Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp hiện đại nhận dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:154

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm phát triển phương pháp mới sử dụng những thuật toán hiện đại cho phép xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện ( không phân nhánh và có nhiều nhánh rẽ) một cách chính xác hơn. Mời các bạn tham khảo nội dung chi tiết đề tài!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp hiện đại nhận dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận án “Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp hiện đại nhận dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện” là công trình nghiên cứu của riêng tôi được hoàn thành dưới sự chỉ bảo tận tình của tập thể thầy giáo hướng dẫn khoa học. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, một phần được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của các đồng tác giả, phần còn lại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày ..... tháng ..... năm 2019 Nghiên cứu sinh
ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ các thầy giáo, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy PGS.TSKH Trần Hoài Linh Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, thầy TS. Đỗ Trung Hải Trường đại học Kỹ thuật Công Nghiệp và Hội đồng Khoa học của – Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên và các đồng nghiệp ở trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp và gia đình đã có những ý kiến đóng góp quí báu và tạo các điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, Phòng Đào tạo - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Công ty lưới điện cao thế Miền Bắc, Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia - Tập đoàn ĐLVN đã tạo nhiều điều kiện tốt nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................ ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................... vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .............................................................................................. vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................................ viii MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 1.Tính cấp thiết của đề tài................................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ...................................................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................... 2 4.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.......................................................................... 3 5. Những đóng góp của luận án .......................................................................................... 3 6. Cấu trúc của luận án ....................................................................................................... 4 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN ..................................................................................................................................... 6 1.1. Giới thiệu chung .......................................................................................................... 6 1.2. Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây tải điện .......................... 7 1.3. Phương pháp đo lường từ một phía .............................................................................. 7 1.3.1. Phương pháp điện kháng đơn ..................................................................................... 8 1.3.2. Phương pháp Takagi ................................................................................................. 9 1.3.3. Phương pháp Takagi cải tiến ...................................................................................... 9 1.4. Phương pháp đo lường từ hai đầu .............................................................................. 11 1.5. Phương pháp sử dụng mạng nơron............................................................................. 12 1.6. Phương pháp sóng lan truyền..................................................................................... 13 1.6.1. Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ điểm sự cố ................ 14 1.6.2. Phương pháp sóng lan truyền từ đầu đường dây ......................................................... 15 1.7. Kết luận chương 1 ..................................................................................................... 19 Chương 2: CÁC GIẢI PHÁP CỦA LUẬN ÁN TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN SÓNG LAN TRUYỀN ............................................................................................. 20 2.1. Mô hình toán học sóng lan truyền trên đường dây...................................................... 20 2.1.1. Mô hình đường dây truyền tải điện ........................................................................... 20 2.1.2. Nguyên lý lan truyền sóng trên đường dây ................................................................. 25 2.1.3. Sóng điện từ trên đường dây tải điện không sự cố ....................................................... 27 2.1.4. Sóng điện từ trên đường dây tải điện khi có điểm sự cố: .............................................. 31 2.1.5 Trường hợp tổng quát: ............................................................................................. 32
iv 2.2. Các giải pháp đề xuất trong luận án ........................................................................... 33 2.2.1. Sơ đồ khối ước lượng vị trí sự cố.............................................................................. 33 2.2.2. Phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động đối với đường dây không có nhánh rẽ..... 34 2.2.3. Phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động đối với đường dây có nhiều nhánh rẽ...... 35 2.3 Phương pháp mô phỏng kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu trên cơ sở sử dụng công cụ Matlab/Simulink ............................................................................................................. 36 2.4. Kết luận chương 2 ..................................................................................................... 40 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP TDR XÁC ĐỊNH SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY .................... 41 3.1. Mô tả phương pháp ................................................................................................... 41 3.2 Wavelet và ứng dụng wavelet để phân tích sóng phản xạ ............................................ 41 3.3 Mạng nơron mờ và ứng dụng để hiệu chỉnh thời điểm sóng phản xạ .......................... 55 3. 3.1 Quy tắc suy luận mạng TSK .................................................................................... 56 3.3.2 Mô hình mạng nơron mờ TSK .................................................................................. 58 3.3.3 Thuật toán học của mạng nơron mờ TSK ................................................................... 59 3.3.4 Khởi tạo mạng nơron cho quá trình học:..................................................................... 63 3.3.5 Thuật phân cụm trừ mờ ............................................................................................ 63 3.3.6 Mạng TSK để hiệu chỉnh thời điểm sóng phản xạ ........................................................ 65 3.4 Kết quả mô phỏng và tính toán khi sử dụng phương pháp TDR .................................. 67 3.4.1 Mô hình mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài sử dụng công cụ Matlab/Simulink 67 3.4.2. Kết quả mô phỏng sóng lan truyền từ Matlab- Simulink .............................................. 69 3.4.3 Kết quả ước lượng khi sử dụng phân tích wavelet ........................................................ 73 4.2.3 Kết quả hiệu chỉnh sai số vị trí sự cố bằng mạng nơron TSK :....................................... 76 3.5. Thử nghiệm thiết kế và chế tạo thiết bị TDR sử dụng FPGA...................................... 80 3.5.1 Công nghệ FPGA và ứng dụng trong mạch tốc độ cao ................................................. 81 3.5.2. Sơ đồ nguyên lý của mạch thu phát TDR sử dụng FPGA ............................................. 83 3.5.3. Kết quả thực nghiệm ............................................................................................... 84 3.6. Kết luận Chương 3 .................................................................................................... 87 Chương 4: PHƯƠNG PHÁP TFDR ĐỂ XÁC ĐỊNH SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY CÓ NHÁNH RẼ......................................................................................................................... 88 4.1 Mô tả phương pháp TFDR.......................................................................................... 88 4.2. Tín hiệu chirp ............................................................................................................ 89 4.3 Hệ số tương quan ....................................................................................................... 92 4.4 Sử dụng hàm tương quan để xác định vị trí sự cố:....................................................... 94 4.4.1 Sử dụng hàm tương quan để xác định vị trí sự cố trên đường dây không có nhánh rẽ: ...... 94 4.4.2 Xác định vị trí sự cố trong đường dây có nhánh rẽ ....................................................... 98
v 4.4.3. Một số kết quả mô phỏng khi sử dụng phương pháp TFDR ....................................... 105 4.5 Kết luận chương 4 .................................................................................................... 113 Kết luận và hướng phát triển .............................................................................................. 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 115 Phụ lục 1: Thông số cài đặt trong mô hình Matlab-Simulink .......................................... 124 Phụ lục 2: Chương trình phân tích sóng phản xạ TDR .................................................... 126 Phụ lục 3: Chương trình phân tích sóng phản xạ TFDR .................................................. 127 Phụ lục 4: Chương trình thử nghiệm nhận dạng sự cố sử dụng chip FPGA. .................... 129 Phụ lục 5: Sơ đồ mạch FPGA ......................................................................................... 134 Phụ lục 6: Chương trình tính hàm mật độ: ...................................................................... 135 Phụ lục 7: Chương trình thuật toán SubtractiveClustering............................................... 136 Phụ lục 8: Chương trình huấn luyện mạng TSK.............................................................. 136 Phụ lục 9: Chương trình kiểm tra mạng TSK đã huấn luyện ........................................... 140
vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý Nghĩa Nghĩa tiếng Việt TDR Time Domain Reflectometry Phản xạ trong miền thời gian TFDR TFDR - Time Frequency Phản xạ trong miền thời gian Domain Reflectometry và tần số ANNs Artificial Neural Networks Mạng noron nhân tạo ATP Alternative Transient Program Phần mềm mô phỏng ATP FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh MATLAB Matrix Laboratory Chương trình Matlab FT Fourier Transform Biến đổi phổ Fourier FPGA Field-Programmable Gate Mảng cổng lập trình được dạng Array trường. I/O Input/ Output Cổng vào/ ra ISE Interative Softwave Phần mềm ISE Engineering ADC Analog-to-Digital Converter Bộ biến đổi tương tự số DAC Digital to Analog Converter Bộ biến đổi số tương tự VHDL Very High Speed integrated Ngôn ngữ lập trình dùng để circuit hardware Description diễn tả phần cứng tích hợp tốc Language. độ cao.
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Ghi chú I A Dòng điện phức U V Điện áp phức Z Ω Tổng trở R Ω/km Điện trở riêng L H/km Điện cảm riêng C F/km Điện dung riêng ZC Ω/km Tổng trở sóng riêng f Hz Tần số sóng G Km/Ω Điện dẫn v Km/s Vận tốc truyền sóng  Nep/km Hệ số tắt dần ở mục 2.1.2  Rad/km Hệ số pha ở mục 2.1.2  Hệ số khúc xạ  Hệ số phản xạ
viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1: Tổng hợp sự cố ở đường dây truyền tải điện 110kV của Công Ty Lưới điện Cao thế miền Bắc - chi nhánh Thái Nguyên năm 2013 và 2012 ................................................... 10 Bảng 1. 2: Kết quả thử nghiệm phương pháp sóng phản xạ từ điểm sự cố của Nippon trên đường dây 220kV Thái Nguyên - Hà Giang theo [14]. ......................................................... 15 Bảng 3.1: Vận tốc truyền sóng trên đường dây truyền tải điện .............................................. 71 Bảng 3. 2: Kết quả tính toán xác định vị trí sự cố ba pha ...................................................... 74 Bảng 3. 3: Kết quả tính toán xác định vị trí sự cố ba pha chạm đất tại lfault=20 km ................ 75 Bảng 3. 4: Kết quả tính toán xác định vị trí sự cố 1pha, 2 pha chạm đất và sự cố 2 pha ở l= 20, 30 km................................................................................................................................... 75 Bảng 4. 1: Bảng kết quả xác định vị trí sự cố áp dụng phương pháp hàm tương quan ......... 107 Bảng 4. 2: Kết quả xác định thời điểm sóng phản xạ từ đầu đường dây khi không có sự cố 111 Bảng 4. 3: Kết quả xác định vận tốc trên các phân đoạn của đường dây ............................. 111 Bảng 4. 4: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 3 pha chạm đất .............................. 111 Bảng 4. 5: Kết quả xác định vị trí sự cố ngắn mạch 1 pha chạm đất .................................... 112 Bảng 4. 6: Kết quả khảo sát vị trí sự cố với điện trở khác nhau .......................................... 112
ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ minh họa sự cố trên đường dây có 2 nguồn cấp ............................................. 8 Hình 1.2: Sơ đồ thay thế minh họa sự cố trên đường dây có 2 nguồn cấp ............................... 8 Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp .................................. 11 Hình 1.4: Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố ...................................................................... 11 Hình 1.5: Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây ............................... 14 Hình 2. 1: Mô hình đường dây truyền tải hình  một pha..................................................... 20 Hình 2. 2: Mô hình một phân đoạn đường dây truyền tải hình  ba pha ............................... 21 Hình 2. 3: Sơ đồ thay thế đường dây có thông số rải............................................................. 23 Hình 2. 4: Sơ đồ thay thế mạng 2 cửa của đường dây truyền tải 1 pha .................................. 23 Hình 2. 5: Sơ đồ thay thế của đường dây truyền tải ba pha ................................................... 25 Hình 2.6: Mô hình Petersen tương đương để giải bài toán truyền sóng ................................. 28 Hình 2.7: Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải thuần trở ..................................... 29 Hình 2.8: Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải R nối tiếp L ................................ 29 Hình 2.9: Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải thuần R song song L ................... 30 Hình 2.10: Mô hình Petersen tương đương của mạch R song song C .................................... 30 Hình 2.11: Mô hình Petersen tương đương của mạch R nối tiếp C ........................................ 31 Hình 2.12: Sơ đồ khối tổng quan phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện. ..................................................................................................................................... 34 Hình 2. 13: Sơ đồ khối xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện .......................... 35 Hình 2. 14: Sơ đồ mô phỏng một số vị trí sự cố trên các nhánh rẽ ........................................ 36 Hình 2. 15:Mô hình mô phỏng quá trình truyền sóng trên đường dây truyền tải điện ............ 37 Hình 2. 16: Sơ đồ khối mô phỏng các dạng ngắn mạch, nguồn phát xung 1 chiều, nguồn phát tín hiệu hình chirp ................................................................................................................ 38 Hình 2. 17: Mô hình khối thiết bị đo tín hiệu phản xạ từ điểm sự cố và cuối đường dây. ...... 39 Hình 3. 1: Nguyên lý làm việc của Time Domain Reflectometer .......................................... 41 Hình 3.2: Một số wavelet kinh điển ...................................................................................... 45 Hình 3.3: Cấu trúc các bước liên tiếp phân tích một tín hiệu ban đầu thành các thành phần chi tiết và xấp xỉ ........................................................................................................................ 48 Hình 3.4: Tín hiệu gốc hàm y(t) ........................................................................................... 49 Hình 3.5: Phân tích phổ wavelet Daubechies của tín hiệu y(t) .............................................. 49 Hình 3.6: Tín hiệu gốc hàm y1(t) .......................................................................................... 50 Hình 3.7: Phân tích phổ wavelet Daubechies của tín hiệu y1(t) ............................................. 50
x Hình 3.8: Tín hiệu đầu đường dây có tải R-L và sự cố 3 pha tại vị trí l=20km và thành phần chi tiết d1 của tín hiệu ........................................................................................................... 51 Hình 3.9: Thành phần d1 của tín hiệu điện áp từ Hình 3.8 được phóng to.............................. 51 Hình 3.10: Tín hiệu đầu đường dây có tải R và sự cố 3 pha thuần trở tại vị trí l=30km và thành phần chi tiết d1 của tín hiệu .................................................................................................. 53 Hình 3.11: Thành phần d1 của tín hiệu điện áp từ Hình 3.10 được phóng to .......................... 54 Hình 3.12: Tín hiệu đầu đường dây có tải R và sự cố 3 pha có điện trở nối tiếp điện cảm tại vị trí l=30km và thành phần chi tiết d1 của tín hiệu ................................................................... 54 Hình 3.13: Thành phần d1 của tín hiệu điện áp từ Hình 3.12 được phóng to .......................... 54 Hình 3.14: Mạng nơron mờ TSK .......................................................................................... 58 Hình 3.15: Thuật toán học mạng TSK .................................................................................. 61 Hình 3.16: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 3 pha tại l=10km khi sự cố RL ....... 66 Hình 3.17: Hình ảnh phóng to tín hiệu đầu đường dây ở hình bên ........................................ 66 Hình 3.18: Minh họa về việc trích 20 mẫu giá trị tức thời xung quanh thời điểm to để làm dữ liệu đưa vào mạng nơron ...................................................................................................... 66 Hình 3.19: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên đường dây 3 pha không có sự cố ở giữa đường dây với nguồn phát xung 1 chiều ............................ 68 Hình 3.20: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên đường dây 3 pha có sự cố ở giữa đường dây.................................................................................... 69 Hình 3.21: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên đường dây 3 pha có sự cố ở giữa đường dây khi không có tải.......................................................... 69 Hình 3.22: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi tải thuần trở Rtai=100(). ........................ 70 Hình 3.23: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi tải R || C ( Rtai=100(), C=1µF). ............. 70 Hình 3.24 : Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi tải R ntL (Rtai=100(), L=10mH) ........... 70 Hình 3.25: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi không có sự cố và hình ảnh phóng to tín hiệu phản xạ về từ cuối đường dây............................................................................................... 70 Hình 3.26 : Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 1 pha tại vị trí l=20km a) Khi sự có thuần trở Rfault=10 , Rload=100. b) Sự cố Rfault=10 và Lfault=0,5mH, Rload=100. ........ 71 Hình 3.27: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 3 pha tại vị trí l=20km (Khi tải là Rload=100 song song với Cload=1µF). ................................................................................ 72 Hình 3.28: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 3 pha tại vị trí l=20km (Rfault=10 tải thuần trở Rload=100) .......................................................................................................... 72 Hình 3.29: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 3 pha tại vị trí l=20km (Rfault=10 tải Rnt L, Rload=100, Lload=1 mH) ........................................................................................... 72
xi Hình 3.30: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 3 pha tại vị trí l=20km (Rfault=10 tải , Lfault=0,1mH, thuần trở Rload=100)................................................................................... 73 Hình 3.31: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi sự cố có điện cảm và hình ảnh phóng to tín hiệu phản xạ về từ cuối đường dây. ...................................................................................... 73 Hình 3.32: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 2 pha chạm đất tại vị trí l=20km (Rfault=10 tải thuần trở Rload=100) ................................................................................... 73 Hình 3.33: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 2 pha tại vị trí l=20km (Rfault=10 tải thuần trở Rload=100) .......................................................................................................... 73 Hình 3.34: Đồ thị sai số khi ngắn mạch tại 20km a) Sự cố1 pha thuần trở Rfault=1..20 () b) ngắn mạch 1pha như đường nét đứt, ngắn mạch 3 pha đường nét liền Rfault=10 () L=1..20mH. ......................................................................................................................... 76 Hình 3.35: Đồ thị đáp ứng đầu ra của mạng TSK ................................................................. 78 Hình 3.36: Đồ thị sai số giữa kết quả học và dữ liệu đầu vào ................................................ 79 Hình 3.37: Đồ thị hàm đáp ứng đầu ra kết quả kiểm tra của mạng TSK ................................ 79 Hình 3.38: Đồ thị sai số giữa kết quả kiểm tra và dữ liệu đầu vào ......................................... 80 Hình 3.39: Sơ đồ cấu tạo thiết bị phát xung nhận dạng sự cố trên đường dây truyền tải ........ 83 Hình 3.40: Sơ đồ cấu trúc tổng thể phần cứng ...................................................................... 84 Hình 3.41 : Tín hiệu phản xạ đo được ở đầu đường dây khi ngắn mạch tại 100m (vị trí ước lượng là 100,13m) ................................................................................................................ 85 Hình 3.42: Tín hiệu phản xạ đo được ở đầu đường dây khi hở mạch tại 100m (Vị trí ước lượng là 100,65m) ................................................................................................................ 85 Hình 3.43: Tín hiệu phản xạ đo được ở đầu đường dây khi ngắn mạch tại 200m (vị trí ước lượng là 200,26m) ................................................................................................................ 86 Hình 3.44: Tín hiệu phản xạ đo được ở đầu đường dây khi hở mạch tại 200m (Vị trí ước lượng là 200,52m) ............................................................................................................... 86 Hình 4.1: Ví dụ tín hiệu chirp ............................................................................................... 92 Hình 4. 2: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên đường dây 3 pha với nguồn phát xung chirp .................................................................................... 94 Hình 4.3: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi không có sự cố ............................................ 95 Hình 4.4: Tín hiệu đầu đường dây do được khi có sự cố ngắn mạch 3 pha tại 30km ............. 95 Hình 4.5: Đồ thị hệ số tương quan giữa tín tới và tín hiệu phản xạ đo được khi không có sự cố ............................................................................................................................................ 96 Hình 4.6: Đồ thị hệ số tương quan giữa tín hiệu tới và tín hiệu phản xạ đo được khi có sự cố ngắn mạch 3 pha tại vị trí cách 30km ................................................................................... 96 Hình 4. 7: Sơ đồ thuật toán xác thời điểm sóng phản xạ ....................................................... 97
xii Hình 4.8: Hệ thống đường dây truyền tải mạch rẽ nhánh ...................................................... 99 Hình 4. 9: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên đường dây 3 pha không có sự cố ở giữa đường dây ....................................................................... 100 Hình 4.10: Phân bố giản đồ thời gian phản xạ về đầu đường dây khi phát tín hiệu từ A. ..... 100 Hình 4.11: Phân bố giản đồ thời gian phản xạ về đầu đường dây khi phát tín hiệu từ F....... 100 Hình 4.12: Sơ đồ thuật toán xác định sự cố thuộc nhánh..................................................... 101 Hình 4.13: a) Mô hình giản đồ thời gian sóng phản xạ từ điểm sự cố b) mô hình giản đồ thời gian sóng phản xạ từ điểm sự cố đã chuyển trục tọa độ theo chiều ngược lại. ..................... 104 Hình 4.14: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên đường dây 3 pha có sự cố ở giữa đường dây khi không tải ............................................................ 106 Hình 4.15: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên đường dây 3 pha có sự cố ở giữa đường dây.................................................................................. 106 Hình 4.16: Đồ thị sai số khi ngắn mạch 20km a) Sự cố 1 pha điện trở sự cố thuần trở Rfault=1..20 () b) Sự cố 3 pha điện cảm sự cố Lfault=0,1..20 mH. ...................................... 108 Hình 4.17: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi không có sự cố ........................................ 109 Hình 4.18: Đồ thị hàm tương quan giữa tín đầu tới và tín hiệu phản xạ đo được khi không có sự cố. ................................................................................................................................. 109 Hình 4.19: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi có sự cố 3 pha trên đoạn BC cách B 11 km .......................................................................................................................................... 110 Hình 4.20: Đồ thị hàm tương quan giữa tín hiệu tới và tín hiệu phản xạ khi có sự cố 3 pha trên đoạn BC cách B 11 km....................................................................................................... 110
1 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp trong cả cấu trúc và vận hành, khi xẩy ra sự cố bất kỳ một phần tử nào trong hệ thống đều ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng và gây thiệt hại lớn về kinh tế. Vì vậy, nội dung của đề tài đề cập đến “Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp hiện đại nhận dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện” nhằm hỗ trợ quá trình định vị và khắc phục các sự cố trên đường dây truyền tải điện, qua đó giảm bớt những thiệt hại về kinh tế và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ. Bài toán phát hiện dạng sự cố và vị trí của sự cố trên đường dây truyền tải điện là một bài toán kinh điển của lý thuyết mạch và hệ thống điện. Hiện nay, có nhiều nghiên cứu đã và đang được thực hiện về vấn đề này. Tuy nhiên các kết quả vẫn còn nhiều hạn chế do có nhiều trường hợp sự cố và giá trị phần tử gây sự cố gây ra các hiện tượng tương tự như tham số của đường dây nên các phương pháp như rơle tổng trở sẽ gây sai số lớn. Việc phát triển của các thiết bị đo mới cũng như của các thuật toán xử lý tín hiệu mới có khả năng để tiếp tục cải thiện được các kết quả phân tích. Việc xây dựng thành công một giải pháp phân tích và phát hiện vị trí điểm sự cố sẽ có ý nghĩa thực tế tốt, nếu đưa vào vận hành sẽ có khả năng mang lại hiệu quả cao về mặt kinh tế - kỹ thuật do tăng cường được độ chính xác nhằm hỗ trợ cho quá trình khắc phục sự cố được nhanh hơn. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là phát triển phương pháp mới sử dụng những thuật toán hiện đại cho phép xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện ( không phân nhánh và có nhiều nhánh rẽ) một cách chính xác hơn. Phương pháp đề xuất trong luận án sử dụng tín hiệu đo được sau khi chủ động phát xung (điện áp/ dòng điện) vào đầu đường dây truyền tải điện. Để ước lượng vị trí sự cố luận án trình bày 2 phương pháp phân tích sóng phản xạ: Phương pháp thứ nhất sử dụng phân tích wavelet để phân tích thời điểm thay đổi đột ngột của tín hiệu từ đó
2 trích mẫu để xem xét. Tín hiệu trích mẫu được đưa vào mạng TSK để huấn luyện ước lượng vị trí sự cố. Các thông số trong mạng TSK được điều chỉnh dựa trên bộ cơ sở tín hiệu mẫu tạo ra nhờ sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng quá trình quá độ trên đường dây gây ra bởi một số sự cố ngắn mạch (ngắn mạch 1 pha, 2 pha, 2 pha chạm đất và ngắn mạch 3 pha) khi thay đổi các thông số điện trở sự cố, vị trí sự cố, điện cảm sự cố. Phương pháp thứ 2 sử dụng thuật toán so sánh hàm tương quan giữa tín hiệu tới và tín hiệu phản xạ để ước lượng vị trí sự cố. Mô hình sử dụng mạng nơron TSK sẽ được huấn luyện để ước lượng được vị trí sự cố với sai số nhỏ hơn so với những phương pháp trước dây. Mô hình sử dụng thuật toán hàm tương quan sẽ được xây dựng để ước lượng vị trí sự cố trên đường dây có nhiều nhánh với sai số nhỏ và ít thiết bị đo nhất có thể. Từ đó làm giảm thời gian tìm kiếm và khắc phục sự cố, nâng cao hiệu quả trong vận hành hệ thống điện và giảm thiệt hại về kinh tế. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu và đưa ra phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện không phân nhánh và có phân nhánh. Các phần mềm sử dụng trong luận án: Matlab, ISE Phạm vi nghiên cứu:  Ứng dụng phần mềm Matlab mô phỏng các dạng ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện không phân nhánh và có nhiều nhánh.  Nghiên cứu lý thuyết truyền sóng trên đường dây truyền tải điện.  Lập trình các thuật toán phân tích và xử lý tín hiệu bằng các công cụ matlab, wavelet, mạng nơron, hàm tương quan, phân tích tín hiệu trên miền thời gian và tần số để xác định vị trí sự cố, dạng sự cố trên đường dây truyền tải không phân nhánh và đường dây truyền tải có nhiều nhánh.  Nghiên cứu ảnh hưởng của điện trở, điện cảm sự cố trên đường dây đến sai số của phương pháp.
3  Tìm hiểu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm với một vài dạng sự cố nhằm kiểm chứng các thuật toán đã đề xuất. 4.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Đề xuất phương pháp để xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện có nhiều nhánh với sai số nhỏ hơn sai số của các phương pháp hiện nay đang áp dụng đồng thời sử dụng ít thiết bị đo nhất có thể. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Phương pháp của luận án góp phần bổ xung cho các giải pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải có một hoặc nhiều nhánh. Phương pháp chỉ yêu cầu sử dụng ít nhất các tín hiệu đo từ các đầu của đường dây truyền tải điện, nên các khâu đo lường và thu thập số liệu cũng đơn giản, tính kinh tế cao. 5. Những đóng góp của luận án Luận án có những đóng góp sau:  Đã khảo sát và đề xuất phân tích sóng phản xạ chủ động trên miền thời gian và tần số kết hợp với phương pháp sử dụng hàm tương quan để làm cơ sở phát hiện thời điểm sự cố trên đường dây truyền tải.  Đã khảo sát và đề xuất phân tích sóng phản xạ chủ động trên miền thời gian kết hợp với phương pháp sử dụng phân tích wavelet và mạng nơron logic mờ TSK để làm cơ sở phát hiện thời điểm sự cố trên đường dây truyền tải.  Xây dựng được thuật toán sử dụng ít số lượng thiết bị đo và không yêu cầu đồng bộ về thời gian giữa các tín hiệu. Sai số của phương pháp đề xuất của luận án đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của ngành điện. Phương pháp đề xuất có thể áp dụng với đường dây truyền tải không phân nhánh, phân nhánh.  Xây dựng được mô hình truyền sóng trên đường dây truyền tải điện sử dụng phần mềm Matlab- Simulink với các dạng sự cố khác nhau là ngắn mạch 1 pha, ngắn mạch 3 pha, ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 2 pha chạm đất với các thông số điện trở sự cố và điện cảm sự cố thay đổi. Áp dụng phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ
4 động để xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện 110kV Lào Cai có nhiều nhánh.  Thiết kế mạch thực nghiệm sử dụng chip FPGA nhận dạng sự cố trên đường dây truyền tải điện để kiểm nghiệm 1 phần nội dung của luận án. 6. Cấu trúc của luận án Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi nghiên cứu, những đóng góp và bố cục của luận án. Chương 1: Tổng quan về nhận dạng sự cố trên đường dây truyền tải điện Trong chương này sẽ trình bày các phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện và đề xuất phương pháp nghiên cứu trong luận án. Chương 2: Các giải pháp của luận án trên cơ sở phân tích các thành phần của sóng lan truyền Chương này trình bày các vấn đề về truyền sóng trên đường dây truyền tải và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình truyền sóng từ đó đề xuất các giải pháp cho luận án. Chương 3: Phương pháp TDR xác định sự cố trên đường dây truyền tải Trong chương này trình bày phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động trên miền thời gian dựa trên phân tích wavelet và mạng nơron để xác định vị trí sự cố đối với đường dây không phân nhánh. Chương 4 Phương pháp TFDR xác định sự cố trên đường dây truyền tải Nội dung chính của chương này trình bày phương pháp và các thuật toán phân tích sóng phản xạ chủ động trên miền thời gian và tần số để xác định vị trí sự cố trên đường dây không phân nhánh và đường dây có nhiều nhánh. Ứng dụng phần mềm mô phỏng Matlab- Simulink mô phỏng quá trình truyền sóng trên đường dây 110kV Lào Cai với các vị trí sự cố khác nhau, tại các nhánh rẽ khác nhau, với nhiều giá trị điện trở, sự cố, điện cảm sự cố và các trường hợp sự cố khác nhau.
5 Phần Kết luận bao gồm kết luận và các kiến nghị của luận án, các hướng nghiên cứu tiếp theo. Cuối cùng là các công trình công bố liên quan đến luận án, các tài liệu tham khảo và phần phụ lục.
6 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về các phương pháp nhận dạng sự cố trên đường dây truyền tải điện, ưu và nhược điểm của các phương pháp này từ đó tác giả đề xuất các mục tiêu và giải pháp trong luận án. 1.1. Giới thiệu chung Một hệ thống điện bao gồm máy phát, hệ thống truyền tải và phân phối điện năng. Các nhà máy phát điện và phụ tải thường ở xa nhau do đó cần phải có một hệ thống truyền tải gồm nhiều đường dây và trạm biến áp. Sự tăng trưởng nhanh chóng của hệ thống điện trong vài thập kỷ qua đã dẫn đến tăng một lượng lớn số lượng các đường dây và tổng chiều dài của nó. Những đường truyền này gặp nhiều sự cố do sét, ngắn mạch, thiết bị lỗi, lỗi do vận hành, tình trạng quá tải và lão hóa. Nhiều lỗi do phá hủy về cơ khí, mà cần phải có sửa chữa trước khi đưa hệ thống trở về để phục vụ. Sự cố có thể được giải quyết nhanh nếu vị trí sự cố được ước tính với độ chính xác hợp lý. Sự cố gây ra ngắn mạch có thể gây mất điện dài hạn cho khách hàng và có thể dẫn đến thiệt hại lớn cho các ngành công nghiệp sản xuất cũng như ảnh hưởng đến an ninh, văn hóa, chính trị. Phát hiện nhanh chóng, cô lập, định vị và sửa chữa các sự cố là ưu tiên trong việc duy trì một hệ thống điện tin cậy [2], [5], [13]. Theo [3] hiện nay lưới điện 110kV có nhiều đoạn có nhiều nhánh rẽ khác nhau, đặc biệt là các tỉnh trung du và miền núi, việc xác định vị trí sự cố gặp nhiều khó khăn do địa hình đồi núi phức tạp, thêm vào đó là đường dây có nhiều nhánh rẽ gây khó khăn cho việc xác định chính xác vị trí sự cố. Thời gian phục hồi cũng bao gồm thời gian để tìm ra vị trí sự cố. Quá trình phục hồi sẽ nhanh hơn khi việc xác định chính xác vị trí sự cố xẩy ra với thời gian ngắn nhất có thể. Các quy trình sửa chữa và bảo trì nhanh chóng, hiệu quả sẽ trực tiếp dẫn đến cải thiện độ tin cậy cung cấp điện cho mạng lưới, do đó nâng cao hiệu quả tổng thể của hệ thống. Trong một thị trường hướng đến cạnh tranh từ nguồn cấp, truyền tải đến phân
7 phối điện thì tiết kiệm thời gian, công sức và giảm thời gian mất điện có thể làm giảm chi phí hoặc làm tăng lợi nhuận. Trong luận án này đã phát triển phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động theo miền thời gian và tần số để định vị sự cố trong đường truyền tải điện có nhiều nhánh rẽ. Phương thức này cho thấy một giải pháp kinh tế kỹ thuật đầy hứa hẹn cho ngành điện. 1.2. Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây tải điện Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì ngày càng có nhiều phương pháp định vị sự cố đã được đề xuất áp dụng đối với đường dây truyền tải điện, mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng và có phạm vi áp dụng nhất định tùy theo cơ sở hạ tầng sẵn có của trạm và đường dây. Ta có thể thấy có các phương pháp định vị chính sau đây:  Định vị sự cố chỉ dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía của đường dây [46], [47], [52], [60], [70], [84], [86].  Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ cả hai phía của đường dây [27], [36], [38], [41], [42], [50], [65], [80].  Phương pháp sử dụng mạng nơron [26], [34], [35], [55], [56], [58], [61], [68], [71], [76], [87].  Phương pháp định vị sự cố dựa trên hiện tượng sóng lan truyền từ điểm sự cố [24], [25], [30], [78].  Phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện dựa trên sóng lan truyền từ đầu đường dây [37], [45], [54], [62], [63], [66], [75], [79]. 1.3. Phương pháp đo lường từ một phía Trong phương pháp này vị trí sự cố được xác định từ các kết quả đo lường từ 1 đầu của đường dây [70], [83]. Để xác định dạng sự cố giá trị điện áp và dòng điện ở tất cả các pha phải được xác định. Xét sự cố xảy ra tại điểm F, cách trạm A một khoảng là m (%) trên đường dây AB như trong Hình 1.1.
8 Hình 1.1: Sơ đồ minh họa sự cố trên đường dây có 2 nguồn cấp Hình 1.2: Sơ đồ thay thế minh họa sự cố trên đường dây có 2 nguồn cấp trong đó:  x - phần trăm khoảng cách đến điểm sự cố (khoảng cách từ đầu đường dây dến điểm sự cố/ tổng khoảng cách của đường dây).  VA- điện áp tại đầu nguồn A.  ZL- tổng trở của đường dây.  IF- dòng điện sự cố.  RF- điện trở sự cố Từ đó có thể dẫn ra một số phương pháp như phương pháp điện kháng đơn, phương pháp Takagi, phương pháp Takagi cải tiến. 1.3.1. Phương pháp điện kháng đơn Trong phương pháp điện kháng đơn [70], [83], các giá trị dòng điện và điện áp đo được sẽ được sử dụng để xác định trở kháng của đường dây đến vị trí sự cố, căn cứ vào đó xác định được vị trí sự cố theo công thức: VA  xZ L IA  RF IF (1.1)