Luận án tiến sĩ: Giải pháp chẩn đoán sự cố trong máy biến áp 3 pha sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu thông minh

• Tác giả: Đào Duy Yên
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Hoài Linh
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa
• Đề tài: Giải Pháp Chẩn Đoán Sự Cố Máy Biến Áp 3 Pha Bằng Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu Thông Minh
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TRONG MÁY BIẾN ÁP
• 1.1. Ý NGHĨA CỦA BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ MÁY BIẾN ÁP
• 1.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ MBA
• 1.2.1. Các công trình nghiên cứu ngoài nước
• 1.2.2. Các công trình nghiên cứu trong nước
• 1.2.3. Những tồn tại của các phương pháp chẩn đoán sự cố trong và ngoài nước
• 1.2.4. Đề xuất của luận án
• 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC ĐỀ XUẤT CỦA LUẬN ÁN
• 2.1. HIỆN TƯỢNG RUNG TRONG MÁY BIẾN ÁP
• 2.1.1. Rung động của cuộn dây
• 2.1.2. Rung động của lõi thép
• 2.2. NHU CẦU GIÁM SÁT ĐỘ RUNG MÁY BIẾN ÁP
• 2.3. PHÂN TÍCH RUNG ĐỘNG THEO MIỀN TẦN SỐ
• 2.3.1. Cơ sở của việc đáp ứng tần số
• 2.3.2. Phạm vi áp dụng của phương pháp. Nhận xét phương pháp phân tích rung động theo miền tần số
• 2.4. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
• 2.4.1. Giới thiệu chung phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.4.2. Sơ đồ tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.4.3. Hệ phương trình Maxwell tổng quát cho trường điện từ. Mối liên hệ giữa mật độ dòng điện và phương trình từ thế vectơ A
• 2.5. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG PHẦN MỀM ANSYS MAXWELL ĐỂ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MBA
• 2.5.1. Phương trình trường điện từ
• 2.5.2. Hệ phương trình cơ học
• 2.5.3. Ghép nối bài toán trường điện từ và bài toán cơ học
• 2.6. MẠNG NƠRON MLP
• 2.6.1. Cấu trúc mạng nơron MLP
• 2.6.2. Quá trình học mạng nơron MLP
• 2.6.3. Thuật toán bước giảm cực đại
• 2.6.4. Thuật toán Levenberg – Marquardt cho mạng MLP
• 2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRONG PHẦN MỀM ANSYS CHO MBA PHÂN PHỐI TRONG MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP SỰ CỐ
• 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG PHẦN MỀM ANSYS
• 3.1.1. Một số module chính của phần mềm ANSYS
• 3.1.2. Khối chức năng mô phỏng điện từ ANSYS Maxwell
• 3.1.3. Khối chức năng mô phỏng kết cấu ANSYS Structure
• 3.1.4. Khối chức năng xây dựng mô hình ANSYS desing modeler và ANSYS meshing
• 3.1.5. Khối chức năng ANSYS mechanical workbench
• 3.1.6. Khối chức năng mô phỏng ANSYS mechanical
• 3.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MBA PHÂN PHỐI 400KVA 22-0.4KV Y-Y0 TRONG ANSYS
• 3.2.1. Nguyên lý làm việc của MBA
• 3.2.2. Xây dựng mô hình MBA phân phối 400kVA 22-0.
• 3.3. XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH CHUẨN BỊ CHO QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG TRẠNG THÁI LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG VÀ TRẠNG THÁI SỰ CỐ CỦA MBA PHÂN PHỐI
• 3.3.1. Mô hình chia lưới MBA làm việc ở trạng thái bình thường
• 3.3.2. Mô hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố các cuộn dây bị nới lỏng theo thời gian
• 3.3.3. Mô hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố chập 2 vòng dây 5%, 10% tổng số vòng dây cuộn cao áp pha B
• 3.3.4. Mô hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố lỏng bulông gá cuộn dây
• 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 4.1. BỘ DỮ LIỆU TÍN HIỆU ĐIỆN, CƠ LẤY TỪ MÔ PHỎNG TRONG PHẦN MỀM ANSYS
• 4.1.1. Trường hợp MBA hoạt động bình thường, tải 50% (trường hợp A-1)
• 4.1.2. Trường hợp sự cố ngắn mạch chập hai vòng dây cao áp
• 4.1.3. Trường hợp sự cố nới lỏng vòng dây
• 4.1.4. Trường hợp sự cố nới lỏng bu lông gá cuộn dây
• 4.1.5. Trường hợp sự cố chập 5% số vòng dây
• 4.1.6. Trường hợp sự cố chập 10% số vòng dây
• 4.1.7. Nhận xét các kết quả mô phỏng
• 4.2. KẾT QUẢ HUẤN LUYỆN MẠNG MLP
• 4.2.1. Các thông số đặc trưng của tín hiệu thu thập từ MBA
• 4.2.2. Kết quả huấn luyện mạng MLP
• 4.3. THỰC NGHIỆM TRÊN MBA PHÂN PHỐI
• 4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• PHỤ LỤC
• Phụ lục 1. CHƯƠNG TRÌNH TRÍCH CHỌN ĐẶC TÍNH TỪ CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ANSYS
• Phụ lục 2. CHƯƠNG TRÌNH HUẤN LUYỆN MẠNG MLP
• Phụ lục 3. THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐỘ RUNG CỦA MBA
• Phụ lục 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống đo
• Phụ lục 3.2. Nguyên lý hoạt động của một số phần tử chính trong thiết bị đo
• Phụ lục 3.3. Lưu đồ thuật toán hoạt động của vi xử lý và cảm biến gia tốc
• Phụ lục 3.4. Hình ảnh thiết bị đã đóng vỏ
• Phụ lục 4. KẾT QUẢ ĐO XA CỦA ĐIỆN LỰC THÁI NGUYÊN CHO TRẠM ĐH CÔNG NGHIỆP 3 (ngày 15/9/2020)

Tóm tắt

I. Tổng quan về các phương pháp chẩn đoán sự cố trong máy biến áp

Chương này trình bày tổng quan về các phương pháp chẩn đoán sự cố trong máy biến áp (MBA). Chẩn đoán máy biến áp là một vấn đề quan trọng nhằm đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động của hệ thống điện. Các phương pháp hiện tại bao gồm phân tích rung động, phân tích tín hiệu điện, và các phương pháp dựa trên công nghệ thông minh. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng. Ví dụ, phân tích rung động có thể phát hiện sớm các vấn đề cơ khí, trong khi phân tích tín hiệu điện có thể chỉ ra các vấn đề liên quan đến cách điện. Tuy nhiên, việc kết hợp nhiều phương pháp sẽ mang lại hiệu quả cao hơn trong việc phát hiện và chẩn đoán sự cố. Đề xuất của luận án là phát triển một giải pháp chẩn đoán tích hợp, sử dụng công nghệ chẩn đoán hiện đại để nâng cao độ chính xác và độ tin cậy.

1.1 Ý nghĩa của bài toán chẩn đoán sự cố máy biến áp

Sự cố trong MBA có thể gây ra thiệt hại lớn về kinh tế và ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện. Việc chẩn đoán sớm các sự cố tiềm ẩn là rất cần thiết. Giải pháp chẩn đoán hiệu quả sẽ giúp người vận hành nhận biết và xử lý kịp thời, từ đó giảm thiểu thiệt hại. Hệ thống điện ngày càng phức tạp, do đó, việc áp dụng các phương pháp chẩn đoán thông minh là cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động của MBA. Các nghiên cứu hiện tại cho thấy rằng việc sử dụng công nghệ thông minh trong chẩn đoán có thể cải thiện đáng kể khả năng phát hiện và phân tích sự cố.

II. Cơ sở lý thuyết các đề xuất của luận án

Chương này trình bày các lý thuyết cơ bản liên quan đến hiện tượng rung động trong MBA và phương pháp phần tử hữu hạn. Hiện tượng rung trong máy biến áp có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng nếu không được giám sát và chẩn đoán kịp thời. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để mô phỏng và phân tích các trạng thái làm việc của MBA. Việc áp dụng FEM giúp xác định các điểm yếu trong thiết kế và hoạt động của MBA. Ngoài ra, chương này cũng giới thiệu về mạng nơron MLP, một công nghệ xử lý tín hiệu thông minh có khả năng học và nhận dạng các mẫu tín hiệu từ dữ liệu thu thập được. Mạng nơron MLP sẽ được sử dụng để chẩn đoán các dạng sự cố trong MBA dựa trên các đặc tính được trích chọn từ tín hiệu điện và rung động.

2.1 Phân tích rung động theo miền tần số

Phân tích rung động theo miền tần số là một phương pháp quan trọng trong việc giám sát tình trạng của MBA. Phương pháp này cho phép xác định các tần số tự nhiên và các chế độ dao động của MBA. Đo lường tín hiệu rung động giúp phát hiện các vấn đề như lỏng bulong, hỏng cách điện, và các sự cố cơ khí khác. Việc phân tích tần số cũng giúp xác định các nguồn gốc gây ra rung động, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời. Kết quả phân tích tần số sẽ được sử dụng làm dữ liệu đầu vào cho mạng nơron MLP, nhằm nâng cao độ chính xác trong việc chẩn đoán sự cố.

III. Xây dựng mô hình trong phần mềm ANSYS cho MBA phân phối

Chương này trình bày quy trình xây dựng mô hình MBA trong phần mềm ANSYS. Mô hình MBA 22/0.4kV được thiết kế để mô phỏng các trạng thái làm việc bình thường và các trường hợp sự cố. Công nghệ chẩn đoán hiện đại cho phép mô phỏng các kịch bản khác nhau, từ đó thu thập dữ liệu tín hiệu điện và rung động. Việc mô phỏng này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về hoạt động của MBA mà còn cung cấp dữ liệu cần thiết cho quá trình huấn luyện mạng nơron MLP. Các mô hình được xây dựng sẽ được kiểm tra và xác nhận thông qua các thử nghiệm thực tế, nhằm đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của giải pháp chẩn đoán.

3.1 Mô hình hóa MBA trong ANSYS

Mô hình hóa MBA trong ANSYS bao gồm việc thiết lập các thông số kỹ thuật và điều kiện biên phù hợp. Phần mềm ANSYS cho phép mô phỏng các hiện tượng vật lý phức tạp, từ đó tạo ra các tín hiệu điện và rung động trong các trạng thái làm việc khác nhau. Việc xây dựng mô hình chính xác là rất quan trọng để đảm bảo rằng các kết quả thu được phản ánh đúng thực tế. Các mô hình sẽ được sử dụng để phân tích và nhận dạng các dạng sự cố, từ đó đưa ra các giải pháp chẩn đoán hiệu quả. Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với dữ liệu thực tế để xác nhận tính chính xác của mô hình.

IV. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Chương này trình bày kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên MBA phân phối. Các tín hiệu điện và rung động được thu thập từ mô phỏng trong ANSYS và từ các thử nghiệm thực tế. Phân tích dữ liệu thu được cho thấy rằng mạng nơron MLP có khả năng nhận dạng các dạng sự cố với độ chính xác cao. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc sử dụng cảm biến gia tốc để đo độ rung là một phương pháp hiệu quả trong việc giám sát tình trạng của MBA. Các kết quả này không chỉ chứng minh tính khả thi của giải pháp chẩn đoán mà còn mở ra hướng đi mới cho việc áp dụng công nghệ thông minh trong lĩnh vực chẩn đoán sự cố.

4.1 Kết quả huấn luyện mạng MLP

Kết quả huấn luyện mạng MLP cho thấy rằng mạng đã học thành công với tất cả các mẫu dữ liệu. Độ chính xác đạt được là 100%, cho thấy khả năng nhận dạng sự cố của mạng nơron là rất cao. Việc sử dụng 15 đầu vào và số nơron ẩn từ 1 đến 5 đã giúp tối ưu hóa quá trình học. Kết quả này khẳng định rằng việc áp dụng công nghệ thông minh trong chẩn đoán sự cố MBA là khả thi và có thể mang lại hiệu quả cao trong thực tế.