Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu các phương pháp thông minh để phân loại và định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:186

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là hệ thống hóa các phương pháp, công trình nghiên cứu đã được công bố trong lĩnh vực xác định sự cố trong lưới truyền tải điện cao áp; nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của rơle và phép tính khoảng cách đến điểm sự cố như sóng hài, điện trở sự cố, sai số BI, sai số BU, và thông số đường dây... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu các phương pháp thông minh để phân loại và định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG VŨ PHAN HUẤN NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP THÔNG MINH ĐỂ PHÂN LOẠI VÀ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG VŨ PHAN HUẤN NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP THÔNG MINH ĐỂ PHÂN LOẠI VÀ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN Chuyên ngành: Mạng và Hệ thống điện Mã số: 62 52 50 05 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LÊ KIM HÙNG Đà Nẵng - Năm 2014
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án VŨ PHAN HUẤN
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1. Đặt vấn đề ..................................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................... 3 3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 4 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................... 4 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ................................................... 5 6. Bố cục của luận án ........................................................................................ 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI VÀ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ ............................................................................................................... 9 1.1 Mở đầu ................................................................................................................ 9 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ....................................................................... 10 1.2.1 Giải pháp dựa trên kỹ thuật quản lý vận hành ...................................... 12 1.2.2 Hướng nghiên cứu dựa trên kỹ thuật phân tích tín hiệu ở tần số lưới điện ................................................................................................... 14 1.2.3 Hướng nghiên cứu dựa trên kỹ thuật phân tích tín hiệu cao tần ........... 22 1.2.4 Hướng nghiên cứu dựa trên kỹ thuật hệ thống thông minh ................... 27 1.2.5 Hướng nghiên cứu dựa trên phương pháp lai ....................................... 32 1.3 Kết luận ............................................................................................................. 34 CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ CHÍNH ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ SỰ NHẬN DẠNG SỰ CỐ CỦA BẢO VỆ RƠLE ............................ 36 2.1 Mở đầu .............................................................................................................. 36 2.2 Ảnh hưởng sóng hài đến rơle bảo vệ trong hệ thống điện ................................ 37 2.2.1 Sóng hài trong hệ thống điện ................................................................ 37 2.2.2 Ảnh hưởng sóng hài đến rơle bảo vệ ..................................................... 39 2.2.3 Nhận xét và đánh giá ............................................................................. 42 2.3 Ảnh hưởng điện trở sự cố đến vùng làm việc rơle khoảng cách ....................... 43 2.3.1 Điện trở sự cố ........................................................................................ 43
2.3.2 Điện trở sự cố trên đường dây có nguồn cung cấp từ một phía ........... 43 2.3.3 Điện trở sự cố trên đường dây có nguồn cung cấp từ hai phía ............ 44 2.3.4 Khắc phục ảnh hưởng điện trở sự cố đến vùng làm việc rơle............... 46 2.3.5 Nhận xét và đánh giá ............................................................................. 48 2.4 Ảnh hưởng sai số BI, BU đến thông số đo lường của rơle ............................... 48 2.4.1 Sai số BI, BU ......................................................................................... 48 2.4.2 Giải pháp cải thiện sai số BI, BU .......................................................... 50 2.4.3 Nhận xét và đánh giá ............................................................................. 52 2.5 Ảnh hưởng của thông số đường dây đến đặc tính làm việc của rơle ................ 52 2.5.1 Công thức tính hệ số k ........................................................................... 52 2.5.2 Xác định trở kháng đường dây và hệ số k ............................................. 53 2.5.3 Nhận xét và đánh giá ............................................................................. 58 2.6 Kết luận ............................................................................................................. 58 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ ĐIỂM SỰ CỐ CỦA RƠLE KỸ THUẬT SỐ .................................................................. 59 3.1 Mở đầu .............................................................................................................. 59 3.2 Phần mềm phân tích bản ghi sự cố rơle bảo vệ ................................................. 60 3.2.1 Phần mềm phân tích sự cố Sigra 4 ........................................................ 63 3.2.2 Nhận xét và đánh giá ............................................................................. 65 3.3 Phương pháp định vị sự cố sử dụng dữ liệu đo lường dòng điện, điện áp tại một đầu đường dây .................................................................................................. 65 3.3.1 Hãng sản xuất rơle bảo vệ SEL và GE ................................................. 65 3.3.2 Hãng sản xuất rơle bảo vệ TOSHIBA ................................................... 70 3.3.3 Hãng sản xuất rơle bảo vệ SIEMENS ................................................... 71 3.3.4 Hãng sản xuất rơle bảo vệ ABB............................................................ 76 3.3.5 Hãng sản xuất rơle bảo vệ AREVA ....................................................... 79 3.3.6 Nhận xét và đánh giá ............................................................................. 80 3.4 Định vị sự cố sử dụng dữ liệu đo lường từ hai đầu đường dây ......................... 81 3.4.1 Hãng sản xuất rơle bảo vệ TOSHIBA .................................................. 81
3.4.2 Hãng sản xuất rơle bảo vệ SEL ............................................................. 82 3.4.3 Đánh giá phương pháp định vị sự cố .................................................... 84 3.4.4 Nhận xét và đánh giá ............................................................................. 86 3.5 Định vị sự cố sử dụng dữ liệu đo lường từ ba đầu đường dây .......................... 87 3.5.1 Phương pháp định vị sử dụng dữ liệu đo không đồng bộ của hãng SEL... 87 3.5.2 Phương pháp định vị sử dụng dữ liệu đo đồng bộ dòng điện và điện áp của hãng sản xuất rơle bảo vệ TOSHIBA .............................................................. 89 3.5.3 Phương pháp định vị sử dụng biến đổi Clarke mở rộng của hãng sản xuất rơle bảo vệ GE ................................................................................................ 90 3.5.4 Đánh giá phương pháp định vị sự cố .................................................... 93 3.5.5 Nhận xét và đánh giá ............................................................................. 94 3.6 Kết luận ............................................................................................................. 94 CHƯƠNG 4: SỬ DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THÔNG MINH ĐỂ PHÂN LOẠI SỰ CỐ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN ............................................................ 96 4.1 Mở đầu .............................................................................................................. 96 4.2 Phân loại sự cố đường dây tải điện bằng hệ mờ ............................................... 97 4.2.1 Thuật toán phân loại sự cố .................................................................... 97 4.2.2 Đánh giá phương pháp phân loại sự cố trên cơ sở hệ mờ .................. 101 4.2.3 Nhận xét và đánh giá ........................................................................... 105 4.3 Phân loại sự cố đường dây tải điện bằng phân tích wavelet ........................... 105 4.3.1 Phân tích wavelet rời rạc .................................................................... 106 4.3.2 Tính toán độ lớn dòng điện ................................................................. 108 4.3.3 Thuật toán nhận dạng sự cố ................................................................ 108 4.3.4 Ứng dụng phương pháp phân loại dạng bằng wavelet ....................... 110 4.3.5 Nhận xét và đánh giá ........................................................................... 110 4.4 Phân loại sự cố đường dây tải điện bằng ANN ............................................... 111 4.4.1 Thủ tục xây dựng mô hình ANN để phân loại sự cố ........................... 112 4.4.2 Mô hình hệ thống điện nghiên cứu ...................................................... 120 4.4.3 Nhận xét và đánh giá ........................................................................... 123
4.5 Phân loại sự cố đường dây tải điện bằng ANFIS ............................................ 124 4.5.1 Thủ tục xây dựng mô hình ANFIS để phân loại sự cố ........................ 124 4.5.2 Mô hình hệ thống điện nghiên cứu ...................................................... 125 4.5.3 Nhận xét và đánh giá ........................................................................... 126 4.6 Kết luận ........................................................................................................... 126 CHƯƠNG 5: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP THÔNG MINH ANN, ANFIS ĐỂ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN .............................................. 128 5.1 Mở đầu ............................................................................................................ 128 5.2 Ứng dụng mạng ANN trong định vị sự cố đường dây truyền tải điện............ 129 5.2.1 Xây dựng mô hình mạng ANN ............................................................. 129 5.2.2 Kết quả thử nghiệm ANN định vị sự cố ............................................... 132 5.2.3 Nhận xét và đánh giá ........................................................................... 132 5.3 Ứng dụng mạng ANFIS trong định vị sự cố đường dây truyền tải điện ......... 133 5.3.1 Xây dựng mô hình mạng ANFIS .......................................................... 133 5.3.2 Kết quả thử nghiệm ANFIS định vị sự cố ............................................ 134 5.3.3 Nhận xét và đánh giá ........................................................................... 135 5.4 Thí nghiệm kiểm chứng .................................................................................. 135 5.4.1 Đường dây 110kV Đăk Mil – Đăk Nông.............................................. 137 5.4.2 Đường dây 220kV Hoà Khánh - Huế .................................................... 145 5.5 Kết luận ........................................................................................................... 149 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN ÁN TIẾN SĨ (BẢN SAO) PHỤ LỤC.
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Nguyên nghĩa 1 ANFIS Mạng nơ ron thích nghi 2 ANN Mạng nơ ron nhân tạo 3 BI Máy biến dòng điện 4 BU Máy biến điện áp 5 BVKC Bảo vệ khoảng cách 6 CWT Phân tích wavelet liên tục 7 DCL Dao cách ly 8 DWT Phân tích wavelet rời rạc 9 DZ Đường dây 10 EIOCR Rơle quá dòng cơ có đặc tính độc lập 11 ES Hệ chuyên gia 12 EVN Tập Đoàn Điện Lực Việt Nam 13 FL Hệ mờ 14 FLS Hệ thống định vị sự cố 15 FLS Bộ định vị sự cố 16 GPS Hệ thống đồng bộ thời gian 17 HTĐ Hệ thống điện 18 IED Thiết bị điện tử thông minh 19 ITOCR Rơle quá dòng cơ có đặc tính phụ thuộc 20 MBA Máy biến áp 21 MC Máy cắt 22 MSE Sai số quân phương 23 MU Bộ trộn tín hiệu 24 NCIT BU, BI không truyền thống 25 NMĐ Nhà máy điện 26 PDC Bộ tập hợp dữ liệu 27 PMU Bộ đo lường đồng bộ góc pha
28 RLBV Rơle bảo vệ 29 RMSE Sai số căn quân phương Hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập 30 SCADA xử lý dữ liệu 31 TBA Trạm biến áp 32 THDi Tổng méo dạng sóng hài dòng điện 33 TTK Thành phần thứ tự không 34 TTN Thành phần thứ tự nghịch 35 TTT Thành phần thứ tự thuận 36 WT Phân tích Wavelet
DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang Bảng 1.1 Công thức tính tổng trở sự cố 16 Rơle bảo vệ tích hợp chức năng định vị sự cố được sử dụng Bảng 2.1 phổ biến tại các TBA ở Việt Nam 36 Bảng 2.2 Kết quả dòng điện tác động và THDi 40 Bảng 2.3 Kết quả thời gian tác động và THDi 40 Bảng 2.4 Đo lường dòng điện có chứa thành phần sóng hài 41 Bảng 2.5 Kết quả đo hiển thị trên hợp bộ CPC 100 55 Bảng 3.1 Kết quả kiểm tra trên rơle SEL 421 68 Bảng 3.2 Kết quả thử nghiệm rơle 7SJ622 75 Bảng 3.3 Công thức tính dòng điện và điện áp sự cố 78 Bảng 3.4 Kết quả mô phỏng 85 Bảng 4.1 Kết quả α, β, R21, R02 tương ứng 10 kiểu sự cố 98 Bảng 4.2 Quan hệ giữa các biến ngôn ngữ 99 Bảng 4.3 Thông số hệ thống mô phỏng ngày 16/07/2012 101 Bảng 4.4 Đầu ra mong muấn mạng ANN 115 Bảng 5.1 Thông số cài đặt dữ liệu huấn luyện 130 Bảng 5.2 Kiến trúc ANN sử dụng trong định vị sự cố 131 Bảng 5.3 Kiến trúc mạng ANFIS dùng để định vị sự cố 134 Tổng hợp số liệu kết quả kiểm tra định vị sự cố đường dây tại Bảng 5.4 TBA 110kV Đăk Nông và TBA 110kV Đăk Mil thu thập từ 138 năm 2012 đến 2013 Bảng 5.5 Thông số cài đặt dữ liệu huấn luyện 140 Bảng 5.6 Kiến trúc ANFIS dùng để định vị sự cố tại TBA 110kV Đăk Mil 142 Bảng 5.7 Kết quả kiểm tra sự cố pha AN 142 Bảng 5.8 Kết quả kiểm tra sự cố pha CN 143
Bảng 5.9 Kết quả kiểm tra sự cố pha ACN 143 So sánh kết quả kiểm tra sự cố bằng ANFIS và P543 tại Bảng 5.10 144 TBA 110kV Đăk Mil Bảng 5.11 Tổng hợp số liệu sự cố đường dây 220kV Hoà Khánh – Huế 146 So sánh kết quả tính toán và dữ liệu thu được trên rơle REL521 Bảng 5.12 147 và ANFIS Bảng 5.13 Thông số cài đặt dữ liệu huấn luyện 148 Kiến trúc ANFIS dùng để định vị sự cố tại TBA 220kV Bảng 5.14 Hòa Khánh 148
DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình Trang Hình 1.1 Sự cố trên đường dây tải điện 9 Sự cố cháy pha B của MBA AT2 tại TBA 500kV Đà Nẵng, và Hình 1.2 10 cành cây chạm vào đường dây Hình 1.3 Các hướng nghiên cứu kỹ thuật phân loại và định vị sự cố 11 Cấu trúc hệ thống tự động hoá trạm dựa trên truyền thông IEC Hình 1.4 13 61850 Hình 1.5 Tương tác các miền của lưới điện thông minh 13 Hình 1.6 Sơ đồ một sợi hệ thống điện đồng nhất 15 Hình 1.7 Định vị sự cố sử dụng dữ liệu đo lường hai đầu đường dây 17 Hình 1.8 Định vị sự cố sử dụng PMU 19 Hình 1.9 Hệ thống định vị sự cố băng sóng truyền 22 Hình 1.10 Phương pháp kiểu D 23 Hình 1.11 Phương pháp kiểu A 24 Hình 1.12 Phương pháp kiểu E 24 Hình 1.13 Phân loại mô hình mạng ANN 28 Hình 1.14 Kiến trúc mạng ANFIS 29 Hình 1.15 Kiến trúc mạng ANN cho định vị sự cố 31 Hình 1.16 Định vị sự cố sử dụng biến đổi wavelet kết hợp ANN 33 Kết quả đo dòng sóng hài và khi đóng xung kích MBA T1 tại Hình 2.1 TBA 110kV Đông Hà 37 Hình 2.2 Kết quả thông số sóng hài đo bằng Fluke 434 38 Biểu đồ quan hệ thành phần sóng hài bậc 3 (I3/I1), độ méo Hình 2.3 39 dạng THDi và dòng tác động rơle Ipickup Hình 2.4 Kết quả bản ghi sự cố bằng phần mềm Sigra 4 41 Hình 2.5 Sự cố pha chạm đất, sự cố 3 pha 43 Hình 2.6 Vùng sự cố trên mặt phẳng tổng trở Mho 44 Hình 2.7 Sự cố có nguồn cung cấp từ hai phía 45 Hình 2.8 Dịch chuyển đặc tính Mho 46 Hình 2.9 Đặc tuyến tứ giác 46
Hình 2.10 Sơ đồ đấu nối BI, BU và MC truyền thống của rơle P545 48 Hình 2.11 Sự cố đường dây 2 trên HTĐ có nguồn cung cấp từ 2 phía 48 Dạng sóng của dòng từ hoá CT và dạng sóng hài bậc 3 Hình 2.12 49 BU kiểu tụ Sơ đồ đấu nối BI, BU và MC truyền thống của rơle P545 sử Hình 2.13 50 dụng modun NCIT Hình 2.14 Sơ đồ thử nghiệm rơle theo chuẩn IEC 61850 51 Hình 2.15 Sơ đồ thử nghiệm MU bằng SVScout 51 Hình 2.16 Vòng tổng trở sự cố pha – pha và pha – đất 52 Hình 2.17 Sơ đồ tổng trở sự cố 3 pha chạm đất 53 Hình 2.18 Đường dây tải điện 54 Hình 2.19 Sơ đồ đo trở kháng đường dây 55 Hình 2.20 Sơ đồ ĐZ sử dụng dữ liệu U, I đo lường đồng bộ 56 Sơ đồ đường dây có nguồn cung cấp từ ba phía TPP Plomin - Hình 3.1 SS Sijana – SS Vincent phía tây hệ thống điện Croatian; Sơ đồ 59 đường dây 400kV có nguồn cung cấp từ 5 phía tại Thụy Điển Hình 3.2 Sơ đồ làm việc chức năng định vị sự cố của RLBV khoảng cách 60 Mô hình đọc và lưu trữ bản ghi sự cố rơle bằng phần mềm Hình 3.3 61 chuyên dụng Hình 3.4 Định vị điểm sự cố có dữ liệu được lấy từ một phía 63 Hình 3.5 Kết quả định vị sự cố có dữ liệu được lấy từ hai phía 64 Hình 3.6 Sơ đồ một sợi đường dây đơn có sự cố 65 Hình 3.7 Hiệu chỉnh góc lệch dòng thứ tự không và dòng sự cố 66 Hình 3.8 Sơ đồ hệ thống điện 220kV 67 Hình 3.9 Công cụ tính toán khoảng cách sự cố rơle SEL 67 Hình 3.10 Kết quả hiển thị trên rơle SEL 421 68 Hình 3.11 Mô hình hệ thống điện nghiên cứu 69 Hình 3.12 Hệ thống đường dây song song 70 Hình 3.13 Sự cố pha A chạm đất 72 Hình 3.14 Sự cố hai pha BC 73 Hình 3.15 Công cụ Quick CMC test view 75
Hình 3.16 Mô hình hệ thống điện nghiên cứu 76 Hình 3.17 Sơ đồ một sợi hệ thống điện đồng nhất 77 Hình 3.18 Sơ đồ hệ thống có nguồn cung cấp từ hai phía 79 Hình 3.19 Dạng sóng dòng điện và điện áp tại thời điểm IF = 0 80 Hình 3.20 Mô hình đường dây dùng rơle bảo vệ từ hai phía 81 Hình 3.21 Sơ đồ nối các thành phần thứ tự khi sự cố 1 pha chạm đất 83 Hình 3.22 Hệ thống điện có nguồn cung cấp từ hai phía 85 Hình 3.23 Sơ đồ đường dây song song có nguồn cung cấp từ ba phía 87 Biến đổi sơ đồ đường dây 3 nguồn cung cấp sang đường dây 2 Hình 3.24 nguồn cung cấp tương đương 88 Hình 3.25 Mô hình đường dây có nguồn cung cấp từ 3 phía 90 Hình 3.26 Sơ đồ định vị sự cố của hãng GE 91 Hình 3.27 Mô hình đường dây 110kV có nguồn cung cấp từ 3 phía 93 Hình 4.1 Sơ đồ thuật toán xác định dạng sự cố 97 Hình 4.2 Mô hình hệ thống điện 101 Hình 4.3 Sự cố pha A chạm đất 102 Hình 4.4 Cấu trúc hệ mờ xác định kiểu sự cố 103 Hình 4.5 Biến đầu vào alpha 103 Hình 4.6 Biến đầu vào beta 103 Hình 4.7 Biến đầu vào R21 103 Hình 4.8 Biến đầu vào R02 103 Hình 4.9 Biến đầu ra kiểu sự cố 104 Hình 4.10 Công cụ tạo luật mờ 104 Hình 4.11 Công cụ xem luật mờ 104 Hình 4.12 Phân tích đa phân giải DWT 106 Hình 4.13 Kết quả hệ số chi tiết và xấp xỉ 107 Hình 4.14 Sơ đồ thuật toán nhận dạng và phân loại sự cố 108 Hình 4.15 Mô hình hệ thống điện mô phỏng bằng Matlab Simulink 110 Hình 4.16 Thiết kế mạng ANN để phân loại sự cố 112 Hình 4.17 Xử lý tín hiệu đầu vào ANN 113
Hình 4.18 Phân chia tập dữ liệu 114 Mạng nơron gồm 4 nơron lớp đầu vào, 5 nơron lớp ẩn và 4 Hình 4.19 115 nơron ở lớp đầu ra Sơ đồ thuật toán tìm số lượng nơron tối ưu cho nhận dạng và Hình 4.20 117 định vị sự cố Hình 4.21 Mô hình đường dây 110kV có nguồn cung cấp từ 2 phía 120 Hình 4.22 Cấu trúc mạng ANN dùng để nhận dạng sự cố 121 Sai số quan phương huấn luyện mạng, hồi qui phù hợp của đầu Hình 4.23 122 ra và mục tiêu Hình 4.24 Cấu trúc hệ thống suy diễn mờ dùng cho nhận dạng sự cố 124 Hình 4.25 Kết quả huấn luyện 125 Hình 4.26 Sơ đồ hệ thống điện sử dụng công cụ ANFIS 125 Hình 5.1 Sơ đồ thuật toán định vị sự cố 129 Hình 5.2 Kiến trúc mạng ANN dùng cho định vị sự cố 130 Hình 5.3 Cấu trúc của hệ thống suy diễn mờ dùng cho định vị sự cố 133 Hình 5.4 Ứng dụng ANFIS để nhận dạng sự cố đường dây tải điện 136 Hình 5.5 Sơ đồ đường dây 110kV Đăk Mil – Đăk Nông 137 Hình 5.6 Mô phỏng đường dây 110kV Đăk Mil – Đăk Nông 140 Hình 5.7 Sơ đồ ứng dụng ANFIS dùng cho định vị sự cố 141 Hình 5.8 Sơ đồ đường dây 220kV Hoà Khánh - Huế 145 Hình 5.9 Mô phỏng đường dây 220kV Hoà Khánh - Huế 148
1 MỞ ĐẦU 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, cùng với sự phát triển của hệ thống điện đã hình thành những cấu trúc lưới có qui mô lớn và phức tạp. Phần lớn việc mất điện của khách hàng bắt nguồn từ các sự cố lưới điện truyền tải do có độ dài lớn, vận hành lâu năm trong môi trường và vị trí địa lý khác nhau, đặc biệt đối với các khu vực đồi núi hiểm trở có xác suất sự cố là khá cao. Tất cả những sự cố gây hầu hết đều gây ảnh hưởng đến các thông số vận hành, có thể làm tan rã hệ thống và gây ra thiệt hại rất lớn về kinh tế. Đứng trước thực tế đó, để đạt được hiệu quả trong kinh doanh thì công tác quản lý vận hành ngành điện luôn hướng vào việc củng cố, duy trì yếu tố ổn định và tin cậy, cho nên trách nhiệm chỉ huy vận hành, xử lý sự cố, đảm bảo chất lượng điện năng ngày càng nặng nề và được coi trọng. Trong đó, việc cảnh báo và xử lý sự cố là một nhiệm vụ còn khó khăn, đòi hỏi đơn vị quản lý phải mất nhiều công sức và thời gian để phát hiện chính xác dạng sự cố, vị trí điểm chạm chập và có các biện pháp khắc phục, sửa chữa kịp thời. Cho đến nay, nhờ sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ trong lĩnh vực kỹ thuật số, các thiết bị RLBV hiện đại nên việc phân loại sự cố đã tương đối tin cậy. Vấn đề còn lại cần giải quyết là làm sao để định vị sự cố ngày càng tốt hơn. Định vị sự cố với độ chính xác cao sẽ giúp cho nhân viên vận hành nhanh chóng tìm ra điểm sự cố để làm các biện pháp sửa chữa, khôi phục lưới kịp thời, giảm thời gian mất điện, giảm chi phí và phàn nàn của khách hàng. Trong bối cảnh của HTĐ Việt Nam, điều này lại càng thể hiện rõ nét hơn. EVN sử dụng hệ thống Scada, hệ thống tự động hóa trạm biến áp, RLBV và bộ ghi sự cố để để thu thập thông tin giá trị điện áp, dòng điện, tình trạng làm việc của thiết bị tại các đầu đường dây của TBA, NMĐ nhằm xử lý và cô lập sự cố, tránh lan tràn sang các phần tử còn lại đang vận hành. Tuy nhiên, thuật toán phân loại và định vị sự cố sử dụng dữ liệu đo lường trên nguyên tắc tổng trở tại một đầu đường dây được sử dụng khá phổ biến trên các RLBV tại các TBA, hiện nay vẫn làm việc độc
2 lập vì chưa đầy đủ kênh truyền thông tin nên kết quả chưa đảm bảo độ chính xác. Ví dụ tại TBA A và B sử dụng hai RLBV cho đường dây tải điện như trình bày trên hình 1. Phương pháp định vị điểm sự cố sử dụng dữ liệu đo tại một đầu đường dây có cấp chính xác bị ảnh hưởng bởi các thông số như điện trở sự cố, góc sự cố, nguồn cung cấp từ hai phía… nên kết quả tính toán có sai số khá lớn so với số liệu thực tế [61], [76], [78], [82]. Hình 1: Sự cố trên đường dây Bên cạnh đó, công tác truy tìm nguyên nhân sự cố trên đường dây còn thực hiện thủ công theo quy định hiện hành nên chưa đáp ứng được yêu cầu về thời gian xử lý sự cố và chưa phù hợp vì tốn nhiều tiền của và công sức, phụ thuộc nhiều vào trình độ xử lý sự cố của điều độ viên cũng như thời gian triển khai lực lượng đi xử lý sự cố. Mặc dầu các đơn vị quản lý vận hành đường dây thường xây dựng quy trình truy tìm sự cố bằng cách xác định ngăn lộ sự cố, giá trị dòng điện, điện áp, kiểu sự cố, vị trí điểm sự cố và nguyên nhân xảy ra sự cố để lưu vào cơ sở dữ liệu, làm cơ sở để dễ dàng xác định được sự cố xảy ra tương tự trong tương lai. Tuy nhiên, công việc này sẽ làm mất nhiều thời gian thực nghiệm. Cùng với quá trình phát triển công nghệ, bài toán lắp đặt thêm hệ thống xác định vị trí sự cố áp dụng công nghệ truyền sóng và thành phần tần số cao có thể trực tuyến giám sát và xác định khoảng cách điểm sự cố từ 2 điểm đầu và cuối đường dây, với độ chính xác cao, sai số nhỏ cũng cần được xem xét và cân nhắc vì sẽ làm tăng chi phí đầu tư thiết bị.
3 Có thể nói rằng, việc phân loại và định vị sự cố sao cho chính xác và nhanh chóng luôn là vấn đề nhận được sự quan tâm của các nhà quản lý cũng như nghiên cứu. Trong thập niên vừa qua, phương pháp phân loại và định vị sự cố bằng Fuzzy Logic, Wavelet, ANN, ANFIS có nhiều ưu điểm và cấp chính xác cao, không cần phải bỏ ra nhiều chi phí để mua thêm thiết bị, nhưng việc áp dụng phương pháp này vẫn còn chưa được quan tâm, nghiên cứu một cách đầy đủ để triển khai ứng dụng. Vì vậy, trong định hướng phát triển của ngành điện, việc ứng dụng những công nghệ mới, thông minh vào thực tiễn sản xuất là vấn đề cần phải đầu tư nghiên cứu. Tóm lại, nghiên cứu phân loại dạng sự cố và đặc biệt là vấn đề định vị điểm sự cố trên lưới điện truyền tải mang tính cấp thiết cả về lý thuyết cũng như thực tiễn. Do đó luận án: “Nghiên cứu các phương pháp thông minh để phân loại và định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện” được thực hiện nhằm giải quyết vấn đề nêu trên. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Để tìm lời giải cho bài toán xác định chính xác dạng sự cố và vị trí điểm sự cố lưới điện, phần lớn nội dung được nghiên cứu và triển khai trong luận án được xuất phát từ sự phát triển công nghệ RLBV và lý thuyết toán học từ đơn giản đến phức tạp. Bên cạnh các phương pháp sử dụng phân tích Fourier để đo tín hiệu cơ bản như dòng điện, điện áp, thời gian, tần số của quá trình quá độ khi xảy ra sự cố, một hướng phát triển nữa của các nghiên cứu là về các thuật toán xử lý tín hiệu cao cấp để phân tích các tín hiệu đo lường nhằm đưa ra được kết quả ước lượng vị trí sự cố với độ chính xác cao hơn các phương pháp xử lý tín hiệu kinh điển. Mục đích chính của luận án là: - Hệ thống hóa các phương pháp, công trình nghiên cứu đã được công bố trong lĩnh vực xác định sự cố trong lưới truyền tải điện cao áp. - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của rơle và phép tính khoảng cách đến điểm sự cố như sóng hài, điện trở sự cố, sai số BI, sai số BU, và thông số đường dây.
4 - Đánh giá các phương pháp định vị sự cố của hãng sản xuất rơle sử dụng phổ biến tại Việt Nam cho sơ đồ đường dây truyền tải sử dụng dữ liệu đo dòng điện, điện áp tại một, hai hoặc ba phía của đường dây. - Nghiên cứu sử dụng Fuzzy, Wavelet cho bài toán phân loại dạng sự cố lưới điện. - Nghiên cứu tìm hiểu bản chất và những ứng dụng của trí tuệ nhân tạo để từ đó xây dựng qui trình huấn luyện, thử nghiệm ANN, ANFIS trong việc phân loại và định vị sự cố lưới điện. - Trình bày kết quả mô phỏng trong Matlab Simulink minh chứng tính chính xác và tin cậy của các phương pháp định vị sự cố. Bên cạnh đó, các phương pháp này cũng được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn qua việc khảo sát cho HTĐ Miền trung để chứng minh tính đúng đắn của phương pháp đề xuất. 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp nghiên cứu của luận án sẽ tập trung vào nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm. Việc nghiên cứu lý thuyết, luận án tổng hợp, phân tích, đánh giá các tài liệu kỹ thuật, thuật toán của các hãng sản xuất rơle kỹ thuật số sử dụng phổ biến tại Việt Nam, cũng như các kết quả công trình nghiên cứu của các tác giả đã công bố trong và ngoài nước liên quan đến đề tài luận án. Về nghiên cứu thực nghiệm, luận án thực hiện thu thập, xử lý thống kê các số liệu sự cố của các TBA và NMĐ tại Việt Nam, đồng thời xây dựng các thuật toán ứng dụng phương pháp “thông minh” kết hợp với mô phỏng trên máy tính để phân loại và định vị sự cố. So sánh và đánh giá kết quả với kiểm tra thực nghiệm thí điểm trên đường dây truyền tải điện cao áp 110kV và 220kV. Từ đó kết luận tính ưu việt của phương pháp đề xuất. 4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: là nghiên cứu các phương pháp phân loại và định vị sự cố trong lĩnh vực bảo vệ rơle kỹ thuật số của các hãng sản xuất ABB, AREVA, SEL, SIEMEN, TOSHIBA…tại các TBA và NMĐ, hệ thống Scada đến các phương pháp thông minh như Fuzzy, Wavelet, ANN và ANFIS.
5 Phạm vi nghiên cứu: là tập trung vào nghiên cứu đường dây truyền tải điện cao áp 110-220 kV của hệ thống điện Việt Nam. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN Đề tài thuộc dạng nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng, mặc dù rơle kỹ thuật số đã được đưa vào vận hành trong hệ thống điện từ nhiều năm qua nhưng ở Việt Nam vẫn chưa có nghiên cứu nào được tiến hành một cách có hệ thống cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm trong lĩnh vực phân loại dạng sự cố và đặc biệt là định vị sự cố. 5.1 Ý nghĩa khoa học: Xuất phát từ thực tế sản xuất, việc truy tìm sự cố trên đường dây tải điện phải thực hiện thủ công, tốn nhiều thời gian và công sức lao động. Việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp thông minh sử dụng dữ liệu dòng điện, điện áp thu thập trên RLBV để phân loại và định vị sự cố sẽ tăng độ chính xác, nâng cao hiệu quả, rút ngắn thời gian truy tìm điểm sự cố và giảm tối đa chi phí. Đây là một hướng phát triển cần thiết có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Trong quá trình thực hiện, việc phân tích và đánh giá các phương pháp xử lý sự cố sử dụng trong rơle kỹ thuật số là cơ sở ban đầu để đi tìm lời giải của bài toán phân loại và định vị sự cố. Luận án đã cụ thể hoá phương pháp phân tích thành phần thứ tự về mối quan hệ góc lệch và tỷ số độ lớn giữa dòng điện thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không khi xảy ra sự cố, nhằm ứng dụng vào việc xây dựng các luật mờ cho bài toán phân loại sự cố. Trên cơ sở đó, thực hiện kiểm tra cho mô hình đường dây 220kV A Vương – Hoà Khánh. Cũng với mô hình đường dây 220kV này, tác giả xây dựng phương pháp phân loại sự cố dựa trên phân tích DWT của tín hiệu dòng điện (Ia, Ib, Ic và Io) kết hợp với thuật toán so sánh giá trị độ lớn dòng điện và ngưỡng dòng sự cố. Bên cạnh đó, tác giả đã nghiên cứu phương pháp phân loại sự cố sử dụng ANN (với thuật toán chọn số nơron lớp ẩn tối ưu), hoặc ANFIS (với cấu trúc 4 dữ liệu đầu vào và một đầu ra) cho 10 dạng sự cố khác nhau (AN, BN, CN, AB, BC, AC, ABN, BCN, ACN, và ABC).