Nghiên cứu các phương pháp thông minh để phân loại và định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện

Luận án tiến sĩ nghiên cứu kỹ thuật nghiên cứu các phương pháp thông minh để phân loại và định vị sự cố trên đường dây, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Vũ Phan Huấn
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Kim Hùng
• Trường học: Đại Học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Mạng và Hệ thống điện
• Đề tài: Phương Pháp Thông Minh Trong Phân Loại Và Định Vị Sự Cố Trên Đường Dây Truyền Tải Điện
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng quan về phương pháp thông minh trong phân loại và định vị sự cố

Trong bối cảnh hệ thống điện ngày càng phát triển, việc phân loại và định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện trở thành một nhiệm vụ quan trọng. Các phương pháp thông minh như Fuzzy Logic, Wavelet, ANN, và ANFIS đã được nghiên cứu và áp dụng để nâng cao độ chính xác trong việc xác định sự cố. Những phương pháp này không chỉ giúp giảm thiểu thời gian mất điện mà còn giảm chi phí cho các đơn vị quản lý. Việc áp dụng công nghệ mới vào thực tiễn sản xuất là cần thiết để đảm bảo tính ổn định và tin cậy của hệ thống điện.

1.1. Tình hình nghiên cứu hiện tại

Nghiên cứu hiện tại cho thấy rằng việc sử dụng các công nghệ thông minh trong quản lý sự cố đã mang lại nhiều lợi ích. Các giải pháp dựa trên công nghệ thông minh giúp cải thiện khả năng phát hiện và định vị sự cố nhanh chóng và chính xác hơn. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức trong việc triển khai các phương pháp này, đặc biệt là trong việc tích hợp chúng vào hệ thống hiện tại. Việc nghiên cứu và phát triển các thuật toán mới là cần thiết để nâng cao hiệu quả của các phương pháp này.

II. Phân loại sự cố trên đường dây tải điện

Phân loại sự cố là bước đầu tiên trong quá trình xử lý sự cố trên đường dây truyền tải điện. Các phương pháp như hệ mờ và phân tích wavelet đã được áp dụng để phân loại các dạng sự cố khác nhau. Hệ mờ cho phép xử lý thông tin không chắc chắn và mơ hồ, trong khi phân tích wavelet giúp tách biệt các thành phần tín hiệu khác nhau. Việc áp dụng các phương pháp này không chỉ giúp nâng cao độ chính xác mà còn giảm thiểu thời gian xử lý sự cố.

2.1. Phương pháp phân loại bằng hệ mờ

Phương pháp phân loại sự cố bằng hệ mờ đã cho thấy hiệu quả cao trong việc xác định các dạng sự cố khác nhau. Thuật toán phân loại sử dụng các biến đầu vào như điện áp, dòng điện và các thông số khác để đưa ra quyết định. Đánh giá phương pháp này cho thấy khả năng phân loại chính xác và nhanh chóng, giúp giảm thiểu thời gian xử lý sự cố.

2.2. Phương pháp phân loại bằng phân tích wavelet

Phân tích wavelet là một công cụ mạnh mẽ trong việc phân loại sự cố. Phương pháp này cho phép phân tích tín hiệu ở nhiều tần số khác nhau, giúp phát hiện các biến đổi nhanh chóng trong tín hiệu. Việc áp dụng phân tích wavelet đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc nhận diện các dạng sự cố phức tạp, từ đó nâng cao độ chính xác trong việc xử lý sự cố.

III. Định vị sự cố trên đường dây tải điện

Định vị sự cố là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong quản lý hệ thống điện. Các phương pháp như sử dụng dữ liệu đo lường từ một hoặc nhiều đầu đường dây đã được nghiên cứu và áp dụng. Việc sử dụng công nghệ thông minh như ANN và ANFIS trong định vị sự cố đã cho thấy kết quả khả quan, giúp xác định chính xác vị trí sự cố và giảm thiểu thời gian khôi phục hệ thống.

3.1. Định vị sự cố sử dụng dữ liệu từ một đầu đường dây

Phương pháp định vị sự cố sử dụng dữ liệu từ một đầu đường dây thường gặp nhiều khó khăn do ảnh hưởng của các yếu tố như điện trở sự cố và góc sự cố. Tuy nhiên, với sự phát triển của các thuật toán mới, khả năng định vị đã được cải thiện đáng kể. Việc áp dụng các phương pháp thông minh giúp nâng cao độ chính xác và giảm thiểu sai số trong quá trình định vị.

3.2. Định vị sự cố sử dụng dữ liệu từ hai đầu đường dây

Định vị sự cố sử dụng dữ liệu từ hai đầu đường dây cho phép cải thiện độ chính xác trong việc xác định vị trí sự cố. Các phương pháp như sử dụng dữ liệu đồng bộ từ hai đầu đường dây đã cho thấy hiệu quả cao trong việc giảm thiểu sai số. Việc áp dụng công nghệ thông minh trong định vị sự cố đã mở ra nhiều cơ hội mới cho việc quản lý và vận hành hệ thống điện.

IV. Ứng dụng thực tiễn của các phương pháp thông minh

Các phương pháp thông minh trong phân loại và định vị sự cố đã được áp dụng thành công trong thực tiễn. Việc sử dụng các công nghệ như ANN và ANFIS không chỉ giúp nâng cao độ chính xác mà còn giảm thiểu thời gian xử lý sự cố. Các ứng dụng này đã được triển khai tại nhiều trạm biến áp và hệ thống điện lớn, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của các phương pháp này trong việc quản lý và vận hành hệ thống điện.

4.1. Ứng dụng tại các trạm biến áp

Tại các trạm biến áp, việc áp dụng các phương pháp thông minh đã giúp cải thiện khả năng phát hiện và xử lý sự cố. Các hệ thống giám sát và điều khiển tự động đã được triển khai, giúp giảm thiểu thời gian mất điện và nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Việc ứng dụng công nghệ mới đã mang lại nhiều lợi ích cho các đơn vị quản lý và vận hành.

4.2. Ứng dụng trong hệ thống điện lớn

Trong các hệ thống điện lớn, việc áp dụng các phương pháp thông minh đã giúp nâng cao khả năng quản lý và vận hành. Các công nghệ như SCADA và hệ thống tự động hóa đã được tích hợp, giúp cải thiện khả năng phát hiện và xử lý sự cố. Việc ứng dụng công nghệ mới không chỉ giúp nâng cao hiệu quả mà còn giảm thiểu chi phí cho các đơn vị quản lý.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Theo các số liệu thống kê về sự cố trong hệ thống lưới truyền tải (hình 1.1) cho thấy đường dây truyền tải có xác suất sự cố chiếm tỷ trọng khá lớn là 80-90%, còn lại xảy ra trên thiết bị điện tại các trạm biến áp (TBA). Trong đó, đối với đường dây trên không vận hành với điện áp > 6kV, sự cố thoáng qua chiếm tỷ lệ 65-70%, còn lại 30-35% là sự cố vĩnh cửu, đối với đường dây có điện áp càng cao thì % sự cố thoáng qua càng lớn [7].1: Sự cố trên đường dây tải điện Sự cố thoáng qua chủ yếu do quá điện áp khí quyển gây ra phóng điện cách điện đường dây, còn các nguyên nhân khác thường do sự dao động của dây dẫn gây ra phóng điện hoặc cây trong hành lang mọc quá nhanh, cây ngoài hành lang đổ chạm đường dây đi qua khu vực đồi núi hiểm trở trong mùa mưa bão, độ võng khoảng vượt xuống thấp do đường dây cũ luôn vận hành quá tải trong mùa nóng…. Trong trường hợp khu vực có khí hậu khắc nghiệt, địa hình phức tạp, thì sự cố thoáng qua tập trung chủ yếu vào sự cố cách điện đường dây vì chất lượng cách điện sản xuất trong nước chưa thích hợp với điều kiện khí hậu ở một số địa điểm ở Việt Nam nên khi có sương muối, bụi bẩn bám dính trên bề mặt cách điện dễ gây ra 10 phóng điện. Ngoài ra, hiện tượng tụt khí SF6 xảy ra ở hầu hết các máy cắt (MC) do thiết bị này chưa được nhiệt đới hoá đúng mức (hình 1.2a: Sự cố do cành cây chạm vào Hình 1.2b: Sự cố cháy pha B của MBA đường dây AT2 tại TBA 500kV Đà Nẵng Đối với sự cố vĩnh cửu, nguyên nhân thường do thiết bị, trong đó: Sự cố cách điện chiếm tỷ lệ 36-38%, sự cố máy biến áp (MBA) 10-12%, MC 3-5%, chống sét van 6-8%, biến dòng và biến điện áp 2-3%, còn lại do các nguyên nhân khác [11].

Để đáp ứng nhu cầu xử lý sự cố lưới điện nhanh chóng và chính xác, các đơn vị quản lý vận hành và các nhà kỹ thuật đã bắt tay vào nghiên cứu những công nghệ, giải pháp có thể phát hiện hiệu quả vị trí điểm sự cố trên đường dây truyền tải, nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu được thời gian xác định vị trí sự cố và đáp ứng yêu cầu thực tế đặt ra. Phân tích các phương pháp phân loại và định vị sự cố (được trình bày chi tiết trong mục 1.2) cho thấy độ chính xác kết quả đo vị trí điểm sự cố tuỳ thuộc vào bản chất của từng phương pháp.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Tại Việt Nam việc nghiên cứu ứng dụng phân loại và định vị điểm sự cố lưới điện truyền tải chưa nhiều, mới chỉ có một vài bài báo có tính chất giới thiệu khái quát và ứng dụng một vài phần mềm tại TBA tự động hoá, chưa đi sâu vào xây dựng thuật toán cho một bài toán cụ thể. Để hoà nhập cùng với sự phát triển chung của thế giới trong lĩnh vực, việc nghiên cứu hệ thống bị định vị sự cố (Fault Locating System - FLS) nói chung và nghiên cứu ứng dụng vào lưới điện tại Việt 11 Nam là cần thiết và đang là thời điểm thích hợp để triển khai, khai thác tiềm năng của một công cụ tính toán mạnh cho các bài toán khoa học kỹ thuật. Thiết bị chỉ báo sự cố QUẢN LÝ VẬN HÀNH Thiết bị đóng, cắt và phân đoạn Bộ tự động đóng lặp lại Phương pháp sử dụng tín hiệu đo một đầu đường dây PHÂN TÍCH TÍN Phương pháp sử dụng tín HIỆU TẦN SỐ LƯỚI hiệu đo hai đầu đường dây Phương pháp sử dụng tín hiệu đo từ nhiều phía PHÂN LOẠI VÀ ĐỊNH VỊ Biến đổi SỰ CỐ wavelet Phương pháp truyền sóng Biến đổi PHÂN TÍCH TÍN wavelet packet HIỆU CAO TẦN Phân tích sóng hài Hệ mờ HỆ THỐNG THÔNG MINH Mạng nơron nhân tạo PHƯƠNG PHÁP LAI Hệ chuyên gia Hình 1.3: Các hướng nghiên cứu kỹ thuật phân loại và định vị sự cố Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về phân tích phân loại dạng sự cố và phát hiện vị trí điểm sự cố trên đường dây truyền tải, đặc biệt phát triển mạnh trong vài thập kỷ gần đây và trở thành điểm nóng của nhiều tranh luận khoa học theo nhiều hướng, có thể phân loại thành 01 giải pháp kỹ thuật quản lý vận hành và 04 hướng nghiên cứu chính (phân tích tín hiệu ở tần số lưới, phân tích tín hiệu cao tần, hệ thống thông minh, và phương pháp lai) được trình bày sơ lược trên hình 1.

Mỗi hướng sẽ được trình bày theo các mục riêng, nhằm giải quyết vấn đề đặc thù có 12 cấp chính xác phụ thuộc vào mô hình đường dây, khả năng thu thập dữ liệu và bản chất của phương pháp đó [61], [81], [85]. Giải pháp dựa trên kỹ thuật quản lý vận hành 1.1 Nội dung của giải pháp Việc xác định sự cố thông dụng hiện nay căn cứ vào sự điều hành theo kinh nghiệm của điều độ các cấp (quốc gia, vùng và điện lực) và sự chấp hành thao tác của nhân viên vận hành cấp dưới (trực ca tại các TBA, NMĐ). Cơ sở xử lý sự cố căn cứ theo quy trình điều độ Hệ thống điện Quốc gia, quy trình xử lý sự cố các điện lực và TBA cụ thể. Khi có sự cố trên lưới, nhân viên vận hành khu vực báo cáo và nhận lệnh thao tác từ điều độ viên để tiến hành cô lập điểm sự cố và giao cho đơn vị sửa chữa kiểm tra, xử lý [4], [5].2 Các kỹ thuật chính đã được tiến hành Khi có sự cố trên đường dây máy cắt hai đầu đường dây (hoặc đầu nguồn) cắt, điều độ viên hoặc nhân viên quản lý vận hành căn cứ vào tác động của thiết bị bảo vệ, tình trạng thiết bị liên quan, bảng đèn tín hiệu tại TBA, thông tin phát hiện sự cố từ người dân hoặc khách hàng sử dụng điện để có phương án xử lý phù hợp.

Với trường hợp chưa xác định được ngay điểm sự cố thì phải thực hiện tìm kiếm sự cố thủ công (đội quản lý đường dây rải quân băng qua rừng, lội suối, đi đến từng vị trí cột trên toàn tuyến bị sự cố để kiểm tra bằng mắt thường và tìm điểm sự cố). Tại Việt Nam, việc quản lý và vận hành đường dây truyền tải và xử lý sự cố như trên dẫn đến yêu cầu sửa chữa nhiều và tốn kém chi phí. Cho nên Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đã lên kế hoạch hiện đại hoá các hệ thống điều khiển, giám sát của cả hệ thống điện bằng hệ thống giám sát điều khiển và thu thập xử lý dữ liệu (Supervisory Control And Data Acquisition – SCADA) nhằm thu thập dữ liệu và điều khiển các TBA từ xa. Trong giải pháp điều khiển phân tán (hình 1.4) có sẵn hệ thống truyền thông ở cấp dưới (bus xử lý, bus trường) và ở cấp trên (Ethernet) thì trọng tâm của việc xây dựng hệ SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và tích hợp hệ thống sử dụng chuẩn IEC61850 cho phép 13 nhân viên vận hành sử dụng hệ thống máy tính thay thế cho hệ thống điều khiển bằng các tủ bảng vặn khoá truyền thống [14].4: Cấu trúc hệ thống tự động hoá trạm dựa trên truyền thông IEC 61850 Hình 1.5: Tương tác các miền của lưới điện thông minh Hơn nữa, để tiến tới một hệ thống điện thông minh (hình 1.5) thực hiện liên kết thông minh hai chiều giữa người tiêu dùng và nguồn điện, cần hiện đại hoá cả 14 lưới truyền tải và phân phối theo hướng nâng cấp và cập nhật hệ thống điện hiện có ở công nghệ đo lường, điều khiển và bảo vệ kỹ thuật số với hệ thống truyền thông hiện đại nhằm đáp ứng nhu cầu về độ tin cậy, an toàn, chất lượng điện, tiết kiệm năng lượng [46].

Từ các công nghệ mới, cho phép các hệ thống điều khiển, giám sát và bảo vệ trên diện rộng phối hợp với nhau như là các giải pháp hiệu quả. Điểm mấu chốt của giải pháp này là khả năng ứng dụng các thiết bị điều khiển nhanh và mạnh, hệ thống truyền thông, và các thuật toán thông minh hay nói cách khác đây là một “hệ thống điều khiển và bảo vệ trên diện rộng đích thực” [24].3 Nhận xét và đánh giá: Giải pháp kỹ thuật này đã và đang được EVN triển khai ứng dụng tại Việt Nam. Ta nhận thấy rằng, để truy tìm sự cố vẫn còn chủ yếu dựa vào công tác kiểm tra thủ công theo quy định hiện hành, chưa đáp ứng được yêu cầu về thời gian xử lý sự cố và chưa phù hợp [15]. Bên cạnh đó, EVN đã và đang ứng dụng hệ thống SCADA tại Trung tâm điều độ.

Đây là một hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu cùng với các chức năng tích hợp của hệ thống quản lý lưới điện và hệ thống đo đếm điện năng tiêu thụ tự động từ xa theo thời gian thực trên màn hình máy tính. Chức năng của hệ thống sẽ giúp cho các kỹ thuật viên có khả năng điều hành, quan sát và quản lý toàn bộ hoạt động của tất cả các thiết bị trong hệ thống điện (HTĐ). Nếu hệ thống được khai thác hiệu quả với đầy đủ chức năng thì việc điều hành lưới điện trở nên đơn giản hơn, đáp ứng kịp thời, chính xác yêu cầu trong vận hành lưới điện như: phân tích hệ thống, giảm nhiều công sức xử lý sự cố và góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh.2 Hướng nghiên cứu dựa trên kỹ thuật phân tích tín hiệu ở tần số lưới 1.1 Nội dung của phương pháp Khoảng cách sự cố từ thanh cái đến điểm sự cố được tính toán theo phương pháp tổng trở sự cố ở tần số lưới thông qua giá trị đo lường dòng điện và điện áp của một, hoặc hai và ba đầu đường dây (sử dụng kênh truyền thông tin và thiết bị 15 động bộ thời gian) được đo bằng thiết bị như biến dòng (BI), biến điện áp (BU), role bảo vệ (RLBV) hoặc bộ đo lường đồng bộ góc pha (Phasor Measurement Unit – PMU) đặt trên mỗi đầu đường dây. Các số liệu đo được sử dụng để phân tích thành phần thứ tự, xác định kiểu sự cố, pha sự cố và kết hợp phương trình toán học nhằm ước tính vị trí điểm sự cố [61], [85].2 Các nghiên cứu chính đã được tiến hành Phương pháp điện kháng đơn giản được đưa vào sử dụng đầu tiên cho hệ thống đường dây truyền tải điện đồng nhất được minh hoạ như hình 1.