Nghiên Cứu Phương Pháp Xác Định Vị Trí Sự Cố Trên Đường Dây Tải Điện Sử Dụng Mạng Nơron MLP

Luận án tiến sĩ kỹ thuật phân tích nghiên cứu phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện dựa trên mạng nơron mlp, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm,

• Tác giả: Trương Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: PGS.TSKH Trần Hoài Linh
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện dựa trên mạng nơron MLP
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN
• 1.1. Ý nghĩa của bài toán xác định vị trí sự cố
• 1.2. Một số phƣơng pháp xác định vị trí sự cố
• 1.3. Phƣơng pháp tính toán dựa trên trở kháng
• 1.4. Phƣơng pháp sử dụng sóng lan truyền
• 1.5. Phƣơng pháp sử dụng mạng nơron nhân tạo
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT TRONG LUẬN ÁN
• 2.1. Sơ đồ khối tổng thể ƣớc lƣợng vị trí sự cố
• 2.2. Mạng nơron MLP và ứng dụng ƣớc lƣợng vị trí sự cố
• 2.3. Mạng nơron MLP hoạt động độc lập ƣớc lƣợng vị trí sự cố
• 2.4. Mạng nơron MLP phối hợp song song với một thuật toán tổng trở (thuật toán mô phỏng trên máy tính hoặc thuật toán tích hợp trong rơle khoảng cách thực tế)
• 2.5. Phần mềm ATP/EMTP và ứng dụng để tạo mẫu số liệu
• 2.6. Hợp bộ thí nghiệm CMC-356 thử nghiệm kết quả tác động của rơle khoảng cách thực tế
• 2.7. Mạng nơron MLP và ứng dụng để xác định dạng sự cố và ƣớc lƣợng điện trở sự cố
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC CÔNG CỤ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
• 3.1. Phần mềm mô phỏng ATP/EMTP
• 3.2. Hợp bộ thí nghiệm thứ cấp 3 pha CMC 356 - OMICRON
• 3.3. Wavelet và ứng dụng trong phân tích tín hiệu
• 3.4. Phân tích phổ của tín hiệu sử dụng biến đổi Fourrier
• 3.5. Phân tích phổ bằng wavelet (sóng nhỏ)
• 3.6. Thuật toán phân tích tín hiệu bằng wavelet
• 3.7. Mạng nơron nhân tạo và ứng dụng xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây tải điện
• 3.8. Mô hình nơron nhân tạo của McCulloch - Pitts
• 3.9. Cơ sở toán học của mô hình
• 3.10. Nơron với hàm truyền đạt tansig
• 3.11. Các quá trình học và kiểm tra của nơron
• 3.12. Thuật toán học có hƣớng dẫn của nơron
• 3.13. Cấu trúc mạng MLP
• 3.14. Quá trình học của mạng MLP
• 3.15. Một số đặc điểm chung của quá trình học
• 3.16. Thuật toán bƣớc giảm cực đại cho mạng MLP
• 3.17. Thuật toán Levenberg – Marquardt
• 3.18. Lựa chọn số nơron lớp ẩn để tránh mạng học quá khớp (overfitting) và mạng học không đủ (underfitting)
• 4. CHƯƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN
• 4.1. ATP/EMTP mô phỏng ngắn mạch trên đƣờng dây
• 4.2. Mô hình đƣờng dây mô phỏng trong luận án
• 4.3. Kịch bản mô phỏng trong ATP/EMTP
• 4.4. Một số dạng ngắn mạch đƣợc mô phỏng trong ATP/EMTP
• 4.5. Ngắn mạch 1 pha (AG0)
• 4.6. Ngắn mạch 2 pha (AB0)
• 4.7. Ngắn mạch 2 pha chạm đất (ABG)
• 4.8. Ngắn mạch 3 pha (ABC)
• 4.9. Kết quả xác định thời điểm xuất hiện sự cố
• 4.10. Kết quả ƣớc lƣợng vị trí sự cố, điện trở sự cố và dạng sự cố
• 4.11. Trích xuất số liệu và các thông tin đặc trƣng
• 4.12. Đánh giá, lựa chọn các đầu vào cho mạng MLP
• 4.13. Mạng nơron MLP ƣớc lƣợng vị trí sự cố, dạng sự cố và điện trở sự cố
• 4.14. Mạng nơron MLP ƣớc lƣợng trực tiếp vị trí sự cố
• 4.15. Mạng nơron MLP phối hợp với thuật toán tổng trở để ƣớc lƣợng vị trí sự cố
• 4.16. Mạng nơron MLP phối hợp với rơle tổng trở thực tế để ƣớc lƣợng vị trí sự cố
• 4.17. Mạng nơron MLP xác định dạng sự cố và điện trở sự cố
• KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

Tóm tắt

I. Giới thiệu về phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện

Xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện là một bài toán quan trọng trong hệ thống điện, giúp giảm thiểu thời gian khắc phục sự cố và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Luận án tập trung vào việc sử dụng mạng nơron MLP để cải thiện độ chính xác trong việc xác định vị trí sự cố. Phương pháp này kết hợp giữa phân tích tín hiệu và mô hình hóa phi tuyến, mang lại hiệu quả cao trong thực tế.

1.1. Tầm quan trọng của việc xác định vị trí sự cố

Việc xác định vị trí sự cố nhanh chóng và chính xác giúp giảm thiểu thiệt hại kinh tế và đảm bảo sự ổn định của hệ thống điện. Các phương pháp truyền thống như sử dụng rơle khoảng cách thường có sai số từ 1-5%, đòi hỏi các giải pháp tiên tiến hơn như mạng nơron MLP để cải thiện độ chính xác.

1.2. Các phương pháp hiện có

Các phương pháp hiện tại bao gồm phương pháp tính toán dựa trên trở kháng, sử dụng sóng lan truyền, và mạng nơron nhân tạo. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, nhưng mạng nơron MLP được đánh giá cao nhờ khả năng xử lý phi tuyến và độ chính xác cao.

II. Phương pháp đề xuất sử dụng mạng nơron MLP

Luận án đề xuất một phương pháp mới sử dụng mạng nơron MLP để xác định vị trí sự cố, ước lượng điện trở sự cố, và phân loại sự cố. Phương pháp này dựa trên việc phân tích tín hiệu dòng điện và điện áp đo được ở đầu đường dây, kết hợp với các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến.

2.1. Quy trình xử lý tín hiệu

Quy trình bao gồm ba bước chính: phát hiện thời điểm sự cố, tính toán các đặc trưng tín hiệu, và ước lượng vị trí sự cố bằng mạng nơron MLP. Phép phân tích wavelet được sử dụng để phát hiện các thay đổi đột ngột trong tín hiệu.

2.2. Ưu điểm của mạng nơron MLP

Mạng nơron MLP có khả năng xấp xỉ các hàm phi tuyến phức tạp, giúp cải thiện độ chính xác trong việc ước lượng vị trí sự cố. Ngoài ra, mạng này có thể được huấn luyện để xử lý nhiều loại sự cố khác nhau, từ ngắn mạch đến chạm đất.

III. Kết quả mô phỏng và đánh giá

Các kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp sử dụng mạng nơron MLP đạt độ chính xác cao trong việc xác định vị trí sự cố và phân loại sự cố. Sai số ước lượng vị trí sự cố được giảm đáng kể so với các phương pháp truyền thống.

3.1. Kết quả mô phỏng

Các kịch bản mô phỏng bao gồm ngắn mạch 1 pha, ngắn mạch 2 pha, và ngắn mạch 3 pha được thực hiện trên phần mềm ATP/EMTP. Kết quả cho thấy mạng nơron MLP ước lượng vị trí sự cố với sai số dưới 1%.

3.2. Đánh giá hiệu quả

Phương pháp đề xuất không chỉ cải thiện độ chính xác mà còn giảm thời gian xử lý sự cố, mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao. Các kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng của mạng nơron MLP trong thực tế.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Luận án đã chứng minh hiệu quả của việc sử dụng mạng nơron MLP trong xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện. Phương pháp này có thể được mở rộng để áp dụng cho các hệ thống điện phức tạp hơn, đồng thời tích hợp với các công nghệ học máy và trí tuệ nhân tạo để nâng cao hiệu quả.

4.1. Kết luận

Phương pháp đề xuất mang lại độ chính xác cao và khả năng ứng dụng thực tế, giúp cải thiện hiệu quả vận hành hệ thống điện. Mạng nơron MLP là một công cụ mạnh mẽ trong việc xác định vị trí sự cố và phân loại sự cố.

4.2. Hướng phát triển

Trong tương lai, nghiên cứu có thể tập trung vào việc tích hợp mạng nơron MLP với các hệ thống giám sát đường dây tải điện thời gian thực, đồng thời tối ưu hóa các thuật toán để xử lý các loại sự cố phức tạp hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện tính toán cài đặt và chỉnh định rơle cũng nhƣ do việc đã loại bỏ các thành phần tín hiệu biến thiên nhanh dẫn tới mất đi một phần thông tin trong tín hiệu., từ đó dẫn đến việc xác định vị trí sự cố của rơle khoảng cách chƣa đƣợc chính xác. a) Phƣơng pháp điện kháng đơn [77, 92] Các giá trị điện áp, dòng điện đo lƣờng đƣợc ở đầu đƣờng dây sẽ đƣợc sử dụng để tính toán trở kháng của đƣờng dây đến vị trí điểm sự cố lsù cè và đƣợc biểu diễn theo phƣơng trình (1. Khi trở kháng của đƣờng dây trên mỗi đơn vị chiều dài đã đƣợc xác định, khoảng cách sự cố có thể đƣợc tính toán theo các phƣơng trình (1.1) Trong đó: · UA: Điện áp tại đầu nguồn A. · ZL: Tổng trở của đƣờng dây.

· IA: Dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A. · lsù cè : khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A. · Uf: Điện áp sự cố.2) trong đó: If là dòng điện sự cố và Rf là điện trở sự cố đƣợc minh họa trong hình 1. ZA IA ZB ~ ~ Nguồn A lsuco.Z Nguồn B Đo lƣờng If Rf điện áp và dòng điện Hình 1.1: Sơ đồ minh họa sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng phương pháp điện kháng đơn Từ công thức (1.2) khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A đƣợc xác định theo biểu thức (1.3): - 9 - Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện æUA ö çI ÷ Rf lsù cè = è A ø - (1.3) ZL æI ö ZL ç A ÷ çIf ÷ è ø b) Phƣơng pháp TAKAGI [77, 80,92] Phƣơng pháp Takagi cần cả các tín hiệu trƣớc khi xuất hiện sự cố và sau khi xuất hiện sự cố.

Phƣơng pháp này cũng nâng cao đƣợc độ chính xác hơn so với phƣơng pháp điện kháng đơn nhƣ giảm bớt ảnh hƣởng của điện trở sự cố và làm giảm ảnh hƣởng của dòng tải. Sơ đồ minh họa nhƣ hình 1. lsuco ZA IA .Z Nguồn A UA Nguồn B Định vị U ²A sự cố If Rf U f Hình 1.2: Minh họa phương pháp TAKAGI trên mạch điện một pha hai nguồn Điện trở sự cố đƣợc tính toán theo biểu thức (1.4): U A - ZC × I A × tanh lsuco Rf = æ U ¢¢A ö (1.4) ç tanh lsuco - I ¢¢A ÷ × × j è ZC ø trong đó: · UA: Điện áp tại đo lƣờng đầu nguồn A. · ZL: Tổng trở của đƣờng dây.

· IA: Dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A. · ZC: Tổng trở đặc tính. · g: Hệ số lan truyền. · I”A: Dòng điện xếp chồng, là sự chênh lệch giữa dòng điện sự cố và dòng điện trƣớc sự cố.

Khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A đƣợc xác định theo biểu thức (1.5): - 10 - Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện Im(U A × I A¢¢* ) lsù cè = (1.5) Im( Z L × I A × I A¢¢* ) trong đó: Z L = × ZC (1.6) c) Phƣơng pháp TAKAGI cải tiến [77,80,92] Phƣơng pháp Takagi cải tiến này cũng còn đƣợc gọi là phƣơng pháp dòng điện thứ tự không. Phƣơng pháp này không yêu cầu dữ liệu trƣớc sự cố vì nó sử dụng dòng điện thứ tự không thay vì xếp chồng dòng điện của sự cố chạm đất [32]. Vị trí sự cố trong phƣơng pháp này đƣợc tính toán trong phƣơng trình (1.7): Im(U A × I R* × e - j ) lsù cè = (1.7) Im( Z1L × I A × I R* × e - j ) trong đó: · IR: Dòng điện thứ tự không, I R* - liên hợp phức của ảnh dòng điện thứ tự không. · b: Góc dòng điện thứ tự không.

· Z1L: Tổng trở thứ tự thuận của đƣờng dây. · UA: Điện áp tại đo lƣờng đầu nguồn A. · IA: Dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A. · lsù cè : khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A.

Phƣơng pháp điện kháng đơn có ƣu điểm nổi bật là đơn giản, dễ lắp đặt, không cần phải đồng bộ giữa các thiết bị,. tuy nhiên có nhƣợc điểm là dễ bị ảnh hƣởng lớn bởi các nguồn nhiễu nhƣ sự bất đối xứng của đƣờng dây (ví dụ do không hoán vị dây dẫn), ảnh hƣởng của thành phần thứ tự không hay của hỗ cảm giữa các đƣờng dây,. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp Takagi là ta cần phải biết chính xác đƣợc các thông số của dòng điện pha sự cố ngay trƣớc thời điểm xuất hiện sự cố. Các sai lệch trong các thông số này sẽ tạo thành sai số lớn trong việc ƣớc lƣợng vị trí sự cố.

Còn trong phƣơng pháp Takagi cải tiến ta không cần dùng giá trị của dòng điện trƣớc sự cố nhƣng lại phải xác định đƣợc góc pha của dòng điện thứ tự 0. Đây cũng là một nguồn sai số lớn của phƣơng pháp. Phƣơng pháp sử dụng sóng lan truyền [77] Phƣơng pháp truyền sóng dựa trên nguyên tắc thành phần sóng phản xạ khi gặp điểm sự cố (hoặc điểm cuối) của đƣờng dây dài. Thông tin thu thập ở đây có thể là thời điểm - 11 - Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện sóng phản xạ lần thứ nhất, thời gian sóng chạy tới cuối đƣờng dây.

Phƣơng pháp truyền và phản xạ sóng có ƣu điểm sử dụng cho mọi loại cáp và áp dụng tốt cho các hệ thống phân nhánh, không áp dụng đối với sự cố chập chờn. Ví dụ với đƣờng dây truyền tải một pha (giả thiết không tổn hao với các thành phần tần số cao lan truyền) với chiều dài l, vận tốc sóng lan truyền v, điện dung và điện cảm trên một đơn vị chiều dài C‟ và L‟ và tổng trở sóng Z C. Giả sử việc xuất hiện của một sự cố ở một khoảng cách lsự cố tính tới nguồn A, các giá trị điện áp và dòng điện đƣợc mô tả trong biểu thức (1. Sơ đồ nguyên lý xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây đƣợc minh họa trên hình 1.3: l lsựcố τA er ef τB A B Điểm sự cố Hình 1.3: Sơ đồ minh họa phương pháp sử dụng sóng lan truyền xác định vị trí sự cố ¶e ¶i = - L¢ × (1.9) ¶lsù cè ¶t Giải ra ta có: e(lsù cè , t ) = e f (lsù cè - t ) + er (lsù cè + t ) (1.11) ZC ZC Thời điểm sóng lan truyền tới hai đầu A và B là τA và τB đƣợc xác định bằng cách sử dụng công nghệ GPS (Global Positioning System), vị trí sự cố (lsự cố) đƣợc xác định theo phƣơng trình (1.12) 2 trong đó: · ef: Sóng điện áp thuận chạy trên đƣờng dây - 12 - Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện · er: Sóng điện áp ngƣợc chạy trên đƣờng dây · τA: thời điểm sóng tới đầu A.

· τB: thời điểm sóng tới đầu B. · l: chiều dài đoạn đƣờng dây. 1 · υ: tốc độ truyền sóng, =. L¢ × C ¢ Ngoài ra phƣơng pháp lan truyền sóng còn gặp khó khăn trong việc đồng bộ thời gian của các thiết bị trên hệ thống.

Một giải pháp thông dụng thƣờng đƣợc sử dụng để đồng bộ tín hiệu là tín hiệu GPS, nhƣng sai số thời gian của phƣơng pháp này ƣớc lƣợng khoảng 1 s tƣơng ứng với sai số về khoảng cách khoảng 150m. Độ chính xác đạt đƣợc tƣơng đối cao, sai số trong phạm vi một vài khoảng vƣợt, tùy thuộc vào thiết bị của từng hãng chế tạo. Nói chung các hãng đều đƣa ra sai số lý thuyết về xác định điểm sự cố không lớn hơn 500 m, nhƣng trên thực tế, độ chính xác còn phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện thực tế khi lắp đặt và vận hành, đặc biệt phụ thuộc nhiều vào độ tin cậy công nghệ của từng hãng. Tại Việt Nam, việc áp dụng công nghệ định vị sự cố theo phƣơng pháp truyền sóng cũng đã đƣợc triển khai đƣa vào thử nghiệm trên một số tuyến đƣờng dây truyền tải điện áp 220kV.

Đƣờng dây 200kV Thái Nguyên - Hà Giang với chiều dài 232,2km, sử dụng thiết bị Nippon của Nhật Bản. Sau khi đƣa vào thử nghiệm, một số kết quả đƣợc thống kê trong bảng 1. Thiết bị Nippon xác định vị trí sự cố trên đường dây 220 kV Thái Nguyên - Hà Giang Điểm sự cố Nguyên Sai số Lần Ngày Thời điểm Kết quả thực tế nhân sự cố (m) (%) 1 7/6/2012 03:21:31 No 50 No 48 Sét đánh 1.384 0,6 2 21/6/2012 13:33:08 No 365 No 363 Sét đánh 996 0,4 3 23/7/2012 14:45:55 No 287 No 282 Sét đánh 2.1 cho thấy việc xác định vị trí sự cố theo phƣơng pháp truyền sóng cho kết khá chính xác, tuy nhiên kết quả còn phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ của từng hãng, điều kiện áp dụng thực tế đối với từng đƣờng dây cụ thể. Theo bài báo [111] trình bày phƣơng pháp xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây có hai nguồn cung cấp dựa trên quá trình truyền sóng trên đƣờng dây sử dụng CWT khi xảy ra sự cố ngắn mạch.

Đƣờng dây mô phỏng có cấp điện áp 345kV, chiều dài 321,86km, khảo sát - 13 - Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện khi sự cố ngắn mạch ba pha tại vị trí 32,186km. Kết quả sau khi áp dụng phƣơng pháp , vị trí sự cố đƣợc xác định 36,997km, sai số là 1,5% (tƣơng ứng 4,812km). Ngoài ra, cũng trong nhóm các phƣơng pháp sử dụng sóng lan truyền còn có các giải pháp sử dụng không chỉ thời gian sóng lan truyền mà còn cả hình dạng của các sóng phản xạ để xác định vị trí và các thông số khác của sự cố. Đây là các phƣơng pháp TDR ( Time- Domain Reflectometer).

Định vị sự cố bằng sóng truyền là một công nghệ tiên tiến, kinh tế, đã đƣợc áp dụng trong ngành điện ở rất nhiều nƣớc trên thế giới. Công nghệ này đã đƣợc ứng dụng cho hệ thống lƣới điện trung áp và đặc biệt sử dụng cho tất cả các ngăn lộ của hệ thống lƣới điện truyền tải.