Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải bằng phương pháp biến đổi wavelet

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện trình bày phương pháp biến đổi wavelet để xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải hiệu quả.

• Tác giả: Trần Thành Chung
• Người hướng dẫn: PGS.TS Võ Ngọc Điều
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Xác Định Vị Trí Sự Cố Trên Đường Dây Truyền Tải Bằng Phương Pháp Biến Đổi Wavelet
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH MINH HỌA
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Hướng tiếp cận của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Đối tượng nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI
• 2.1. Ý nghĩa của bài toán xác định vị trí sự cố
• 2.2. Một số phương pháp xác định vị trí sự cố
• 2.3. Phương pháp dựa vào trở kháng
• 2.4. Phương pháp sóng lan truyền
• 2.5. Phương pháp biến đổi Wavelet
• 3. CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI WAVELET
• 3.1. Lịch sử hình thành
• 3.2. Biến đổi wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform-DWT)
• 3.3. Kỹ thuật phân tích đa phân giải (Multi-Resolution Analysis-MRA)
• 3.4. Phương pháp biến đổi wavelet tính toán vị trí sự cố cho mạch đường dây rẽ nhánh hình T áp dụng cho luận văn này
• 3.4.1. Phương pháp biến đổi wavelet tính toán cho mạch đường dây thẳng
• 3.4.2. Phương pháp tính toán vị trí sự cố áp dụng cho mô hình mạch đường dây rẽ nhánh hình T trong luận văn này
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
• 4.1. Khảo sát mô hình đường dây trên hệ thống mẫu
• 4.1.1. Mô phỏng đường dây
• 4.1.2. Kết quả mô phỏng
• 4.2. Khảo sát đường dây thực tế 110kV Thác Mơ – Bù Đăng rẽ nhánh Đak Glun
• 4.2.1. Mô phỏng đường dây
• 4.2.2. Kết quả mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Hướng nghiên cứu mở rộng của luận văn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về phương pháp wavelet trong xác định vị trí sự cố

Phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải bằng phương pháp wavelet đã được chứng minh là một trong những phương pháp hiệu quả nhất trong lĩnh vực này. Việc xác định vị trí sự cố nhanh chóng và chính xác là rất quan trọng trong việc duy trì độ tin cậy của hệ thống điện. Đặc biệt, với sự gia tăng độ phức tạp của hệ thống điện, các phương pháp truyền thống thường không đáp ứng được yêu cầu. Phương pháp wavelet cho phép phân tích tín hiệu ở nhiều tần số khác nhau, từ đó phát hiện ra những bất thường trong tín hiệu điện áp và dòng điện khi có sự cố xảy ra. Sự kết hợp giữa phân tích tín hiệu và kỹ thuật lọc nhiễu giúp tăng độ chính xác trong việc xác định vị trí sự cố. Theo nghiên cứu, việc ứng dụng biến đổi wavelet trong xác định vị trí sự cố không chỉ giúp tăng cường tính hiệu quả mà còn giảm thiểu thời gian khôi phục hệ thống điện sau sự cố.

1.1 Tầm quan trọng của việc xác định vị trí sự cố

Việc xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện. Khi xảy ra sự cố, thời gian khắc phục càng nhanh thì càng giảm thiểu thiệt hại về kinh tế và ảnh hưởng đến người tiêu dùng. Phương pháp wavelet cho phép phát hiện vị trí sự cố một cách chính xác, từ đó giúp các kỹ sư điện có thể tiến hành sửa chữa một cách hiệu quả. Theo một nghiên cứu gần đây, việc áp dụng phương pháp wavelet đã giúp giảm thời gian khôi phục hệ thống điện xuống còn 30% so với các phương pháp truyền thống. Điều này cho thấy giá trị thực tiễn của phương pháp trong việc tăng cường độ tin cậy của hệ thống điện.

II. Tổng quan về các phương pháp xác định vị trí sự cố

Trong lĩnh vực xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải, đã có nhiều phương pháp được nghiên cứu và áp dụng. Các phương pháp này có thể được chia thành hai nhóm chính: các phương pháp kinh điển và các phương pháp hiện đại. Phương pháp dựa vào trở kháng và phương pháp sóng lan truyền là hai trong số các phương pháp kinh điển. Tuy nhiên, các phương pháp này thường gặp khó khăn trong việc xác định chính xác vị trí sự cố do ảnh hưởng của nhiều yếu tố bên ngoài. Ngược lại, phương pháp wavelet đã cho thấy sự vượt trội trong việc xử lý tín hiệu và xác định vị trí sự cố. Việc áp dụng biến đổi wavelet không chỉ giúp loại bỏ nhiễu mà còn nâng cao độ chính xác trong việc xác định vị trí sự cố. Điều này đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu thực nghiệm, trong đó, phương pháp wavelet đã cho kết quả chính xác hơn so với các phương pháp truyền thống.

2.1 Phân tích các phương pháp kinh điển

Các phương pháp kinh điển như phương pháp dựa vào trở kháng và phương pháp sóng lan truyền đã được sử dụng trong nhiều năm qua để xác định vị trí sự cố. Tuy nhiên, những phương pháp này có những hạn chế nhất định, đặc biệt là trong việc xử lý các tín hiệu bị nhiễu. Phương pháp sóng lan truyền dựa trên nguyên lý truyền sóng điện từ khi có sự cố xảy ra, tuy nhiên, nó vẫn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như điện trở ngắn mạch và tải. Do đó, việc áp dụng phương pháp wavelet trở nên cần thiết hơn bao giờ hết, nhằm khắc phục những nhược điểm của các phương pháp kinh điển.

III. Ứng dụng của phương pháp wavelet trong xác định vị trí sự cố

Việc áp dụng phương pháp wavelet trong xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải đã cho thấy nhiều kết quả khả quan. Qua các mô phỏng thực tế, phương pháp này đã chứng minh được khả năng xác định chính xác vị trí sự cố với độ chính xác cao. Một nghiên cứu điển hình áp dụng biến đổi wavelet cho đường dây 110kV Thác Mơ – Bù Đăng đã cho thấy kết quả rất khả quan. Kết quả cho thấy rằng, phương pháp wavelet không chỉ giúp xác định vị trí sự cố mà còn tối ưu hóa quá trình sửa chữa, giảm thiểu thời gian gián đoạn cung cấp điện. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh hiện nay, khi mà nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng cao.

3.1 Kết quả thực nghiệm từ mô phỏng

Kết quả từ các mô phỏng cho thấy rằng phương pháp wavelet có khả năng phát hiện vị trí sự cố một cách nhanh chóng và chính xác. Trong nghiên cứu, các tín hiệu điện áp và dòng điện được thu thập tại các nút khác nhau trong hệ thống khi xảy ra sự cố. Sau đó, biến đổi wavelet được áp dụng để phân tích các tín hiệu này. Kết quả cho thấy rằng, thời gian xác định vị trí sự cố đã giảm đáng kể, từ đó giúp nâng cao hiệu quả trong việc sửa chữa và khôi phục hệ thống điện. Điều này khẳng định giá trị thực tiễn của phương pháp wavelet trong lĩnh vực xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống điện hiện đại, sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải là nguyên nhân hàng đầu gây gián đoạn cung cấp điện. Theo thống kê thực tế từ các đơn vị quản lý vận hành, sự cố ngắn mạch một pha chạm đất chiếm khoảng 70% đến 80% tổng số các sự cố lưới điện, trong khi ngắn mạch ba pha chiếm khoảng 5%, phần còn lại thuộc về các dạng sự cố hai pha và quá độ phức tạp. Việc mở rộng nhanh chóng của lưới điện với các cấu hình rẽ nhánh hình chữ T (T-junction) làm cho phương pháp đo tổng trở truyền thống bộc lộ nhiều sai số nghiêm trọng do ảnh hưởng của điện trở tiếp xúc sự cố, sự hoán vị pha và nguồn cấp từ nhiều phía.

Đề tài "Xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải bằng phương pháp biến đổi Wavelet" được thực hiện bởi tác giả Trần Thành Chung dưới sự hướng dẫn của Phó Giáo sư, Tiến sĩ Võ Ngọc Điều tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 08 năm 2020. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán định vị điểm sự cố với độ chính xác cao trên lưới điện rẽ nhánh thông qua việc tích hợp lý thuyết sóng lan truyền và kỹ thuật phân tích đa phân giải Wavelet. Phạm vi nghiên cứu được kiểm chứng trên mô hình mô phỏng lưới điện 220kV và đường dây truyền tải thực tế 110kV Thác Mơ – Bù Đăng – rẽ nhánh Đak Glun. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc giảm thiểu chỉ số thời gian mất điện trung bình của hệ thống (SAIDI), rút ngắn thời gian xử lý sự cố từ hàng giờ xuống dưới 30 phút, đồng thời tiết kiệm đáng kể chi phí tuần tra cho các công ty truyền tải điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự giao thoa của hai nền tảng lý thuyết cốt lõi: lý thuyết sóng lan truyền (Travelling Wave Theory) và lý thuyết biến đổi sóng con (Wavelet Transform). Khi ngắn mạch xảy ra tại một điểm trên đường dây, sóng điện từ quá độ sẽ lan truyền dọc theo dây dẫn về hai phía đầu đường dây với vận tốc xấp xỉ tốc độ ánh sáng (khoảng 300.000 km/s). Phương pháp sóng lan truyền không phụ thuộc vào điện trở sự cố hay chế độ vận hành trước sự cố của hệ thống nguồn, khắc phục triệt để nhược điểm của các thuật toán trở kháng cổ điển.

Để xử lý các thành phần tần số cao trong tín hiệu sóng quá độ, luận văn áp dụng biến đổi Wavelet rời rạc (DWT) kết hợp phân tích đa phân giải (MRA) với hàm Wavelet mẹ Daubechies bậc 2 (db2). Ba khái niệm trung tâm bao gồm:

1. Hệ số xấp xỉ (Approximation coefficients - $A_j$): Đại diện cho các thành phần tần số thấp của tín hiệu sóng điện áp/dòng điện.
2. Hệ số chi tiết (Detail coefficients - $D_j$): Chứa đựng các thành phần tần số cao, phản ánh chính xác thời điểm xuất hiện xung đột biến đầu tiên của sự cố.
3. Ma trận tương quan nhiều cấp (Correlation Matrix): Giải thuật lọc nhiễu bậc cao nhằm triệt tiêu các sóng phản xạ không mong muốn từ các điểm phân nhánh, giúp làm nổi bật thời điểm sóng tới thực tế ($t_i$).

Đối với cấu hình mạch rẽ nhánh hình chữ T gồm các nhánh có chiều dài $L_{iT}$ và $L_{jT}$, khoảng cách $x$ từ nút đầu nhánh bị sự cố đến điểm ngắn mạch được xác định chính xác theo biểu thức: $$x = \frac{L_{iT} - L_{jT} + v(t_j - t_i)}{2}$$

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số và phân tích tín hiệu trên miền thời gian - tần số. Dữ liệu đầu vào được khởi tạo từ phần mềm MATLAB/Simulink (khối Simscape Power Systems) với hai mô hình khảo sát:

• Mô hình lưới điện mẫu 220kV: Gồm ba nhánh rẽ có chiều dài lần lượt là 200 km, 120 km và 110 km; công suất ngắn mạch tại các đầu trạm là 1,25 GVA, tỷ số kháng trở $X/R = 10$, thông số thứ tự thuận $R_1 = 0,01809\ \Omega/\text{km}, L_1 = 0,092974\ \text{H/km}$ và thứ tự không $R_0 = 0,2188\ \Omega/\text{km}, L_0 = 3,2829\ \text{H/km}$.
• Mô hình lưới thực tế 110kV Thác Mơ – Bù Đăng – rẽ nhánh Đak Glun: Khảo sát các kịch bản sự cố pha A chạm đất với các giá trị điện trở ngắn mạch thay đổi từ $0\ \Omega$ đến $50\ \Omega$.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên kỹ thuật lấy mẫu tín hiệu quá độ đồng bộ thời gian tại các nút đo với tần số lấy mẫu cao, đảm bảo ghi nhận trọn vẹn sườn trước của sóng lan truyền. Phép biến đổi Wavelet db2 phân ly 4 cấp được lựa chọn vì tính chất đối xứng, khả năng định vị thời gian tuyệt vời và độ phức tạp tính toán thấp, hoàn toàn phù hợp để tích hợp vào các thiết bị ghi sự cố số (DFR) và hệ thống SCADA hiện hữu. Timeline nghiên cứu được thực hiện từ tháng 08/2019 đến tháng 08/2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã chứng minh tính hiệu quả vượt trội của giải thuật lọc tương quan Wavelet qua các phát hiện thực nghiệm cụ thể:

1. Phát hiện chính xác thời điểm sóng tới: Với trường hợp sự cố giả định ngắn mạch pha A chạm đất tại vị trí 78 km tính từ nút B1 (trên nhánh 200 km) với điện trở sự cố $50\ \Omega$, sau khi thực hiện biến đổi Wavelet db2 bậc 4 và lọc qua ma trận tương quan bậc 3 ($|Corr_new3|$ với $n=1$), thời điểm xuất hiện xung đỉnh sự cố đầu tiên tại nút B1 được xác định chính xác là $t_{B1} = 0,020265$ giây.
2. Nhận dạng nhánh sự cố không nhầm lẫn: Bằng cách so sánh biên độ đỉnh tín hiệu tuyệt đối của ma trận tương quan bậc 3 giữa các nút B1, B2 và B3, nút B1 cho biên độ vượt trội hơn hẳn so với B2 và B3 (biên độ tại B3 suy giảm hơn 65% so với B1). Điều này giúp thuật toán tự động nhận diện chính xác nhánh A-T đang xảy ra sự cố mà không bị đánh lừa bởi sóng phản xạ từ điểm nút rẽ nhánh.
3. Độ chính xác định vị cao bất chấp điện trở sự cố: Khi điện trở ngắn mạch thay đổi từ $0\ \Omega$ lên $50\ \Omega$, sai số định vị khoảng cách của phương pháp Wavelet duy trì ở mức dưới 0,5%, tương đương sai số định vị thực tế chỉ lệch khoảng vài trăm mét trên tổng chiều dài tuyến dây hàng trăm kilomet.

Thảo luận kết quả

Sự biến dạng mạnh của tín hiệu sóng áp pha A tại nút B1 so với các pha lành B và C đã tạo điều kiện thuận lợi cho phép phân tích MRA tách biệt thành công thành phần chi tiết bậc 1 ($D_1$) đến bậc 4 ($D_4$). Thuật toán ma trận tương quan tích cực ($PCorr_new$) đã loại bỏ hoàn toàn các đỉnh sóng giả do nhiễu trắng và quá trình đóng cắt tụ bù ngang sinh ra.

So sánh với phương pháp trở kháng truyền thống (vốn có sai số tăng từ 5% đến hơn 12% khi điện trở chạm đất lớn hơn $30\ \Omega$), phương pháp biến đổi Wavelet kết hợp sóng lan truyền hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi điện trở ngắn mạch hay sự thay đổi cấu hình cột điện. Kết quả tính toán từ các bảng dữ liệu mô phỏng cho thấy toàn bộ các tham số thời gian $t_i, t_j$ và khoảng cách tính toán $x$ đều khớp hoàn toàn với vị trí đặt sự cố thực nghiệm. Trong các báo cáo phân tích, dữ liệu định vị được trực quan hóa tối ưu thông qua các biểu đồ phân bố biên độ ma trận tương quan 3 chiều và bảng đối chiếu sai số tương đối giữa các nút đo, giúp nhân viên vận hành đưa ra quyết định đóng cắt và cô lập đoạn sự cố chỉ sau vài thao tác xử lý dữ liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm áp dụng rộng rãi giải thuật Wavelet vào công tác quản trị và vận hành lưới điện truyền tải, các giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

1. Tích hợp module giải thuật Wavelet vào hệ thống SCADA/EMS: Các Công ty Truyền tải điện cần phối hợp cùng các đơn vị phần mềm để nhúng trực tiếp thuật toán lọc tương quan Wavelet db2 vào phần mềm giám sát trung tâm, đặt mục tiêu tự động xuất tọa độ điểm sự cố trong vòng 10 giây sau khi rơ-le tác động, triển khai trong giai đoạn 2021-2023.
2. Trang bị hệ thống định vị thời gian GPS đồng bộ tại các trạm biến áp: Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia (EVNNPT) cần lắp đặt thiết bị đồng bộ thời gian vệ tinh chuẩn micro-giây cho các thiết bị ghi sự cố số (DFR) tại tất cả các trạm 110kV và 220kV, đảm bảo độ lệch thời gian đo giữa các đầu nhánh không vượt quá 0,1 micro-giây, hoàn thành trong vòng 18 tháng.
3. Chuẩn hóa quy trình tuần tra và khắc phục sự cố: Các Công ty Điện lực địa phương cần ban hành quy trình vận hành mới, sử dụng kết quả định vị tự động để điều động đội sửa chữa cơ động tiếp cận ngay vị trí cột điện được khoanh vùng, giảm thời gian tìm kiếm sự cố thực địa ít nhất 70% trong năm vận hành đầu tiên.
4. Nghiên cứu mở rộng bộ lọc Wavelet cho lưới cáp ngầm và lưới hỗn hợp: Các trường đại học và viện nghiên cứu chuyên ngành điện cần tiếp tục phát triển các hàm Wavelet mẹ thích nghi (như Symlet hoặc Coiflet) cho các tuyến cáp ngầm 110kV-220kV có thông số suy hao phi tuyến, hoàn thiện trong lộ trình 2 năm tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư điều độ và vận hành hệ thống điện: Nắm vững nguyên lý lan truyền sóng trên lưới rẽ nhánh để phân tích nhanh các bản ghi sự cố từ rơ-le, xác định tức thời đoạn dây bị đứt hoặc chạm chập để cô lập và tái lập cung cấp điện an toàn.
2. Chuyên gia thiết kế rơ-le bảo vệ và tự động hóa trạm: Tham khảo cấu trúc thuật toán Wavelet db2 và ma trận lọc tương quan để lập trình các thuật toán bảo vệ số thế hệ mới cho các thiết bị IED (Intelligent Electronic Devices).
3. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật điện: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp mô hình hóa lưới điện phân nhánh trên MATLAB/Simulink và kỹ thuật xử lý tín hiệu quá độ nâng cao.
4. Đơn vị sản xuất thiết bị đo lường và giám sát lưới điện thông minh: Khai thác cơ sở toán học của nghiên cứu để tích hợp các vi xử lý DSP xử lý thuật toán Wavelet thời gian thực vào các thiết bị giám sát đường dây trực tuyến (Fault Passage Indicator).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phương pháp biến đổi Wavelet lại chính xác hơn phương pháp đo trở kháng cổ điển?
   Phương pháp trở kháng tính toán dựa trên điện áp và dòng điện tần số công nghiệp nên bị ảnh hưởng lớn bởi điện trở sự cố ($50\ \Omega$ trở lên) và sự bất đối xứng đường dây. Ngược lại, biến đổi Wavelet trích xuất các xung đột biến quá độ ở dải tần số cao không phụ thuộc vào điện trở tiếp xúc, mang lại độ chính xác định vị gần như tuyệt đối.

2. Hàm Wavelet mẹ Daubechies 2 (db2) và bậc phân ly 4 có ý nghĩa gì trong bài toán này?
   Wavelet db2 có đặc tính thời gian gọn và hỗ trợ trích xuất các điểm dị thường nhanh chóng. Phân tích MRA bậc 4 giúp phân tách tín hiệu thành các dải hệ số chi tiết $D_1-D_4$, trong đó $D_1$ chứa đựng đúng sườn sóng tới đầu tiên ($t_{B1} = 0,020265$ s), loại bỏ hoàn toàn nhiễu công nghiệp 50Hz.

3. Làm thế nào để xác định chính xác nhánh bị sự cố trên đường dây rẽ nhánh hình chữ T?
   Thuật toán so sánh biên độ cực đại của giá trị tuyệt đối ma trận tương quan bậc 3 ($|Corr_new3|$) tại các trạm đo. Nút đo thuộc nhánh bị sự cố luôn xuất hiện đỉnh năng lượng xung đột biến lớn nhất (cao hơn các nút lành từ 50% đến 65%), từ đó thuật toán tự động nhận diện đúng nhánh hỏng hóc.

4. Hệ thống cần yêu cầu phần cứng gì để áp dụng phương pháp này ngoài thực tế?
   Hệ thống đòi hỏi các thiết bị ghi sóng sự cố (DFR) hoặc rơ-le số có tốc độ lấy mẫu tối thiểu từ 100 kHz đến 1 MHz và được tích hợp bộ định thời GPS với độ chính xác dưới 1 micro-giây nhằm đồng bộ hóa dữ liệu thời gian giữa các nút trạm.

5. Phương pháp này có áp dụng được cho sự cố nhiều pha và đường dây nhiều cấp điện áp không?
   Phương pháp áp dụng hiệu quả cho cả sự cố 1 pha chạm đất (chiếm 70-80%), sự cố 2 pha và 3 pha ngắn mạch. Luận văn đã chứng minh thuật toán hoạt động chính xác trên cả lưới mẫu 220kV và đường dây thực tế 110kV Thác Mơ – Bù Đăng – Đak Glun.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công giải thuật xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải rẽ nhánh hình chữ T bằng phương pháp biến đổi Wavelet kết hợp lý thuyết sóng lan truyền.
• Ứng dụng xuất sắc biến đổi Wavelet db2 phân ly 4 cấp và thuật toán lọc ma trận tương quan nhiều cấp để khử nhiễu và định vị chính xác thời điểm sóng tới với sai số dưới 0,5%.
• Giải quyết triệt để bài toán nhận dạng nhánh sự cố trên cấu hình lưới phức tạp thông qua so sánh năng lượng biên độ đỉnh của ma trận tương quan bậc 3.
• Kiểm chứng thành công giải thuật trên mô hình lưới điện 220kV và lưới điện thực tế 110kV Thác Mơ – Bù Đăng – rẽ nhánh Đak Glun với các mức điện trở sự cố lên đến $50\ \Omega$.
• Đóng góp cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc để phát triển các thiết bị định vị sự cố tự động cho lưới điện thông minh, hướng tới lộ trình số hóa toàn diện ngành điện trong giai đoạn tới.

Hãy tham khảo và ứng dụng ngay các phát kiến từ công trình nghiên cứu này để tối ưu hóa hiệu quả vận hành và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho hệ thống lưới điện truyền tải.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu Để đáp ứng nhu cầu phát triển của hạ tầng xã hội, hệ thống đường dây của lưới điện ngày càng được mở rộng với tốc độ nhanh. Việc phát hiện vị trí sự cố trên hệ thống đường dây truyền tải có nhiều nhánh, phức tạp là rất quan trọng nhưng thường mất nhiều thời gian. Để cải thiện vấn đề trên, đã có nhiều phương pháp đang được sử dụng, phát triển để xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải để việc vận hành hệ thống điện trở nên dễ dàng hơn. Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp với rất nhiều thiết bị và các nhánh rẽ, khi xảy ra sự cố tại một vị trí, phần tử nào đó sẽ gây ảnh hưởng hoạt động của toàn bộ hệ thống làm giảm độ tin cậy cung cấp điện cũng như chất lượng điện năng.

Do đó, việc xác định nhanh được vị trí sự cố để tiến hành sửa chữa, khắc phục là rất quan trọng và cần thiết.2 Hướng tiếp cận của đề tài Với tầm quan trọng trong vận hành hệ thống điện, trong những năm vừa qua đã có rất nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải một cách nhanh chóng. Hiện tại, đã có nhiều phương pháp được đưa ra để giải quyết vấn đề trên như: phương pháp dựa vào trở kháng, phương pháp sóng lan truyền TW (Travelling wave), phương pháp biến đổi wavelet (sóng con), mạng nơron…. So với các phương pháp khác dựa trên nguyên lý trở kháng để tính toán thì phương pháp sóng lan truyền kết hợp biến đổi wavelet có độ chính xác cao hơn các phương pháp khác do không chịu ảnh hưởng từ các yếu tố sau: + Thay đổi kích thước và khoảng cách dây dẫn. + Hoán chuyển các dây dẫn.

+ Thay đổi cấu hình cột điện. HVTH: Trần Thành Chung 2 CBHD:PGS.TS Võ Ngọc Điều + Đường dây có rẽ nhánh. + Tụ bù ngang. Đây là lý do chọn phương pháp này để xác định vị trí sự cố trong luận văn này.3 Mục tiêu nghiên cứu Vấn đề xác định vị trí sự cố đã được nghiên cứu từ nhiều thập niên và có ý nghĩa rất quan trọng trong vận hành, điều khiển hệ thống điện.

Mục tiêu chính là xác định nhanh và chính xác vị trí, phần tử bị sự cố trên mạch điện rẽ nhánh hình T để khắc phục đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng. Luận văn sẽ áp dụng phương pháp biến đổi wavelet để tìm vị trí sự cố trên đường dây thẳng[16] kết hợp với phương pháp tính toán xác định vị trí sự cố trên đường dây hình T[17] để tính toán xác định vị trí sự cố trên mạch điện rẽ nhánh hình T loại có các thiết bị đo đếm đồng bộ riêng biệt cho từng nút đầu nhánh.4 Phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận văn này là áp dụng phương pháp biến đổi wavelet để xác định vị trí sự cố trên mạch đường dây rẽ nhánh hình T. Phương pháp này sẽ được áp dụng trên mô hình đường dây truyền tải trên bài báo và áp dụng vào đường dây 110kV Thác Mơ – Bù Đăng – rẽ nhánh Đak Glun thực tế.5 Đối tượng nghiên cứu - Áp dụng phương pháp biến đổi wavelet để xác định chính xác vị trí sự cố để tiến hành khắc phục. - Sử dụng phần mềm MATLAB – SIMULINK để mô phỏng và thu kết quả.

HVTH: Trần Thành Chung 3 CBHD:PGS.TS Võ Ngọc Điều 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 2.1 Ý nghĩa của bài toán xác định vị trí sự cố Khi xảy ra sự cố tại một vị trí nào đó trên lưới truyền tải các giá trị điện áp, dòng điện tại vị trí đó sẽ thay đổi. Từ các giá trị này ta có thể xác định được vị trí sự cố theo nguyên lý tổng trở. Bài luận văn này sẽ tìm hiểu thêm một phương pháp mới xác định vị trí sự cố với độ chính xác hơn nhằm tăng độ tin cậy cung cấp điện của lười truyền tải bằng việc giảm thời gian phát hiện, khắc phục sự cố để khôi phục lại trạng thái hoạt động bình thường của lưới điện bị sự cố.2 Một số phương pháp xác định vị trí sự cố Do nhu cầu thực tế trong vận hành lưới điện truyền tải là xác định vị trí của sự cố một cách chính xác nhất nên trong những năm qua đã có nhiều phương pháp được nghiên cứu, áp dụng vào thực tế. Có thể chia các phương pháp này thành hai nhóm sau: - Các phương pháp kinh điển: phương pháp dựa vào trở kháng, phương pháp sóng lan truyền.

- Các phương pháp mới dựa vào thuật toán xử lý tín hiệu: phương pháp biến đổi sóng con (wavelet), phương pháp biến đổi S trong miền tần số…. Mỗi phương pháp trên đều có những tồn tại và ứng dụng nhất định.3 Phương pháp dựa vào trở kháng Phương pháp dựa trên việc đo trở kháng sau khi xảy ra sự cố hay còn gọi là thuật toán dựa trên pha. Phương pháp này chủ yếu dựa vào các tín hiệu đo đạc được. Sử dụng phương diện tần số lưới điện trong khoảng thời gian sau sự cố, sử dụng các phương trình vi phân đường dây và đánh giá các tham số đường dây[13].

Rõ ràng, nó bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố của hiện tượng tần số, như điện trở ngắn mạch, phụ tải HVTH: Trần Thành Chung 4 CBHD:PGS.TS Võ Ngọc Điều và các thông số nguồn… Do đó, mức độ chính xác của phương pháp cũng có giới hạn.4 Phương pháp sóng lan truyền[14] Phương pháp sóng lan truyền dựa trên nguyên lý quá độ điện khi có sự cố xảy ra trên đường dây. Sóng lan truyền này có tốc độ gần với vận tốc ánh sáng từ điểm đó về hai hướng đầu đường dây.1:Sự lan truyền truyền sóng điện từ trên đường dây HV sau khi xảy ra sự cố[14] Phương pháp dựa trên việc đo đạc sự truyền sóng, kỹ thuật sóng truyền là chính xác hơn các kỹ thuật kháng trở trong việc xác định vị trí sự cố của đường dây truyền tải, do không phụ thuộc vào điện trở ngắn mạch, phụ tải và các thông số nguồn trước sự cố. Sự truyền sóng trên đường dây truyền tải được xác định bởi các phương trình sau, đối với đường dây không tổn hao (R=0,G=0) là: (2.2) Khai triển hai phương trình trên trong trường hợp chung ta được : (2.4) HVTH: Trần Thành Chung 5 CBHD:PGS.TS Võ Ngọc Điều Sóng điện từ có thể được chia thành sóng điện áp u(x,t) và sóng dòng điện i(x,t) đại diện cho sự lan truyền của điện trường và từ trường tương ứng. Phương trình (2.4) thành 2 sóng điện áp và dòng điện được thể hiện như sau: - Sóng điện áp u’(x,t) và sóng dòng điện i’(x,t) lan truyền với vận tốc v dọc theo trục x Hình 2.2: Sóng điện áp u' và dòng điện i' lan truyền dọc theo trục x[14] - Sóng điện áp u”(x,t) và sóng dòng điện i”(x,t) lan truyền với vận tốc v theo hướng ngược lại với u’(x,t) và i’(x,t) Hình 2.3: Sóng điện áp u" và dòng điện i" lan truyền dọc theo trục x[14] Xếp chồng hai trường hợp trên ta được: Hình 2.4: Xếp chồng sóng điện áp u'với u" và i' với i" Giả sử đường dây truyền tải được cho như hình 2.1 với chiều dài của đường dây là 100km ta thu được dạng sóng như hình 2.5 HVTH: Trần Thành Chung 6 CBHD:PGS.TS Võ Ngọc Điều Hình 2.5: Dòng lỗi trong trạm biến áp sau khi xảy ra sự cố L1-E trong đường dây truyền tải[14] Hình 2.6: Sự lan truyền sóng sau một sự cố trên đường dây truyền tải[14] Khung hình chữ nhật trong hình 2.5 đánh dấu khu vực được hiển thị trong hình 2.6 cho phép quan sát chính xác sóng dòng điện đi tới trạm biến áp.

Sự cố xảy ra tại tại tf=225ms, sóng dầu tiên đạt đến trạm biến áp tại thời điểm t1=160us sau thời điểm tf. Với vận tốc lan truyền của sóng gần với tốc độ ánh sáng (v=300000km/s), như vậy khoảng cách đi được trong 160us là 50km. Sóng thứ hai đến trạm biến áp tại thời điểm t2=320us là kết quả phản ánh sóng đầu tiên từ trạm biến áp A và phản xạ liên tiếp từ vị trí sự cố. Trong khoảng thời gian t2 sóng di chuyền với khoảng cách 100km.

HVTH: Trần Thành Chung 7 CBHD:PGS.TS Võ Ngọc Điều 2.5 Phương pháp biến đổi Wavelet Phương pháp này tránh được những sai số do thiết bị và sự đồng bộ thông tin từ hai đầu. Việc lấy thông tin từ một đầu cuối và xử lý dễ dàng và chính xác hơn. Tín hiệu quá độ bao giờ cũng có rất nhiều tín hiệu bất thường, những tín hiệu này có chứa rất nhiều thông tin hữu ích. Tuy nhiên, đối với vấn đề xác định vị trí ngắn mạch chỉ có thông tin quá độ tại một tần số nhất định là có ý nghĩa.

Do đó, trong vấn đề này, ta xem những tín hiệu không cần thiết là nhiễu. Thuật toán mới để lọc nhiễu này sẽ được áp dụng, tín hiệu phản hồi từ vị trí ngắn mạch sẽ được xác định. Từ đó, xác định vị trí ngắn mạch. Giải thuật này dựa trên những hệ số tương quan có được qua phép biến đổi wavelet tĩnh với nhiều cấp phân giải.

Sau khi biến đổi wavelet tĩnh, sóng được phân tích thành hai nhóm chính là nhóm các hệ số xấp xỉ và nhóm các hệ số chi tiết. Thông thường, các hệ số xấp xỉ chứa đựng các thành phần tần số thấp. Các hệ số chi tiết chứa thông tin về các thành phần tần số cao. Để nhận biết việc xảy ra ngắn mạch, các hệ số xấp xỉ thường được sử dụng, còn các hệ số chi tiết dùng để xác định vị trí sự cố.

HVTH: Trần Thành Chung 8 CBHD:PGS.TS Võ Ngọc Điều 3 CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI WAVELET 3.1 Lịch sử hình thành Vào thế kỷ 19, nhà toán học người Pháp Joseph Fourier đã chứng minh rằng một hàm tuần hoàn bất kỳ nào đó có thể biểu diển như một tổng xác định của các hàm mũ phức. Phương pháp phân tích wavelet là một phương pháp mới phát triển dựa trên nền tảng nhưng lý thuyết của Fourier. Trong luận văn của Alfred Haar năm 1909 từ “Wavelet” lần đầu tiên được sử dụng. Còn khái niệm wavelet được dùng cho các sách lý thuyết được đưa ra bởi Jean Morlet và nhóm nghiên cứu Marseille thuộc Trung tâm Nghiên cứu Lý thuyết Vật lý tại Pháp.

Phương pháp phân tích wavelet đã được phát triển và phổ biến bởi Y.Meyer và các đồng nghiệp của ông. Thuật toán chính dựa vào các công trình nghiên cứu của Stephane Mallat vào năm 1988. Từ đó, việc nghiên cứu wavelet trở nên mang tính quốc tế.