Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện Việt Nam với các cấp điện áp 500 kV, 220 kV, 110 kV (lưới truyền tải) và 35 kV, 22 kV (lưới phân phối) đã được đầu tư phát triển mạnh mẽ, phủ rộng toàn quốc, đảm bảo cung cấp điện cho phát triển kinh tế xã hội. Tuy nhiên, với khối lượng đường dây truyền tải lớn và trải rộng trên nhiều vùng địa lý, việc quản lý và vận hành an toàn, tin cậy hệ thống điện gặp nhiều thách thức. Theo báo cáo tổng kết vận hành, sự cố trên lưới truyền tải là hiện tượng phổ biến, gây gián đoạn cung cấp điện và thiệt hại kinh tế đáng kể, đặc biệt trong ngành công nghiệp sản xuất.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là áp dụng phương pháp biến đổi Wavelet để xác định chính xác vị trí sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải 110kV và 220kV, từ đó hỗ trợ công tác xử lý sự cố nhanh chóng, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB Simulink và Wavelet Tool Box để mô phỏng các đoạn đường dây thực tế, thu thập tín hiệu điện áp và dòng điện tại các nút khi xảy ra sự cố giả định, tiến hành phân tích và tính toán vị trí sự cố.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình đường dây truyền tải hình chữ T, áp dụng trên mô hình lý thuyết theo bài báo IEEE và đường dây thực tế 110kV Mỹ Tho – Tân Hương – Long An. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả quản lý vận hành hệ thống điện truyền tải, giảm thiểu thời gian và chi phí sửa chữa, đồng thời góp phần đảm bảo an toàn và ổn định cung cấp điện cho các tỉnh, thành phố trên toàn quốc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

  1. Phương pháp sóng lan truyền (Travelling Wave - TW): Sóng điện từ sinh ra tại điểm sự cố lan truyền ngược về hai đầu đường dây với vận tốc cao, cho phép xác định vị trí sự cố dựa trên thời gian sóng truyền đến các nút đo. Phương pháp này bao gồm các mô hình định vị sự cố kiểu A, B, C, D, E, trong đó mô hình hai đầu (kiểu D) sử dụng đồng bộ thời gian giữa hai đầu đường dây để tăng độ chính xác.

  2. Phương pháp biến đổi Wavelet (Wavelet Transform): Là kỹ thuật phân tích tín hiệu đa phân giải, cho phép trích xuất thông tin tần số thay đổi theo thời gian từ tín hiệu điện áp và dòng điện. Biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform - DWT) và kỹ thuật phân tích đa phân giải (Multi-Resolution Analysis - MRA) được sử dụng để phân tách tín hiệu thành các thành phần tần số thấp (hệ số xấp xỉ) và tần số cao (hệ số chi tiết), từ đó phát hiện và xác định vị trí sự cố.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: tổng trở đường dây, dòng điện thứ tự không, sóng phản xạ và khúc xạ, ma trận tương quan hệ số Wavelet, vận tốc truyền sóng trên đường dây, và mô hình đường dây rẽ nhánh hình T.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu mô phỏng thu thập từ phần mềm MATLAB Simulink và Wavelet Tool Box. Cỡ mẫu bao gồm các tín hiệu điện áp và dòng điện thu tại các nút trên mô hình đường dây truyền tải 220kV rẽ nhánh hình T với chiều dài các nhánh lần lượt là 200 km, 120 km và 110 km. Các sự cố ngắn mạch giả định được mô phỏng tại các vị trí khác nhau trên đường dây với điện trở sự cố 50 Ω.

Phương pháp phân tích chính là biến đổi Wavelet tĩnh dạng db2 bậc 4 kết hợp kỹ thuật phân tích đa phân giải để phân tách tín hiệu và lọc nhiễu. Thuật toán tính toán ma trận tương quan các hệ số chi tiết Wavelet được áp dụng để xác định thời gian sóng truyền đến các nút, từ đó tính toán khoảng cách vị trí sự cố theo mô hình đường dây rẽ nhánh hình T.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022, bao gồm các bước: thiết lập mô hình mô phỏng, thu thập dữ liệu tín hiệu, phân tích biến đổi Wavelet, đánh giá kết quả và so sánh với các phương pháp truyền thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ chính xác cao của phương pháp biến đổi Wavelet: Kết quả mô phỏng trên mô hình đường dây 220kV rẽ nhánh hình T cho thấy phương pháp biến đổi Wavelet xác định vị trí sự cố với sai số nhỏ hơn 2%, vượt trội so với phương pháp điện kháng đơn có sai số khoảng 5%. Ví dụ, sự cố ngắn mạch pha A tại vị trí 80 km được xác định chính xác với sai số dưới 1 km.

  2. Tín hiệu điện áp nhạy hơn tín hiệu dòng điện trong phát hiện sự cố: Qua phân tích đồ thị điện áp và dòng điện tại các nút, tín hiệu điện áp pha bị sự cố có biến dạng rõ rệt hơn, giúp phân tích và xác định vị trí sự cố hiệu quả hơn. Tín hiệu dòng điện có nhiễu quá độ ít nhạy hơn, do đó ưu tiên sử dụng tín hiệu điện áp để phân tích.

  3. Lọc nhiễu hiệu quả bằng thuật toán ma trận tương quan: Thuật toán lọc nhiễu dựa trên ma trận tương quan các hệ số chi tiết Wavelet giúp loại bỏ các tín hiệu không cần thiết, tập trung vào các dao động có biên độ lớn liên quan đến sự cố. Điều này giảm thiểu sai số và tăng độ tin cậy của kết quả định vị.

  4. Khả năng áp dụng thực tế trên đường dây 110kV Mỹ Tho – Tân Hương – Long An: Mô phỏng thực tế trên tuyến đường dây này cho thấy phương pháp có độ chính xác cao, phù hợp với các mô hình thực tế, hỗ trợ công tác vận hành và xử lý sự cố nhanh chóng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân độ chính xác cao của phương pháp biến đổi Wavelet là do khả năng phân tích tín hiệu đa tần số và thời gian, giúp phát hiện chính xác các dao động đặc trưng của sự cố ngắn mạch. So với các phương pháp truyền thống như điện kháng đơn hay Takagi, phương pháp này không bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố như điện trở sự cố, cấu hình đường dây hay dòng tải.

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo của ngành điện và các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng biến đổi Wavelet trong định vị sự cố. Việc sử dụng thuật toán lọc nhiễu dựa trên ma trận tương quan là điểm mới, giúp nâng cao độ tin cậy và giảm khối lượng tính toán.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp và dòng điện tại các nút, hệ số xấp xỉ và chi tiết Wavelet ở các bậc phân giải khác nhau, cùng bảng so sánh sai số giữa các phương pháp định vị sự cố.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống định vị sự cố sử dụng biến đổi Wavelet trên các tuyến đường dây truyền tải trọng điểm: Tập trung vào các đường dây 110kV và 220kV có lưu lượng vận hành lớn, nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm, do các đơn vị vận hành điện chủ trì.

  2. Phát triển phần mềm phân tích tín hiệu tự động tích hợp thuật toán lọc nhiễu và ma trận tương quan: Giúp giảm thiểu khối lượng xử lý thủ công, tăng tốc độ xác định vị trí sự cố. Thời gian phát triển khoảng 12 tháng, phối hợp giữa các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ vận hành về ứng dụng công nghệ biến đổi Wavelet và phân tích tín hiệu: Đảm bảo vận hành hiệu quả hệ thống định vị sự cố mới. Thời gian đào tạo liên tục hàng năm, do các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành thực hiện.

  4. Mở rộng nghiên cứu áp dụng phương pháp cho các cấp điện áp khác và các loại sự cố phức tạp hơn: Như sự cố trên đường dây có nhánh phức tạp, sự cố đa pha, nhằm hoàn thiện giải pháp toàn diện. Thời gian nghiên cứu tiếp theo 2-3 năm, do các nhóm nghiên cứu chuyên sâu đảm nhận.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và cán bộ vận hành hệ thống điện truyền tải: Nắm bắt phương pháp định vị sự cố hiện đại, áp dụng vào công tác quản lý vận hành, giảm thiểu thời gian xử lý sự cố.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp phân tích tín hiệu và ứng dụng biến đổi Wavelet trong lĩnh vực điện lực.

  3. Các công ty cung cấp thiết bị và phần mềm quản lý hệ thống điện: Phát triển sản phẩm định vị sự cố tích hợp công nghệ mới, nâng cao tính cạnh tranh và hiệu quả sử dụng.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Đánh giá hiệu quả công nghệ mới trong vận hành hệ thống điện, xây dựng kế hoạch đầu tư và phát triển hạ tầng điện lực.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp biến đổi Wavelet có ưu điểm gì so với các phương pháp truyền thống?
    Phương pháp này phân tích tín hiệu đa tần số và thời gian, giúp phát hiện chính xác các dao động đặc trưng của sự cố, không bị ảnh hưởng nhiều bởi điện trở sự cố hay cấu hình đường dây, từ đó nâng cao độ chính xác định vị sự cố.

  2. Tín hiệu nào được ưu tiên sử dụng để phân tích sự cố?
    Tín hiệu điện áp pha bị sự cố được ưu tiên vì có biến dạng rõ rệt hơn so với tín hiệu dòng điện, giúp phát hiện và xác định vị trí sự cố hiệu quả hơn.

  3. Phương pháp này có thể áp dụng cho các loại đường dây nào?
    Phương pháp phù hợp với các đường dây truyền tải trên không có cấp điện áp 110kV, 220kV và có thể mở rộng cho các cấp điện áp khác, bao gồm cả đường dây có nhánh rẽ phức tạp.

  4. Sai số định vị sự cố của phương pháp biến đổi Wavelet là bao nhiêu?
    Sai số thường dưới 2%, thấp hơn nhiều so với các phương pháp điện kháng đơn truyền thống có sai số khoảng 5% hoặc hơn.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu khối lượng tính toán khi áp dụng phương pháp này?
    Việc chọn lọc tín hiệu đầu vào, ưu tiên phân tích tín hiệu điện áp tại các nút gần vị trí sự cố và sử dụng thuật toán lọc nhiễu dựa trên ma trận tương quan giúp giảm đáng kể khối lượng tính toán và thời gian xử lý.

Kết luận

  • Phương pháp biến đổi Wavelet kết hợp thuật toán lọc nhiễu và ma trận tương quan cho kết quả định vị sự cố trên đường dây truyền tải với độ chính xác cao, sai số dưới 2%.
  • Tín hiệu điện áp pha bị sự cố là nguồn dữ liệu ưu tiên để phân tích và xác định vị trí sự cố.
  • Mô hình mô phỏng trên đường dây 220kV rẽ nhánh hình T và tuyến đường dây thực tế 110kV Mỹ Tho – Tân Hương – Long An chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ này trong vận hành hệ thống điện nhằm nâng cao độ tin cậy và giảm thiểu thời gian xử lý sự cố.
  • Các bước nghiên cứu tiếp theo bao gồm mở rộng phạm vi áp dụng, phát triển phần mềm tự động và đào tạo nhân lực chuyên môn.

Hành động tiếp theo là phối hợp với các đơn vị vận hành điện để thử nghiệm thực tế, đồng thời phát triển công cụ hỗ trợ phân tích tín hiệu nhằm đưa phương pháp vào ứng dụng rộng rãi trong ngành điện Việt Nam.