Luận văn thạc sĩ: Nâng cao độ chính xác nhận dạng chế độ hệ thống điện trong dao động lớn

Luận văn thạc sĩ trình bày ứng dụng mạng nơron cải tiến nhằm nâng cao độ chính xác trong nhận dạng chế độ hệ thống điện trong dao động lớn.

• Tác giả: Lâm Việt Phong
• Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Nâng cao độ chính xác nhận dạng chế độ hệ thống điện bằng mạng nơron cải tiến
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Điểm mới của đề tài
• 1.6. Cấu trúc của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
• 2.1. Khái niện chung
• 2.2. Ổn định hệ thống điện
• 2.3. Các chế độ làm việc hệ thống điện
• 2.4. Phân loại ổn định hệ thống
• 2.5. Cân bằng công suất
• 2.6. Ổn định tĩnh
• 2.7. Ổn định động
• 2.8. Các phương pháp nghiên cứu ổn định động hệ thống điện
• 2.8.1. Phương pháp tích phân số
• 2.8.2. Phương pháp diện tích
• 2.8.3. Phương pháp trực tiếp
• 2.8.4. Phương pháp mô phỏng theo miền thời gian
• 2.8.5. Phương trình dao động
• 2.9. Ổn định hệ nhiều máy
• 2.10. Phân tích tình hình nghiên cứu liên quan
• 2.11. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT MẠNG NƠRON VÀ MÔ HÌNH NHẬN DẠNG
• 3.1. Mô hình nơron sinh học
• 3.2. Mô hình nơron nhân tạo
• 3.3. Phân loại mạng nơron
• 3.4. Cấu trúc một nơron
• 3.5. Mạng có nhiều lớp nơron
• 3.6. Mạng hàm truyền xuyên tâm
• 3.7. Mạng hồi quy tổng quát
• 3.8. Mạng nơron xác suất
• 3.9. Luật đầu ra của bộ phân loại
• 3.10. Huấn luyện và đánh giá mô hình nhận dạng
• 3.11. Mạng nơron dựa trên các nơron kết hợp
• 3.12. Mô hình nhận dạng
• 3.13. Khái niệm nhận dạng
• 3.14. Những tính chất chung của nhận dạng
• 3.15. Quy trình nhận dạng
• 3.16. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MẠNG NƠRON CẢI TIẾN NHẬN DẠNG ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 4.1. Quy trình thực hiện mạng nơron đơn
• 4.2. Tạo cơ sở dữ liệu
• 4.3. Chuẩn hóa dữ liệu
• 4.4. Lựa chọn biến đặc trưng
• 4.5. Chia dữ liệu theo tiêu chuẩn năng lượng
• 4.6. Phân cụm dữ liệu
• 4.7. Huấn luyện ANN
• 4.8. Đánh giá độ chính xác kết quả huấn luyện
• 4.9. Mạng nơron song song
• 4.10. Kết luận chương 4
• 5. CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON CẢI TIẾN NHẬN DẠNG ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN IEEE 10-MÁY 39-BUS
• 5.1. Quy trình thực hiện mạng nơron song song
• 5.2. Tạo cơ sở dữ liệu
• 5.3. Chuẩn hóa dữ liệu
• 5.4. Lựa chọn biến đặc trưng
• 5.5. Chia dữ liệu theo tiêu chuẩn năng lượng
• 5.6. Phân cụm dữ liệu
• 5.7. Kết quả huấn luyện và kiểm tra mạng GRNN đơn
• 5.8. Mạng nơron song song
• 5.9. Cấu hình mạng nơron song song
• 5.10. Trình tự xác định số lượng mạng nơron song song
• 5.11. Kết luận chương 5
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng nghiên cứu phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nâng cao độ chính xác nhận dạng chế độ hệ thống điện

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của hệ thống điện, việc nâng cao độ chính xác trong nhận dạng chế độ hệ thống điện trở thành một nhiệm vụ cấp thiết. Hệ thống điện hiện đại không chỉ phải đối mặt với các dao động công suất lớn mà còn phải đảm bảo tính ổn định trong các tình huống khẩn cấp. Việc áp dụng mạng nơron cải tiến giúp giải quyết những thách thức này bằng cách cung cấp các giải pháp nhanh chóng và hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống.

1.1. Khái niệm về nhận dạng chế độ hệ thống điện

Nhận dạng chế độ hệ thống điện là quá trình xác định trạng thái hoạt động của hệ thống điện dựa trên các biến trạng thái như công suất, điện áp và tần số. Việc sử dụng mạng nơron sâu trong nhận dạng chế độ giúp cải thiện độ chính xác và tốc độ xử lý thông tin.

1.2. Tầm quan trọng của độ chính xác trong nhận dạng

Độ chính xác trong nhận dạng chế độ hệ thống điện ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng ra quyết định của các điều độ viên. Một hệ thống nhận dạng chính xác có thể giúp phát hiện sớm các tình huống bất thường, từ đó đảm bảo an toàn cho toàn bộ hệ thống điện.

II. Vấn đề và thách thức trong nhận dạng chế độ hệ thống điện

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong công nghệ nhận dạng, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc áp dụng mạng nơron cho nhận dạng chế độ hệ thống điện. Các vấn đề như tính phi tuyến của hệ thống, độ phức tạp trong việc xử lý dữ liệu và thời gian phản hồi chậm vẫn là những rào cản lớn.

2.1. Tính phi tuyến và độ phức tạp của hệ thống điện

Hệ thống điện thường có tính phi tuyến cao, điều này làm cho việc áp dụng các phương pháp phân tích truyền thống trở nên khó khăn. Mạng nơron có khả năng học hỏi từ dữ liệu phi tuyến, nhưng vẫn cần cải tiến để đạt được độ chính xác cao hơn.

2.2. Thời gian phản hồi và khả năng xử lý dữ liệu

Thời gian phản hồi của hệ thống nhận dạng là yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho hệ thống điện. Việc cải tiến mạng nơron để giảm thiểu thời gian xử lý dữ liệu là một thách thức lớn mà các nhà nghiên cứu đang phải đối mặt.

III. Phương pháp cải tiến mạng nơron cho nhận dạng chế độ

Để nâng cao độ chính xác trong nhận dạng chế độ hệ thống điện, việc cải tiến mạng nơron là cần thiết. Các phương pháp như sử dụng mạng nơron song song và áp dụng thuật toán Kmeans để phân cụm dữ liệu đã được nghiên cứu và áp dụng thành công.

3.1. Mạng nơron song song và lợi ích của nó

Mạng nơron song song cho phép xử lý đồng thời nhiều luồng dữ liệu, từ đó nâng cao độ chính xác và tốc độ nhận dạng. Việc kết hợp nhiều mạng nơron đơn giúp cải thiện khả năng tổng hợp thông tin và giảm thiểu sai số trong nhận dạng.

3.2. Ứng dụng thuật toán Kmeans trong phân cụm dữ liệu

Thuật toán Kmeans được sử dụng để phân cụm dữ liệu trước khi đưa vào mạng nơron. Việc phân cụm giúp giảm thiểu độ phức tạp của dữ liệu, từ đó nâng cao hiệu suất và độ chính xác của mô hình nhận dạng.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã áp dụng mô hình mạng nơron cải tiến trên sơ đồ IEEE 10-máy 39-bus và đạt được kết quả ấn tượng với độ chính xác nhận dạng lên đến 98.06%. Kết quả này cho thấy tiềm năng lớn của mạng nơron trong việc nâng cao độ chính xác nhận dạng chế độ hệ thống điện.

4.1. Kết quả thử nghiệm trên mô hình IEEE

Mô hình đã được thử nghiệm trên sơ đồ IEEE 10-máy 39-bus, cho thấy độ chính xác cao hơn so với các mô hình truyền thống. Kết quả này chứng minh rằng mạng nơron cải tiến có thể đáp ứng tốt các yêu cầu trong thực tiễn.

4.2. Ứng dụng trong quản lý và điều hành hệ thống điện

Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong việc quản lý và điều hành hệ thống điện, giúp các điều độ viên đưa ra quyết định kịp thời và chính xác hơn trong các tình huống khẩn cấp.

V. Kết luận và hướng nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc cải tiến mạng nơron có thể nâng cao đáng kể độ chính xác trong nhận dạng chế độ hệ thống điện. Hướng nghiên cứu tương lai sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa mô hình và mở rộng ứng dụng của nó trong các hệ thống điện phức tạp hơn.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng mạng nơron cải tiến có thể đạt được độ chính xác cao trong nhận dạng chế độ hệ thống điện, mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc phát triển các mô hình mạng nơron mới, cải tiến thuật toán và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như năng lượng tái tạo và hệ thống điện thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Chương 2: Cơ sở lý thuyết ổn định hệ thống điện Chương 3: Lý thuyết mạng nơron và mô hình nhận dạng Chương 4: Xây dụng mạng nơron cải tiến nhận dạng ổn định động hệ thống điện Chương 5: Ứng dụng mạng nơron cải tiến nhận dạng ổn định động hệ thống điện IEEE 10-máy 39-bus Chương 6: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển 3 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 2. Khái niện chung Hệ thống điện là tập hợp các phần tử phát, dẫn, phân phối có mối quan hệ tương tác lẫn nhau rất phức tạp, tồn tại vô số các nhiễu tác động lên hệ thống. Hệ thống phải đảm bảo được tính ổn định khi có tác động của những nhiễu này [2]. Ổn định hệ thống điện là khả năng trở lại vận hành bình thường hoặc ổn định sau khi chịu tác động nhiễu.

Đây là điều kiện thiết yếu để hệ thống có thể tồn tại và vận hành. Chế độ xác lập chẳng hạn, để tồn tại cần phải có sự cân bằng công suất trong hệ (khi đó các thông số của hệ mới giữ không đổi) và đồng thời phải duy trì được độ lệch nhỏ của các thông số dưới những kích động ngẫu nhiên nhỏ (làm các thông số này lệch khỏi các giá trị tại điểm cân bằng). Hoặc do tác động của những thao tác đóng cắt, hệ thống điện cần phải chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập mới [3]. Than Khí Thủy năng Năng lượng tái tạo Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điện đơn giản.

Ổn định hệ thống điện 2. Các chế độ làm việc hệ thống điện Chế độ làm việc của HTĐ Chế độ xác lập Chế độ quá độ CĐXL CĐXL CĐXL CĐQĐ CĐQĐ bình thường Sau sự cố sự cố Bình thường sự cố Hình 2.2: Các chế độ làm việc của HTĐ. Các chế độ làm việc của hệ thống điện chia làm hai loại chính: Chế độ xác lập và chế độ quá độ.  Chế độ xác lập là chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện trong các thông số của hệ thống điện không thay đổi hoặc trong những khoảng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên nhỏ quanh các trị số định mức.

Trong thực tế không tồn tại chế độ nào mà trong đó các thông số của nó bất biến theo thời gian vì HTĐ bao gồm một số vô cùng lớn các phần tử, các phần tử này luôn luôn biến đổi khiến cho các thông số của chế độ cũng biến đổi không ngừng. Chế độ xác lập được chia thành: - Chế độ xác lập bình thường là chế độ vận hành bình thường của HTĐ. - Chế độ xác lập sau sự cố xảy ra sau khi đã loại trừ sự cố. - Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ.

Ví dụ chế độ ngắn mạch duy trì,…  Chế độ quá độ là chế độ trung gian chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác. Chế độ quá độ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao tác đóng cắt các phần tử mang công suất mà thường được gọi là kích động lớn. Chế độ quá độ gồm có: 5 - Chế độ quá độ bình thường là bước chuyển từ chế độ xác lập bình thường này sang chế độ xác lập bình thường khác. Trong trường hợp này các thông số hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở về trị số gần định mức và tiếp theo ít thay đổi.

- Chế độ quá độ sự cố: có thông số hệ thống biến thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0. Phân loại ổn định hệ thống Từ khái niện về các chế độ làm việc của hệ thống điện có thể thấy rằng điều kiện tồn tài chế độ xác lập gắn liền với sự tồn tại điểm cân bằng công suất. Bởi chỉ khi đó thông số hệ thống giữ được không đổi. Tuy nhiên, trạng thái cân bằng chỉ là điều kiện cần của chế độ xác lập.

Thực tế, luôn tồn tại các kích động ngẫu nhiên làm lệch thông số khỏi điểm cân bằng tuy rất nhỏ. Chẳng hạn như những thay đổi thường xuyên công suất tải. Chính trong trường hợp này hệ thống phải duy trì được độ lệch nhỏ của các thông số, nghĩa là đảm bảo tồn tại chế độ xác lập. Khả năng này phụ thuộc vào các tính chất của hệ thống, đó là tính chất ổn định tĩnh.

Nhưng nếu các kích động ngẫu nhiên làm độ lệch lớn các thông số hệ thống khỏi điểm cân bằng, để có thể duy trì được trạng thái ổn định thì đòi hỏi hệ thống phải phụ thuộc vào một tính chất khác nữa của hệ thống, đó là tính chất ổn định động. Điều kiện cân bằng công suất không đủ cho một CĐXL tồn tại trong thực tế. Vì các chế độ trong thực tế luôn bị các kích động từ bên ngoài. Một chế độ thoả mãn các điều kiện cân bằng công suất muốn tồn tại được trong thực tế phải chịu đựng được các kích động mà điều kiện cân bằng công suất không bị phá hủy hay không mất đồng bộ.

Các kích động đối với chế độ HTĐ được chia làm 2 loại các kích động nhỏ và các kích động lớn, đó là: ổn định tĩnh và ổn định động. 6 Ổn định hệ thống điện Ổn định góc Ổn định tần Ổn định rotor số điện áp Ổn định tín Ổn định Nhiễu lớn Nhiễu nhỏ hiệu nhỏ quá độ Ngắn hạn Dài hạn Ngắn hạn Dài hạn Hình 2.3: Phân loại ổn định hệ thống điện. Đánh giá ổn định động thường được xem như đánh giá ổn định quá độ. Đánh giá ổn định động là nhằm để xác định hệ thống điện có thể chịu được những kích động ngẫu nhiên mà không làm mất sự ổn định.

Đánh giá ổn định động có tầm quan trọng to lớn để vận hành an toàn và đáng tin cậy hệ thống điện. Trong luận văn đã áp dụng đánh giá ổn định động hệ thống điện dựa trên góc rotor (góc công suất). Đánh giá thuộc tính động của hệ thống điện trong quá trình ngắn mạch dựa trên quan sát mối quan hệ giữa các góc công suất của các máy phát điện. Hệ thống điện ổn định nếu bất kỳ góc công suất tương đối của máy phát thứ i i so với máy phát thứ j j không vượt quá 1800.

Ngược lại, nếu góc công suất tương đối vượt quá 1800 thì hệ thống mất ổn định. Tiêu chuẩn để đánh giá ổn định là: Nếu:  ij  180 0  ổn định Nếu:  ij  180 0  không ổn định 7 2. Cân bằng công suất Điều kiện cần để chế độ xác lập có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng. Công suất do các nguồn sinh ra phải bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử của HTĐ.2) Giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng có mối quan hệ: S 2  P2  Q2 (2.3) Cho nên các điều kiện cân bằng công suất 2.2 không thể xét một cách độc lập mà lúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng.

Tuy vậy trong thực tế tính toán và vận hành HTĐ một cách gần đúng có thể xem sự biến đổi của công suất tác dụng và công suất phản kháng tuân theo các quy luật riêng biệt ít ảnh hưởng đến nhau. Sự biến đổi công suất tác dụng chỉ có ảnh hưởng đến tần số của hệ thống điện, ảnh hưởng của nó đến điện áp không đáng kể. Như vậy tần số có thể xem là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng công suất tác dụng. Sự biến đổi công suất phản kháng ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp của HTĐ.

Như vậy có thể xem điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng công suất phản kháng. Trong khi vận hành HTĐ các điều kiện cân bằng công suất 2.2 được đảm bảo một cách tự nhiên. Các thông số của chế độ luôn giữ các giá trị sao cho các điều kiện cân bằng công suất được thõa mãn. Để đảm bảo sự làm việc đúng đắn cho phụ tải và HTĐ, quy định các giá trị cân bằng cho công suất tác dụng và công suất phản kháng như sau: Công suất tác dụng là cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng bộ f (50 hoặc 60 Hz) hoặc nằm trong giới hạn cho phép: f cp  f  f cp max (2.4) 8 Công suất phản kháng là cân bằng khi điện áp tại các nút của HTĐ nằm trong giới hạn cho phép: U cp  U  U cp max (2.5) Khi điện áp và tần số lệch khỏi các giá trị cho phép thì xem như sự cân bằng công suất không đảm bảo và cần có biện pháp để bảo đảm chúng.

Sự cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệ thống. Vì ở tất cả các điểm trên toàn hệ thống luôn có giá trị chung. Việc đảm bảo tần số do đó dễ thực hiện, chỉ cần điều chỉnh công suất tại một nhà máy nào đó. Trái lại, sự cân bằng công suất phản kháng mang tính chất cục bộ thừa chổ này thiếu chổ khác.

Việc điều chỉnh công suất phản kháng phức tạp không thể thực hiện chung cho toàn bộ hệ thống được. Trong HTĐ, máy phát điện là phần tử quyết định sự làm việc của toàn hệ thống điện , vì vậy sự cân bằng công suất tác dụng trên trục rotor của các máy phát điện đóng vai trò quan trọng quyết định sự tồn tại của chế độ xác lập. Đây là sự cân bằng cơ điện, nghĩa là sự cân bằng giữa công suất cơ học của tuabin PTB và công suất điện PMF do máy phát điện phát ra: PTB  PMF (2.6) Sự cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệ thống cho nên bất cứ sự mất cân bằng nào xảy ra ở bất cứ đâu cũng đều tức khắc tác động lên máy phát điện và gây ra sự mất cân bằng cơ điện. Đối với công suất phản kháng sự cân bằng ở các nút phụ tải lớn có ý nghĩa quan trọng hơn cả.

còn đối với các phụ tải quay cũng có sự cân bằng cơ điện công suất điện của lưới Ppt và công suất cơ Pc của các máy công cụ: Pc  Ppt (2. Ổn định tĩnh Ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống điện trở lại vận hành ở trạng thái ban đầu sau khi hệ thống bị những nhiễu nhỏ tác động.