kẹp chặt, cách điện nguyên vẹn (ở 50%, 80%, 100% tải)
Kịch bản mô phỏng 2 (Sự cố 1) Chập 2 vòng dây cuộn cao áp pha B
Kịch bản mô phỏng 3 (Sự cố 2) Chập 5% tổng số vòng dây cuộn cao áp pha B
Kịch bản mô phỏng 4 (Sự cố 3) Chập 10% tổng số vòng dây cuộn cao áp pha B
Kịch bản mô phỏng 5 (Sự cố 4) Nới lỏng các vòng dây cuộn dây theo thời gian (kích thước cuộn dây nới rộng)
Kịch bản mô phỏng 6 (Sự cố 5) Lỏng bu-lông gá kẹp định vị cuộn dây

Chương này thực hiện liên kết mạch điện nguyên lý bên ngoài với mô hình trường 3D bên trong, thiết lập các bước thời gian phân tích quá độ để thu thập đầy đủ đáp ứng động học điện từ và cơ học.

Chương 4: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Chương 4 tổng hợp các kết quả tính toán mô phỏng, xử lý tín hiệu và đo đạc thực nghiệm:

  1. Phân tích kết quả mô phỏng ANSYS: Xuất đồ thị lực kéo hướng kính, lực dọc trục tác động lên cuộn dây các pha (LA, LB, LC), lực điện từ 3 phương $(x, y, z)$ tác động lên lõi từ và đồ thị chuyển vị rung động theo 3 phương $(x, y, z)$ tại vỏ máy biến áp qua từng chu kỳ thời gian. Các sự cố chập vòng làm tăng đột biến lực điện từ cục bộ; sự cố lỏng bu-lông làm thay đổi mạnh biên độ chuyển vị rung trên vỏ thùng.
  2. Trích chọn đặc trưng và huấn luyện mạng MLP:
    • Đề xuất trích chọn 15 thông số đặc trưng từ tập dữ liệu mô phỏng (bao gồm các giá trị hiệu dụng, cực đại, thành phần sóng hài của dòng điện, điện áp, lực tác động và chuyển vị rung vỏ máy theo các trục).
    • Thiết lập bộ dữ liệu gồm 234 mẫu, phân chia thành 180 mẫu huấn luyện (training) và 54 mẫu kiểm tra (testing).
    • Huấn luyện mạng MLP trong môi trường MATLAB (Neural Network Toolbox) với thuật toán Levenberg–Marquardt khi thay đổi số nơ-ron lớp ẩn từ 1 đến 5.
    • Kết quả: Khi cấu hình mạng đạt 3 nơ-ron lớp ẩn (cấu trúc 15-3-1), sai số huấn luyện và sai số kiểm tra đều nhỏ hơn ngưỡng $0{,}5$, đạt tỷ lệ nhận dạng chính xác 100% trên cả tập học và tập kiểm tra.
       CẤU TRÚC MẠNG NƠ-RON MLP TRONG LUẬN ÁN
 Đầu vào (15 đặc trưng)       Lớp ẩn (3 nơ-ron)       Đầu ra (1 trạng thái)
  1. Kết quả thực nghiệm đo độ rung:
    • Chế tạo thiết bị đo phần cứng gồm: Cảm biến gia tốc MPU-6050 gắn trên vỏ MBA, vi điều khiển PSoC CY8C29566, khối thời gian thực DS1307, module thẻ nhớ lưu trữ SD và giao tiếp truyền thông PL2302.
    • Tiến hành đo độ rung thực tế tại MBA Trạm ĐH Công nghiệp 3 (Thái Nguyên) vào ngày 15/9/2020.
    • Đối sánh tín hiệu phổ rung động thu được với đồ thị công suất tác dụng tổng ($P$) đo xa của Điện lực Thái Nguyên trong cùng khung giờ: Biên độ đỉnh phổ rung cơ bản ($100\text{ Hz}$ và các hài) biến thiên đồng pha và tỷ lệ thuận với mức độ mang tải của máy biến áp, xác nhận tính đúng đắn của mô hình lý thuyết và mô phỏng đã xây dựng.

Kết quả và những đóng góp mới

1. Những đóng góp mới của luận án

  • Về mô hình hóa: Xây dựng mô hình tính toán phần tử hữu hạn 3D hoàn chỉnh cho MBA phân phối 400 kVA 22/0.4 kV Y-Y0 trong phần mềm ANSYS (Maxwell 3D kết hợp Mechanical Workbench), mô phỏng thành công 06 kịch bản vận hành (01 trạng thái bình thường và 05 trạng thái sự cố điển hình) dưới 3 chế độ tải (50%, 80%, 100% định mức), trích xuất đồng bộ dữ liệu dòng áp, lực điện từ và chuyển vị rung 3 trục trên vỏ máy.
  • Về phương pháp xử lý tín hiệu: Đề xuất bộ 15 thông số đặc trưng kết hợp giữa miền điện và miền cơ (rung động), tạo cơ sở dữ liệu định lượng 234 mẫu phục vụ nhận dạng sự cố tự động.
  • Về thuật toán chẩn đoán: Xây dựng và tối ưu hóa mạng nơ-ron MLP cấu trúc 15-3-1 với thuật toán học Levenberg–Marquardt, đạt tỷ lệ nhận dạng chính xác 100% trên cả 180 mẫu học và 54 mẫu kiểm tra.
  • Về chế tạo và thực nghiệm: Thiết kế, tích hợp hoàn chỉnh thiết bị phần cứng đo rung dựa trên vi xử lý PSoC và cảm biến MPU-6050; thực nghiệm thành công phép đo độ rung online trên MBA phân phối đang vận hành thực tế tại lưới điện Thái Nguyên, chứng minh mối quan hệ tỷ lệ giữa tải tiêu thụ và mức độ rung động vỏ máy.

2. Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng giải pháp đo rung kết hợp xử lý tín hiệu thông minh để xây dựng các thiết bị giám sát trực tuyến (online monitoring) phục vụ bảo dưỡng theo tình trạng kỹ thuật (CBM) cho hệ thống MBA phân phối.
  • Mở rộng cài đặt thuật toán nhận dạng trực tiếp lên các vi điều khiển nhúng để thực hiện cảnh báo sớm sự cố tại chỗ hoặc truyền dữ liệu cảnh báo về trung tâm điều khiển SCADA.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Cơ sở dữ liệu mẫu sự cố chủ yếu được trích xuất từ phần mềm mô phỏng ANSYS do điều kiện thực tế không thể tạo các sự cố phá hủy (ngắn mạch vòng dây, lỏng bu-lông gá) trên các MBA đang vận hành trên lưới điện.
  • Thực nghiệm đo đạc thực tế tại hiện trường mới chỉ dừng lại ở việc đo độ rung của MBA ở chế độ làm việc bình thường với phụ tải thay đổi theo thời gian, chưa có điều kiện đo kiểm thực nghiệm trên các MBA thực tế đang bị sự cố chạm chập cuộn dây.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu mở rộng mô hình mô phỏng cho các loại MBA có cấp điện áp và dải công suất khác nhau, bổ sung các dạng sự cố phức tạp hơn (suy giảm đặc tính dầu, quá điện áp do sét).
  • Hoàn thiện thiết bị đo phần cứng với tần số lấy mẫu cao hơn, tích hợp các chuẩn truyền thông không dây công nghiệp (LoRa, 4G/5G) để truyền dữ liệu độ rung liên tục về hệ thống quản lý lưới điện thông minh.
  • Thử nghiệm áp dụng thêm các cấu trúc mạng nơ-ron học sâu (Deep Learning) hoặc các thuật toán tối ưu hóa bầy đàn khi tập dữ liệu mẫu được mở rộng quy mô lớn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn phục vụ các nhóm đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa, Hệ thống điện: Tham khảo phương pháp mô phỏng ghép đa vật lý điện từ - cơ học trên ANSYS Maxwell/Mechanical, kỹ thuật trích chọn đặc trưng tín hiệu và ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo trong bài toán chẩn đoán lỗi thiết bị điện.
  • Kỹ sư vận hành và bảo dưỡng tại các công ty điện lực / truyền tải điện: Tham khảo cơ sở phân tích rung động cơ học (VFRA) để đánh giá tình trạng cơ học (độ chặt của bu-lông, độ biến dạng cuộn dây) của MBA phân phối mà không cần cắt điện thiết bị.
  • Các nhóm nghiên cứu phát triển thiết bị đo lường nhúng: Tham khảo thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý, lưu đồ thuật toán vi xử lý PSoC CY8C29566 ghép nối cảm biến gia tốc MPU-6050 và thẻ nhớ lưu trữ dữ liệu tại phần Phụ lục của luận án.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án nghiên cứu trên đối tượng máy biến áp có thông số kỹ thuật cụ thể nào?

Đối tượng nghiên cứu là máy biến áp phân phối 3 pha có công suất định mức $400\text{ kVA}$, cấp điện áp $22/0{,}4\text{ kV}$, tổ đấu dây Y-Y0, sử dụng lõi thép kỹ thuật JGH100.

2. Tác giả đã mô phỏng bao nhiêu kịch bản làm việc của MBA trên phần mềm ANSYS?

Tác giả đã mô phỏng tổng cộng 06 kịch bản, gồm:

  1. Trạng thái làm việc bình thường.
  2. Sự cố chập 2 vòng dây cuộn cao áp pha B.
  3. Sự cố chập 5% tổng số vòng dây cuộn cao áp pha B.
  4. Sự cố chập 10% tổng số vòng dây cuộn cao áp pha B.
  5. Sự cố nới lỏng các vòng dây quấn theo thời gian.
  6. Sự cố lỏng bu-lông gá kẹp cuộn dây.
    Mỗi kịch bản đều được khảo sát ở 3 mức tải: 50%, 80% và 100% công suất định mức.

3. Mô hình nhận dạng trạng thái MBA sử dụng thuật toán gì và đạt kết quả ra sao?

Luận án sử dụng mạng nơ-ron Perceptron đa tầng (MLP) với 15 đầu vào đặc trưng, 01 lớp ẩn (khảo sát từ 1 đến 5 nơ-ron) và 01 đầu ra, huấn luyện bằng thuật toán Levenberg–Marquardt. Với cấu trúc tối ưu gồm 3 nơ-ron lớp ẩn (15-3-1), mô hình đạt độ chính xác 100% trên cả 180 mẫu huấn luyện và 54 mẫu kiểm nghiệm (tổng tập mẫu là 234).

4. Thiết bị đo thực nghiệm độ rung của luận án được cấu thành từ các linh kiện phần cứng chính nào?

Thiết bị đo tự thiết kế gồm: Cảm biến gia tốc số MPU-6050, vi điều khiển PSoC CY8C29566, IC thời gian thực DS1307, module thẻ nhớ dung lượng cao SD, màn hình LCD 16x2 và chip truyền thông nạp/giao tiếp máy tính PL2302.

5. Kết quả đo thực nghiệm trên MBA tại Trạm ĐH Công nghiệp 3 đã chứng minh điều gì?

Kết quả đo thực nghiệm ngày 15/9/2020 cho thấy phổ rung động của vỏ máy (đặc biệt là đỉnh phổ cơ bản $100\text{ Hz}$) biến thiên đồng dạng và tỷ lệ thuận với công suất tác dụng tổng ($P$) thu thập từ hệ thống đo xa của Điện lực Thái Nguyên, kiểm chứng tính đúng đắn của lý thuyết lực điện động và mô hình mô phỏng rung động đã thiết lập.

Kết luận

Luận án của tác giả Đào Duy Yên đã giải quyết bài toán chẩn đoán sớm các sự cố điện và cơ khí trong máy biến áp phân phối 3 pha 22/0.4 kV thông qua giải pháp kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn 3D (ANSYS) và mạng nơ-ron MLP. Công trình đã trích chọn thành công 15 thông số đặc trưng từ dữ liệu trường điện từ và rung động vỏ máy, xây dựng mô hình mạng nơ-ron đạt độ chính xác phân loại 100% trên tập dữ liệu khảo sát. Đồng thời, luận án đã chế tạo hoàn chỉnh thiết bị đo phần cứng sử dụng vi xử lý PSoC và cảm biến MPU-6050, thực nghiệm đo kiểm thành công mối tương quan giữa độ rung vỏ máy và phụ tải thực tế tại lưới điện phân phối.