Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Mạng và Hệ thống điện (mã số 62 52 50 05) của tác giả Vũ Phan Huấn, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Kim Hùng, được thực hiện tại Đại học Đà Nẵng năm 2014 với đề tài: "Nghiên cứu các phương pháp thông minh để phân loại và định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện".

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Cùng với sự phát triển của hệ thống điện, quy mô và cấu trúc lưới điện truyền tải ngày càng mở rộng và phức tạp. Số liệu thống kê cho thấy sự cố trên đường dây truyền tải chiếm tỷ trọng từ 80% đến 90% tổng số sự cố trong toàn hệ thống điện, phần còn lại xảy ra tại các trạm biến áp (TBA). Đối với đường dây trên không có cấp điện áp lớn hơn 6kV, sự cố thoáng qua chiếm 65–70%, trong khi sự cố vĩnh cửu chiếm 30–35%. Các sự cố trên đường dây truyền tải gây gián đoạn cung cấp điện, làm biến đổi thông số vận hành và tiềm ẩn nguy cơ làm rã lưới điện diện rộng.

Trong thực tế vận hành tại Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), việc truy tìm điểm sự cố trên đường dây truyền tải phần lớn vẫn thực hiện thủ công (đội ngũ quản lý vận hành phải đi dọc tuyến đường dây qua địa hình rừng núi hiểm trở để kiểm tra bằng mắt thường), gây tốn kém thời gian và chi phí. Các thuật toán định vị sự cố tích hợp trong rơle bảo vệ (RLBV) kỹ thuật số hiện hành chủ yếu dựa trên nguyên tắc đo tổng trở ở tần số cơ bản tại một đầu đường dây. Các phương pháp này bộc lộ sai số lớn khi xuất hiện điện trở sự cố ($R_F$), dòng phụ tải, nguồn cung cấp từ hai phía, sóng hài, hiện tượng bão hòa máy biến dòng điện (BI), sai số máy biến điện áp (BU) và sự biến động của thông số đường dây. Mặc dù các phương pháp định vị bằng sóng truyền có độ chính xác cao nhưng chi phí đầu tư trang thiết bị (như bộ ghi nhận sóng truyền, hệ thống định vị toàn cầu GPS) rất tốn kém. Trong khi đó, các phương pháp thông minh (Hệ mờ, Biến đổi Wavelet, Mạng nơ-ron nhân tạo - ANN, Hệ suy diễn mờ thích nghi - ANFIS) đã thể hiện nhiều ưu điểm về độ chính xác và khả năng tận dụng dữ liệu đo lường có sẵn nhưng chưa được nghiên cứu và ứng dụng một cách hệ thống tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 6 mục tiêu cụ thể:

  1. Hệ thống hóa các phương pháp và công trình nghiên cứu đã công bố trong lĩnh vực phân loại và định vị sự cố trên lưới điện truyền tải cao áp.
  2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của rơle bảo vệ và độ chính xác của phép tính khoảng cách sự cố (sóng hài, điện trở sự cố, sai số BI, sai số BU, thông số đường dây).
  3. Đánh giá các phương pháp định vị sự cố của các hãng sản xuất rơle phổ biến tại Việt Nam (ABB, AREVA, SEL, SIEMENS, TOSHIBA, GE) dựa trên dữ liệu đo lường dòng điện và điện áp tại một, hai hoặc ba đầu đường dây.
  4. Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết Logic mờ (Fuzzy Logic) và Biến đổi Wavelet (Wavelet Transform) cho bài toán phân loại dạng sự cố lưới điện.
  5. Nghiên cứu bản chất và quy trình xây dựng, huấn luyện, thử nghiệm mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và hệ suy diễn mờ thích nghi (ANFIS) trong phân loại và định vị sự cố.
  6. Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink và kiểm chứng thực nghiệm trên các đường dây truyền tải 110kV, 220kV thuộc hệ thống điện miền Trung.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các phương pháp phân loại và định vị sự cố trong lĩnh vực bảo vệ rơle kỹ thuật số của các hãng sản xuất (ABB, AREVA, SEL, SIEMENS, TOSHIBA...) và các phương pháp tính toán thông minh (Fuzzy Logic, Wavelet, ANN, ANFIS).
  • Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống đường dây truyền tải điện cao áp 110kV và 220kV thuộc lưới điện Việt Nam.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tác giả hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước thành 1 giải pháp kỹ thuật quản lý vận hành và 4 hướng nghiên cứu chính:

                               CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU
Quản lý vận hành   Tín hiệu tần số lưới           Tín hiệu cao tần    Hệ thống thông minh
(SCADA, IEC 61850) (1, 2, 3 đầu dây, PMU)         (Sóng truyền, WT)   (ES, FL, ANN, ANFIS, Lai)

1. Giải pháp dựa trên kỹ thuật quản lý vận hành

Hướng tiếp cận này dựa trên quy trình điều độ hệ thống điện, thu thập thông tin qua hệ thống SCADA, tự động hóa trạm biến áp theo chuẩn IEC 61850 và điều khiển giám sát diện rộng (WAMS). Tuy nhiên, giải pháp này chưa tự động hóa hoàn toàn phép tính định vị chính xác điểm chạm chập trên tuyến dây.

2. Hướng nghiên cứu dựa trên kỹ thuật phân tích tín hiệu ở tần số lưới

  • Đo lường tại một đầu đường dây: Phương pháp điện kháng đơn giản của Eriksson et al. (1985) dùng mô hình nguồn hai phía để bù dòng phụ tải, sai số khoảng 3% chiều dài đường dây. Richards và Tan nghiên cứu đường dây 100 dặm, xác định sai số 1% khi $R_F < 30,\Omega$ và tăng lên 6% khi $R_F = 100,\Omega$. Sachdev và Agarwal sử dụng dòng, áp thứ tự thuận với sai số nhỏ hơn 5%. Mohan Saha ước lượng vị trí sự cố trên đường dây song song không cần thành phần thứ tự không.
  • Đo lường tại hai hoặc ba đầu đường dây: Các công trình của Jiang, Brahma, Girgis, Lee, Liao, Izykowski (2000–2004) dùng dữ liệu đồng bộ hoặc không đồng bộ giúp loại bỏ ảnh hưởng của thông số đường dây và điện trở sự cố. Hong và Colwell (1997) dùng biến đổi Fourier nhanh (FFT) và hệ thống 15 công thức trên mô hình lưới 3 pha. Maja Knezev (2007) phát triển thuật toán chọn lựa phương pháp định vị tối ưu.
  • Ứng dụng thiết bị đo lường đồng bộ góc pha (PMU): Nghiên cứu của Jiang et al. (2000), Chen et al. (2002), Yu et al., Lopes (2013) sử dụng PMU và bộ tập hợp dữ liệu PDC đồng bộ qua GPS (sai số thời gian $< 1,\mu\text{s}$, sai số góc pha $< 0{,}8^\circ$). Brahma (2006) kết hợp thuật toán tối ưu hóa vị trí đặt PMU (Burnett et al., Lien et al., Wang et al., S. Geramian et al., K. Mazlumi et al., S. El Safty et al.). Lin et al. (2004), F. Chunju et al. (2007) tính toán trực tuyến thông số tổng trở và điện dung đường dây từ PMU.
  • Khắc phục bão hòa BI và sai số BU: Rosolowski đề xuất giải thuật xử lý khi một đầu BI không bão hòa; Abdullah Assuhaimi Mohd Zin (2009) bù dòng cho rơle khoảng cách; Brahma và Girgis (2004) chỉ dùng tín hiệu điện áp; ABB và AREVA ứng dụng máy biến dòng không truyền thống (NCIT).

3. Hướng nghiên cứu dựa trên kỹ thuật phân tích tín hiệu cao tần (sóng truyền)

  • Các phương pháp định vị sóng truyền: Kiểu D (đo đồng bộ 2 đầu qua GPS), Kiểu A (đo sóng phản xạ tại 1 đầu khi sự cố), Kiểu E (đo sóng phản xạ khi đóng máy cắt vào đường dây không mang điện).
  • Bo Z.Q, Weller G., Redfern M.A (1999) nhận dạng sóng phản xạ ở dải tần 1–10 MHz; Zeng Xiangjun et al. (2001) dùng cảm biến sóng truyền kết hợp GPS; Krzysztof Glik, Rasolomampionona, Kowalik (2012) và Ngaopitakkul dùng biến đổi Wavelet rời rạc (DWT với sóng mẹ Daubechies 4 - db4); A. Peretto et al. và Qin Jian Chen et al. (1998) dùng biến đổi Wavelet liên tục (CWT); S. Abdelsalam Elhaffar, Matti Lehtonen (2008), P. McLaren nghiên cứu tương quan chéo sóng truyền; Yan F., Chen Z., Liang Z., Kong Y., Li P. (2002) dùng gói Wavelet (Wavelet Packet) phân tích ma trận năng lượng cao tần.

4. Hướng nghiên cứu dựa trên kỹ thuật hệ thống thông minh và phương pháp lai

  • Hệ thống thông minh: Hệ chuyên gia (Horowitz và Phadke, 1995; Coury và Jorge, 1998); Logic mờ (Wang và Keerthipala, 1998); Mạng nơ-ron ANN (Sidhu et al., 1995; Dalstein và Kulicke, 1995; Sobajic và Pao; Sanaye-Pasand et al.; Coury et al., 2002; Tahar Bouthiba, 2004; Khosravi A.A, 2007); Mạng ANFIS (Ramadoni Syahputra, 2013 ứng dụng trên đường dây 500kV dùng dữ liệu mô phỏng phần mềm EDSA, sai số từ 0,3% đến 4,16%).
  • Phương pháp lai: Youssef et al. (2004), Reddy et al. (2006, 2007), Pradhan et al. (2004) kết hợp Wavelet và Hệ mờ; Yildirim (2008) kết hợp Wavelet và ANN trên chương trình ATP; Martin et al. (2003) dùng DWT giảm tín hiệu vào cho ANN; Chunju et al. kết hợp ANFIS và Wavelet; K. Kim et al. kết hợp ANN - FL cho hệ thống cáp ngầm kết hợp đường dây không; Das et al. so sánh Fourier và Wavelet.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết khoảng trống về sự thiếu vắng các nghiên cứu có hệ thống kết hợp giữa lý thuyết xử lý tín hiệu thông minh và dữ liệu vận hành thực tế tại Việt Nam. Luận án xây dựng quy trình phân loại bằng Wavelet/Fuzzy/ANN/ANFIS và định vị điểm sự cố bằng ANN/ANFIS, sử dụng các bản ghi sự cố thực tế từ rơle kỹ thuật số trên lưới truyền tải 110kV và 220kV nhằm nâng cao độ chính xác mà không làm phát sinh chi phí đầu tư phần cứng bổ sung.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

1. Khung lý thuyết và mô hình toán học

Luận án kết hợp các nền tảng lý thuyết:

  • Lý thuyết tổng trở sự cố tần số cơ bản: Phương trình điện áp tại đầu A của đường dây truyền tải: $$U_A = m \cdot Z_L \cdot I_A + R_F \cdot I_F$$ Trong đó: $m$ là khoảng cách tương đối đến điểm sự cố ($0 \le m \le 1$), $Z_L$ là tổng trở thứ tự thuận của đường dây ($\Omega/\text{km}$), $I_A$ là dòng điện đo tại A, $I_F = I_A + I_B$ là tổng dòng sự cố, $R_F$ là điện trở sự cố. Khoảng cách $m$ được xác định qua phần ảo: $$m = \frac{\text{Im}(U_A / I_A)}{X_L}$$
Kiểu sự cố Điện áp đưa vào rơle Dòng điện đưa vào rơle ($I_r$) Tổng trở thứ tự thuận ($m \cdot Z_{1L}$)
Pha A chạm đất (AN) $U_a$ $I_a + k \cdot I_0$ $U_a / (I_a + k \cdot I_0)$
Ngắn mạch pha-pha (AB hoặc ABN) $U_{ab} = U_a - U_b$ $I_{ab} = I_a - I_b$ $U_{ab} / I_{ab}$
Ngắn mạch pha-pha (BC hoặc BCN) $U_{bc} = U_b - U_c$ $I_{bc} = I_b - I_c$ $U_{bc} / I_{bc}$
Ngắn mạch pha-pha (AC hoặc ACN) $U_{ac} = U_a - U_c$ $I_{ac} = I_a - I_c$ $U_{ac} / I_{ac}$
Ngắn mạch ba pha (ABC) $U_{ab}, U_{bc}, U_{ac}$ $I_{ab}, I_{bc}, I_{ac}$ $U_{ab}/I_{ab}, U_{bc}/I_{bc}, U_{ac}/I_{ac}$

Ghi chú: Hệ số bù dòng thứ tự không $k = \frac{Z_{0L} - Z_{1L}}{3 Z_{1L}}$; $Z_{0L}$ và $Z_{1L}$ lần lượt là tổng trở thứ tự không và thứ tự thuận của đường dây; $I_0$ là dòng điện thứ tự không.

  • Lý thuyết định vị sóng truyền:

    • Phương pháp kiểu D: $m = \frac{l - (t_A - t_B) \cdot v}{2}$ (với $l$ là chiều dài tuyến dây, $t_A, t_B$ là thời điểm sóng tới đầu A và B, $v$ là vận tốc sóng truyền).
    • Phương pháp kiểu A: $m = \frac{t_3 - t_1}{2} \cdot v$ ($t_1$ là thời điểm nhận sóng tới, $t_3$ là thời điểm nhận sóng phản xạ từ điểm sự cố).
    • Phương pháp kiểu E: $m = \frac{t_2 - t_1}{2} \cdot v$ ($t_1$ là thời điểm đóng máy cắt, $t_2$ là thời điểm nhận sóng phản xạ).

  • Lý thuyết Biến đổi Wavelet: Sử dụng phân tích đa phân giải DWT với sóng mẹ Daubechies 4 (db4) để tách các hệ số chi tiết (detail coefficients) và xấp xỉ (approximation coefficients) từ dạng sóng quá độ của dòng điện $I_a, I_b, I_c, I_0$.

  • Lý thuyết Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và ANFIS:

    • Cấu trúc ANN: Mạng nhiều lớp truyền thẳng (MLP) với thuật toán lan truyền ngược (Backpropagation) và thuật toán tối ưu hóa số lượng nơ-ron lớp ẩn dựa trên sai số quân phương nhỏ nhất (MSE).
    • Cấu trúc ANFIS: Hệ suy diễn mờ Sugeno 5 lớp kết hợp phương pháp học lai (kết hợp thuật toán giảm dốc Gradient Descent và ước lượng bình phương tối thiểu LSE) để tự động hiệu chỉnh hàm liên thuộc và tập luật mờ.

2. Phương pháp nghiên cứu và công cụ thực tế

  • Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích giải thuật định vị của các hãng rơle SEL, Siemens, ABB, Areva, Toshiba, GE; mô hình hóa toán học các yếu tố phi tuyến.
  • Nghiên cứu mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để xây dựng mô hình lưới điện truyền tải, tạo tập dữ liệu sự cố với các thông số biến thiên (vị trí sự cố, điện trở sự cố $R_F$, góc mở sự cố, công suất truyền tải).
  • Thu thập và phân tích dữ liệu thực tế: Sử dụng phần mềm Sigra 4 (Siemens) để phân tích các tệp ghi sự cố (COMTRADE); phần mềm Quick CMC test view; phần mềm SVScout theo tiêu chuẩn IEC 61850; thiết bị đo chất lượng điện năng Fluke 434 (đo sóng hài dòng điện $I_3/I_1$ và độ méo dạng $THD_i$); hợp bộ thử nghiệm Omicron và CPC 100 đo tổng trở đường dây thực tế.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI VÀ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ

Chương 1 tổng hợp bức tranh toàn cảnh về lý thuyết và thực tiễn của công tác bảo vệ đường dây truyền tải. Tác giả phân tích số liệu thống kê:

  • Sự cố trên đường dây truyền tải chiếm 80–90% tổng sự cố hệ thống điện.
  • Đối với đường dây trên không có điện áp $> 6\text{kV}$, sự cố thoáng qua chiếm 65–70% (chủ yếu do sét đánh, quá điện áp khí quyển, cành cây vi phạm hành lang tuyến, dây võng do quá nhiệt); sự cố vĩnh cửu chiếm 30–35%.
  • Cơ cấu nguyên nhân sự cố vĩnh cửu: do cách điện (36–38%), máy biến áp (10–12%), chống sét van (6–8%), máy cắt (3–5%), biến dòng và biến điện áp (2–3%), các nguyên nhân khác chiếm tỷ lệ còn lại.

Chương này trình bày chi tiết 5 hướng tiếp cận (quản lý vận hành, phân tích tín hiệu tần số lưới, phân tích tín hiệu cao tần, hệ thống thông minh, phương pháp lai), phân tích cấu trúc trạm tự động hóa theo chuẩn IEC 61850 và các mô hình truyền sóng kiểu A, D, E.

CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ CHÍNH ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ SỰ NHẬN DẠNG SỰ CỐ CỦA BẢO VỆ RƠLE

Chương 2 đi sâu phân tích 4 nhóm yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sai số nhận dạng và định vị sự cố của rơle bảo vệ:

  1. Ảnh hưởng của sóng hài: Khảo sát đóng xung kích máy biến áp T1 tại TBA 110kV Đông Hà bằng máy đo Fluke 434. Kết quả cho thấy sóng hài bậc 3 ($I_3/I_1$) và tổng độ méo dạng sóng hài dòng điện ($THD_i$) làm thay đổi ngưỡng tác động ($I_{pickup}$) và thời gian làm việc của rơle quá dòng (EIOCR, ITOCR).
  2. Ảnh hưởng của điện trở sự cố ($R_F$): Phân tích tác động của $R_F$ khi đường dây được cấp nguồn từ một phía và hai phía. Điện trở $R_F$ kết hợp với dòng tải đối pha làm dịch chuyển đặc tính tổng trở đo được trên mặt phẳng phức $R-X$, gây ra hiện tượng rơle bảo vệ khoảng cách tác động vượt cấp (overreach) hoặc thiếu cấp (underreach). Tác giả so sánh đặc tuyến Mho và đặc tuyến hình tứ giác.
  3. Ảnh hưởng của sai số BI và BU: Hiện tượng bão hòa mạch từ của biến dòng truyền thống (CT) khi dòng ngắn mạch lớn làm méo dạng tín hiệu dòng nhị thứ; biến điện áp kiểu tụ (CVT) tạo ra thành phần quá độ tần số thấp. Luận án phân tích giải pháp sử dụng biến dòng không truyền thống (NCIT) kết hợp bộ trộn tín hiệu MU (Merging Unit) truyền tín hiệu số (Sampled Values) qua giao thức IEC 61850 và phần mềm SVScout.
  4. Ảnh hưởng của thông số đường dây: Sai số trong việc tính toán hoặc cài đặt tổng trở thứ tự thuận $Z_{1L}$ và thứ tự không $Z_{0L}$ dẫn đến sai lệch hệ số bù dòng đất $k$. Chương 2 trình bày kết quả đo đạc thông số trở kháng thực tế trên đường dây bằng hợp bộ đo CPC 100.

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ ĐIỂM SỰ CỐ CỦA RƠLE KỸ THUẬT SỐ

Chương 3 khảo sát và đánh giá các thuật toán định vị sự cố được tích hợp trong rơle kỹ thuật số thương mại:

  • Công cụ phân tích bản ghi sự cố: Khảo sát phần mềm phân tích chuyên dụng Sigra 4 (Siemens) để trích xuất dữ liệu dòng, áp, góc pha từ tệp ghi sự cố tại các trạm.
  • Định vị dùng dữ liệu một đầu đường dây: Phân tích giải thuật của các hãng SEL (SEL-421), Siemens (7SJ622, 7SA522), ABB (REL521), Areva (P543, P545), Toshiba và GE. Kiểm tra thực nghiệm trên thiết bị thử nghiệm Quick CMC view và hợp bộ Omicron. Kết quả cho thấy phương pháp đo một đầu bị sai số đáng kể khi $R_F$ lớn hoặc khi dòng cấp ngược từ đầu đối diện lớn.
  • Định vị dùng dữ liệu hai đầu đường dây: Đánh giá giải thuật của Toshiba và SEL dựa trên dữ liệu đồng bộ và không đồng bộ. Tác giả chỉ ra rằng phương pháp đo không đồng bộ hai đầu đường dây loại bỏ được ảnh hưởng của $R_F$ và góc lệch pha nguồn, rất thích hợp với điều kiện kênh truyền tại Việt Nam.
  • Định vị dùng dữ liệu ba đầu đường dây: Khảo sát phương pháp đo không đồng bộ của SEL, đo đồng bộ của Toshiba và phương pháp sử dụng biến đổi Clarke mở rộng của GE áp dụng cho lưới đường dây hình chữ T hoặc đường dây song song 3 nhánh.

CHƯƠNG 4: SỬ DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THÔNG MINH ĐỂ PHÂN LOẠI SỰ CỐ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN

Chương 4 xây dựng và thử nghiệm 4 mô hình thông minh để nhận dạng 10 dạng sự cố ngắn mạch (AN, BN, CN, AB, BC, AC, ABN, BCN, ACN, ABC):

  1. Phân loại bằng Hệ mờ (Fuzzy Logic): Dựa trên việc phân tích mối quan hệ góc lệch pha và tỷ số độ lớn giữa các thành phần đối xứng: thứ tự thuận ($I_1$), thứ tự nghịch ($I_2$) và thứ tự không ($I_0$) thông qua 4 biến đầu vào ($\alpha, \beta, R_{21}, R_{02}$). Mô hình được kiểm tra trên dữ liệu mô phỏng sự cố đường dây 220kV A Vương – Hòa Khánh (ngày 16/07/2012).
  2. Phân loại bằng Biến đổi Wavelet (DWT): Sử dụng hàm sóng mẹ Daubechies 4 (db4) để phân tích mức chi tiết của tín hiệu dòng 3 pha ($I_a, I_b, I_c$) và dòng thứ tự không ($I_0$). Thuật toán so sánh năng lượng/độ lớn thành phần chi tiết với ngưỡng tác động để nhận dạng tức thời dạng sự cố.
  3. Phân loại bằng Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN): Thiết kế cấu trúc mạng MLP gồm 4 nơ-ron lớp đầu vào (dòng điện hiệu dụng 3 pha và dòng đất), 5 nơ-ron lớp ẩn và 4 nơ-ron lớp đầu ra mã hóa nhị phân tương ứng với 10 dạng sự cố. Thuật toán tối ưu hóa số nơ-ron lớp ẩn được xây dựng để giảm thiểu sai số quân phương (MSE).
  4. Phân loại bằng ANFIS: Thiết lập hệ suy diễn mờ nơ-ron gồm 4 biến đầu vào và 1 biến đầu ra liên tục để ánh xạ chính xác 10 dạng sự cố.
  • Đánh giá và đề xuất: Tác giả kết luận phương pháp Wavelet có tốc độ tính toán nhanh nhất và độ chính xác cao nhất trong phân loại sự cố; đồng thời đề xuất dùng tín hiệu dòng, áp sự cố làm dữ liệu đầu vào cho mạng ANN và ANFIS trong bài toán định vị vị trí.

CHƯƠNG 5: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP THÔNG MINH ANN, ANFIS ĐỂ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN

Chương 5 thiết lập mô hình tính toán khoảng cách sự cố và tiến hành kiểm chứng thực nghiệm:

  • Xây dựng mô hình ANN và ANFIS định vị sự cố: Tín hiệu đầu vào là dòng điện và điện áp đo lường tại thời điểm sự cố. Mô hình được huấn luyện bằng tập dữ liệu mô phỏng trên Matlab/Simulink quét qua các vị trí từ 0% đến 100% chiều dài đường dây với nhiều cấp điện trở tiếp xúc $R_F$.
  • Thí nghiệm kiểm chứng 1 — Đường dây 110kV Đăk Mil – Đăk Nông:
    • Sử dụng cơ sở dữ liệu sự cố thực tế thu thập từ năm 2012 đến 2013 tại TBA 110kV Đăk Mil và Đăk Nông.
    • So sánh kết quả định vị giữa mô hình ANFIS và rơle Areva Micom P543 thực tế cho các sự cố pha AN, CN và ACN. Mô hình ANFIS cho sai số định vị thấp hơn so với kết quả tính toán của rơle P543.
  • Thí nghiệm kiểm chứng 2 — Đường dây 220kV Hòa Khánh – Huế:
    • Thu thập số liệu các vụ sự cố trên tuyến Hòa Khánh – Huế.
    • So sánh khoảng cách tính toán giữa rơle khoảng cách ABB REL521 và mô hình ANFIS. Kết quả kiểm chứng khẳng định mô hình ANFIS thích ứng tốt với dữ liệu đo từ rơle và phản ánh chính xác vị trí sự cố thực tế trên tuyến dây.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Cụ thể hóa phương pháp phân tích thành phần đối xứng (thứ tự thuận, thứ tự nghịch, thứ tự không) về mối quan hệ góc lệch và tỷ số độ lớn để thiết lập hệ luật mờ phục vụ phân loại chính xác 10 dạng sự cố trên đường dây truyền tải.
  2. Xây dựng hoàn chỉnh thuật toán phân loại sự cố dựa trên biến đổi Wavelet rời rạc (DWT sử dụng sóng mẹ Daubechies 4) từ tín hiệu dòng điện 3 pha và dòng đất ($I_a, I_b, I_c, I_0$) kết hợp ngưỡng so lệch dòng sự cố.
  3. Nghiên cứu và xây dựng thành công quy trình thiết kế, giải thuật xác định số nơ-ron lớp ẩn tối ưu cho mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và cấu trúc hệ nơ-ron mờ thích nghi (ANFIS) trong bài toán phân loại và định vị sự cố.
  4. Đề xuất phương pháp khai thác cơ sở dữ liệu thống kê sự cố dạng bảng tính Excel kết hợp dữ liệu ghi sự cố (COMTRADE) của các đơn vị truyền tải để làm tập mẫu huấn luyện cho mạng ANN và ANFIS, giúp định vị chính xác các sự cố tương tự xảy ra trong tương lai.

Đóng góp về mặt thực tiễn và kiến nghị

  1. Trong quản lý vận hành: Cung cấp phương pháp định vị sự cố có độ chính xác cao dựa trên dữ liệu đo lường không đồng bộ hai đầu đường dây hoặc kết hợp dữ liệu rơle một đầu với công cụ thông minh (ANFIS), giúp rút ngắn thời gian tìm kiếm điểm chạm chập, giảm chi phí nhân công tuần dây và giảm thời gian mất điện của khách hàng.
  2. Trong công tác thiết kế và đầu tư: Luận án đề xuất kinh nghiệm cho Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) trong việc lựa chọn cấu hình rơle bảo vệ, thiết bị đo lường (NCIT, chuẩn IEC 61850), định hướng xây dựng hệ thống phần mềm phân tích và định vị sự cố tập trung thống nhất tại các Trung tâm Điều độ hệ thống điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Các mô hình thực nghiệm và kiểm chứng của luận án tập trung chủ yếu trên cấp điện áp 110kV và 220kV tại khu vực miền Trung, chưa mở rộng kiểm chứng trên đường dây siêu cao áp 500kV hoặc hệ thống cáp ngầm cao thế.
  • Phương pháp sử dụng mạng nơ-ron (ANN) và hệ mờ thích nghi (ANFIS) phụ thuộc vào dung lượng và chất lượng của tập dữ liệu huấn luyện. Do số lượng sự cố thực tế trên lưới điện xảy ra không nhiều nên việc xây dựng tập dữ liệu mẫu ban đầu đòi hỏi phải kết hợp lượng lớn kịch bản mô phỏng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng ứng dụng và kiểm chứng các thuật toán thông minh trên các đường dây truyền tải 500kV, đường dây nhiều mạch song song có hỗ cảm phức tạp và các tuyến cáp ngầm cao áp.
  • Nghiên cứu phát triển các mô hình lai đa hợp (Hybrid Systems) như ES–FL, ANN–FL, ES–ANN, ES–ANN–FL nhằm tối ưu hóa thời gian huấn luyện và nâng cao độ chính xác khi hệ thống biến đổi cấu hình.
  • Tích hợp trực tuyến thuật toán ANFIS vào phần mềm điều khiển giám sát tại các Trung tâm Điều độ (SCADA/EMS) để tự động hóa hoàn toàn quy trình cảnh báo và định vị sự cố theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các nhóm đối tượng:

  • Kỹ sư điều độ và quản lý vận hành lưới điện (tại EVN, các Trung tâm Điều độ A0, A1, A2, A3, các Công ty Truyền tải điện PTC1, PTC2, PTC3, PTC4): Tham khảo phương pháp phân tích bản ghi sự cố (Sigra 4), đánh giá sai số rơle bảo vệ do sóng hài, điện trở hồ quang $R_F$, bão hòa BI và cách thức ứng dụng rơle kỹ thuật số theo tiêu chuẩn IEC 61850.
  • Kỹ sư thiết kế và thí nghiệm điện: Tham khảo quy trình đo đạc xác định tổng trở đường dây thực tế bằng thiết bị CPC 100, cách tính toán hệ số bù dòng đất $k$ và các giải pháp cấu hình bảo vệ rơle cho đường dây 1 nguồn, 2 nguồn và 3 nguồn cấp.
  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện: Tham khảo phương pháp luận mô hình hóa lưới điện trên Matlab/Simulink, ứng dụng công cụ xử lý tín hiệu cao cấp (Wavelet DWT) và các thuật toán trí tuệ nhân tạo (Hệ mờ, ANN, ANFIS) trong bài toán nhận dạng sự cố.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án phân tích những yếu tố chính nào ảnh hưởng đến độ chính xác của rơle bảo vệ khoảng cách?

Luận án xác định 4 yếu tố chính:

  • Sóng hài: Sóng hài bậc 3 ($I_3/I_1$) và độ méo dạng dòng điện ($THD_i$) do đóng xung kích máy biến áp làm thay đổi dòng tác động khởi động ($I_{pickup}$) và thời gian tác động của rơle.
  • Điện trở sự cố ($R_F$): Làm sai lệch tổng trở đo được trên mặt phẳng phức $R-X$, gây ra tác động vượt cấp hoặc thiếu cấp của đặc tuyến Mho.
  • Sai số của thiết bị đo lường BI, BU: Hiện tượng bão hòa mạch từ của biến dòng (CT) và quá độ của biến điện áp kiểu tụ (CVT).
  • Thông số đường dây: Sai số trong việc xác định tổng trở thứ tự nghịch, thứ tự thuận và thứ tự không làm sai lệch hệ số bù dòng đất $k = (Z_{0L} - Z_{1L})/(3Z_{1L})$.

2. Thuật toán mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) phân loại sự cố trong luận án có cấu trúc như thế nào?

Mạng ANN được xây dựng theo mô hình nhiều lớp truyền thẳng (MLP) gồm:

  • Lớp đầu vào: 4 nơ-ron tiếp nhận giá trị dòng điện hiệu dụng 3 pha ($I_a, I_b, I_c$) và dòng điện thứ tự không ($I_0$).
  • Lớp ẩn: 5 nơ-ron (được xác định thông qua thuật toán tối ưu hóa số lượng nơ-ron dựa trên hàm mục tiêu sai số quân phương MSE nhỏ nhất).
  • Lớp đầu ra: 4 nơ-ron xuất tín hiệu nhị phân để mã hóa và nhận dạng chính xác 10 dạng sự cố (AN, BN, CN, AB, BC, AC, ABN, BCN, ACN, ABC).

3. Phương pháp định vị sự cố bằng sóng truyền kiểu D và kiểu A được tính toán theo công thức nào?

  • Phương pháp kiểu D (đo 2 đầu đường dây qua GPS): $$m = \frac{l - (t_A - t_B) \cdot v}{2}$$ (Trong đó $l$ là chiều dài tuyến dây; $t_A, t_B$ là thời điểm sóng sự cố truyền đến trạm A và B; $v$ là vận tốc truyền sóng).
  • Phương pháp kiểu A (đo 1 đầu đường dây): $$m = \frac{t_3 - t_1}{2} \cdot v$$ (Trong đó $t_1$ là thời điểm nhận sóng đầu tiên từ điểm sự cố; $t_3$ là thời điểm nhận sóng phản hồi đầu tiên).

4. Luận án đã thực nghiệm kiểm chứng mô hình ANFIS trên những đoạn đường dây thực tế nào?

Mô hình định vị sự cố ANFIS được kiểm chứng trên 2 tuyến đường dây thực tế thuộc hệ thống điện miền Trung:

  • Đường dây 110kV Đăk Mil – Đăk Nông: Sử dụng số liệu sự cố thu thập từ năm 2012 đến 2013, kiểm chứng cho các dạng ngắn mạch AN, CN, ACN và so sánh đối chứng với rơle Areva Micom P543.
  • Đường dây 220kV Hòa Khánh – Huế: So sánh khoảng cách tính toán giữa mô hình ANFIS và rơle khoảng cách ABB REL521.
  • Ngoài ra, luận án kiểm chứng thuật toán phân loại mờ trên mô hình đường dây 220kV A Vương – Hòa Khánh.

5. Tác giả đề xuất lựa chọn phương pháp nào là tối ưu nhất cho bài toán phân loại và định vị sự cố?

  • Đối với phân loại dạng sự cố: Đề xuất sử dụng phương pháp Biến đổi Wavelet rời rạc (DWT) vì cho kết quả nhận dạng tức thời, độ chính xác cao và thuật toán xử lý gọn nhẹ.
  • Đối với định vị điểm sự cố: Đề xuất sử dụng mô hình Hệ suy diễn mờ nơ-ron thích nghi (ANFIS) sử dụng dữ liệu đo lường dòng điện và điện áp thời điểm sự cố, giúp loại bỏ ảnh hưởng của điện trở tiếp xúc $R_F$ và sai số thông số đường dây mà không đòi hỏi chi phí đầu tư thiết bị mới.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Vũ Phan Huấn đã giải quyết một cách có hệ thống bài toán nâng cao độ tin cậy trong phân loại và định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện 110kV và 220kV tại Việt Nam. Công trình đã làm rõ các nguyên nhân gây sai số cho bảo vệ rơle truyền thống (sóng hài, điện trở sự cố, bão hòa thiết bị đo) và xây dựng thành công các mô hình xử lý tín hiệu tiên tiến bằng Biến đổi Wavelet, mạng ANN và hệ ANFIS. Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink cùng các dữ liệu thử nghiệm thực tế tại các tuyến đường dây 110kV Đăk Mil – Đăk Nông và 220kV Hòa Khánh – Huế đã chứng minh tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn của các phương pháp đề xuất. Công trình đóng góp cơ sở khoa học quan trọng cho việc hoàn thiện quy trình xử lý sự cố và định hướng đầu tư công nghệ giám sát lưới điện truyền tải cho ngành điện Việt Nam.