Nghiên cứu phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện sử dụng mạng nơron MLP

Luận án tiến sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện bằng mạng nơron MLP, ứng dụng hiệu quả trong ngành điện.

• Tác giả: Trương Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: PGS.TSKH Trần Hoài Linh
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện dựa trên mạng nơron MLP
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu và tính cấp thiết của đề tài

Luận án tiến sĩ kỹ thuật điện của Trương Tuấn Anh tập trung vào phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện sử dụng mạng nơron MLP. Đường dây truyền tải điện đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện, nhưng thường xuyên gặp các sự cố như ngắn mạch, đứt dây, hoặc chạm đất. Việc xác định chính xác vị trí sự cố giúp giảm thiểu thời gian khắc phục, nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện. Hiện nay, các phương pháp truyền thống như sử dụng rơle khoảng cách có độ chính xác hạn chế, thường dao động từ 1 đến 5%. Do đó, nghiên cứu này đề xuất một phương pháp mới dựa trên mạng nơron MLP để cải thiện độ chính xác trong việc xác định vị trí sự cố.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận án là phát triển một phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện bằng cách sử dụng mạng nơron MLP. Phương pháp này không chỉ ước lượng vị trí sự cố mà còn xác định dạng sự cố và giá trị điện trở sự cố với độ chính xác cao. Luận án đề xuất sử dụng các tín hiệu dòng điện và điện áp đo được ở đầu đường dây để phân tích và xác định sự cố thông qua ba bước chính: phát hiện thời điểm sự cố, tính toán các đặc trưng tín hiệu, và ước lượng vị trí sự cố bằng mạng nơron MLP.

II. Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng

Luận án sử dụng mạng nơron MLP làm công cụ chính để ước lượng vị trí sự cố. Phương pháp này kết hợp với các thuật toán tổng trở để tăng độ chính xác. Các tín hiệu dòng điện và điện áp được phân tích bằng phép biến đổi wavelet để phát hiện các thay đổi đột ngột, từ đó xác định thời điểm sự cố. Sau đó, các đặc trưng tín hiệu được tính toán và đưa vào mạng nơron MLP để ước lượng vị trí sự cố. Các công cụ mô phỏng như ATP/EMTP và thiết bị thí nghiệm CMC-356 được sử dụng để tạo dữ liệu và kiểm tra kết quả.

2.1. Mạng nơron MLP và ứng dụng

Mạng nơron MLP được sử dụng để xấp xỉ các hàm phi tuyến phức tạp trong việc ước lượng vị trí sự cố. Mạng này có khả năng học từ dữ liệu đầu vào và điều chỉnh các thông số để tối ưu hóa kết quả. Trong luận án, mạng MLP được huấn luyện trên các dữ liệu mô phỏng từ ATP/EMTP và kiểm tra bằng thiết bị CMC-356. Kết quả cho thấy mạng MLP có thể ước lượng vị trí sự cố với độ chính xác cao hơn so với các phương pháp truyền thống.

2.2. Phép biến đổi wavelet

Phép biến đổi wavelet được sử dụng để phân tích tín hiệu dòng điện và điện áp, giúp phát hiện các thay đổi đột ngột do sự cố gây ra. Phương pháp này cho phép xác định chính xác thời điểm sự cố, từ đó cung cấp dữ liệu đầu vào cho mạng nơron MLP. Các hàm wavelet như Daubechies được sử dụng để phân tích tín hiệu và trích xuất các đặc trưng quan trọng.

III. Kết quả và đánh giá

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp xác định vị trí sự cố bằng mạng nơron MLP đạt độ chính xác cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Các thử nghiệm trên dữ liệu mô phỏng và thực tế đều cho thấy mạng MLP có thể ước lượng vị trí sự cố với sai số nhỏ hơn 1%. Ngoài ra, phương pháp này cũng xác định được dạng sự cố và giá trị điện trở sự cố với độ chính xác cao. Các kết quả này có ý nghĩa thực tiễn lớn, giúp cải thiện hiệu quả vận hành và bảo trì hệ thống điện.

3.1. Kết quả mô phỏng

Các kết quả mô phỏng trên ATP/EMTP cho thấy mạng MLP có thể ước lượng vị trí sự cố với độ chính xác cao. Các dạng sự cố như ngắn mạch 1 pha, 2 pha, và 3 pha đều được xác định chính xác. Các thử nghiệm với thiết bị CMC-356 cũng xác nhận tính khả thi của phương pháp trong thực tế.

3.2. Đánh giá thực tiễn

Phương pháp đề xuất có thể áp dụng trong các hệ thống điện thực tế, giúp giảm thiểu thời gian tìm kiếm và khắc phục sự cố. Điều này mang lại lợi ích kinh tế và kỹ thuật đáng kể, đặc biệt trong các hệ thống điện có quy mô lớn và phức tạp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện tính toán cài đặt và chỉnh định rơle cũng nhƣ do việc đã loại bỏ các thành phần tín hiệu biến thiên nhanh dẫn tới mất đi một phần thông tin trong tín hiệu., từ đó dẫn đến việc xác định vị trí sự cố của rơle khoảng cách chƣa đƣợc chính xác. a) Phƣơng pháp điện kháng đơn [77, 92] Các giá trị điện áp, dòng điện đo lƣờng đƣợc ở đầu đƣờng dây sẽ đƣợc sử dụng để tính toán trở kháng của đƣờng dây đến vị trí điểm sự cố lsù cè và đƣợc biểu diễn theo phƣơng trình (1. Khi trở kháng của đƣờng dây trên mỗi đơn vị chiều dài đã đƣợc xác định, khoảng cách sự cố có thể đƣợc tính toán theo các phƣơng trình (1.1) Trong đó:  UA: Điện áp tại đầu nguồn A.  ZL: Tổng trở của đƣờng dây.

 IA: Dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A.  lsù cè : khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A.  Uf: Điện áp sự cố.2) trong đó: If là dòng điện sự cố và Rf là điện trở sự cố đƣợc minh họa trong hình 1. ZA IA ZB ~ ~ Nguồn A lsuco.Z Nguồn B Đo lƣờng If Rf điện áp và dòng điện Hình 1.1: Sơ đồ minh họa sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng phương pháp điện kháng đơn Từ công thức (1.2) khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A đƣợc xác định theo biểu thức (1.3): - 9 - Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện UA  I  Rf lsù cè   A   (1.3) ZL I  ZL  A  If    b) Phƣơng pháp TAKAGI [77, 80,92] Phƣơng pháp Takagi cần cả các tín hiệu trƣớc khi xuất hiện sự cố và sau khi xuất hiện sự cố.

Phƣơng pháp này cũng nâng cao đƣợc độ chính xác hơn so với phƣơng pháp điện kháng đơn nhƣ giảm bớt ảnh hƣởng của điện trở sự cố và làm giảm ảnh hƣởng của dòng tải. Sơ đồ minh họa nhƣ hình 1. lsuco ZA IA.Z Nguồn A UA Nguồn B Định vị UA sự cố If Rf U f Hình 1.2: Minh họa phương pháp TAKAGI trên mạch điện một pha hai nguồn Điện trở sự cố đƣợc tính toán theo biểu thức (1.4): U A  ZC  I A  tanh  lsuco Rf   U A  (1.4)  tanh  lsuco  I A     j  ZC  trong đó:  UA: Điện áp tại đo lƣờng đầu nguồn A.  ZL: Tổng trở của đƣờng dây.

 IA: Dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A.  ZC: Tổng trở đặc tính.  : Hệ số lan truyền.  I”A: Dòng điện xếp chồng, là sự chênh lệch giữa dòng điện sự cố và dòng điện trƣớc sự cố.

Khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A đƣợc xác định theo biểu thức (1.5): - 10 - Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện Im(U A  I A* ) lsù cè  (1.5) Im( Z L  I A  I A* ) trong đó: Z L    ZC (1.6) c) Phƣơng pháp TAKAGI cải tiến [77,80,92] Phƣơng pháp Takagi cải tiến này cũng còn đƣợc gọi là phƣơng pháp dòng điện thứ tự không. Phƣơng pháp này không yêu cầu dữ liệu trƣớc sự cố vì nó sử dụng dòng điện thứ tự không thay vì xếp chồng dòng điện của sự cố chạm đất [32]. Vị trí sự cố trong phƣơng pháp này đƣợc tính toán trong phƣơng trình (1.7): Im(U A  I R*  e  j ) lsù cè  (1.7) Im( Z1L  I A  I R*  e  j ) trong đó:  IR: Dòng điện thứ tự không, I R*  liên hợp phức của ảnh dòng điện thứ tự không.  : Góc dòng điện thứ tự không.

 Z1L: Tổng trở thứ tự thuận của đƣờng dây.  UA: Điện áp tại đo lƣờng đầu nguồn A.  IA: Dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A.  lsù cè : khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A.

Phƣơng pháp điện kháng đơn có ƣu điểm nổi bật là đơn giản, dễ lắp đặt, không cần phải đồng bộ giữa các thiết bị,. tuy nhiên có nhƣợc điểm là dễ bị ảnh hƣởng lớn bởi các nguồn nhiễu nhƣ sự bất đối xứng của đƣờng dây (ví dụ do không hoán vị dây dẫn), ảnh hƣởng của thành phần thứ tự không hay của hỗ cảm giữa các đƣờng dây,. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp Takagi là ta cần phải biết chính xác đƣợc các thông số của dòng điện pha sự cố ngay trƣớc thời điểm xuất hiện sự cố. Các sai lệch trong các thông số này sẽ tạo thành sai số lớn trong việc ƣớc lƣợng vị trí sự cố.

Còn trong phƣơng pháp Takagi cải tiến ta không cần dùng giá trị của dòng điện trƣớc sự cố nhƣng lại phải xác định đƣợc góc pha của dòng điện thứ tự 0. Đây cũng là một nguồn sai số lớn của phƣơng pháp. Phƣơng pháp sử dụng sóng lan truyền [77] Phƣơng pháp truyền sóng dựa trên nguyên tắc thành phần sóng phản xạ khi gặp điểm sự cố (hoặc điểm cuối) của đƣờng dây dài. Thông tin thu thập ở đây có thể là thời điểm - 11 - Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện sóng phản xạ lần thứ nhất, thời gian sóng chạy tới cuối đƣờng dây.

Phƣơng pháp truyền và phản xạ sóng có ƣu điểm sử dụng cho mọi loại cáp và áp dụng tốt cho các hệ thống phân nhánh, không áp dụng đối với sự cố chập chờn. Ví dụ với đƣờng dây truyền tải một pha (giả thiết không tổn hao với các thành phần tần số cao lan truyền) với chiều dài l, vận tốc sóng lan truyền v, điện dung và điện cảm trên một đơn vị chiều dài C‟ và L‟ và tổng trở sóng ZC. Giả sử việc xuất hiện của một sự cố ở một khoảng cách lsự cố tính tới nguồn A, các giá trị điện áp và dòng điện đƣợc mô tả trong biểu thức (1. Sơ đồ nguyên lý xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây đƣợc minh họa trên hình 1.3: l lsựcố τA er ef τB A B Điểm sự cố Hình 1.3: Sơ đồ minh họa phương pháp sử dụng sóng lan truyền xác định vị trí sự cố e i   L  (1.9) lsù cè t Giải ra ta có: e(lsù cè , t )  e f (lsù cè  t )  er (lsù cè  t ) (1.11) ZC ZC Thời điểm sóng lan truyền tới hai đầu A và B là τA và τB đƣợc xác định bằng cách sử dụng công nghệ GPS (Global Positioning System), vị trí sự cố (lsự cố) đƣợc xác định theo phƣơng trình (1.12) 2 trong đó:  ef: Sóng điện áp thuận chạy trên đƣờng dây - 12 - Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện  er: Sóng điện áp ngƣợc chạy trên đƣờng dây  τA: thời điểm sóng tới đầu A.

 τB: thời điểm sóng tới đầu B.  l: chiều dài đoạn đƣờng dây. 1  υ: tốc độ truyền sóng,  . L  C  Ngoài ra phƣơng pháp lan truyền sóng còn gặp khó khăn trong việc đồng bộ thời gian của các thiết bị trên hệ thống.

Một giải pháp thông dụng thƣờng đƣợc sử dụng để đồng bộ tín hiệu là tín hiệu GPS, nhƣng sai số thời gian của phƣơng pháp này ƣớc lƣợng khoảng 1s tƣơng ứng với sai số về khoảng cách khoảng 150m. Độ chính xác đạt đƣợc tƣơng đối cao, sai số trong phạm vi một vài khoảng vƣợt, tùy thuộc vào thiết bị của từng hãng chế tạo. Nói chung các hãng đều đƣa ra sai số lý thuyết về xác định điểm sự cố không lớn hơn 500 m, nhƣng trên thực tế, độ chính xác còn phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện thực tế khi lắp đặt và vận hành, đặc biệt phụ thuộc nhiều vào độ tin cậy công nghệ của từng hãng. Tại Việt Nam, việc áp dụng công nghệ định vị sự cố theo phƣơng pháp truyền sóng cũng đã đƣợc triển khai đƣa vào thử nghiệm trên một số tuyến đƣờng dây truyền tải điện áp 220kV.

Đƣờng dây 200kV Thái Nguyên - Hà Giang với chiều dài 232,2km, sử dụng thiết bị Nippon của Nhật Bản. Sau khi đƣa vào thử nghiệm, một số kết quả đƣợc thống kê trong bảng 1. Thiết bị Nippon xác định vị trí sự cố trên đường dây 220 kV Thái Nguyên - Hà Giang Điểm sự cố Nguyên Sai số Lần Ngày Thời điểm Kết quả thực tế nhân sự cố (m) (%) 1 7/6/2012 03:21:31 No 50 No 48 Sét đánh 1.384 0,6 2 21/6/2012 13:33:08 No 365 No 363 Sét đánh 996 0,4 3 23/7/2012 14:45:55 No 287 No 282 Sét đánh 2.1 cho thấy việc xác định vị trí sự cố theo phƣơng pháp truyền sóng cho kết khá chính xác, tuy nhiên kết quả còn phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ của từng hãng, điều kiện áp dụng thực tế đối với từng đƣờng dây cụ thể. Theo bài báo [111] trình bày phƣơng pháp xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây có hai nguồn cung cấp dựa trên quá trình truyền sóng trên đƣờng dây sử dụng CWT khi xảy ra sự cố ngắn mạch.

Đƣờng dây mô phỏng có cấp điện áp 345kV, chiều dài 321,86km, khảo sát - 13 - Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện khi sự cố ngắn mạch ba pha tại vị trí 32,186km. Kết quả sau khi áp dụng phƣơng pháp, vị trí sự cố đƣợc xác định 36,997km, sai số là 1,5% (tƣơng ứng 4,812km). Ngoài ra, cũng trong nhóm các phƣơng pháp sử dụng sóng lan truyền còn có các giải pháp sử dụng không chỉ thời gian sóng lan truyền mà còn cả hình dạng của các sóng phản xạ để xác định vị trí và các thông số khác của sự cố. Đây là các phƣơng pháp TDR (Time- Domain Reflectometer).

Định vị sự cố bằng sóng truyền là một công nghệ tiên tiến, kinh tế, đã đƣợc áp dụng trong ngành điện ở rất nhiều nƣớc trên thế giới. Công nghệ này đã đƣợc ứng dụng cho hệ thống lƣới điện trung áp và đặc biệt sử dụng cho tất cả các ngăn lộ của hệ thống lƣới điện truyền tải.