Tổng quan luận án

Công trình khoa học mang tên "Nghiên cứu các phương pháp thông minh để phân loại và định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Vũ Phan Huấn, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Kim Hùng, chuyên ngành Mạng và Hệ thống điện (mã số: 62 52 50 05) tại Đại học Đà Nẵng vào năm 2014.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Theo các số liệu thống kê vận hành hệ thống điện được tổng hợp trong luận án, đường dây truyền tải điện chiếm tỷ trọng sự cố rất lớn, dao động từ 80% đến 90% tổng số sự cố của toàn bộ hệ thống lưới truyền tải, phần còn lại xảy ra trên các thiết bị tại trạm biến áp. Đối với đường dây trên không vận hành ở cấp điện áp trên 6kV, sự cố thoáng qua chiếm tỷ lệ 65–70%, trong khi sự cố vĩnh cửu chiếm 30–35%. Các sự cố này bắt nguồn từ nhiều nguyên nhân như quá điện áp khí quyển, sét đánh, dao động dây dẫn, cây cối vi phạm hành lang an toàn lưới điện, suy giảm chất lượng cách điện do sương muối và bụi bẩn, hoặc sự cố cơ học và rò rỉ khí SF6 của máy cắt. Khi xảy ra sự cố vĩnh cửu, cơ cấu hư hỏng thiết bị gồm có: cách điện đường dây chiếm 36–38%, máy biến áp chiếm 10–12%, máy cắt chiếm 3–5%, chống sét van chiếm 6–8%, biến dòng điện và biến điện áp chiếm 2–3%.

Thực tế quản lý vận hành tại Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) cho thấy công tác xác định và truy tìm điểm sự cố phần lớn vẫn phụ thuộc vào quy trình thủ công: nhân viên vận hành phải đi tuần tra dọc tuyến đường dây băng qua địa hình đồi núi hiểm trở để kiểm tra bằng mắt thường. Điều này làm kéo dài thời gian mất điện, gia tăng chi phí sửa chữa và làm giảm độ tin cậy cung cấp điện.

Về mặt công nghệ bảo vệ rơle, các rơle kỹ thuật số hiện đại trang bị tại các trạm biến áp chủ yếu sử dụng thuật toán tính toán tổng trở dựa trên dữ liệu đo lường dòng điện và điện áp tại một đầu đường dây. Thuật toán này bộc lộ sai số đáng kể do chịu ảnh hưởng phức tạp từ điện trở tiếp xúc sự cố ($R_F$), dòng điện phụ tải trước sự cố, nguồn cung cấp từ hai phía đường dây, sai số bão hòa mạch từ của máy biến dòng (BI) và máy biến điện áp (BU). Mặt khác, phương pháp định vị sự cố bằng sóng truyền cao tần tuy có độ chính xác cao nhưng đòi hỏi chi phí đầu tư thiết bị rất lớn (hệ thống đồng bộ thời gian GPS, cảm biến bắt sóng phản xạ chuyên dụng).

Khoảng trống nghiên cứu chính mà luận án xác định là: Tại Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu nào được tiến hành một cách toàn diện, có hệ thống từ lý thuyết đến thực nghiệm nhằm khai thác các phương pháp thông minh (Hệ mờ - Fuzzy Logic, Biến đổi Wavelet, Mạng nơ-ron nhân tạo - ANN, Hệ nơ-ron mờ thích nghi - ANFIS) dựa trên nguồn dữ liệu ghi sự cố sẵn có của rơle số và hệ thống SCADA để vừa phân loại chính xác dạng sự cố, vừa nâng cao độ chính xác của phép định vị điểm sự cố mà không làm phát sinh chi phí mua sắm thiết bị đo lường phụ trợ.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 6 mục tiêu nghiên cứu cụ thể được đánh số theo văn bản như sau:

  1. Hệ thống hóa các phương pháp và công trình nghiên cứu đã được công bố trong lĩnh vực xác định sự cố trong lưới truyền tải điện cao áp.
  2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của rơle và phép tính khoảng cách đến điểm sự cố như sóng hài, điện trở sự cố, sai số BI, sai số BU và thông số đường dây.
  3. Đánh giá các phương pháp định vị sự cố của các hãng sản xuất rơle sử dụng phổ biến tại Việt Nam cho sơ đồ đường dây truyền tải sử dụng dữ liệu đo dòng điện, điện áp tại một, hai hoặc ba phía của đường dây.
  4. Nghiên cứu sử dụng Fuzzy Logic và biến đổi Wavelet cho bài toán phân loại dạng sự cố lưới điện.
  5. Nghiên cứu tìm hiểu bản chất và những ứng dụng của trí tuệ nhân tạo để từ đó xây dựng quy trình huấn luyện, thử nghiệm mạng ANN và ANFIS trong việc phân loại và định vị sự cố lưới điện.
  6. Trình bày kết quả mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink nhằm minh chứng tính chính xác và tin cậy của các phương pháp; đồng thời ứng dụng khảo sát trên lưới điện thực tế của Hệ thống điện Miền Trung để kiểm chứng tính đúng đắn của phương pháp đề xuất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các thuật toán, phương pháp phân loại và định vị sự cố trong lĩnh vực bảo vệ rơle kỹ thuật số (của các hãng sản xuất như ABB, AREVA, SEL, SIEMENS, TOSHIBA...), hệ thống giám sát thu thập dữ liệu SCADA, cùng các giải thuật tính toán thông minh gồm Fuzzy Logic (FL), biến đổi Wavelet (WT), Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và Hệ nơ-ron mờ thích nghi (ANFIS).
  • Phạm vi nghiên cứu: Lưới truyền tải điện cao áp cấp điện áp 110kV và 220kV thuộc Hệ thống điện Việt Nam. Thực nghiệm kiểm chứng tập trung vào các đường dây truyền tải thuộc khu vực Miền Trung: đường dây 110kV Đăk Mil – Đăk Nông, đường dây 220kV Hoà Khánh – Huế và mô hình đường dây 220kV A Vương – Hoà Khánh, với chuỗi số liệu sự cố thu thập trong giai đoạn 2012–2013.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế, phân chia các công trình thành 1 giải pháp kỹ thuật quản lý vận hành và 4 hướng nghiên cứu chính:

1. Giải pháp kỹ thuật quản lý vận hành

Tập trung vào quy trình điều độ theo thứ bậc kết hợp hiện đại hóa trạm biến áp theo tiêu chuẩn IEC 61850 và tích hợp hệ thống SCADA/EMS để giám sát từ xa theo thời gian thực (trích dẫn các tài liệu vận hành ngành điện [4], [5], [14], [15], [24], [46]). Hạn chế của giải pháp này là vẫn dựa nhiều vào phán đoán chủ quan của điều độ viên và việc xử lý tại chỗ bằng phương pháp thủ công.

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

Phương pháp này tính toán khoảng cách sự cố $m$ dựa trên giá trị dòng điện, điện áp cơ bản tần số công nghiệp (50Hz):

  • Phương pháp đo tại một đầu đường dây: Công trình của Eriksson et al. (1985) [76] đưa mô hình nguồn hai phía vào tính toán để bù điện kháng, đạt sai số khoảng 3% chiều dài đường dây. Richards và Tan [100] tính toán cho đường dây 100 dặm, đạt sai số 1% khi điện trở sự cố $R_F < 30\Omega$ và 6% khi $R_F = 100\Omega$. Sachdev và Agarwal [78] sử dụng thành phần thứ tự thuận với sai số mô phỏng dưới 5%. Mohan Saha [63] đề xuất thuật toán cho đường dây song song không sử dụng thành phần thứ tự không nhằm triệt tiêu ảnh hưởng của tổng trở nguồn và $R_F$.
  • Phương pháp đo tại hai đầu và nhiều đầu đường dây: Jiang, Brahma, Girgis, Lee, Liao và Izykowski [51] phát triển giải thuật đo lường đồng bộ hoặc không đồng bộ 2–3 đầu đường dây, loại bỏ sự phụ thuộc vào thông số đường dây. Hong và Colwell (1997) [56] xây dựng hệ thống 15 công thức giải tích dựa trên dữ liệu lọc biến đổi Fourier nhanh (FFT) và thành phần thứ tự nghịch. Maja Knezev (2007) [82] đề xuất thuật toán tự động lựa chọn phương pháp định vị tối ưu dựa trên cấu hình mạng điện.
  • Phương pháp ứng dụng thiết bị đo lường đồng bộ góc pha (PMU): Các công trình của Jiang et al. (2000), Chen et al. (2002), Yu et al., Lopes (2013) [48] sử dụng dữ liệu PMU được đồng bộ qua GPS (sai số thời gian $< 1\mu s$, sai số góc pha $< 0.8^\circ$) truyền về bộ tập hợp dữ liệu PDC. Brahma (2006) xây dựng ma trận tổng trở thanh cái thứ tự thuận để định vị trên lưới đa nguồn. Bài toán tối ưu hóa số lượng và vị trí đặt PMU bằng giải thuật di truyền (GA) được khảo sát bởi Burnett et al. (1994), Lien et al. (2006), Wang et al. (2007), S. Geramian et al. (2008), K. Mazlumi et al. (2008), S. El Safty et al. (2008) trên lưới điện truyền tải 230kV gồm 41 thanh cái tại Tehran [66], [67], [102], [103].
  • Tính toán thông số đường dây trực tuyến: Lin et al. (2004), Brahma và Girgis (2004), Yu et al. (2002), F. Chunju et al. (2007) [47], [77] sử dụng dữ liệu PMU để cập nhật liên tục tổng trở và điện dung đường dây trong quá trình tính toán.
  • Khắc phục bão hòa biến dòng (BI): Rosolowski [79], Abdullah Assuhaimi Mohd Zin (2009) [25] đề xuất thuật toán bù dòng điện; Brahma và Girgis (2004) [35] sử dụng giải thuật chỉ đo điện áp hai đầu; các hãng ABB và AREVA đề xuất biến dòng quang phi truyền thống NCIT [39].

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

Sử dụng các thiết bị định vị sóng truyền thương mại (như của QUALITROL, NIPPON, KINKEI, ISA, SEL) với các nguyên lý:

  • Loại D (đo tại hai đầu đường dây qua GPS): $m = \frac{l - (t_A - t_B)v}{2}$.
  • Loại A (đo sóng tới và sóng phản xạ tại một đầu): $m = \frac{t_3 - t_1}{2}v$.
  • Loại E (đo thời gian phản xạ khi đóng máy cắt vào đường dây hở): $m = \frac{t_2 - t_1}{2}v$.

Các công trình tiêu biểu gồm: Bo Z.Q, Weller G., Redfern M.A. (1999) [34] phát hiện sự cố bằng tín hiệu 1–10 MHz; Zeng Xiangjun et al. (2001) [130] áp dụng cho lưới siêu cao áp; Krzysztof Glik, Désiré Dauphin Rasolomampionona, Ryszard Kowalik (2012) [74] ứng dụng sóng truyền kết hợp Wavelet; Ngaopitakkul [65] dùng biến đổi Wavelet rời rạc (DWT) với hàm sóng mẹ Daubechies 4 (db4); A. Peretto et al. [19] dùng biến đổi Wavelet liên tục (CWT); Qin Jian Chen et al. (1998) [96]; S. Abdelsalam Elhaffar, Matti Lehtonen (2008) [20]; P. McLaren [93]; Yan F. et al. (2002) [127] ứng dụng gói Wavelet (Wavelet packets) để phân tách ma trận năng lượng cao tần.

4. Hướng nghiên cứu dựa trên kỹ thuật hệ thống thông minh

  • Hệ chuyên gia (ES) và Logic mờ (FL): Horowitz và Phadke (1995), Couly và Jorge (1998), Wang và Keerthipala (1998) [56].
  • Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN): Dalstein và Kulicke (1995), Kezunovic et al. (1995, 1996) [107], Sanaye-Pasand et al. (1998, 1999, 2006), Jain et al. (2006), Coury et al. (2002), Rikalo, Sobajic và Kezunovic, Chen và Maun, Kapuduwage [104]. Tahar Bouthiba (2004) [72] thiết kế mạng ANN định vị sự cố cho đường dây siêu cao áp từ dữ liệu một đầu.
  • Hệ nơ-ron mờ thích nghi (ANFIS): Khosravi A.A. (2007) [72] phát triển mô hình ANFIS khoanh vùng sự cố; Ramadoni Syahputra (2013) dùng ANFIS trên phần mềm EDSA và Matlab cho đường dây 500kV với $R_F = 0 - 100\Omega$, đạt sai số từ 0.3% đến 0.5%.

5. Hướng nghiên cứu dựa trên phương pháp lai

Kết hợp các ưu điểm riêng rẽ: Wavelet + Fuzzy Logic (Youssef et al., 2004; Reddy et al., 2006, 2007; Pradhan et al., 2004; Zhang et al., 2007; Valsan et al., 2009; Da Silva et al., 2010 [88]); Wavelet + ANN (Yildirim, 2008 [113]; Martin et al., 2003); Wavelet + ANFIS (Chunju et al.); ANN + FL (K. Kim et al. [3]); và so sánh Fourier với Wavelet (Das et al. [113]).

Vị trí và khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án định vị trọng tâm vào việc giải quyết bài toán thực tế của lưới điện Việt Nam: kết hợp dữ liệu ghi sự cố thực tế từ các rơle kỹ thuật số sẵn có tại trạm (SEL, Siemens, Alstom MiCOM, ABB) với các công cụ toán học thông minh (Fuzzy Logic, DWT, ANN và ANFIS). Luận án xây dựng quy trình phân loại dạng sự cố tự động và mô hình mạng ANFIS định vị điểm sự cố có khả năng tự thích ứng cao với sự thay đổi của điện trở sự cố và chế độ vận hành lưới điện, không đòi hỏi lắp đặt thêm thiết bị sóng truyền GPS đắt tiền.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  1. Lý thuyết phân tích thành phần đối xứng (Thành phần thứ tự): Sử dụng các đại lượng dòng điện thứ tự thuận ($I_1$), thứ tự nghịch ($I_2$) và thứ tự không ($I_0$). Luận án thiết lập mối quan hệ góc pha và tỷ số độ lớn giữa các thành phần thứ tự để xây dựng 4 biến ngôn ngữ đầu vào cho hệ mờ phân loại sự cố:
    • $\alpha$: Góc lệch pha giữa dòng thứ tự nghịch và dòng thứ tự thuận ($\arg(I_2/I_1)$).
    • $\beta$: Góc lệch pha giữa dòng thứ tự không và dòng thứ tự thuận ($\arg(I_0/I_1)$).
    • $R_{21}$: Tỷ số độ lớn giữa dòng thứ tự nghịch và dòng thứ tự thuận ($|I_2|/|I_1|$).
    • $R_{02}$: Tỷ số độ lớn giữa dòng thứ tự không và dòng thứ tự nghịch ($|I_0|/|I_2|$).
  2. Lý thuyết biến đổi Wavelet (WT): Áp dụng phân tích đa phân giải rời rạc (Discrete Wavelet Transform - DWT) sử dụng hàm sóng mẹ Daubechies 4 (db4). Phép biến đổi thực hiện phân tích tín hiệu dòng điện các pha ($I_a, I_b, I_c$) và dòng thứ tự không ($I_0$) thành các hệ số chi tiết (Detail coefficients - $D$) và hệ số xấp xỉ (Approximation coefficients - $A$) ở các mức phân giải khác nhau để nhận diện thời điểm xuất hiện và dạng sự cố.
  3. Lý thuyết Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN): Sử dụng cấu trúc mạng truyền thẳng nhiều lớp (Multilayer Perceptron - MLP), thuật toán huấn luyện lan truyền ngược sai số (Backpropagation) với tiêu chuẩn dừng dựa trên sai số quân phương (MSE) hoặc sai số căn quân phương (RMSE). Luận án xây dựng thuật toán quét tự động để tối ưu hóa số lượng nơ-ron trong lớp ẩn.
  4. Lý thuyết Hệ nơ-ron mờ thích nghi (ANFIS): Sử dụng cấu trúc mạng 5 lớp dựa trên mô hình suy diễn mờ Takagi-Sugeno:
    • Lớp 1: Mờ hóa các biến đầu vào bằng các hàm thuộc (membership functions).
    • Lớp 2: Tính toán độ thỏa dụng (độ kích hoạt) của từng luật mờ (thao tác nhân T-norm).
    • Lớp 3: Chuẩn hóa độ thỏa dụng của các luật mờ.
    • Lớp 4: Tính toán kết luận của từng luật theo hàm tuyến tính bậc nhất.
    • Lớp 5: Giải mờ bằng phương pháp tính tổng có trọng số để đưa ra giá trị khoảng cách điểm sự cố. Thuật toán huấn luyện lai (Hybrid learning algorithm) kết hợp phương pháp giảm độ dốc và ước lượng bình phương tối thiểu.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Nghiên cứu mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink kết hợp các hộp công cụ chuyên dụng (Fuzzy Logic Toolbox, Neural Network Toolbox, ANFIS) để mô phỏng lưới điện truyền tải 110kV và 220kV với đầy đủ các kịch bản: 10 dạng sự cố ngắn mạch, thay đổi vị trí sự cố dọc theo chiều dài đường dây (từ 0% đến 100%), thay đổi giá trị điện trở sự cố ($R_F = 0\Omega, 10\Omega, 20\Omega, 50\Omega, 100\Omega$), góc đóng máy cắt và các chế độ phụ tải.
  • Phương pháp thực nghiệm và thiết bị đo lường:
    • Thu thập, trích xuất và phân tích bản ghi sự cố định dạng chuẩn COMTRADE từ rơle bảo vệ thông qua phần mềm chuyên dụng Siemens Sigra 4.
    • Sử dụng hợp bộ thử nghiệm bảo vệ rơle chuyên dụng Omicron CMC kết hợp phần mềm Quick CMC test view để kiểm tra các rơle số (SEL-421, Siemens 7SJ622).
    • Sử dụng máy phân tích chất lượng điện năng Fluke 434 để đo lường sóng hài và độ méo dạng dòng điện ($THDi$).
    • Sử dụng hợp bộ đo lường thông số đường dây và trở kháng Omicron CPC 100 để xác định chính xác tổng trở thứ tự thuận, thứ tự không và hệ số bù thứ tự không $k$ của đường dây truyền tải.
    • Thử nghiệm giao thức truyền thông và khối ghép nối Merging Unit (MU) theo tiêu chuẩn IEC 61850 thông qua phần mềm SVScout.

Nguồn tư liệu và dữ liệu nghiên cứu

  • Dữ liệu thông số kỹ thuật, bản ghi sự cố thực tế và nhật ký vận hành tại các trạm biến áp: TBA 110kV Đăk Mil, TBA 110kV Đăk Nông, TBA 110kV Đông Hà, TBA 220kV Hoà Khánh, TBA 220kV Huế và TBA 500kV Đà Nẵng trong giai đoạn 2012–2013.
  • Cơ sở dữ liệu lưu trữ dưới dạng bảng tính Excel và tệp COMTRADE từ các đơn vị quản lý lưới truyền tải điện miền Trung.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan các phương pháp phân loại và định vị sự cố

Chương 1 hệ thống hóa bức tranh toàn cảnh về các giải pháp kỹ thuật xác định sự cố trên lưới truyền tải. Tác giả phân tích cấu trúc hệ thống tự động hóa trạm biến áp theo chuẩn IEC 61850 và các miền tương tác của lưới điện thông minh (Smart Grid). Luận án trình bày chi tiết cơ sở toán học của phương pháp đo tổng trở ở tần số cơ bản tại một đầu đường dây trên mô hình đường dây đồng nhất:

Điện áp đo trên rơle tại đầu A: $$U_A = m \cdot Z_L \cdot I_A + R_F \cdot I_F$$

Từ đó suy ra công thức tổng quát tính toán khoảng cách sự cố $m$: $$m = \frac{\text{Im}\left( \frac{U_A}{I_A} \right)}{X_L}$$

Bảng 1.1: Công thức tính tổng trở sự cố thứ tự thuận theo từng kiểu sự cố

Kiểu sự cố Tổng trở thứ tự thuận ($m \cdot Z_L$) Ghi chú đại lượng
Pha A chạm đất (AN) $\frac{U_a}{I_a + k \cdot I_0}$ $k = \frac{Z_{0L} - Z_{1L}}{3Z_{1L}}$; $I_0$ là dòng thứ tự không
Ngắn mạch pha-pha (AB) hoặc (ABN) $\frac{U_{ab}}{I_{ab}}$ $U_{ab} = U_a - U_b$; $I_{ab} = I_a - I_b$
Ngắn mạch pha-pha (BC) hoặc (BCN) $\frac{U_{bc}}{I_{bc}}$ $U_{bc} = U_b - U_c$; $I_{bc} = I_b - I_c$
Ngắn mạch pha-pha (AC) hoặc (ACN) $\frac{U_{ac}}{I_{ac}}$ $U_{ac} = U_a - U_c$; $I_{ac} = I_a - I_c$
Ngắn mạch ba pha (ABC) $\frac{U_{ab}}{I_{ab}}, \frac{U_{bc}}{I_{bc}}, \frac{U_{ac}}{I_{ac}}$ Tính toán tương đương trên cả ba vòng lặp pha

Chương này cũng tổng hợp nguyên lý hoạt động và công thức tính toán của các bộ định vị sự cố bằng sóng truyền loại D, loại A, loại E, đồng thời phân tích kiến trúc mạng ANN (mạng truyền thẳng MLP, RBF, SOM, Hopfield, Elman) và cấu trúc 5 lớp của mạng ANFIS.

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 vật lý và kỹ thuật gây sai số cho các thuật toán bảo vệ và định vị sự cố:

  1. Ảnh hưởng của sóng hài:
    • Thực nghiệm đo đạc dòng đóng xung kích máy biến áp T1 tại TBA 110kV Đông Hà bằng thiết bị Fluke 434 cho thấy dòng điện chứa thành phần sóng hài bậc 3 và bậc 5 rất lớn. Luận án chỉ ra mối quan hệ giữa tỷ số sóng hài bậc 3 ($I_3/I_1$), tổng độ méo dạng dòng điện ($THDi$) và dòng điện tác động của rơle ($I_{pickup}$), làm méo dạng tín hiệu đo lường trong phần mềm Sigra 4.
  2. Ảnh hưởng của điện trở sự cố ($R_F$):
    • Phân tích cơ chế dịch chuyển đặc tính làm việc của rơle khoảng cách trên mặt phẳng tổng trở phức (đặc tính Mho và đặc tính tứ giác). Khi đường dây có nguồn cung cấp từ hai phía, dòng điện qua điểm sự cố $I_F = I_A + I_B$ làm cho trở kháng đo lường tại đầu A bị cộng thêm một thành phần phức $R_F \cdot (I_B / I_A)$, dẫn đến hiện tượng rơle tác động thiếu (underreach) hoặc tác động thừa (overreach).
  3. Ảnh hưởng của sai số biến dòng (BI) và biến điện áp (BU):
    • Hiện tượng bão hòa mạch từ của lõi thép BI khi xảy ra ngắn mạch lớn làm biến dạng dòng điện thứ cấp, dẫn đến sai số góc pha và biên độ. Luận án khảo sát giải pháp sử dụng biến dòng không truyền thống (NCIT) kết hợp kiểm tra truyền thông dữ liệu mẫu Merging Unit (MU) qua phần mềm SVScout theo tiêu chuẩn IEC 61850.
  4. Ảnh hưởng của việc xác định thông số đường dây:
    • Khảo sát phương pháp tính toán và đo đạc thực tế thông số trở kháng thứ tự thuận $Z_{1L}$, thứ tự không $Z_{0L}$ và hệ số bù đất $k$. Thực nghiệm kiểm tra hiển thị trên hợp bộ đo Omicron CPC 100 xác nhận rằng thông số tính toán lý thuyết thường có độ lệch so với thông số đo thực tế do ảnh hưởng của điện trở suất đất và nhiệt độ môi trường.

Chương 3: Phân tích, đánh giá phương pháp định vị điểm sự cố của rơle kỹ thuật số

Chương 3 khảo sát chi tiết các thuật toán định vị sự cố tích hợp trong rơle kỹ thuật số thương mại của các hãng chế tạo hàng đầu:

  • Phần mềm phân tích bản ghi sự cố Sigra 4: Đánh giá chức năng đọc, giải mã tệp bản ghi sự cố COMTRADE, tính toán vector phasor dòng, áp và ước lượng vị trí ngắn mạch.
  • Phương pháp định vị sử dụng dữ liệu một đầu đường dây:
    • Khảo sát thuật toán của các hãng SEL (như SEL-421), GE, TOSHIBA, SIEMENS (như 7SJ622), ABB và AREVA (như MiCOM P545).
    • Kết quả thử nghiệm trên thiết bị SEL-421 và 7SJ622 bằng hợp bộ thử nghiệm Omicron CMC (sử dụng công cụ Quick CMC test view) cho thấy: khi sự cố trực tiếp ($R_F = 0\Omega$), sai số định vị nhỏ hơn 2%; tuy nhiên khi $R_F$ tăng cao kết hợp với nguồn cấp hai phía, sai số khoảng cách tăng lên rõ rệt.
  • Phương pháp định vị sử dụng dữ liệu hai đầu đường dây:
    • Đánh giá giải thuật của TOSHIBA và SEL. Phân tích sơ đồ thay thế các thành phần thứ tự khi ngắn mạch một pha chạm đất; chứng minh phương pháp đo hai đầu loại bỏ được ảnh hưởng của điện trở sự cố $R_F$ và dòng tải trước sự cố.
  • Phương pháp định vị sử dụng dữ liệu ba đầu đường dây:
    • Phân tích giải thuật đo không đồng bộ của SEL, giải thuật đo đồng bộ dòng - áp của TOSHIBA, và giải thuật sử dụng phép biến đổi Clarke mở rộng của GE áp dụng cho lưới đường dây ba nguồn cung cấp (như mô hình đường dây TPP Plomin – SS Sijana – SS Vincent tại Croatia và đường dây 400kV tại Thụy Điển).
  • Đề xuất của luận án: Trong điều kiện lưới điện Việt Nam chưa đồng bộ hoàn toàn kênh truyền thời gian thực GPS tại tất cả các trạm, giải pháp định vị sử dụng dữ liệu không đồng bộ hai đầu đường dây, hoặc khai thác dữ liệu bản ghi một đầu làm đầu vào cho các giải thuật thông minh là hướng đi phù hợp nhất.

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 giải thuật thông minh phục vụ phân loại 10 dạng sự cố ngắn mạch (AN, BN, CN, AB, BC, CA, ABN, BCN, CAN, ABC):

  1. Phân loại bằng Hệ mờ (Fuzzy Logic):
    • Xây dựng hệ thống suy diễn mờ với 4 biến đầu vào ($\alpha, \beta, R_{21}, R_{02}$) và 1 biến đầu ra chỉ thị dạng sự cố.
    • Luận án xây dựng bảng giá trị đặc trưng của các biến ngôn ngữ tương ứng 10 kiểu sự cố:

Bảng 4.1: Giá trị đặc trưng các biến thành phần thứ tự tương ứng 10 kiểu sự cố

Kiểu sự cố Dải góc lệch $\alpha$ Dải góc lệch $\beta$ Tỷ số $R_{21}$ Tỷ số $R_{02}$
AN $\approx 0^\circ$ $\approx 0^\circ$ $\approx 1.0$ $\approx 1.0$
BN $\approx 120^\circ$ $\approx -120^\circ$ $\approx 1.0$ $\approx 1.0$
CN $\approx -120^\circ$ $\approx 120^\circ$ $\approx 1.0$ $\approx 1.0$
AB $\approx 180^\circ$ Không xác định ($I_0 \approx 0$) $\approx 1.0$ $\approx 0$
BC $\approx -60^\circ$ Không xác định ($I_0 \approx 0$) $\approx 1.0$ $\approx 0$
AC $\approx 60^\circ$ Không xác định ($I_0 \approx 0$) $\approx 1.0$ $\approx 0$
ABN $\approx 180^\circ$ Thay đổi theo $R_F$ $\approx 1.0$ $0 < R_{02} < 1$
BCN $\approx -60^\circ$ Thay đổi theo $R_F$ $\approx 1.0$ $0 < R_{02} < 1$
ACN $\approx 60^\circ$ Thay đổi theo $R_F$ $\approx 1.0$ $0 < R_{02} < 1$
ABC Không xác định ($I_2 \approx 0$) Không xác định ($I_0 \approx 0$) $\approx 0$ $\approx 0$
  1. Phân loại bằng Biến đổi Wavelet (DWT):
    • Sử dụng Wavelet db4 phân tích tín hiệu dòng điện pha $I_a, I_b, I_c$ và dòng $I_0$. Thuật toán so sánh năng lượng hệ số chi tiết mức 1 ($D_1$) với ngưỡng dòng sự cố cài đặt để nhận dạng chính xác dạng sự cố trong khoảng thời gian dưới 1 chu kỳ sóng cơ bản.
  2. Phân loại bằng Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN):
    • Thiết kế mạng nơ-ron truyền thẳng gồm: 4 nơ-ron lớp đầu vào (dòng hiệu dụng 3 pha và dòng đất), 1 lớp ẩn với 5 nơ-ron (được lựa chọn tối ưu qua thuật toán quét số lượng nơ-ron), và 4 nơ-ron ở lớp đầu ra mã hóa nhị phân 10 dạng sự cố (Bảng 4.4, Hình 4.19). Huấn luyện bằng thuật toán Levenberg-Marquardt trên mô hình đường dây 110kV và 220kV.
  3. Phân loại bằng Hệ ANFIS:
    • Cấu trúc ANFIS 4 đầu vào, 1 đầu ra. Mô hình hóa và kiểm chứng trên hệ thống điện mô phỏng đường dây 220kV A Vương – Hoà Khánh. Kết quả cho thấy phương pháp Wavelet và ANFIS đạt tốc độ nhận dạng nhanh và độ chính xác phân loại tuyệt đối đối với tất cả các kịch bản mô phỏng.

Chương 5: Sử dụng phương pháp thông minh ANN, ANFIS để định vị sự cố đường dây tải điện

Chương 5 tập trung xây dựng mô hình và đánh giá hiệu năng định vị sự cố của mạng ANN và mạng ANFIS:

  1. Xây dựng mô hình mạng ANN định vị sự cố:
    • Đầu vào là các vector giá trị hiệu dụng dòng điện, điện áp và góc pha trước/trong sự cố; đầu ra là khoảng cách từ đầu trạm đến điểm sự cố ($m$).
    • Đánh giá kiến trúc mạng (Bảng 5.2) qua các chỉ số sai số huấn luyện và kiểm tra.
  2. Xây dựng mô hình ANFIS định vị sự cố:
    • Cấu trúc ANFIS (Bảng 5.3) gồm 4 đầu vào ($U, I, \cos\varphi, R_F$), các hàm thuộc dạng Gauss hoặc chuông (gbellmf), tối ưu hóa tham số bằng thuật toán lai. ANFIS thể hiện ưu thế vượt trội về khả năng xấp xỉ hàm phi tuyến so với ANN truyền thống, hội tụ nhanh và sai số nhỏ hơn.
  3. Thí nghiệm kiểm chứng trên đường dây thực tế:
    • Đường dây 110kV Đăk Mil – Đăk Nông: Thu thập dữ liệu vận hành và bản ghi sự cố từ năm 2012 đến 2013 (Bảng 5.4). Huấn luyện mạng ANFIS với các thông số cài đặt cụ thể (Bảng 5.5, 5.6). Thực hiện kiểm tra định vị các sự cố thực tế pha A chạm đất (AN), pha C chạm đất (CN) và hai pha chạm đất (ACN) (Bảng 5.7, 5.8, 5.9). So sánh kết quả định vị của ANFIS với rơle bảo vệ đường dây Alstom MiCOM P543 tại TBA 110kV Đăk Mil (Bảng 5.10) cho thấy sai số của ANFIS nhỏ hơn đáng kể so với chức năng định vị tích hợp sẵn trên rơle P543.
    • Đường dây 220kV Hoà Khánh – Huế: Tổng hợp số liệu sự cố thực tế (Bảng 5.11). Cài đặt và huấn luyện kiến trúc ANFIS định vị sự cố đặt tại TBA 220kV Hòa Khánh (Bảng 5.13, 5.14). So sánh kết quả tính toán định vị giữa rơle ABB REL521 và ANFIS (Bảng 5.12) khẳng định ANFIS xác định vị trí điểm sự cố với sai số thấp, bám sát vị trí kiểm tra thực tế trên tuyến đường dây.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận khoa học

  1. Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết định vị sự cố: Tổng kết, phân loại và phân tích sâu sắc các giải pháp xác định điểm sự cố từ phương pháp tổng trở tần số cơ bản (1 đầu, 2 đầu, 3 đầu đường dây), phương pháp sóng truyền cao tần (loại A, D, E) đến các kỹ thuật trí tuệ nhân tạo hiện đại.
  2. Làm rõ bản chất các nguồn sai số: Định lượng và mô hình hóa giải tích tác động của các yếu tố vật lý phức tạp (sóng hài đóng xung kích MBA, điện trở tiếp xúc sự cố $R_F$ dưới nguồn cấp hai phía, bão hòa mạch từ BI, sai số góc pha BU và độ trôi thông số trở kháng đường dây) đến vùng làm việc của bảo vệ khoảng cách.
  3. Thiết lập cơ chế phân loại sự cố dựa trên thành phần thứ tự và logic mờ: Cụ thể hóa mối quan hệ giữa góc lệch pha ($\alpha, \beta$) và tỷ số biên độ ($R_{21}, R_{02}$) của các vector dòng thứ tự thuận, nghịch, không để xây dựng tập luật mờ tường minh nhận dạng chính xác 10 dạng sự cố.
  4. Tối ưu hóa cấu trúc mạng ANN và ANFIS: Xây dựng thuật toán quét tự động lựa chọn số lượng nơ-ron lớp ẩn tối ưu cho mạng ANN (4 nơ-ron đầu vào, 5 nơ-ron lớp ẩn, 4 nơ-ron đầu ra) và thiết lập mô hình nơ-ron mờ ANFIS lai với sai số hội tụ nhỏ nhất phục vụ phép tính khoảng cách sự cố.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Giải pháp công nghệ phù hợp với điều kiện Việt Nam: Chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng mạng ANFIS để định vị sự cố đường dây truyền tải bằng cách tận dụng trực tiếp dữ liệu bản ghi sự cố COMTRADE sẵn có từ rơle kỹ thuật số và hệ thống SCADA hiện hữu, giúp nâng cao độ chính xác định vị mà không cần đầu tư hệ thống định vị sóng truyền GPS đắt tiền.
  2. Kiểm chứng thành công trên lưới điện thực tế: Thuật toán ANFIS đề xuất đã được kiểm chứng trực tiếp bằng các dữ liệu sự cố thực tế ghi nhận trên đường dây 110kV Đăk Mil – Đăk Nông và đường dây 220kV Hoà Khánh – Huế trong giai đoạn 2012–2013, cho kết quả định vị chính xác hơn các rơle kỹ thuật số thương mại đang vận hành tại trạm (MiCOM P543, ABB REL521).
  3. Kiến nghị quy trình quản lý và đầu tư công nghệ cho EVN: Đề xuất giải pháp xây dựng hệ thống thu thập và phân tích dữ liệu tập trung tại Trung tâm Điều độ, làm cơ sở xây dựng quy trình chuẩn hóa công tác xử lý sự cố lưới điện truyền tải 110kV – 220kV cho ngành điện Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Dữ liệu sự cố thực tế trên lưới truyền tải điện xảy ra với tần suất không nhiều, do đó tập mẫu số liệu thực tế dùng để huấn luyện mạng ANN và ANFIS còn hạn chế; phần lớn dữ liệu huấn luyện mở rộng vẫn phải kết hợp từ mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.
  • Phạm vi kiểm chứng thực nghiệm chủ yếu tập trung trên các tuyến đường dây truyền tải trên không cấp điện áp 110kV và 220kV thuộc khu vực miền Trung, có cấu hình đường dây hai đầu nguồn hoặc ba đầu nguồn cơ bản.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng nghiên cứu và kiểm chứng giải thuật thông minh cho các dạng cấu hình đường dây phức tạp hơn trong hệ thống điện: đường dây có nhiều nhánh rẽ, đường dây siêu cao áp 500kV có tụ bù dọc (cố định hoặc điều khiển TCSC), và hệ thống đường dây kết hợp cáp ngầm cao áp.
  • Nghiên cứu kết hợp các giải thuật lai bậc cao (như kết hợp Biến đổi Wavelet với ANFIS hoặc Hệ chuyên gia với mạng Nơ-ron) nhằm tự động hóa hoàn toàn chu trình từ trích xuất tín hiệu, phân loại dạng sự cố đến định vị vị trí theo thời gian thực.
  • Xây dựng module phần mềm ứng dụng tích hợp trực tiếp vào hệ thống SCADA/EMS tại các Trung tâm Điều độ Hệ thống điện để tự động nhận dạng và xuất tọa độ điểm sự cố ngay sau khi nhận tệp COMTRADE từ các trạm biến áp.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu kỹ thuật chuyên khảo có giá trị ứng dụng và tham khảo đối với nhiều đối tượng trong ngành kỹ thuật điện:

  1. Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Mạng và Hệ thống điện, Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa:
    • Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về cơ sở toán học của các thành phần đối xứng, lý thuyết biến đổi Wavelet (DWT), mạng nơ-ron nhân tạo và hệ suy diễn mờ ANFIS ứng dụng trong hệ thống điện.
    • Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điện quá độ trên phần mềm Matlab/Simulink.
  2. Đối với giảng viên và các nhà nghiên cứu:
    • Cung cấp nguồn học liệu chuyên sâu cho các môn học: Bảo vệ Rơle và Tự động hóa trong Hệ thống điện, Quá độ điện từ trong Hệ thống điện, Ứng dụng Trí tuệ nhân tạo trong Kỹ thuật điện.
    • Nguồn tổng quan tài liệu phong phú với hơn 130 công trình trong và ngoài nước được phân loại khoa học theo 5 nhóm hướng nghiên cứu.
  3. Đối với kỹ sư bảo vệ rơle, kỹ sư phương thức và điều độ viên tại EVN, EVNNPT và các Trung tâm Điều độ (A0, A1, A2, A3):
    • Nội dung Chương 2 và Chương 3 là cẩm nang thực tế hữu ích về cách phân tích bản ghi sự cố bằng phần mềm Sigra 4, đánh giá sai số của các rơle bảo vệ SEL, Siemens, ABB, Areva, Toshiba.
    • Hướng dẫn thực hành đo đạc thông số đường dây thực tế bằng hợp bộ Omicron CPC 100 và phân tích sóng hài bằng Fluke 434 để hiệu chỉnh chính xác thông số cài đặt cho rơle khoảng cách tại các trạm biến áp.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu các dạng sự cố trên hệ thống đường dây truyền tải điện theo số liệu thống kê trong luận án được phân bố như thế nào?

Theo thống kê trong luận án, đường dây truyền tải chiếm 80–90% tổng số sự cố của hệ thống điện. Đối với đường dây cấp điện áp $> 6\text{kV}$, sự cố thoáng qua chiếm 65–70% (chủ yếu do sét, quá điện áp khí quyển, dao động dây dẫn, cây cối vi phạm hành lang), sự cố vĩnh cửu chiếm 30–35%. Trong các sự cố vĩnh cửu, nguyên nhân do cách điện đường dây chiếm 36–38%, máy biến áp chiếm 10–12%, máy cắt chiếm 3–5%, chống sét van chiếm 6–8%, biến dòng và biến điện áp chiếm 2–3%.

2. Sự khác biệt về nguyên lý đo lường giữa các phương pháp định vị sự cố bằng sóng truyền loại D, loại A và loại E là gì?

  • Loại D: Đo lường thời gian sóng truyền đến tại cả hai đầu đường dây ($t_A, t_B$) thông qua hai bộ định vị đồng bộ thời gian bằng GPS; khoảng cách tính theo công thức: $m = \frac{l - (t_A - t_B)v}{2}$.
  • Loại A: Phân tích sóng truyền tại một đầu đường dây bằng cách đo thời gian sóng đầu tiên truyền đến ($t_1$) và sóng phản xạ đầu tiên từ điểm sự cố quay về ($t_3$); khoảng cách tính theo: $m = \frac{t_3 - t_1}{2}v$.
  • Loại E: Thực hiện đo lường tại một đầu đường dây khi đóng máy cắt vào đường dây không mang điện; khoảng cách tính dựa trên thời gian phát xung đóng ($t_1$) và thời gian sóng phản hồi từ điểm ngắn mạch/đứt dây ($t_2$) theo công thức: $m = \frac{t_2 - t_1}{2}v$.

3. Những nguyên nhân chính nào gây ra sai số cho phương pháp định vị sự cố dựa trên tổng trở đo tại một đầu đường dây?

Sai số xuất phát từ 4 yếu tố chính:

  • Sự xuất hiện của điện trở tiếp xúc sự cố ($R_F$) kết hợp với dòng điện cung cấp từ nguồn phía đối diện tạo ra góc lệch pha giữa dòng đo lường tại trạm và dòng thực tế tại điểm ngắn mạch.
  • Dòng điện phụ tải chạy trên đường dây trước thời điểm xảy ra sự cố.
  • Hiện tượng bão hòa mạch từ của máy biến dòng (BI) và sai số biến đổi của máy biến điện áp (BU) trong quá trình quá độ.
  • Sai lệch giữa thông số trở kháng đường dây ($Z_{1L}, Z_{0L}$) cài đặt trên rơle so với thông số vận hành thực tế do ảnh hưởng của môi trường và nhiệt độ.

4. Luận án sử dụng những thông số đầu vào nào để nhận dạng và phân loại 10 dạng sự cố bằng hệ mờ (Fuzzy Logic)?

Luận án sử dụng 4 biến đầu vào được tính toán từ các vector thành phần thứ tự dòng điện:

  • Góc lệch pha $\alpha$ giữa dòng thứ tự nghịch và dòng thứ tự thuận ($\arg(I_2/I_1)$).
  • Góc lệch pha $\beta$ giữa dòng thứ tự không và dòng thứ tự thuận ($\arg(I_0/I_1)$).
  • Tỷ số biên độ $R_{21} = |I_2|/|I_1|$.
  • Tỷ số biên độ $R_{02} = |I_0|/|I_2|$.

5. Phương pháp định vị sự cố bằng ANFIS được tác giả kiểm chứng thực nghiệm trên những tuyến đường dây thực tế nào và so sánh với thiết bị rơle nào?

Phương pháp ANFIS được kiểm chứng bằng số liệu sự cố thực tế thu thập trong giai đoạn 2012–2013 trên hai tuyến đường dây truyền tải miền Trung:

  • Tuyến đường dây 110kV Đăk Mil – Đăk Nông: So sánh kết quả định vị với rơle bảo vệ so lệch/khoảng cách Alstom MiCOM P543.
  • Tuyến đường dây 220kV Hoà Khánh – Huế: So sánh kết quả định vị với rơle bảo vệ khoảng cách kỹ thuật số ABB REL521.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Vũ Phan Huấn đã giải quyết một cách có hệ thống bài toán phân loại và định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện 110kV–220kV bằng việc kết hợp các công cụ toán học thông minh (Fuzzy Logic, Wavelet, ANN và ANFIS) với nguồn dữ liệu đo lường thực tế từ rơle kỹ thuật số. Kết quả nghiên cứu đã làm rõ cơ chế tác động của các nguồn sai số vật lý như sóng hài, điện trở sự cố, bão hòa BI/BU và độ lệch thông số đường dây, đồng thời chứng minh mô hình nơ-ron mờ ANFIS có độ chính xác định vị cao hơn các chức năng tích hợp sẵn trên rơle bảo vệ thương mại. Công trình mang lại giá trị khoa học vững chắc và giá trị ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp cơ sở quan trọng cho công tác quản lý vận hành, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và định hướng hiện đại hóa hệ thống điều độ lưới điện truyền tải tại Việt Nam.