Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nhận dạng sự cố trên đường dây truyền tải điện bằng kỹ thuật Wavelet kết hợp mạng nơron

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:79

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận văn là tìm ra giải pháp mô phỏng bằng Matlab-Simulink đường dây truyền tải nhằm mục đích khảo sát diễn biến quá trình quá độ xảy ra trên hệ thống đường dây truyền tải khi xảy ra ngắn mạch. Nghiên cứu các phương pháp xác định, nhận dạng sự cố đường dây bằng cách sử dụng phương pháp biến đổi wavelet và mạng nơron.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nhận dạng sự cố trên đường dây truyền tải điện bằng kỹ thuật Wavelet kết hợp mạng nơron

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN KHÁNH NHẬN DẠNG SỰ CỐ TRÊN ÐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ÐIỆN BẰNG KỸ THUẬT WAVELET KẾT HỢP MẠNG NƠRÔN NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN – 60520202 S K C0 0 5 9 1 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 - 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN KHÁNH NHẬN DẠNG SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN BẰNG KỸ THUẬT WAVELET KẾT HỢP MẠNG NƠ RÔN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 62520202 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2018 i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN KHÁNH NHẬN DẠNG SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN BẰNG KỸ THUẬT WAVELET KẾT HỢP MẠNG NƠ RÔN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 62520202 Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN NHÂN BỔN Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2018 ii
iii
iv
LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢT: Họ & tên: Nguyễn Văn Khánh Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh : 10/12/1994 Nơi sinh: Đà Nẵng Quê quán: Quận Ngũ Hành Sơn, Tp. Đà Nẵng / Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 57 đường b6, quận Tân Bình, Tp. Hồ Chí Minh Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: Fax: Email: vankhanhevn@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ …../……. đến ……/…….. Nơi học (trường, thàng phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 6/2012 đến 6/2016 Nơi học (trường, thàng phố): Trường đại học Công Nghiệp TP. Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật điện Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế cung cấp điện cho trường đại học sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: Nguyễn Trung Nhân v
QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 6/2016 đến Công ty cổ phần SEATECCO Kỹ sư thiết kế nay vi
CẢM TẠ Trong thời gian bắt đầu đi học đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình, đồng nghiệp và bạn bè. Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, đặc biệt là sự quan tâm giúp đỡ của Thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Nhân Bổn đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em thực hiện đề tài nghiên cứu này. Em cũng chân thành cảm ơn các thầy cô giáo của Khoa Điện – Điện Tử đã cung cấp kiến thức, phòng Đào tạo sau ĐH trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM đã tạo mọi điều kiện trong suốt quá trình học tập tại trường, góp ý nhiều ý kiến quý báu để em hoàn thành tốt luận văn. Mặc dù trong thời gian qua đã cố gắng nỗ lực nghiên cứu nhưng kiến thức còn nhiều hạn chế nên không thể tránh được những thiếu sót. Kính mong các thầy cô hội đồng khoa học xem xét góp ý, chỉnh sửa để luận văn được hoàn thiện tốt hơn và trong nghiên cứu sau này. TP. HCM, tháng 4 năm 2018 Học viên thực hiện NGUYỄN VĂN KHÁNH vii
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 4 năm 2018 NGUYỄN VĂN KHÁNH viii
TÓM TẮT Sự tăng trưởng nhanh chóng của hệ thống điện theo đà phát triển kinh tế xã hội của một quốc gia, đã dẫn đến một sự gia tăng số lượng các đường dây truyền tải vận hành với nhiều cấp điện áp khác nhau và tổng chiều dài của nó. Vì thế, sự cố xảy ra trên tuyến đường dây truyền tải là không thể tránh khỏi. Sự cố trên đường dây truyền tải gây ra gián đoạn điện cho khách hàng và có thể dẫn đến những thiệt hại đáng kể cho xã hội, đặc biệt là cho ngành sản xuất công nghiệp. Phát hiện nhanh chóng vị trí sự cố và sửa chữa kịp thời những sự cố này là rất quan trọng trong việc duy trì vận hành hệ thống điện tin cậy. Tính sẵn sàng cung cấp điện liên tục và tính tin cậy có tầm quan trọng ngày càng tăng hiện nay, do chính sách mới về tự do hóa năng lượng và thị trường năng lượng cạnh tranh, như một cách trực tiếp để giảm chi phí vận hành và gia tăng lợi nhuận. Trong luận văn này, tôi nghiên cứu việc áp dụng phép biến đổi Wavelet cho việc xác định vị trí ngắn mạch trên đường dây truyền tải cao thế. Trong đó, các sóng điện áp và dòng điện trên đường dây được mô phỏng bằng Matlab simulink. Từ các kết quả này, tôi sử dụng phép biến đổi Wavelet kết hợp với mạng nơ ron RBF để tìm ra được vị trí xảy ra ngắn mạch. Để đánh giá khả năng ứng dụng của phương pháp đề nghị, tôi đã áp dụng phương pháp đề xuất cho một đường dây gồm hai máy phát làm việc song song. Kết quả cho thấy phương pháp đề xuất có độ chính xác rất cao và thích hợp cho các mô hình thực tế. ix
ABSTRACT The rapid growth of the electricity system in the light of a country's economic development has led to an increase in the number of transmission lines operating at different voltage levels and the total length of it. Thus, the incident on the transmission line is inevitable. Incidents on the transmission line cause electrical interruption to the customer and may result in significant damage to the society, especially to the industrial production. Rapid location detection and timely repair of these incidents is important in maintaining reliable electrical system operation. Increased availability of electricity and reliability is of increasing importance nowadays due to new policies on energy liberalization and competitive energy markets, as a direct way to reduce transportation costs. and increase profits. In this thesis, I investigated the application of wavelet transformations for the positioning of short circuits on high voltage transmission lines. In that, the voltage waves and currents on the line are simulated by the Matlab simulink. From these results, I used the Wavelet transform associated with the RBF neuron network to find out where the short circuit occurred. To evaluate the applicability of the proposed method, I applied the proposed method for a line consisting of two generators working in parallel. The results show that the proposed method has very high accuracy and is suitable for practical models. x
MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC.................................................................................................... v CẢM TẠ ........................................................................................................................ vii LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... viii TÓM TẮT....................................................................................................................... ix ABSTRACT .................................................................................................................... x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ...................................................................................... xiii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU................................................................................. xiv CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ....................................... 1 1.1 Đặt vấn đề .......................................................................................................... 1 1.1 Mục đích ............................................................................................................ 4 1.2 Nhiệm vụ của đề tài ........................................................................................... 4 1.3 Phạm vi nghiên cứu............................................................................................ 4 1.4 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 4 1.5 Điểm mới của đề tài ........................................................................................... 5 1.6 Giá trị thực tiễn của đề tài .................................................................................. 5 1.7 Các nghiên cứu khoa học liên quan. .................................................................. 6 1.8 Hướng nghiên cứu của đề tài ............................................................................. 7 CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI WAVELET .............. 9 2.1 Giới thiệu tổng quan mạng wavelet ................................................................... 9 2.2 Nguồn gốc mạng wavelet................................................................................. 11 2.3 Ứng dụng wavelet trong hệ thống điện ............................................................ 12 CHƯƠNG 3 : TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG SỰ CỐ DỰA TRÊN MỘT SỐ BÀO BÁO NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC. .......................... 16 3.1 Tóm tắt nội dung .............................................................................................. 16 3.2 Giới thiệu ......................................................................................................... 16 3.3 Biến đổi wavelet rời rạc. .................................................................................. 17 3.4 Mạng nơ ron nhân tạo ...................................................................................... 18 xi
3.5 Mô hình đường dây truyền tải.......................................................................... 20 3.6 Thiết kế phát hiện và phân loại lỗi ................................................................... 21 3.7 Kết luận ............................................................................................................ 22 CHƯƠNG 4 : Ý TƯỞNG CHO VIỆC NHẬN DẠNG VÀ GIỚI THIỆU VỀ MẠNG NƠ RON RBF. 23 4.1 Đặc điểm của bài toán. ..................................................................................... 23 4.2 Ý tưởng ............................................................................................................ 26 4.3 Xây dựng sơ đồ giải thuật ................................................................................ 28 4.4 Cấu trúc của một mạng RBF (Radial Basis Funtion) ...................................... 28 4.5 Luật “Láng giềng gần nhất“ cho việc định vị sự cố......................................... 33 CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ MỔ PHỎNG .................................................................... 35 5.1 Xây dựng mô hình và lấy dữ liệu sự cố ........................................................... 36 5.1.1 Xây dựng mô hình mô phỏng.................................................................... 36 5.1.2 Xây dựng các tập dữ liệu mẫu ................................................................... 46 5.2 Huấn luyện mạng RBF..................................................................................... 49 5.3 Kết quả nhận dạng sự cố .................................................................................. 50 5.4 Các kết luận ...................................................................................................... 51 BỘ DỮ LIỆU................................................................................................................. 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 62 xii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Ngọn cây dầu dính vào dây dẫn Pha C cách trạm 500kV Tân Định 2,5 km đường dây 500kV Tân Định (573, 574) - Di Linh (571, 572) (sự cố lúc 13g50, ngày ............... 2 22 tháng 05 năm 2013- PTC4) ......................................................................................... 2 Hình 1.2: Đứt dây dẫn pha A khoảng trụ 62 -63 (phía trụ 63) đường dây 220kV Ô môn- Thốt nốt (sự cố ngày 24/09/2010 -PTC4) ......................................................................... 2 Hình 1.3: Chuỗi sứ néo pha B trụ 218 bị phóng điện (phía trụ 219) đường dây 220kV Cao lãnh-Thốt nốt (sự cố ngày 05/11/2011 -PTC4) ................................................................. 3 Hình 1.4: Dấu vết chuỗi sứ néo pha B trụ 218 bị phóng điện đường dây 220kV Cao lãnh- Thốt nốt (sự cố ngày 05/11/2011 -PTC4) ......................................................................... 3 Hình 2.1 Cấu trúc thông thường của một mạng wavelet ............................................... 10 Hình 2.2 Mạng wavelet dựa trên cấu trúc perceptron ................................................... 11 Hình 2.3: Sự cục bộ thời gian – tần số thể hiện qua biến đổi wavelet liên tục, phương pháp này được trình bày bởi Morlet vào năm 1980 ...................................................... 15 Hình 3.1. Mô hình lọc Wavelet ..................................................................................... 18 Hình 3.2. Mô hình đường dây truyền tải đơn ................................................................ 20 Hình 3.3. Quy trình phát hiện sự cố và phân loại. ......................................................... 21 Hình 4.1 Sơ đồ phân tích đa phân của biến đổi wavelet rời rạc và biến đổi rms ứng với từng hệ số ở các mức độ phân giải khác nhau, J là cấp phân giải lớn nhất ................... 27 Hình 4.2 Sơ đồ giải thuật cho việc nhận dạng và phân loại sự cố................................. 28 Hình 4.3: Mạng RBF tổng quát ..................................................................................... 29 Hình 4.4 Một hàm cơ sở xuyên tâm (RBF) trên mặt phẳng không gian đặt trưng, (a) là một trong các mãnh của một RBF ................................................................................. 31 Hình 4.5 Các đường công đẳng trị của RBF trên mặt phẳng ........................................ 32 Hình 4.6 Phân bố một vector đặc trưng mới tới các phân nhóm hiện hữu.................... 34 Hình 5.1: Sơ đồ hệ thống khảo sát................................................................................. 36 Hình 5.2: Sơ đồ mô phỏng hệ thống Hình 5.1 bằng Matlab ......................................... 37 Hình 5.3 Thông số cài đặt cho máy phát ....................................................................... 38 xiii
Hình 5.4. Thông số cài đặt máy biến áp ........................................................................ 39 Hình 5.5. Thông số cài đặt cho đường dây .................................................................... 40 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Các thông số mô hình.................................................................................... 20 Bảng 5.1 Các vector đặc trưng max và min sau khi chọn lọc và tính toán ................... 47 Bảng 5.2: Các vector đặc trưng ngõ vào sau khi đã chuẩn hóa ..................................... 48 Bảng 5.3 Các vector mục tiêu của mạng nhận dạng ..................................................... 49 Bảng 5.4 Kết quả huấn luyện mạng RBF cho 10 dạng sự cố đường dâyError! Bookmark not defined. Bảng 5.5: Các trọng số liên kết giữa lớp ẩn và lớp ngõ raError! Bookmark not defined. Bảng 5.6 Kết quả mô phỏng sự cố và thời gian nhận dạngError! Bookmark not defined. xiv
Nguyễn Văn Khánh MSHV: 1680605 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Đặt vấn đề Sự cố trên đường dây truyền tải gây ra gián đoạn điện cho khách hàng và có thể dẫn đến những thiệt hại đáng kể cho xã hội, đặc biệt là cho ngành sản xuất công nghiệp. Phát hiện nhanh chóng vị trí sự cố và sửa chữa kịp thời những sự cố này là rất quan trọng trong việc duy trì vận hành hệ thống điện tin cậy. Tính sẵn sàng cung cấp điện liên tục và tính tin cậy có tầm quan trọng ngày càng tăng hiện nay, do các chính sách mới về tự do hóa năng lượng và thị trường năng lượng cạnh tranh, như một cách trực tiếp để giảm chi phí vận hành và gia tăng lợi nhuận. Khi hệ thống đường dây truyền tải xảy ra sự cố, việc tìm kiếm vị trí sự cố rất phức tạp do tuyến đường dây dài, địa hình tiếp cận khó khăn, phương tiện giao thông không thuận lợi, nằm xa cách khu vực dân cư và phải tổ chức tìm kiếm ngay bất kể thời điểm nào trong ngày. Phát hiện dấu vết sự cố và nguyên nhân gây ra sự cố, thực tế là điều khô ng đơn giản, có những sự cố hiện trường để lại dễ dàng nhìn thấy bằng mắt thường như những sự cố đứt dây dẫn hay dây chống sét Hình 1.1, 1.2. Có những sự cố mà dấu vết hiện trường rất khó phát hiện như phóng điện qua chuỗi sứ Hình 1.3, 1.4. Do dấu vết phóng điện nhỏ, không thể thấy bằng mắt thường khi nhìn từ phía dưới mặt đất mà không leo lên trụ để kiểm tra, đặc biệt là vào ban đêm. Không phát hiện được dấu vết hiện trường, thì không thể xác định được vị trí cũng như nguyên nhân gây ra sự cố. Vì thế, nếu không có những thông tin ban đầu liên quan đến sự cố như khoảng cách rơle báo (thường là có sai lệch), người dân xung quanh khu vực sự cố cho biết có tiếng nổ bất thường trên đường dây điện… thì khó mà tập trung vào những khu vực nghi ngờ để tìm ra vị trí và nguyên nhân gây ra sự cố, để có kế hoạch sửa chữa khắc phục kịp thời và loại trừ nguyên nhân gây ra sự cố một lần nữa. 1
Nguyễn Văn Khánh MSHV: 1680605 Hình 1.1: Ngọn cây dầu dính vào dây dẫn Pha C cách trạm 500kV Tân Định 2,5 km đường dây 500kV Tân Định (573, 574) - Di Linh (571, 572) (sự cố lúc 13g50, ngày 22 tháng 05 năm 2013- PTC4) Hình 1.2: Đứt dây dẫn pha A khoảng trụ 62 -63 (phía trụ 63) đường dây 220kV Ô môn- Thốt nốt (sự cố ngày 24/09/2010 -PTC4) 2
Nguyễn Văn Khánh MSHV: 1680605 Hình 1.3: Chuỗi sứ néo pha B trụ 218 bị phóng điện (phía trụ 219) đường dây 220kV Cao lãnh-Thốt nốt (sự cố ngày 05/11/2011 -PTC4) Hình 1.4: Dấu vết chuỗi sứ néo pha B trụ 218 bị phóng điện đường dây 220kV Cao Lãnh-Thốt Nốt (sự cố ngày 05/11/2011 -PTC4) 3
Nguyễn Văn Khánh MSHV: 1680605 Do đó, cần thiết phải tìm ra vị trí sự cố chính xác để nhanh chóng đưa ra phương án sửa chữa và khôi phục lại cung cấp điện, giảm thiểu thời gian mất điện, tiết kiệm được thời gian và công sức tìm kiếm. Đó là mục tiêu hướng đến của các công ty truyền tải điện nói chung. Nghiên cứu các phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải là một điều cần thiết trong việc quản lý vận hành một hệ thống điện. 1.1 Mục đích Mục tiêu của luận văn là tìm ra giải pháp mô phỏng bằng Matlab-Simulink đường dây truyền tải nhằm mục đích khảo sát diễn biến quá trình quá độ xảy ra trên hệ thống đường dây truyền tải khi xảy ra ngắn mạch. Nghiên cứu các phương pháp xác định, nhận dạng sự cố đường dây bằng cách sử dụng phương pháp biến đổi wavelet và mạng nơron. 1.2 Nhiệm vụ của đề tài Đề tài "nhận dạng sự cố trên đường dây truyền tải điện bằng kỹ thuật wavelet kết hợp mạng nơ rôn" có nhiệm vụ cụ thể sau: - Giới thiệu về phương pháp biến đổi wavelet. - Tìm hiểu và nghiên cứu phương pháp sử dụng để xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải. - Mô phỏng khảo sát đường dây truyền tải trên không bằng Matlab – Simulink, áp dụng phương pháp biến đổi wavelet và mạng nơ ron. 1.3 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu các lý thuyết về nhận dạng hệ thống như biến đổi wavelet. - Tổng quan phương pháp nhận dạng sự cố bằng kỹ thuật wavelet kết hợp mạng nơ ron dựa theo một số bài báo trong và ngoài nước. - Tập trung nghiên cứu về nhận dạng các loại sự cố 10 dạng ngắn mạch trên đường dây truyền tải. 1.4 Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu. 4
Nguyễn Văn Khánh MSHV: 1680605 - Đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp đã đề xuất trước đây. Nhận xét tổng quan về lĩnh vực đề tài đang nghiên cứu. - Xây dựng giải thuật phân loại và nhận dạng các hiện tượng ngắn mạch trong hệ thống điện. - Xây dựng giao diện cho giải thuật phân loại và nhận dạng các hiện tượng ngắn mạch trong hệ thống điện. - Phân tích các kết quả nhận được. - Đánh giá tổng quát toàn bộ đề tài. Đề nghị hướng phát triển của đề tài. 1.5 Điểm mới của đề tài - Đề xuất được giải thuật phân loại và nhận dạng các sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện bằng biến đổi Wavelet kết hợp với nhận dạng bằng mạng nơ ron có độ chính xác cao và thời gian đáp ứng nhanh. - Xây dựng được chương trình tự động trong vấn đề phân loại và nhận dạng các hiện tượng quá độ trong hệ thống điện. - Góp phần cải thiện chất lượng điện năng của hệ thống điện bằng cách phân loại và nhận dạng nhanh các sự cố ngắn mạch trên hệ thống điện. 1.6 Giá trị thực tiễn của đề tài Với mục đích xây dựng giải thuật nhận dạng và phân loại các tín hiệu sự cố dựa vào mạng Nơ ron kết hợp với phân tích Wavelets để nhanh chóng và tự động nhận dạng và phân loại các sự cố ngắn mạch xuất hiện trong hệ thống điện, khi đi vào hoạt động thực tế, thiết bị sẽ góp phần giảm thiểu thời gian và nhân lực cho việc phát hiện và cảnh báo các ảnh hưởng tiêu cực của các hiện tượng quá độ tại các vận hành lưới điện. Chinh vì vâ ̣y, đề tài “Nhận dạng sự cố trên đường dây truyền tải bằng kỹ thuật ́ wavelet kết hợp mạng nơ ron” đươ ̣c thực hiê ̣n nhằ m mu ̣c đich góp thêm mô ̣t giải pháp ́ hữu ích để nâng cao chấ t lươ ̣ng vâ ̣n hành cho hệ thống điện. Từ công việc nghiên cứu của đề tài: 5