Luận án tiến sĩ: Phương pháp hiện đại nhận dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện

• Người hướng dẫn: PGS.TSKH Trần Hoài Linh
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp hiện đại nhận dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về nhận dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện

Nhận dạng sự cố ngắn mạch là nhiệm vụ quan trọng trong vận hành hệ thống điện. Sự cố xảy ra gây mất ổn định, hư hỏng thiết bị và gián đoạn cung cấp điện. Các phương pháp truyền thống dựa trên đo lường từ một phía hoặc hai phía có nhiều hạn chế về độ chính xác. Phương pháp hiện đại sử dụng sóng lan truyền và trí tuệ nhân tạo đang được nghiên cứu rộng rãi. Luận án tiến sĩ tập trung phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp. Từ đó đề xuất giải pháp cải tiến phù hợp với điều kiện lưới điện Việt Nam. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.

1.1. Phương pháp định vị sự cố đo lường từ một phía

Phương pháp đo lường từ một phía sử dụng dữ liệu dòng điện và điện áp tại một đầu đường dây. Phương pháp điện kháng đơn tính khoảng cách dựa trên trở kháng đường dây. Phương pháp Takagi cải tiến cho kết quả chính xác hơn với điều kiện tải thay đổi. Các phương pháp này đơn giản, dễ triển khai nhưng bị ảnh hưởng bởi điện trở lỗi và điều kiện vận hành phức tạp.

1.2. Phương pháp định vị sự cố đo lường từ hai đầu

Phương pháp đo lường từ hai đầu thu thập dữ liệu đồng thời tại cả hai trạm biến áp. Kỹ thuật này loại bỏ ảnh hưởng của điện trở lỗi và tải. Phương pháp sử dụng mạng nơron nhân tạo học các mẫu sự cố để nhận dạng. Phương pháp sóng lan truyền phân tích thời gian lan truyền từ điểm sự cố đến hai đầu. Độ chính xác cao hơn nhưng yêu cầu đồng bộ thời gian chính xác và đầu tư thiết bị nhiều hơn.

II. Phân tích vấn đề nhận dạng sự cố ngắn mạch hiện tại

Các phương pháp truyền thống gặp nhiều thách thức trong thực tế vận hành. Đo lường từ một phía bị sai số lớn khi điện trở lỗi thay đổi. Đo lường từ hai phía đòi hỏi đồng bộ thời gian GPS chính xác micro giây. Mạng nơron cần lượng dữ liệu huấn luyện lớn và khó thích ứng lưới điện thay đổi. Sóng lan truyền bị suy giảm và phản xạ phức tạp trên đường dây dài. Đường dây có nhánh rẽ tạo thêm điểm phản xạ gây nhiễu tín hiệu. Điều kiện thời tiết, tải thay đổi và cấu hình lưới phức tạp ảnh hưởng lớn đến độ chính xác. Cần giải pháp mới khắc phục các hạn chế trên.

2.1. Hạn chế của phương pháp sóng lan truyền truyền thống

Phương pháp sóng lan truyền truyền thống dựa trên sóng phát sinh từ điểm sự cố. Tín hiệu sóng suy giảm nhanh trên đường dây dài trên 200 km. Các điểm phản xạ tại trạm biến áp và nhánh rẽ tạo tín hiệu nhiễu. Việc xác định thời gian đến của sóng chính gặp khó khăn do méo sóng. Độ phân giải thời gian thiết bị thu thập ảnh hưởng trực tiếp đến sai số định vị.

2.2. Thách thức áp dụng mạng nơron trong nhận dạng sự cố

Mạng nơron nhân tạo yêu cầu dữ liệu huấn luyện phong phú từ nhiều kịch bản sự cố. Mô hình huấn luyện trên lưới điện này chưa chắc phù hợp lưới điện khác. Thời gian tính toán và khả năng thích ứng thời gian thực còn hạn chế. Kết quả phụ thuộc vào chất lượng dữ liệu đầu vào và kiến trúc mạng. Việc giải thích lý do ra quyết định của mạng nơron còn khó khăn với vận hành viên.

III. Các phương pháp hiện đại đề xuất trong luận án tiến sĩ

Luận án đề xuất phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động cho đường dây không có nhánh rẽ. Phương pháp phát xung tín hiệu từ đầu đường dây rồi phân tích sóng phản xạ từ điểm sự cố. Sử dụng tín hiệu hình chirp để tăng độ chính xác xác định thời gian phản xạ. Đường dây có nhiều nhánh rẽ được xử lý bằng thuật toán phân tích đa phản xạ. Mô hình mô phỏng sử dụng Simulink với đường dây thông số rải phân tán. Các dạng ngắn mạch một pha, hai pha, hai pha chạm đất và ba pha được kiểm nghiệm. Kết quả mô phỏng cho thấy sai số định vị dưới 1 phần trăm chiều dài đường dây.

3.1. Phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động

Phương pháp chủ động phát xung điện áp một chiều hoặc tín hiệu chirp vào đầu đường dây. Sóng lan truyền gặp điểm sự cố sẽ phản xạ về đầu đường dây. Bằng cách phân tích thời gian giữa xung phát và sóng phản xạ, vị trí sự cố được tính toán. Tín hiệu chirp cho phép lọc nhiễu tốt hơn nhờ tính tương quan cao. Phương pháp áp dụng được cho cả đường dây không có nhánh rẽ và có nhánh rẽ.

3.2. Mô phỏng và kiểm nghiệm kết quả

Mô hình đường dây thông số rải phân tán được xây dựng trong Simulink. Tham số đường dây tính theo mô hình kinh điển đã được thực nghiệm kiểm chứng. Khối phát xung tín hiệu một chiều và chirp được thiết kế để thử nghiệm. Các kịch bản ngắn mạch tại nhiều vị trí khác nhau trên đường dây được mô phỏng. Kết quả cho thấy phương pháp đạt sai số nhỏ, phù hợp ứng dụng thực tế trong hệ thống bảo vệ.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu nhận dạng sự cố

Luận án hoàn thành mục tiêu nghiên cứu phương pháp hiện đại nhận dạng sự cố ngắn mạch. Phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động cho kết quả chính xác và tin cậy. Kỹ thuật sử dụng tín hiệu chirp cải thiện khả năng chống nhiễu đáng kể. Nghiên cứu đóng góp cơ sở khoa học cho phát triển hệ thống bảo vệ đường dây truyền tải. Kết quả có thể áp dụng cho lưới điện cao thế Việt Nam và các nước đang phát triển. Công trình được công bố trên tạp chí khoa học chuyên ngành uy tín. Hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào ứng dụng trí tuệ nhân tạo kết hợp sóng lan truyền.

4.1. Đóng góp khoa học của luận án tiến sĩ

Luận án đóng góp mô hình toán học mô tả quá trình lan truyền sóng trên đường dây có nhánh rẽ. Phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động là cải tiến mới so với phương pháp truyền thống. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở lý luận cho thiết bị bảo vệ thế hệ mới. Các công bố khoa học từ luận án được hội đồng đánh giá cao về tính sáng tạo.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong hệ thống điện Việt Nam

Kết quả nghiên cứu áp dụng được cho lưới truyền tải điện quốc gia do Tổng công ty Truyền tải điện quản lý. Phương pháp hỗ trợ vận hành viên xác định nhanh vị trí sự cố để xử lý kịp thời. Thiết bị dựa trên nguyên lý đề xuất có chi phí thấp, phù hợp điều kiện trong nước. Nghiên cứu mở đường cho hợp tác giữa trường đại học và doanh nghiệp điện lực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận án “Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp hiện đại nhận dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện” là công trình nghiên cứu của riêng tôi được hoàn thành dưới sự chỉ bảo tận tình của tập thể thầy giáo hướng dẫn khoa học. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, một phần được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của các đồng tác giả, phần còn lại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày . năm 2019 Nghiên cứu sinh ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ các thầy giáo, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy PGS.TSKH Trần Hoài Linh Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, thầy TS. Đỗ Trung Hải Trường đại học Kỹ thuật Công Nghiệp và Hội đồng Khoa học của – Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên và các đồng nghiệp ở trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp và gia đình đã có những ý kiến đóng góp quí báu và tạo các điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, Phòng Đào tạo - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Công ty lưới điện cao thế Miền Bắc, Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia - Tập đoàn ĐLVN đã tạo nhiều điều kiện tốt nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN . ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU . vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU . viii MỞ ĐẦU .Tính cấp thiết của đề tài. Mục đích nghiên cứu . Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Những đóng góp của luận án . Cấu trúc của luận án . 4 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN . Giới thiệu chung . Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây tải điện . Phương pháp đo lường từ một phía . Phương pháp điện kháng đơn . Phương pháp Takagi . Phương pháp Takagi cải tiến . Phương pháp đo lường từ hai đầu . Phương pháp sử dụng mạng nơron. Phương pháp sóng lan truyền. Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ điểm sự cố . Phương pháp sóng lan truyền từ đầu đường dây . Kết luận chương 1 . 19 Chương 2: CÁC GIẢI PHÁP CỦA LUẬN ÁN TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN SÓNG LAN TRUYỀN . Mô hình toán học sóng lan truyền trên đường dây. Mô hình đường dây truyền tải điện . Nguyên lý lan truyền sóng trên đường dây . Sóng điện từ trên đường dây tải điện không sự cố . Sóng điện từ trên đường dây tải điện khi có điểm sự cố: .5 Trường hợp tổng quát: . Các giải pháp đề xuất trong luận án . Sơ đồ khối ước lượng vị trí sự cố. Phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động đối với đường dây không có nhánh rẽ. Phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động đối với đường dây có nhiều nhánh rẽ.3 Phương pháp mô phỏng kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu trên cơ sở sử dụng công cụ Matlab/Simulink . Kết luận chương 2 . 40 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP TDR XÁC ĐỊNH SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY . Mô tả phương pháp .2 Wavelet và ứng dụng wavelet để phân tích sóng phản xạ .3 Mạng nơron mờ và ứng dụng để hiệu chỉnh thời điểm sóng phản xạ .1 Quy tắc suy luận mạng TSK .2 Mô hình mạng nơron mờ TSK .3 Thuật toán học của mạng nơron mờ TSK .4 Khởi tạo mạng nơron cho quá trình học:.5 Thuật phân cụm trừ mờ .6 Mạng TSK để hiệu chỉnh thời điểm sóng phản xạ .4 Kết quả mô phỏng và tính toán khi sử dụng phương pháp TDR .1 Mô hình mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài sử dụng công cụ Matlab/Simulink 67 3. Kết quả mô phỏng sóng lan truyền từ Matlab- Simulink .3 Kết quả ước lượng khi sử dụng phân tích wavelet .3 Kết quả hiệu chỉnh sai số vị trí sự cố bằng mạng nơron TSK :. Thử nghiệm thiết kế và chế tạo thiết bị TDR sử dụng FPGA.1 Công nghệ FPGA và ứng dụng trong mạch tốc độ cao . Sơ đồ nguyên lý của mạch thu phát TDR sử dụng FPGA . Kết quả thực nghiệm . Kết luận Chương 3 . 87 Chương 4: PHƯƠNG PHÁP TFDR ĐỂ XÁC ĐỊNH SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY CÓ NHÁNH RẼ.1 Mô tả phương pháp TFDR.3 Hệ số tương quan .4 Sử dụng hàm tương quan để xác định vị trí sự cố:.1 Sử dụng hàm tương quan để xác định vị trí sự cố trên đường dây không có nhánh rẽ: .2 Xác định vị trí sự cố trong đường dây có nhánh rẽ . Một số kết quả mô phỏng khi sử dụng phương pháp TFDR .5 Kết luận chương 4 . 113 Kết luận và hướng phát triển . 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 115 Phụ lục 1: Thông số cài đặt trong mô hình Matlab-Simulink . 124 Phụ lục 2: Chương trình phân tích sóng phản xạ TDR . 126 Phụ lục 3: Chương trình phân tích sóng phản xạ TFDR . 127 Phụ lục 4: Chương trình thử nghiệm nhận dạng sự cố sử dụng chip FPGA. 129 Phụ lục 5: Sơ đồ mạch FPGA . 134 Phụ lục 6: Chương trình tính hàm mật độ: . 135 Phụ lục 7: Chương trình thuật toán SubtractiveClustering. 136 Phụ lục 8: Chương trình huấn luyện mạng TSK. 136 Phụ lục 9: Chương trình kiểm tra mạng TSK đã huấn luyện . 140 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý Nghĩa Nghĩa tiếng Việt TDR Time Domain Reflectometry Phản xạ trong miền thời gian TFDR TFDR - Time Frequency Phản xạ trong miền thời gian Domain Reflectometry và tần số ANNs Artificial Neural Networks Mạng noron nhân tạo ATP Alternative Transient Program Phần mềm mô phỏng ATP FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh MATLAB Matrix Laboratory Chương trình Matlab FT Fourier Transform Biến đổi phổ Fourier FPGA Field-Programmable Gate Mảng cổng lập trình được dạng Array trường. I/O Input/ Output Cổng vào/ ra ISE Interative Softwave Phần mềm ISE Engineering ADC Analog-to-Digital Converter Bộ biến đổi tương tự số DAC Digital to Analog Converter Bộ biến đổi số tương tự VHDL Very High Speed integrated Ngôn ngữ lập trình dùng để circuit hardware Description diễn tả phần cứng tích hợp tốc Language. vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Ghi chú I A Dòng điện phức U V Điện áp phức Z Ω Tổng trở R Ω/km Điện trở riêng L H/km Điện cảm riêng C F/km Điện dung riêng ZC Ω/km Tổng trở sóng riêng f Hz Tần số sóng G Km/Ω Điện dẫn v Km/s Vận tốc truyền sóng  Nep/km Hệ số tắt dần ở mục 2.2  Rad/km Hệ số pha ở mục 2.2  Hệ số khúc xạ  Hệ số phản xạ viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1: Tổng hợp sự cố ở đường dây truyền tải điện 110kV của Công Ty Lưới điện Cao thế miền Bắc - chi nhánh Thái Nguyên năm 2013 và 2012 . 2: Kết quả thử nghiệm phương pháp sóng phản xạ từ điểm sự cố của Nippon trên đường dây 220kV Thái Nguyên - Hà Giang theo [14].1: Vận tốc truyền sóng trên đường dây truyền tải điện . 2: Kết quả tính toán xác định vị trí sự cố ba pha . 3: Kết quả tính toán xác định vị trí sự cố ba pha chạm đất tại lfault=20 km . 4: Kết quả tính toán xác định vị trí sự cố 1pha, 2 pha chạm đất và sự cố 2 pha ở l= 20, 30 km. 1: Bảng kết quả xác định vị trí sự cố áp dụng phương pháp hàm tương quan . 2: Kết quả xác định thời điểm sóng phản xạ từ đầu đường dây khi không có sự cố 111 Bảng 4. 3: Kết quả xác định vận tốc trên các phân đoạn của đường dây . 4: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 3 pha chạm đất . 5: Kết quả xác định vị trí sự cố ngắn mạch 1 pha chạm đất . 6: Kết quả khảo sát vị trí sự cố với điện trở khác nhau . 112 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ minh họa sự cố trên đường dây có 2 nguồn cấp .2: Sơ đồ thay thế minh họa sự cố trên đường dây có 2 nguồn cấp .3: Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp .4: Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố .5: Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây . 1: Mô hình đường dây truyền tải hình  một pha. 2: Mô hình một phân đoạn đường dây truyền tải hình  ba pha . 3: Sơ đồ thay thế đường dây có thông số rải. 4: Sơ đồ thay thế mạng 2 cửa của đường dây truyền tải 1 pha . 5: Sơ đồ thay thế của đường dây truyền tải ba pha .6: Mô hình Petersen tương đương để giải bài toán truyền sóng .7: Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải thuần trở .8: Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải R nối tiếp L .9: Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải thuần R song song L .10: Mô hình Petersen tương đương của mạch R song song C .11: Mô hình Petersen tương đương của mạch R nối tiếp C .12: Sơ đồ khối tổng quan phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện. 13: Sơ đồ khối xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện . 14: Sơ đồ mô phỏng một số vị trí sự cố trên các nhánh rẽ . 15:Mô hình mô phỏng quá trình truyền sóng trên đường dây truyền tải điện . 16: Sơ đồ khối mô phỏng các dạng ngắn mạch, nguồn phát xung 1 chiều, nguồn phát tín hiệu hình chirp . 17: Mô hình khối thiết bị đo tín hiệu phản xạ từ điểm sự cố và cuối đường dây. 1: Nguyên lý làm việc của Time Domain Reflectometer .2: Một số wavelet kinh điển .3: Cấu trúc các bước liên tiếp phân tích một tín hiệu ban đầu thành các thành phần chi tiết và xấp xỉ .4: Tín hiệu gốc hàm y(t) .5: Phân tích phổ wavelet Daubechies của tín hiệu y(t) .6: Tín hiệu gốc hàm y1(t) .7: Phân tích phổ wavelet Daubechies của tín hiệu y1(t) .