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

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• Tính cấp thiết của đề tài
• Mục đích nghiên cứu
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• Những đóng góp của luận án
• Bố cục của luận án
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN
• 1.1. Ý nghĩa của bài toán xác định vị trí sự cố
• 1.2. Một số phương pháp xác định vị trí sự cố
• 1.2.1. Phương pháp tính toán dựa trên trở kháng
• 1.2.2. Phương pháp sử dụng sóng lan truyền
• 1.2.3. Phương pháp sử dụng mạng nơron nhân tạo
• 2. Chương 2: CÁC GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT TRONG LUẬN ÁN
• 2.1. Sơ đồ khối tổng thể ước lượng vị trí sự cố
• 2.2. Mạng nơron MLP và ứng dụng ước lượng vị trí sự cố
• 2.2.1. Mạng nơron MLP hoạt động độc lập ước lượng vị trí sự cố [12,64,69,79,93]
• 2.2.2. Mạng nơron MLP phối hợp song song với một thuật toán tổng trở (thuật toán mô phỏng trên máy tính hoặc thuật toán tích hợp trong rơle khoảng cách thực tế)
• 2.3. Phần mềm ATP/EMTP và ứng dụng để tạo mẫu số liệu
• 2.4. Hợp bộ thí nghiệm CMC-356 thử nghiệm kết quả tác động của rơle khoảng cách thực tế
• 2.5. Mạng nơron MLP và ứng dụng để xác định dạng sự cố và ước lượng điện trở sự cố
• 3. Chương 3: CÁC CÔNG CỤ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
• 3.1. Phần mềm mô phỏng ATP/EMTP
• 3.2. Hợp bộ thí nghiệm thứ cấp 3 pha CMC 356 - OMICRON
• 3.3. Wavelet và ứng dụng trong phân tích tín hiệu
• 3.3.1. Phân tích phổ của tín hiệu sử dụng biến đổi Fourrier
• 3.3.2. Phân tích phổ bằng wavelet (sóng nhỏ)
• 3.3.3. Thuật toán phân tích tín hiệu bằng wavelet [96]
• 3.4. Mạng nơron nhân tạo và ứng dụng xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện
• 3.4.1. Mô hình nơron nhân tạo của McCulloch - Pitts [12,69]
• 3.4.1.1. Cơ sở toán học của mô hình
• 3.4.1.2. Nơron với hàm truyền đạt tansig
• 3.4.1.3. Các quá trình học và kiểm tra của nơron
• 3.4.1.4. Thuật toán học có hướng dẫn của nơron
• 3.4.2. Cấu trúc mạng MLP [12,69]
• 3.4.3. Quá trình học của mạng MLP [11,12]
• 3.4.3.1. Một số đặc điểm chung của quá trình học
• 3.4.3.2. Thuật toán bước giảm cực đại cho mạng MLP
• 3.4.3.3. Thuật toán Levenberg – Marquardt
• 3.4.4. Lựa chọn số nơron lớp ẩn để tránh mạng học quá khớp (overfitting) và mạng học không đủ (underfitting) [11,12]
• 4. Chương 4: CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN
• 4.1. ATP/EMTP mô phỏng ngắn mạch trên đường dây
• 4.1.1. Mô hình đường dây mô phỏng trong luận án
• 4.1.2. Kịch bản mô phỏng trong ATP/EMTP
• 4.1.3. Một số dạng ngắn mạch được mô phỏng trong ATP/EMTP
• 4.1.3.1. Ngắn mạch 1 pha (AG0)
• 4.1.3.2. Ngắn mạch 2 pha (AB0)
• 4.1.3.3. Ngắn mạch 2 pha chạm đất (ABG)
• 4.1.3.4. Ngắn mạch 3 pha (ABC)
• 4.2. Kết quả xác định thời điểm xuất hiện sự cố
• 4.3. Kết quả ước lượng vị trí sự cố, điện trở sự cố và dạng sự cố
• 4.3.1. Trích xuất số liệu và các thông tin đặc trưng
• 4.3.2. Đánh giá, lựa chọn các đầu vào cho mạng MLP
• 4.3.3. Mạng nơron MLP ước lượng vị trí sự cố, dạng sự cố và điện trở sự cố
• 4.3.3.1. Mạng nơron MLP ước lượng trực tiếp vị trí sự cố
• 4.3.3.2. Mạng nơron MLP phối hợp với thuật toán tổng trở để ước lượng vị trí sự cố
• 4.3.3.3. Mạng nơron MLP phối hợp với rơle tổng trở thực tế để ước lượng vị trí sự cố
• 4.3.3.4. Mạng nơron MLP xác định dạng sự cố và điện trở sự cố
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• Thông số đường dây 110kV Yên Bái - Khánh Hòa
• Phiếu chỉnh định Rơle và thiết bị tự động đường dây 110kV Yên Bái - Khánh Hòa
• Thông số cài đặt trong mô hình ATP/EMTP

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.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật điện của nghiên cứu sinh Trương Tuấn Anh với đề tài "Nghiên cứu phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện dựa trên mạng nơron MLP" (Mã số chuyên ngành: 62520202, thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2014, dưới sự hướng dẫn của PGS.TSKH. Trần Hoài Linh và TS. Phạm Hồng Thịnh) tập trung giải quyết bài toán định vị và phân loại sự cố trên lưới truyền tải điện năng.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Hệ thống lưới điện truyền tải đóng vai trò liên kết các nguồn điện với các trung tâm phụ tải. Theo số liệu thống kê của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) ngày 18/08/2011, quy mô lưới điện tăng nhanh với kế hoạch phát triển mới trong giai đoạn 2006–2015 gồm 3.178 km đường dây 500 kV, 9.592 km đường dây 220 kV và 12.659 km đường dây 110 kV. Trong quá trình vận hành, đường dây thường gặp các sự cố như ngắn mạch, sét đánh, đứt dây, chạm đất, quá tải, lão hóa và hư hỏng thiết bị.

Các phương pháp định vị sự cố truyền thống tích hợp trong rơle khoảng cách hiện nay chỉ cung cấp thông tin về vùng sự cố với sai số thống kê dao động từ 1% đến 5%. Do đường dây truyền tải trải dài trên nhiều địa hình phức tạp, sai số này khiến thời gian tìm kiếm và khắc phục sự cố kéo dài từ vài phút đến vài giờ, gây mất điện diện rộng và thiệt hại kinh tế. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: các thuật toán tổng trở truyền thống chịu ảnh hưởng lớn bởi điện trở chuyển tiếp, thành phần một chiều tắt dần (DC offset), sóng hài bậc cao và sự bất đối xứng của đường dây không hoán vị; trong khi đó, các phương pháp sóng lan truyền đòi hỏi đồng bộ thời gian GPS phức tạp và chi phí thiết bị cao. Do đó, việc xây dựng một giải pháp xử lý tín hiệu thông minh, chỉ sử dụng dữ liệu đo lường ở một đầu đường dây để ước lượng chính xác vị trí, điện trở và dạng sự cố là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu và phát triển phương pháp mới sử dụng mạng nơron nhân tạo Perceptron đa tầng (Multi-Layer Perceptron - MLP) hoạt động độc lập hoặc phối hợp song song với thuật toán tổng trở (thuật toán tính toán trên máy tính hoặc rơle khoảng cách thực tế) nhằm nâng cao độ chính xác khi xác định vị trí sự cố, nhận dạng loại sự cố và ước lượng điện trở sự cố trên đường dây truyền tải điện.

Quy trình giải quyết mục tiêu được cụ thể hóa thành 3 bước xử lý tuần tự:

1. Phân tích trực tuyến tín hiệu dòng điện và điện áp đo ở đầu đường dây bằng công cụ wavelet để phát hiện chính xác thời điểm xuất hiện sự cố.
2. Trích xuất các đặc trưng trong một cửa sổ thời gian ngắn (40 ms trước và 20 ms sau thời điểm sự cố, tương đương 3 chu kỳ tín hiệu tần số công nghiệp 50 Hz), bao gồm các giá trị tức thời và đặc trưng phổ tần số.
3. Đưa các giá trị đặc trưng vào mô hình phi tuyến của mạng nơron MLP để ước lượng vị trí sự cố, nhận dạng dạng sự cố và ước lượng giá trị điện trở sự cố.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Phương pháp phân tích, xử lý tín hiệu dòng điện - điện áp và mô hình mạng nơron MLP phục vụ bài toán xác định vị trí, dạng và điện trở sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện xoay chiều 3 pha.
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Mô hình đường dây: Áp dụng tính toán và mô phỏng trên tuyến đường dây truyền tải 110 kV Yên Bái – Khánh Hòa có chiều dài 118,5 km (mô hình thông số rải không hoán vị, nguồn cung cấp từ một phía).
  • Dạng sự cố khảo sát: 4 dạng ngắn mạch cơ bản gồm ngắn mạch 1 pha chạm đất (AG0), ngắn mạch 2 pha (AB0), ngắn mạch 2 pha chạm đất (ABG) và ngắn mạch 3 pha (ABC).
  • Công cụ và thiết bị: Phần mềm mô phỏng quá độ điện từ ATP/EMTP (phiên bản ATP-Draw), phần mềm Matlab 7, hợp bộ thí nghiệm thứ cấp 3 pha công suất lớn Omicron CMC-356 (với phần mềm điều khiển Test Universe V2.30 và chức năng Transplay), rơle khoảng cách kỹ thuật số 7SA522 của hãng Siemens và phần mềm giao tiếp DIGSI 4.82.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về định vị sự cố đường dây tải điện theo 3 nhóm phương pháp chính:

                                  CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ
Phương pháp dựa trên trở kháng          Phương pháp sóng lan truyền            Phương pháp trí tuệ nhân tạo (ANN)
 - Điện kháng đơn (1 đầu)                - Giao thoa/thời gian truyền (GPS)     - Mạng MLP, RBF, SOM
 - Thuật toán Takagi (1 đầu)             - Thiết bị Nippon (Việt Nam)           - Kết hợp Wavelet, Thuật toán di truyền
 - Takagi cải tiến (thứ tự không)        - Phản xạ miền thời gian (TDR)         - Mô hình bù sai số song song
 - Đo tổng trở 2 đầu

Các hướng nghiên cứu trước đây

1. Nhóm phương pháp dựa trên trở kháng:
   • Phương pháp điện kháng đơn: Sử dụng tỷ số giữa điện áp và dòng điện đo ở đầu đường dây chia cho tổng trở đơn vị. Phương pháp đơn giản nhưng sai số lớn khi có điện trở sự cố $R_f$ cao hoặc đường dây không đối xứng.
   • Phương pháp Takagi (1982): Sử dụng dữ liệu dòng điện trước và sau sự cố để tính dòng điện xếp chồng $I''_A$, giúp giảm ảnh hưởng của điện trở sự cố và dòng phụ tải.
   • Phương pháp Takagi cải tiến: Sử dụng thành phần dòng điện thứ tự không $I_R$ thay cho dòng xếp chồng nhằm loại bỏ yêu cầu về dữ liệu trước sự cố, nhưng phát sinh sai số từ việc xác định góc pha của dòng thứ tự không.
   • Phương pháp đo tổng trở hai đầu: Được các tác giả nghiên cứu nhằm tăng độ chính xác, tuy nhiên đòi hỏi hệ thống kênh truyền thông và đồng bộ thời gian nghiêm ngặt giữa hai đầu trạm.
2. Nhóm phương pháp dựa trên sóng lan truyền:
   • Dựa trên việc ghi nhận thời điểm sóng điện từ cao tần truyền từ điểm sự cố đến các đầu đường dây ($\tau_A, \tau_B$) thông qua đồng bộ thời gian GPS.
   • Kết quả thử nghiệm thực tế tại Việt Nam trên đường dây 220 kV Thái Nguyên – Hà Giang (chiều dài 232,2 km) sử dụng thiết bị Nippon (Nhật Bản) ghi nhận sai số thực tế từ 0,4% đến 0,9% (sai số khoảng cách từ 996 m đến 2.100 m).
   • Nghiên cứu của các tác giả quốc tế sử dụng biến đổi sóng con liên tục (CWT) cho đường dây 345 kV dài 321,86 km ghi nhận sai số 1,5% (tương ứng 4,812 km).
3. Nhóm phương pháp ứng dụng mạng nơron nhân tạo:
   • Khởi đầu từ các nghiên cứu của Sobajic và Pao (1989), Kulicke và Dalstein, Kezunovic và cộng sự, Chen và Maun, Song về việc ứng dụng mạng nơron để nhận dạng sự cố và định vị điểm ngắn mạch.
   • Các nghiên cứu sau đó khảo sát các cấu trúc mạng khác nhau:
     • Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của tần số lấy mẫu (1.200 Hz đến 15.360 Hz) trên đường dây 230 kV dài 188 km cho sai số dưới 6,02% (11,32 km).
     • Nghiên cứu trên đường dây 110 kV dài 60 km đo lường hai đầu cho sai số dưới 6% (3,6 km).
     • Nghiên cứu dùng phần mềm PSCAD/EMTDC cho đường dây 230 kV dài 100 km ghi nhận sai số từ 0,1403% đến 0,4926%.
     • Nghiên cứu kết hợp sóng cao tần, mạng nơron và thuật toán di truyền lấy mẫu ở 100 kHz trên đường dây 400 kV dài 128 km cho sai số dưới 2% (2,56 km).
     • Nghiên cứu trên đường dây mạch kép 220 kV dài 100 km mô phỏng trên Matlab cho sai số dưới 1,35% (1,35 km).
     • Nghiên cứu trên đường dây 500 kV dài 300 km với $R_f$ từ 0 đến 300 $\Omega$ cho sai số dưới 0,23% (0,7 km).

Công trình / Tác giả	Đối tượng mô phỏng / Thử nghiệm	Tần số lấy mẫu / Dữ liệu	Sai số vị trí sự cố
Thiết bị Nippon (Thực tế VN)	ĐZ 220 kV Thái Nguyên – Hà Giang (232,2 km)	Thiết bị phần cứng thực tế	0,4% – 0,9% (996 m – 2.100 m)
Tài liệu [102]	ĐZ 230 kV (188 km), ATP/EMTP	1.200 Hz – 15.360 Hz	< 6,02% (11,32 km)
Tài liệu [103]	ĐZ 110 kV (60 km), EMTP-RV, đo 2 đầu	Tín hiệu dòng - áp 2 đầu	< 6% (3,6 km)
Tài liệu [104]	ĐZ 230 kV (100 km), PSCAD/EMTDC	21 vị trí, 17 mức $R_f$	0,1403% – 0,4926%
Tài liệu [105]	ĐZ 400 kV (128 km), ATP-EMTP	100 kHz, mạng nơron + GA	< 2% (2,56 km)
Tài liệu [106]	ĐZ mạch kép 220 kV (100 km), Matlab	1.200 mẫu thử nghiệm	< 1,35% (1,35 km)
Tài liệu [109]	ĐZ 500 kV (300 km), EMTP	$R_f = 0 - 300,\Omega$	< 0,23% (0,7 km)

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Phần lớn các nghiên cứu trước đây hoặc sử dụng mạng nơron độc lập để ước lượng trực tiếp vị trí (dễ gặp sai số cục bộ lớn khi gặp mẫu thử nghiệm ngoài miền học), hoặc đòi hỏi đo lường đồng bộ ở cả hai đầu đường dây. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách:

1. Đề xuất cấu trúc phối hợp song song giữa thuật toán tổng trở (rơle khoảng cách) và mạng nơron MLP: Rơle khoảng cách ước lượng sơ bộ, mạng MLP tính toán lượng bù sai số phi tuyến $\Delta l = l_{\text{chính xác}} - l_{\text{rơle}}$.
2. Áp dụng kỹ thuật trích xuất đặc trưng kết hợp giữa phân tích đa phân giải Wavelet (xác định mốc thời gian sự cố chính xác ở tần số lấy mẫu 100 kHz) và chọn lọc 84 đặc trưng tương quan cao từ phổ Fourier và giá trị tức thời.
3. Kiểm chứng chéo mô hình bằng cách đưa dữ liệu mô phỏng quá độ từ ATP/EMTP qua hợp bộ phần cứng Omicron CMC-356 để kích hoạt trực tiếp rơle số bảo vệ khoảng cách 7SA522 của Siemens.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các khái niệm sử dụng

1. Lý thuyết phân tích sóng nhỏ (Wavelet Transform): Khác với phép biến đổi Fourier truyền thống ($FT$) hoặc biến đổi Fourier thời gian ngắn ($STFT$) bị giới hạn bởi hàm cơ sở điều hòa sin/cos có độ rộng vô hạn gây hiện tượng méo phổ khi phân tích tín hiệu không tuần hoàn, Wavelet sử dụng các hàm cơ sở có độ rộng hữu hạn, trực giao và co dãn: $$\phi(x) = \sqrt{2} \sum_{n=0}^{N} h_n \phi(2x - n)$$ $$\psi(x) = \sqrt{2} \sum_{k=0}^{N} g_k \phi(2x - k), \quad \text{với } g_k = (-1)^k h_{N-k}$$ Trong đó, $h_n$ tương ứng với bộ lọc thông thấp phân tích ($LD$), $g_k$ tương ứng với bộ lọc thông cao phân tích ($HD$). Tín hiệu phân tích đa tầng được phân rã thành thành phần xấp xỉ $a_k(t)$ (tần số thấp) và thành phần chi tiết $d_k(t)$ (tần số cao). Luận án sử dụng họ Wavelet Daubechies bậc 3 (db3) để trích xuất thành phần $d_1$ nhằm phát hiện điểm thay đổi đột biến trong tín hiệu dòng điện và điện áp.

2. Mạng nơron nhân tạo Perceptron đa tầng (MLP): Mạng MLP được cấu tạo gồm lớp vào (input layer), một hoặc nhiều lớp ẩn (hidden layers) với hàm kích hoạt phi tuyến dạng hàm tiếp tuyến hypebolic (tansig) và lớp ra (output layer) tuyến tính.

   • Hàm truyền đạt tansig: $f(x) = \frac{2}{1 + e^{-2ax}} - 1$.
   • Thuật toán huấn luyện: Sử dụng thuật toán Levenberg–Marquardt để tối ưu hóa hàm mục tiêu sai số toàn phương trung bình ($MSE$), đảm bảo tốc độ hội tụ nhanh hơn phương pháp suy giảm độ dốc thuần túy (steepest descent).
   • Kiểm soát hiện tượng quá khớp (overfitting) và thiếu khớp (underfitting) thông qua việc phân chia tập dữ liệu huấn luyện/kiểm tra và tối ưu số lượng nơron lớp ẩn.

Phương pháp nghiên cứu định lượng và quy trình tạo dữ liệu

Luận án hoàn toàn sử dụng phương pháp nghiên cứu định lượng thực nghiệm mô phỏng kết hợp kiểm chứng phần cứng theo quy trình khép kín:

[Xử lý số liệu số trên máy tính]                                           [Tái tạo tín hiệu tương tự qua Omicron CMC-356]

• Quy mô mẫu mô phỏng: Sử dụng phần mềm ATP/EMTP mô phỏng 2.136 trường hợp sự cố trên đường dây 110 kV Yên Bái – Khánh Hòa.
  • 4 dạng sự cố: AG0, AB0, ABG, ABC.
  • 23 vị trí sự cố: Cách đều nhau 5 km dọc theo toàn bộ chiều dài đường dây 118,5 km (từ 5 km đến 115 km).
  • 6 mức điện trở sự cố $R_{sc}$: 0 $\Omega$, 1 $\Omega$, 2 $\Omega$, 3 $\Omega$, 4 $\Omega$, 5 $\Omega$.
  • 3 chế độ phụ tải: Phụ tải cực đại $S_{\max}$ (100%), $S_{50%}$, $S_{30%}$.
  • Thời điểm xảy ra sự cố: Thay đổi liên tục trong toàn bộ một chu kỳ sóng cơ bản (tương ứng các góc pha dòng điện khác nhau).
• Phân chia tập dữ liệu: Tổng số 2.136 mẫu được chia thành 2 tập riêng biệt:
  • Tập huấn luyện (Learning set): 1.424 mẫu (chiếm 2/3 tổng số mẫu).
  • Tập kiểm tra (Testing set): 712 mẫu (chiếm 1/3 tổng số mẫu, độc lập hoàn toàn với quá trình học).
• Lựa chọn đặc trưng đầu vào: Từ 6 kênh tín hiệu đo lường ($u_a, u_b, u_c, i_a, i_b, i_c$) trong cửa sổ 3 chu kỳ (60 ms), 144 giá trị đặc trưng ban đầu được tính toán. Dựa trên phân tích hệ số tương quan tuyến tính giữa đặc trưng và thông số đầu ra, 84 đặc trưng có độ tương quan cao nhất được chọn làm véc-tơ đầu vào cho các mạng MLP.
• Thực nghiệm phần cứng: Sử dụng 1.008 file dữ liệu sự cố định dạng WAV/COMTRADE phát lại qua hợp bộ Omicron CMC-356 để bơm dòng/áp thứ cấp vào rơle Siemens 7SA522, trích xuất nhật ký tác động (Trip Log) bằng phần mềm DIGSI 4.82 để lấy số liệu thực tế của rơle.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện

Chương này tổng kết lý thuyết nền tảng và các giải thuật định vị sự cố kinh điển:

• Trình bày bản chất vật lý của sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải: sự sụt giảm tức thời của điện áp và sự gia tăng đột biến của dòng điện, làm phát sinh sóng lan truyền điện từ cao tần truyền về hai phía đầu đường dây.
• Phân tích chi tiết các công thức giải tích của phương pháp trở kháng:
  • Công thức điện kháng đơn: $l_{\text{sự cố}} = \frac{U_A - I_A R_f}{Z_L I_A / I_f}$.
  • Thuật toán Takagi và Takagi cải tiến: Sử dụng các biểu thức số phức liên hợp $I_A^$ và dòng thứ tự không $I_R^$ cùng góc lệch pha $\delta$ để giảm thiểu ảnh hưởng của điện trở sự cố $R_f$.
• Phân tích nguồn gốc gây sai số trong rơle khoảng cách số thực tế: Bão hòa biến dòng (BI), sai số máy biến điện áp (BU), trạm biến áp trung gian, tổ nối dây máy biến áp, độ không lý tưởng của bộ lọc số và bộ chuyển đổi A/D, đặc biệt là ảnh hưởng của đường dây không hoán vị pha.
• Trình bày nguyên lý định vị bằng sóng lan truyền dựa trên thời gian truyền $\tau_A, \tau_B$ và công nghệ GPS theo biểu thức $l_{\text{sự cố}} = \frac{l + v(\tau_A - \tau_B)}{2}$, cùng tổng kết số liệu vận hành thử nghiệm thiết bị định vị sóng Nippon trên đường dây 220 kV Thái Nguyên – Hà Giang.
• Tổng quan các công trình ứng dụng mạng nơron nhân tạo (MLP, RBF, SOM), chỉ rõ ưu thế của mạng MLP trong việc xấp xỉ các quan hệ vào–ra phi tuyến phức tạp khi được huấn luyện có hướng dẫn.

Chương 2: Các giải pháp đề xuất trong luận án

Chương 2 thiết lập kiến trúc tổng thể cho hệ thống xử lý tín hiệu và các cấu hình mạng MLP đề xuất:

• Thiết lập sơ đồ khối xử lý tín hiệu 3 giai đoạn: Phát hiện mốc thời gian sự cố bằng Wavelet $\rightarrow$ Tính toán trích xuất 84 đặc trưng thời gian/tần số $\rightarrow$ Ước lượng thông số sự cố bằng mạng MLP.
• Đề xuất mô hình mạng MLP hoạt động độc lập để ước lượng trực tiếp khoảng cách sự cố $l_{\text{sự cố}}$ từ véc-tơ đặc trưng đầu vào. Phân tích hạn chế của mô hình này: Mặc dù sai số trung bình nhỏ, nhưng do số lượng mẫu hữu hạn và khả năng rơi vào cực trị địa phương của thuật toán tối ưu, mô hình có thể phát sinh sai số cực đại lớn đối với một số mẫu kiểm tra mới (sai số có thể vượt quá 20 km).
• Đề xuất giải pháp cấu hình song song giữa rơle khoảng cách và mạng MLP:
  • Nguyên lý bù sai số: Rơle khoảng cách (rơle ảo mô phỏng trên PC hoặc rơle thực tế 7SA522) đưa ra ước lượng ban đầu $l_{\text{rơle}}$. Mạng MLP có nhiệm vụ học và tái tạo hàm phi tuyến của lượng sai số $\Delta l = l_{\text{chính xác}} - l_{\text{rơle}}$.
  • Khoảng cách chính xác sau hiệu chỉnh được xác định theo công thức: $$l_{\text{chính xác}} = l_{\text{rơle}} + l_{\text{MLP}}$$
• Thiết lập mô hình hoạt động đồng thời của 3 mạng MLP chuyên biệt: (1) Mạng ước lượng vị trí sự cố; (2) Mạng nhận dạng loại sự cố (mã hóa các dạng ngắn mạch AG0, AB0, ABG, ABC); (3) Mạng ước lượng giá trị điện trở sự cố $R_{sc}$.
• Thiết kế hệ thống thử nghiệm phần cứng kết hợp: Máy tính chạy ATP/EMTP $\rightarrow$ File WAV/COMTRADE $\rightarrow$ Thiết bị Omicron CMC-356 $\rightarrow$ Rơle khoảng cách Siemens 7SA522 $\rightarrow$ Phần mềm DIGSI 4.82.

Chương 3: Các công cụ tính toán mô phỏng sử dụng trong luận án

Chương 3 trình bày chi tiết cơ sở toán học và cách thức vận hành các công cụ nghiên cứu:

• Giới thiệu phần mềm mã nguồn mở ATP/EMTP (phiên bản phát triển độc lập từ năm 1986 bởi Scott Meyer): Cấu trúc giải hệ phương trình vi phân quá độ điện từ theo quy tắc tích phân hình thang; các khối phần tử sử dụng gồm nguồn AC 3 pha type 14, mô hình đường dây phân bố thông số LCC 3 pha không đối xứng, khóa đóng cắt điều khiển theo thời gian, máy biến áp BCTRAN, phần tử đo Probe Volt và Probe Current.
• Trình bày thông số kỹ thuật của hợp bộ Omicron CMC-356: 6 kênh phát dòng (cấp chính xác $< 0,05%$ giá trị đọc $+ 0,05%$ dải đo), 4 cổng phát áp (cấp chính xác $< 0,03%$ giá trị đọc $+ 0,01%$ dải đo), ứng dụng module Transplay trong Test Universe V2.30 với tần số phát lại tín hiệu rời rạc lên đến 100 kHz.
• Xây dựng cơ sở lý thuyết Wavelet: Phân tích so sánh tín hiệu điều hòa và tín hiệu bất định giữa Fourier và Wavelet; định nghĩa toán học hàm tỷ lệ $\phi(x)$, hàm sóng mẹ $\psi(x)$ của Wavelet Haar và các họ Wavelet kinh điển; thuật toán phân rã đa tầng tín hiệu thành các chuỗi hệ số chi tiết $d_k$ và xấp xỉ $a_k$.
• Trình bày mô hình nơron nhân tạo McCulloch – Pitts, hàm kích hoạt phi tuyến tansig có bổ sung hệ số phân cực (bias), cấu trúc mạng MLP 1 lớp ẩn và 2 lớp ẩn, thuật toán lan truyền ngược kết hợp thuật toán tối ưu hóa phi tuyến Levenberg–Marquardt. Phân tích cơ chế lựa chọn số lượng nơron lớp ẩn nhằm cân bằng giữa sai số học ($E_{\text{học}}$) và sai số kiểm tra ($E_{\text{kiểm tra}}$) để tránh hiện tượng quá khớp.

Chương 4: Các kết quả mô phỏng và tính toán

Chương 4 là chương thực nghiệm trọng tâm, cung cấp toàn bộ các số liệu và biểu đồ đánh giá:

• Xây dựng sơ đồ mô phỏng đường dây 110 kV Yên Bái – Khánh Hòa trong ATP/EMTP với các kịch bản ngắn mạch đa dạng về vị trí (23 điểm), điện trở (0 đến 5 $\Omega$), góc pha xuất hiện sự cố và cấp phụ tải (30%, 50%, 100%).
• Khảo sát xác định thời điểm sự cố: Thử nghiệm phân tích thành phần chi tiết $d_1$ bằng họ Wavelet Daubechies bậc 3 (db3) trên 6 tín hiệu dòng–áp ở các dải tần số lấy mẫu từ 100 Hz đến 1 MHz. Kết quả khẳng định tần số lấy mẫu 100 kHz cho phép xác định chính xác thời điểm xảy ra sự cố với sai số thời gian không đáng kể.
• Trích xuất và chọn lọc đặc trưng: Từ cửa sổ 3 chu kỳ (60 ms), biểu đồ hệ số tương quan của 144 giá trị tức thời và tần số được phân tích, chọn ra 84 đặc trưng có tương quan chặt chẽ nhất với các biến trạng thái đầu ra.
• Kết quả huấn luyện và kiểm tra các cấu hình mạng MLP:
  • Mạng MLP ước lượng trực tiếp vị trí: Đánh giá trên 1.424 mẫu học và 712 mẫu kiểm tra; cho thấy dù phần lớn các điểm có sai số thấp nhưng xuất hiện một số trường hợp sai số cực đại lên đến 20 km (16,87%).
  • Mạng MLP phối hợp với thuật toán rơle ảo (trên PC): Rơle ảo tính toán dựa trên các công thức trở kháng cơ bản. Mạng MLP học thành công lượng sai số $\Delta l$, khi cộng hai thành phần lại, sai số tổng thể giảm rõ rệt.
  • Mạng MLP phối hợp với rơle thực tế 7SA522: Dữ liệu tác động của 1.008 trường hợp sự cố từ rơle 7SA522 (thử nghiệm qua hợp bộ CMC-356) được dùng để huấn luyện mạng MLP bù sai số. Kết quả sau khi bù triệt tiêu được phần lớn các sai lệch do chuyển đổi A/D, lọc số và bất đối xứng đường dây gây ra.
  • Mạng MLP nhận dạng loại sự cố và điện trở sự cố: Kết quả kiểm tra trên 712 mẫu độc lập cho thấy mạng MLP nhận dạng chính xác tuyệt đối các dạng sự cố ngắn mạch (AG0, AB0, ABG, ABC) và ước lượng giá trị $R_{sc}$ với sai số nhỏ, bám sát giá trị gốc từ mô phỏng.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và kỹ thuật

Luận án đã đạt được các đóng góp cụ thể như sau:

1. Đề xuất mô hình phối hợp song song: Xây dựng thành công mô hình kết hợp song song giữa thuật toán tổng trở (thuật toán rơle ảo trên máy tính hoặc rơle khoảng cách thực tế 7SA522) với mạng nơron MLP để ước lượng vị trí sự cố trên đường dây truyền tải. Mô hình giải quyết được nhược điểm sai số cực đại lớn của mạng MLP độc lập và bù đắp các nguồn sai số cố hữu của rơle khoảng cách truyền thống.
2. Quy trình phát hiện sự cố bằng Wavelet: Khảo sát thực nghiệm và đề xuất ứng dụng Wavelet Daubechies bậc 3 (db3) để phân tích thành phần chi tiết $d_1$ của tín hiệu lấy mẫu ở tần số 100 kHz, cho phép xác định chính xác mốc thời gian bắt đầu xảy ra quá độ sự cố.
3. Bộ đặc trưng tối ưu: Khảo sát định lượng hệ số tương quan giữa các thông số tín hiệu đầu vào và biến đầu ra, xác lập danh mục 84 giá trị đặc trưng tối ưu (từ 144 đặc tính ban đầu) trích xuất từ 6 kênh tín hiệu dòng–áp trong cửa sổ thời gian 3 chu kỳ xung quanh thời điểm sự cố.
4. Xây dựng đồng thời các mạng phân loại và ước lượng thông số: Phát triển đồng thời hai mạng MLP độc lập để nhận dạng chính xác dạng sự cố ngắn mạch (1 pha, 2 pha, 2 pha chạm đất, 3 pha) và ước lượng giá trị điện trở sự cố $R_{sc}$.
5. Phương pháp kiểm chứng chéo phần cứng: Ứng dụng thành công hợp bộ thí nghiệm thứ cấp Omicron CMC-356 kết hợp phần mềm Test Universe (module Transplay) để phát lại các tín hiệu mô phỏng quá độ từ ATP/EMTP vào rơle số bảo vệ khoảng cách thực tế Siemens 7SA522, tạo lập cơ sở dữ liệu thực nghiệm gồm 1.008 bản ghi để kiểm chứng và xây dựng mạng nơron bù sai số.
6. Xây dựng cơ sở dữ liệu mẫu sự cố quy mô lớn: Thiết lập bộ mẫu 2.136 trường hợp sự cố mô phỏng quá độ chi tiết cho đường dây 110 kV Yên Bái – Khánh Hòa với đầy đủ các tổ hợp biến thiên về vị trí, điện trở, loại ngắn mạch, góc pha và phụ tải.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

• Đề xuất tích hợp giải thuật mạng nơron bù sai số vào các phần mềm phân tích sự cố chuyên dụng tại các trung tâm điều độ hoặc tích hợp trực tiếp vào khối vi xử lý của các rơle khoảng cách kỹ thuật số thế hệ mới.
• Khuyến nghị áp dụng quy trình thu thập tín hiệu một đầu kết hợp xử lý Wavelet và MLP cho các tuyến đường dây truyền tải có cấu trúc địa hình đồi núi hiểm trở, nơi việc lắp đặt hệ thống đo lường hai đầu có kênh truyền GPS gặp khó khăn về chi phí và kỹ thuật.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Mô hình nghiên cứu trong luận án tập trung khảo sát trên mô hình đường dây truyền tải một nguồn cung cấp (đường dây 110 kV Yên Bái – Khánh Hòa dài 118,5 km).
• Dữ liệu huấn luyện mạng nơron chủ yếu được sinh ra từ phần mềm mô phỏng quá độ điện từ ATP/EMTP (mặc dù đã được kiểm chứng một phần qua hợp bộ phát dòng/áp CMC-356 và rơle thực tế 7SA522), do điều kiện thực tế trên lưới điện truyền tải không cho phép tạo sự cố nhân tạo để thu thập dữ liệu thực địa đầy đủ.
• Dải điện trở sự cố khảo sát trong mô phỏng giới hạn từ 0 đến 5 $\Omega$.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Mở rộng phạm vi nghiên cứu cho các hệ thống đường dây truyền tải phức tạp hơn: Đường dây có nguồn cung cấp từ hai phía hoặc nhiều phía, đường dây có trạm biến áp phân nhánh (T-off) và đường dây mạch kép có hỗ cảm tương hỗ phức tạp.
• Khảo sát các trường hợp đường dây truyền tải siêu cao áp có lắp đặt thiết bị bù dọc (chuỗi tụ bù dọc) hoặc thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS).
• Nghiên cứu nâng cao giải thuật để ước lượng sự cố với các dải điện trở tiếp xúc quá độ rất cao (phóng điện hồ quang lớn hoặc chạm đất qua ngọn cây) và các dạng sự cố chập chờn.
• Thử nghiệm tích hợp thuật toán lên các bo mạch vi xử lý nhúng tốc độ cao (DSP/FPGA) để thực hiện tính toán định vị sự cố trực tuyến theo thời gian thực tại trạm biến áp.

---

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp tài liệu tham khảo cho các đối tượng trong ngành kỹ thuật điện và tự động hóa:

• Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật điện / Hệ thống điện: Tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa mô phỏng quá độ điện từ (ATP/EMTP), xử lý số tín hiệu (Wavelet) và trí tuệ nhân tạo (Mạng nơron MLP); phương pháp lựa chọn đặc trưng dựa trên hệ số tương quan.
• Kỹ sư bảo vệ rơle và tự động hóa hệ thống điện: Tham khảo phương pháp ghép nối thử nghiệm phần cứng giữa phần mềm mô phỏng ATP/EMTP, hợp bộ thí nghiệm Omicron CMC-356 (chức năng Transplay) và rơle số khoảng cách thực tế (Siemens 7SA522); cơ chế bù sai số cho rơle khoảng cách.
• Cán bộ quản lý vận hành lưới điện truyền tải (EVN, NPT): Tham khảo giải pháp kỹ thuật định vị sự cố chỉ sử dụng dữ liệu đo một đầu đường dây nhằm rút ngắn thời gian khắc phục sự cố và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án đề xuất mô hình phối hợp song song rơle khoảng cách với mạng MLP thay vì chỉ sử dụng mạng MLP độc lập?

Mạng MLP hoạt động độc lập ước lượng trực tiếp vị trí sự cố trên dải biến thiên rộng (5–115 km). Do số lượng mẫu học là hữu hạn và thuật toán tối ưu hóa có thể rơi vào cực trị địa phương, mạng độc lập có thể phát sinh sai số cực đại lớn đối với một số mẫu thử nghiệm mới (trong một số trường hợp thử nghiệm của luận án, sai số cực đại vượt quá 20 km, tương đương 16,87%).

Trong mô hình phối hợp song song, rơle khoảng cách đảm nhận việc ước lượng sơ bộ, mạng MLP chỉ cần học và ước lượng lượng sai số chênh lệch ($\Delta l = l_{\text{chính xác}} - l_{\text{rơle}}$), vốn có biên độ biến thiên nhỏ hơn nhiều. Sự phối hợp này giúp triệt tiêu các sai số phi tuyến của rơle mà vẫn đảm bảo sai số cực đại của toàn hệ thống được khống chế ở mức thấp.

2. Vai trò cụ thể của công cụ Wavelet trong giải pháp của luận án là gì?

Wavelet được sử dụng ở bước đầu tiên của quy trình xử lý tín hiệu nhằm phát hiện chính xác thời điểm bắt đầu xuất hiện sự cố ngắn mạch trên đường dây. Luận án sử dụng họ Wavelet Daubechies bậc 3 (db3) để phân tích thành phần chi tiết bậc một ($d_1$) từ các tín hiệu dòng điện và điện áp lấy mẫu ở tần số 100 kHz. Do hàm Wavelet có độ rộng hữu hạn trong miền thời gian, thành phần $d_1$ phản ánh các biến đổi đột biến tần số cao ngay khi sự cố xảy ra, giúp xác lập mốc thời gian chuẩn xác để mở cửa sổ phân tích 3 chu kỳ (40 ms trước và 20 ms sau sự cố).

3. Véc-tơ đầu vào của các mạng nơron MLP trong luận án được xây dựng như thế nào?

Véc-tơ đầu vào gồm 84 giá trị đặc trưng được chọn lọc từ 144 đặc tính ban đầu của 6 kênh tín hiệu ($u_a, u_b, u_c, i_a, i_b, i_c$) đo ở đầu đường dây trong cửa sổ 60 ms. Các đặc trưng này bao gồm các giá trị tức thời xung quanh mốc thời gian sự cố và các thành phần phổ tần số Fourier. Việc sàng lọc 84 đặc tính dựa trên đánh giá hệ số tương quan tuyến tính cao với các thông số đầu ra, giúp giảm kích thước không gian dữ liệu đầu vào và nâng cao tốc độ, độ chính xác của quá trình huấn luyện mạng.

4. Hợp bộ thí nghiệm Omicron CMC-356 và rơle Siemens 7SA522 đóng vai trò gì trong luận án?

Hợp bộ Omicron CMC-356 cùng phần mềm Test Universe (module Transplay) được sử dụng để chuyển đổi các file dữ liệu dòng–áp mô phỏng từ ATP/EMTP (dạng số) thành các tín hiệu dòng điện và điện áp tương tự thực tế để bơm vào các ngõ vào nhị thứ của rơle khoảng cách Siemens 7SA522. Kết quả tác động thực tế của rơle (được trích xuất qua phần mềm DIGSI 4.82 với 1.008 trường hợp) đóng vai trò là dữ liệu kiểm chứng độc lập và là đầu vào để huấn luyện mạng MLP bù sai số cho rơle thực tế.

---

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Trương Tuấn Anh đã giải quyết bài toán xác định vị trí, dạng và điện trở sự cố trên đường dây truyền tải điện 110 kV bằng phương pháp kết hợp giữa phân tích Wavelet đa phân giải và mạng nơron nhân tạo MLP. Điểm mấu chốt của công trình là đề xuất cấu hình phối hợp song song giữa thuật toán tổng trở của rơle khoảng cách và mạng MLP nhằm bù sai số phi tuyến, chỉ sử dụng dữ liệu đo lường tức thời ở một đầu đường dây. Toàn bộ các thuật toán đề xuất được kiểm chứng thông qua 2.136 kịch bản mô phỏng trên ATP/EMTP và 1.008 thử nghiệm phát lại tín hiệu thực nghiệm trên hợp bộ Omicron CMC-356 kết nối rơle Siemens 7SA522. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật phục vụ công tác giám sát, bảo vệ và vận hành an toàn hệ thống lưới điện truyền tải.

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.