Tổng quan nghiên cứu

Sự cố trên đường dây truyền tải điện là một trong những vấn đề quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy và ổn định của hệ thống điện. Theo báo cáo ngành điện, các sự cố ngắn mạch trên đường dây 110kV chiếm tỷ lệ đáng kể trong tổng số sự cố vận hành, gây thiệt hại lớn về kinh tế và ảnh hưởng đến an sinh xã hội. Việc xác định chính xác và nhanh chóng vị trí sự cố giúp giảm thời gian khắc phục, hạn chế mất điện kéo dài và nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và ứng dụng phương pháp phân tích biến đổi Wavelet kết hợp thuật toán lọc nhiễu nhằm xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải 110kV, cụ thể là đường dây Trị An – Phú Giáo tại Việt Nam. Nghiên cứu tập trung vào phân tích tín hiệu dòng điện và điện áp thu thập được từ hai đầu đường dây trong khoảng thời gian vận hành thực tế, nhằm nâng cao độ chính xác và tính ứng dụng thực tiễn của phương pháp. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ công tác vận hành, bảo trì và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, đồng thời góp phần giảm thiểu thiệt hại do sự cố gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: phân tích biến đổi Wavelet và mô hình mạch điện ngắn mạch trong hệ thống truyền tải.

  • Phân tích biến đổi Wavelet (Wavelet Transform): Đây là phương pháp phân tích tín hiệu theo miền thời gian – tần số, cho phép tách tín hiệu thành các thành phần chi tiết và thành phần xấp xỉ, giúp phát hiện nhanh các biến đổi đột ngột trong tín hiệu như sự cố ngắn mạch. Các loại Wavelet được sử dụng phổ biến gồm Daubechies, Haar, Morlet, Mexican Hat, trong đó Daubechies được ưu tiên do tính ổn định và khả năng phân giải cao.

  • Mô hình mạch điện ngắn mạch: Nghiên cứu phân loại các loại sự cố ngắn mạch gồm ngắn mạch một pha, hai pha, ba pha không cân bằng và cân bằng. Mô hình Thevenin được áp dụng để mô phỏng đặc tính điện áp và dòng điện tại vị trí sự cố, từ đó xác định các đặc trưng tín hiệu cần phân tích.

Các khái niệm chính bao gồm: sự cố ngắn mạch ba pha, tín hiệu dòng điện và điện áp pha, phân tích đa độ phân giải (MRA), thuật toán lọc nhiễu (filtering algorithm), và mô phỏng MATLAB-Simulink.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các tín hiệu dòng điện và điện áp thu thập từ hệ thống giám sát vận hành đường dây 110kV Trị An – Phú Giáo, với cỡ mẫu khoảng 30 km chiều dài đường dây, sử dụng dây dẫn ACSR185/29. Dữ liệu được ghi nhận tại thời điểm xảy ra sự cố thực tế vào ngày 04/11/2021 lúc 12h00, bao gồm dòng điện pha, điện áp pha và các thông số vận hành khác.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Áp dụng biến đổi Wavelet rời rạc (DWT) để phân tích tín hiệu dòng điện pha, tách thành phần chi tiết và thành phần xấp xỉ nhằm phát hiện thời điểm và vị trí sự cố.

  • Sử dụng thuật toán lọc nhiễu (thuật toán lọc nhiễu đa bậc) để loại bỏ các thành phần nhiễu không mong muốn, tăng độ chính xác của việc xác định vị trí sự cố.

  • Mô phỏng sự cố trên phần mềm MATLAB-Simulink kết hợp Toolbox Wavelet để kiểm chứng kết quả phân tích.

  • So sánh kết quả tính toán vị trí sự cố với dữ liệu thực tế và các phương pháp khác để đánh giá độ chính xác.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 09/2021 đến tháng 01/2022, tập trung vào việc thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phân tích và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ chính xác xác định vị trí sự cố cao: Phương pháp phân tích biến đổi Wavelet kết hợp thuật toán lọc nhiễu cho kết quả xác định vị trí sự cố trên đường dây 110kV Trị An – Phú Giáo với sai số trung bình dưới 0.5 km, tương đương sai số khoảng 1.6% so với chiều dài toàn tuyến 30.48 km.

  2. Khả năng phát hiện nhanh thời điểm sự cố: Tín hiệu dòng điện pha được phân tích cho thấy thời điểm xuất hiện đột biến rõ ràng trong thành phần chi tiết của Wavelet, giúp xác định chính xác thời gian xảy ra sự cố với độ trễ dưới 10 ms.

  3. Hiệu quả lọc nhiễu vượt trội: Thuật toán lọc nhiễu đa bậc giúp loại bỏ thành công các thành phần nhiễu tần số cao không liên quan, giảm sai số vị trí sự cố xuống khoảng 20% so với phương pháp chỉ dùng Wavelet đơn thuần.

  4. Tính ứng dụng thực tiễn cao: Kết quả mô phỏng trên MATLAB-Simulink phù hợp với dữ liệu thực tế thu thập được, cho thấy phương pháp có thể áp dụng rộng rãi cho các đường dây truyền tải 110kV có cấu trúc phức tạp và nhiều nhánh.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp phương pháp đạt độ chính xác cao là khả năng phân tích tín hiệu theo thời gian – tần số của biến đổi Wavelet, cho phép phát hiện các biến đổi đột ngột trong tín hiệu dòng điện do sự cố gây ra. Thuật toán lọc nhiễu đa bậc giúp loại bỏ các thành phần nhiễu không mong muốn, vốn là nguyên nhân gây sai số trong các phương pháp truyền thống.

So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng phân tích Fourier hoặc các thuật toán định vị sự cố dựa trên dòng điện và điện áp, phương pháp Wavelet kết hợp lọc nhiễu cho độ chính xác và tốc độ xử lý vượt trội hơn, đặc biệt trong môi trường có nhiều nhiễu và biến động phức tạp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tín hiệu dòng điện pha trước và sau khi xử lý Wavelet, bảng so sánh sai số vị trí sự cố giữa các phương pháp, và biểu đồ thời gian phản hồi phát hiện sự cố. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp trong việc xác định vị trí và thời điểm sự cố.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống giám sát và phân tích tín hiệu theo thời gian thực: Áp dụng phương pháp phân tích Wavelet kết hợp lọc nhiễu trên các trạm biến áp và điểm đầu cuối đường dây 110kV để phát hiện và định vị sự cố nhanh chóng, giảm thiểu thời gian mất điện. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: các công ty vận hành lưới điện.

  2. Nâng cấp phần mềm phân tích tín hiệu trong hệ thống SCADA: Tích hợp thuật toán Wavelet và lọc nhiễu vào phần mềm giám sát hiện có để tự động hóa việc phát hiện và định vị sự cố, nâng cao độ chính xác và giảm sai số. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng; chủ thể: bộ phận công nghệ thông tin và vận hành.

  3. Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về phân tích tín hiệu Wavelet và ứng dụng trong định vị sự cố để nâng cao năng lực xử lý sự cố của đội ngũ kỹ thuật. Thời gian thực hiện: liên tục; chủ thể: các trung tâm đào tạo và công ty điện lực.

  4. Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng cho các cấp điện áp khác: Tiếp tục nghiên cứu áp dụng phương pháp cho các đường dây truyền tải cấp điện áp cao hơn hoặc các hệ thống có cấu trúc phức tạp hơn nhằm nâng cao tính ứng dụng. Thời gian thực hiện: 12-24 tháng; chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành lưới điện: Nâng cao kiến thức về phương pháp xác định vị trí sự cố nhanh và chính xác, hỗ trợ công tác xử lý sự cố hiệu quả.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm về phân tích tín hiệu Wavelet trong hệ thống điện, làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

  3. Các công ty cung cấp giải pháp công nghệ cho ngành điện: Tham khảo để phát triển các sản phẩm phần mềm giám sát và phân tích sự cố dựa trên công nghệ Wavelet.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Hiểu rõ hơn về các công nghệ mới trong quản lý vận hành lưới điện, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ ứng dụng công nghệ hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phân tích biến đổi Wavelet là gì và tại sao lại phù hợp để xác định vị trí sự cố?
    Phân tích biến đổi Wavelet cho phép phân tích tín hiệu theo cả thời gian và tần số, giúp phát hiện các biến đổi đột ngột trong tín hiệu dòng điện do sự cố gây ra. Ví dụ, khi xảy ra ngắn mạch, tín hiệu dòng điện có sự thay đổi nhanh chóng mà Wavelet có thể nhận diện chính xác hơn so với Fourier.

  2. Thuật toán lọc nhiễu đa bậc có vai trò gì trong phương pháp này?
    Thuật toán lọc nhiễu giúp loại bỏ các thành phần nhiễu tần số cao không liên quan, làm sạch tín hiệu trước khi phân tích, từ đó nâng cao độ chính xác trong việc xác định vị trí sự cố. Trong thực tế, môi trường vận hành có nhiều nhiễu nên bước này rất cần thiết.

  3. Phương pháp này có thể áp dụng cho các đường dây truyền tải khác không?
    Có, phương pháp có tính ứng dụng cao và có thể điều chỉnh để áp dụng cho các đường dây truyền tải có cấp điện áp khác hoặc cấu trúc phức tạp hơn, miễn là có dữ liệu tín hiệu dòng điện và điện áp phù hợp.

  4. Độ chính xác của phương pháp so với các phương pháp truyền thống như thế nào?
    Phương pháp Wavelet kết hợp lọc nhiễu đạt sai số vị trí sự cố dưới 0.5 km trên đường dây dài hơn 30 km, tức khoảng 1.6%, cao hơn đáng kể so với các phương pháp truyền thống thường có sai số lớn hơn 5%.

  5. Cần những điều kiện gì để triển khai phương pháp này trong thực tế?
    Cần hệ thống thu thập dữ liệu dòng điện và điện áp chất lượng cao, phần mềm phân tích tín hiệu tích hợp thuật toán Wavelet và lọc nhiễu, cùng đội ngũ kỹ thuật được đào tạo bài bản để vận hành và xử lý kết quả.

Kết luận

  • Phân tích biến đổi Wavelet kết hợp thuật toán lọc nhiễu là phương pháp hiệu quả, chính xác trong việc xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải 110kV.
  • Sai số vị trí sự cố được giảm xuống dưới 0.5 km, giúp rút ngắn thời gian xử lý và khắc phục sự cố.
  • Phương pháp có tính ứng dụng cao, phù hợp với các hệ thống điện có cấu trúc phức tạp và nhiều nhánh.
  • Kết quả mô phỏng trên MATLAB-Simulink phù hợp với dữ liệu thực tế, khẳng định tính khả thi của phương pháp.
  • Đề xuất triển khai hệ thống giám sát và phân tích tín hiệu theo thời gian thực, nâng cấp phần mềm SCADA, đào tạo nhân viên và mở rộng nghiên cứu cho các cấp điện áp khác.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị vận hành lưới điện nên phối hợp triển khai thử nghiệm phương pháp trên các tuyến đường dây trọng điểm, đồng thời đào tạo nhân sự để nâng cao năng lực xử lý sự cố. Các nhà nghiên cứu có thể phát triển thêm các thuật toán lọc nhiễu và phân tích tín hiệu để nâng cao hơn nữa độ chính xác và tốc độ xử lý.