Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện Việt Nam với mạng lưới đường dây phân phối trải rộng khắp các vùng địa lý, đặc biệt là lưới trung áp 22kV, đang đối mặt với nhiều thách thức trong quản lý và vận hành an toàn, tin cậy. Theo báo cáo tổng kết vận hành, sự cố do sét chiếm khoảng 60-80% tổng số vụ sự cố, bên cạnh đó còn có các sự cố do đứt dây dẫn, tụt lèo, hỏng cách điện, cây cối, động vật hoang dã và tác động của con người. Những sự cố này không thể tránh khỏi và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cung cấp điện, gây thiệt hại kinh tế đáng kể, đặc biệt trong các ngành công nghiệp sản xuất.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển phương pháp định vị sự cố trên đường dây phân phối 22kV sử dụng phép biến đổi Wavelet rời rạc kết hợp với phép biến đổi Clarke, dựa trên tín hiệu sóng quá độ thu thập tại một đầu nguồn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình đường dây trung áp có nhánh rẽ tại huyện Long Hồ, tỉnh Vĩnh Long, trong khoảng thời gian nghiên cứu từ cuối năm 2023 đến giữa năm 2024. Việc xác định vị trí sự cố nhanh chóng và chính xác sẽ giúp giảm thiểu thời gian gián đoạn cung cấp điện, nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành hệ thống điện.

Phương pháp nghiên cứu sử dụng mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink để phân tích sóng lan truyền và sóng phản xạ trên đường dây, từ đó tính toán xác suất vị trí sự cố trên từng đoạn đường dây. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần nâng cao năng lực quản lý và vận hành lưới điện phân phối, đồng thời giảm chi phí vận hành và thiệt hại do mất điện gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Phép biến đổi Clarke: Chuyển đổi tín hiệu điện áp hoặc dòng điện từ hệ tọa độ ba pha (abc) sang hệ tọa độ (αβ0), giúp giảm khối lượng tính toán và phân tích đặc tính sự cố như pha chạm đất, pha chạm pha, hai pha chạm đất.

  • Phép biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform - DWT): Kỹ thuật phân tích tín hiệu đa phân giải, cho phép phân tích cục bộ tín hiệu trong miền thời gian và tần số, phát hiện các điểm thay đổi đột ngột trong tín hiệu sóng quá độ do sự cố tạo ra. DWT khắc phục nhược điểm của biến đổi Fourier truyền thống, đặc biệt phù hợp với tín hiệu có tính chất không ổn định và biến đổi nhanh như sóng sự cố trên đường dây điện.

  • Mô hình sóng lan truyền trên đường dây phân phối có nhánh rẽ: Phân tích sự lan truyền, phản xạ và khúc xạ của sóng quá độ trên đường dây trung áp 22kV có cấu trúc phức tạp với nhiều nhánh rẽ, ảnh hưởng đến việc xác định vị trí sự cố.

  • Phương trình Telegrapher: Mô tả đặc tính điện áp và dòng điện trên đường dây truyền tải, làm cơ sở cho việc tính toán khoảng cách sự cố dựa trên thời gian sóng tới và sóng phản xạ.

Các khái niệm chính bao gồm: sóng quá độ (transient wave), sóng tới (incident wave), sóng phản xạ (reflected wave), xác suất vị trí sự cố, và phân tích đa phân giải.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu tín hiệu điện áp và dòng điện thu thập tại đầu nguồn của tuyến đường dây phân phối 22kV trên địa bàn huyện Long Hồ, tỉnh Vĩnh Long. Dữ liệu mô phỏng được tạo ra bằng phần mềm MATLAB/Simulink dựa trên mô hình thực tế giản lược của tuyến đường dây có nhánh rẽ.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phép biến đổi Clarke để chuyển đổi hệ tọa độ tín hiệu, sau đó áp dụng biến đổi Wavelet rời rạc để phân tích tín hiệu sóng quá độ, phát hiện các điểm thay đổi đột ngột liên quan đến sự cố. Phân tích thời gian chênh lệch giữa sóng tới và sóng phản xạ để tính toán khoảng cách chênh lệch, từ đó xác định xác suất vị trí sự cố trên từng đoạn đường dây.

  • Timeline nghiên cứu: Nhiệm vụ nghiên cứu bắt đầu từ tháng 11/2023, hoàn thành mô hình và thu thập dữ liệu mô phỏng đến tháng 4/2024, phân tích và đánh giá kết quả đến tháng 6/2024.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng tuyến đường dây trung áp 22kV có nhánh rẽ với chiều dài và cấu trúc tương ứng thực tế tại huyện Long Hồ. Tín hiệu sự cố được mô phỏng với các loại ngắn mạch phổ biến (một pha chạm đất, hai pha chạm nhau, ba pha chạm đất). Phương pháp chọn mẫu tín hiệu dựa trên tần số lấy mẫu cao để đảm bảo thu nhận đầy đủ các sóng phản xạ.

  • Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Phương pháp biến đổi Wavelet rời rạc được chọn do khả năng phân tích đa phân giải, xử lý hiệu quả tín hiệu biến đổi nhanh và có nhiễu, phù hợp với đặc điểm sóng quá độ trên lưới phân phối có nhánh rẽ. Phép biến đổi Clarke giúp giảm khối lượng tính toán và phân loại sự cố chính xác hơn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định vị trí sự cố chính xác trên lưới trung áp 22kV có nhánh rẽ: Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp sử dụng biến đổi Wavelet rời rạc kết hợp biến đổi Clarke đạt độ chính xác cao trong việc xác định vị trí sự cố. Ví dụ, sai số khoảng cách định vị sự cố trên từng đoạn đường dây không vượt quá 5% chiều dài đoạn, tương đương với sai số dưới 50m trên đoạn dài 1km.

  2. Phân loại sự cố hiệu quả: Phân tích tín hiệu điện áp trong hệ tọa độ (αβ0) giúp phân biệt rõ ràng các loại sự cố như ngắn mạch một pha chạm đất, hai pha chạm nhau, và ba pha chạm đất. Tỷ lệ phân loại chính xác đạt trên 90% trong các trường hợp mô phỏng.

  3. Ảnh hưởng của sóng phản xạ và khúc xạ trên đường dây có nhánh rẽ: Sóng quá độ lan truyền trên đường dây có nhiều nhánh rẽ tạo ra nhiều sóng phản xạ và khúc xạ, gây nhiễu cho việc xác định vị trí sự cố. Tuy nhiên, phương pháp phân tích sóng lan truyền một đầu (single-ended) kết hợp với biến đổi Wavelet giúp tách lọc hiệu quả các thành phần sóng này, nâng cao độ tin cậy của kết quả định vị.

  4. Tính toán xác suất vị trí sự cố trên từng đoạn đường dây: Sử dụng ma trận so sánh khoảng cách chênh lệch giữa sóng tới và sóng phản xạ với các đoạn đường dây, phương pháp tính xác suất sự cố trên từng đoạn giúp xác định đoạn có khả năng xảy ra sự cố cao nhất. Kết quả mô phỏng cho thấy xác suất sự cố trên đoạn chứa sự cố thực tế đạt trên 85%, trong khi các đoạn khác có xác suất thấp hơn 15%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp phương pháp đạt được kết quả chính xác là do khả năng phân tích đa phân giải của biến đổi Wavelet, cho phép phát hiện các điểm thay đổi đột ngột trong tín hiệu sóng quá độ, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và sóng phản xạ phức tạp trên đường dây có nhánh rẽ. Việc sử dụng phép biến đổi Clarke giúp chuyển đổi tín hiệu sang hệ tọa độ thuận tiện cho việc phân loại sự cố.

So sánh với các nghiên cứu trước đây chủ yếu áp dụng trên lưới truyền tải hoặc đường dây không nhánh rẽ, phương pháp này mở rộng hiệu quả cho lưới phân phối trung áp có cấu trúc phức tạp hơn. Kết quả mô phỏng phù hợp với thực tế vận hành tại huyện Long Hồ, cho thấy tính khả thi và ứng dụng thực tiễn cao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thời gian sóng tới và sóng phản xạ, bảng so sánh khoảng cách chênh lệch và xác suất sự cố trên từng đoạn đường dây, giúp trực quan hóa quá trình phân tích và đánh giá kết quả.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống đo lường sóng quá độ tại đầu nguồn các tuyến đường dây phân phối 22kV: Lắp đặt thiết bị thu tín hiệu điện áp và dòng điện với tần số lấy mẫu cao để thu thập dữ liệu sóng quá độ phục vụ phân tích định vị sự cố. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: Công ty Điện lực địa phương phối hợp với các đơn vị nghiên cứu.

  2. Phát triển phần mềm phân tích tín hiệu dựa trên biến đổi Wavelet và Clarke: Xây dựng công cụ xử lý tín hiệu tự động, tích hợp vào hệ thống SCADA để hỗ trợ vận hành và xử lý sự cố nhanh chóng. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ điện lực.

  3. Đào tạo nhân lực vận hành và phân tích dữ liệu sự cố: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật xử lý tín hiệu và phân tích sóng quá độ cho kỹ sư vận hành lưới điện. Thời gian thực hiện: liên tục hàng năm. Chủ thể thực hiện: Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM và các công ty điện lực.

  4. Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng cho các lưới điện phân phối có cấu trúc phức tạp hơn: Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải, cáp ngầm, tụ bù và các nhánh rẽ một pha đến sóng quá độ để hoàn thiện phương pháp định vị sự cố. Thời gian thực hiện: 2-3 năm. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và quản lý lưới điện phân phối: Nắm bắt phương pháp định vị sự cố hiện đại, nâng cao hiệu quả xử lý sự cố, giảm thời gian mất điện và chi phí vận hành.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo mô hình, phương pháp phân tích tín hiệu và ứng dụng biến đổi Wavelet trong xử lý sự cố điện, phục vụ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

  3. Các công ty điện lực và đơn vị cung cấp thiết bị đo lường: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm, giải pháp công nghệ mới hỗ trợ quản lý lưới điện thông minh.

  4. Cơ quan quản lý ngành điện và các tổ chức đào tạo: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để xây dựng chính sách, chương trình đào tạo nâng cao năng lực vận hành và bảo trì hệ thống điện phân phối.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp biến đổi Wavelet có ưu điểm gì so với biến đổi Fourier trong định vị sự cố?
    Biến đổi Wavelet cho phép phân tích tín hiệu đa phân giải, giữ được thông tin thời gian và tần số, giúp phát hiện các điểm thay đổi đột ngột trong tín hiệu sóng quá độ. Trong khi đó, biến đổi Fourier mất thông tin thời gian, không phù hợp với tín hiệu biến đổi nhanh như sóng sự cố.

  2. Tại sao chỉ sử dụng phép đo một đầu (single-ended) trong nghiên cứu này?
    Phép đo một đầu đơn giản hơn, không cần đồng bộ thời gian giữa các thiết bị ở hai đầu đường dây, giảm chi phí và phức tạp trong triển khai. Phương pháp này vẫn đảm bảo độ chính xác cao nhờ phân tích sóng phản xạ và sóng tới.

  3. Phương pháp này có áp dụng được cho lưới điện có nhiều nhánh rẽ không?
    Có, nghiên cứu đã mô phỏng và phân tích trên tuyến đường dây trung áp 22kV có nhánh rẽ thực tế, cho thấy phương pháp xử lý sóng lan truyền và phản xạ hiệu quả trong môi trường phức tạp này.

  4. Ảnh hưởng của tần số lấy mẫu đến kết quả định vị sự cố như thế nào?
    Tần số lấy mẫu cao giúp thu nhận đầy đủ các sóng phản xạ, tăng độ chính xác trong phân tích và định vị sự cố. Tuy nhiên, tần số quá cao sẽ làm tăng khối lượng tính toán và chi phí thiết bị.

  5. Phương pháp này có thể áp dụng trong thực tế như thế nào?
    Có thể lắp đặt thiết bị đo tín hiệu điện áp và dòng điện tại đầu nguồn các tuyến đường dây phân phối, kết hợp phần mềm phân tích tín hiệu để hỗ trợ vận hành, phát hiện và định vị sự cố nhanh chóng, giảm thiểu thời gian mất điện.

Kết luận

  • Phương pháp sử dụng biến đổi Wavelet rời rạc kết hợp biến đổi Clarke cho phép phân tích tín hiệu sóng quá độ hiệu quả, định vị sự cố trên đường dây phân phối 22kV có nhánh rẽ với độ chính xác cao.
  • Mô hình mô phỏng trên tuyến đường dây trung áp tại huyện Long Hồ cho kết quả phù hợp với thực tế, hỗ trợ phân loại và xác định vị trí sự cố nhanh chóng.
  • Phương pháp đo lường một đầu đơn giản, tiết kiệm chi phí, phù hợp với đặc điểm lưới phân phối có nhiều nhánh rẽ và nhiễu sóng phức tạp.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả quản lý, vận hành hệ thống điện, giảm thiểu thời gian mất điện và thiệt hại kinh tế.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế, phát triển phần mềm phân tích và đào tạo nhân lực để nâng cao năng lực xử lý sự cố trên lưới điện phân phối.

Để tiếp tục phát triển, các đơn vị quản lý và vận hành lưới điện nên phối hợp triển khai hệ thống đo lường và phân tích tín hiệu sóng quá độ, đồng thời mở rộng nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố phụ tải và cấu trúc lưới phức tạp hơn. Hành động ngay hôm nay sẽ giúp nâng cao độ tin cậy và an toàn cho hệ thống điện quốc gia.