Tài liệu Nghiên cứu phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện dựa trên mạng nơron mlp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƢƠNG TUẤN ANH NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN DỰA TRÊN MẠNG NƠRON MLP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƢƠNG TUẤN ANH NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN DỰA TRÊN MẠNG NƠRON MLP Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 62520202 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TSKH. Trần Hoài Linh 2. TS. Phạm Hồng Thịnh Hà Nội - 2014 Mở đầu LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên những hƣớng dẫn của tập thể hƣớng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chƣa công bố trên bất cứ một công trình nào khác. Nghiên cứu sinh TRƢƠNG TUẤN ANH - i - Mở đầu LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận đƣợc 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 PGS.TSKH Trần Hoài Linh, TS. Phạm Hồng Thịnh và Hội đồng Khoa học của Bộ môn Hệ thống điện - Viện Điện - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo ở Bộ môn Hệ thống điện - Viện Điện - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội và các đồng nghiệp ở Trung tâm Thí nghiệm, Khoa Điện - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên 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 Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Đào tạo và bồi dƣỡng sau đại học - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn Xƣởng thí nghiệm Công ty Truyền tải điện 1, 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 TRƢƠNG TUẤN ANH - ii - Mở đầu MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ ii MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU........................................................................................ vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................................ viii MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài................................................................................................. 1 2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................................... 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ....................................................................... 3 5. Những đóng góp của luận án ......................................................................................... 4 6. Bố cục của luận án ......................................................................................................... 5 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN ..................................................................................................... 7 1.1. Ý nghĩa của bài toán xác định vị trí sự cố .................................................................. 7 1.2. Một số phƣơng pháp xác định vị trí sự cố .................................................................. 8 1.3. Phƣơng pháp tính toán dựa trên trở kháng ................................................................. 8 1.4. Phƣơng pháp sử dụng sóng lan truyền ..................................................................... 11 1.5. Phƣơng pháp sử dụng mạng nơron nhân tạo ............................................................ 14 Chƣơng 2: CÁC GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT TRONG LUẬN ÁN .......................................... 18 2.1. Sơ đồ khối tổng thể ƣớc lƣợng vị trí sự cố ............................................................... 18 2.2. Mạng nơron MLP và ứng dụng ƣớc lƣợng vị trí sự cố............................................. 20 2.2.1. Mạng nơron MLP hoạt động độc lập ƣớc lƣợng vị trí sự cố [12,64,69,79,93] . 20 2.2.2. Mạng nơron MLP phối hợp song song với một thuật toán tổng trở (thuật toán mô phỏng trên máy tính hoặc thuật toán tích hợp trong rơle khoảng cách thực tế) .... 20 2.3. Phần mềm ATP/EMTP và ứng dụng để tạo mẫu số liệu .......................................... 22 2.4. Hợp bộ thí nghiệm CMC-356 thử nghiệm kết quả tác động của rơle khoảng cách thực tế .............................................................................................................................. 23 2.5. Mạng nơron MLP và ứng dụng để xác định dạng sự cố và ƣớc lƣợng điện trở sự cố ......................................................................................................................................... 24 - iii - Mở đầu Chƣơng 3: CÁC CÔNG CỤ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN ............................................................................................................................................. 25 3.1. Phần mềm mô phỏng ATP/EMTP ............................................................................ 25 3.2. Hợp bộ thí nghiệm thứ cấp 3 pha CMC 356 - OMICRON ...................................... 27 3.3. Wavelet và ứng dụng trong phân tích tín hiệu.......................................................... 30 3.3.1. Phân tích phổ của tín hiệu sử dụng biến đổi Fourrier ........................................ 30 3.3.2. Phân tích phổ bằng wavelet (sóng nhỏ) ............................................................ 33 3.3.3. Thuật toán phân tích tín hiệu bằng wavelet [96] ............................................... 40 3.4. Mạng nơron nhân tạo và ứng dụng xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây tải điện .... 42 3.4.1. Mô hình nơron nhân tạo của McCulloch - Pitts [12,69] .................................... 42 3.4.1.1. Cơ sở toán học của mô hình ....................................................................... 42 3.4.1.2. Nơron với hàm truyền đạt tansig ................................................................ 44 3.4.1.3. Các quá trình học và kiểm tra của nơron .................................................... 45 3.4.1.4. Thuật toán học có hƣớng dẫn của nơron .................................................... 47 3.4.2. Cấu trúc mạng MLP [12,69] .............................................................................. 50 3.4.3. Quá trình học của mạng MLP [11,12] ............................................................... 53 3.4.3.1. Một số đặc điểm chung của quá trình học .................................................. 53 3.4.3.2. Thuật toán bƣớc giảm cực đại cho mạng MLP .......................................... 55 3.4.3.3. Thuật toán Levenberg – Marquardt ............................................................ 56 3.4.4. Lựa chọn số nơron lớp ẩn để tránh mạng học quá khớp (overfitting) và mạng học không đủ (underfitting) [11,12] ............................................................................ 56 Chƣơng 4: CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN ............................................. 62 4.1. ATP/EMTP mô phỏng ngắn mạch trên đƣờng dây .................................................. 62 4.1.1. Mô hình đƣờng dây mô phỏng trong luận án .................................................... 62 4.1.2. Kịch bản mô phỏng trong ATP/EMTP .............................................................. 63 4.1.3. Một số dạng ngắn mạch đƣợc mô phỏng trong ATP/EMTP ............................. 65 4.1.3.1. Ngắn mạch 1 pha (AG0):............................................................................ 65 4.1.3.2. Ngắn mạch 2 pha (AB0): ............................................................................ 65 4.1.3.3. Ngắn mạch 2 pha chạm đất (ABG): ........................................................... 66 4.1.3.4. Ngắn mạch 3 pha (ABC): ........................................................................... 67 4.2. Kết quả xác định thời điểm xuất hiện sự cố ............................................................. 67 4.3. Kết quả ƣớc lƣợng vị trí sự cố, điện trở sự cố và dạng sự cố ................................... 74 - iv - Mở đầu 4.3.1. Trích xuất số liệu và các thông tin đặc trƣng .................................................... 74 4.3.2. Đánh giá, lựa chọn các đầu vào cho mạng MLP ............................................... 76 4.3.3. Mạng nơron MLP ƣớc lƣợng vị trí sự cố, dạng sự cố và điện trở sự cố............ 80 4.3.3.1. Mạng nơron MLP ƣớc lƣợng trực tiếp vị trí sự cố ..................................... 80 4.3.3.2. Mạng nơron MLP phối hợp với thuật toán tổng trở để ƣớc lƣợng vị trí sự cố ................................................................................................................................. 83 4.3.3.3. Mạng nơron MLP phối hợp với rơle tổng trở thực tế để ƣớc lƣợng vị trí sự cố ............................................................................................................................. 88 4.3.3.4. Mạng nơron MLP xác định dạng sự cố và điện trở sự cố .......................... 93 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................... 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 99 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 107 PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 108 Phụ lục 1. Thông số đƣờng dây 110kV Yên Bái - Khánh Hòa ..................................... 108 Phụ lục 2. Phiếu chỉnh định Rơle và thiết bị tự động đƣờng dây 110kV Yên Bái - Khánh Hòa ................................................................................................................................ 109 Phụ lục 3. Thông số cài đặt trong mô hình ATP/EMTP ............................................... 111 - v - Mở đầu DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Việt AG0 Ngắn mạch 1 pha AB0 Ngắn mạch 2 pha ABG Ngắn mạch 2 pha chạm đất ABC Ngắn mạch 3 pha AD Bộ chuyển đổi tƣơng tự/ số BU Máy biến điện áp BI Máy biến dòng điện CMC-356 Hợp bộ thí nghiệm thứ cấp EVN (Vietnam Electricity) Tập đoàn điện lực Việt Nam ATP/EMTP (Alternative Transients Programme/ Electro- Magnetic Transients Program) Chƣơng trình nghiên cứu quá độ điện từ MLP (Multi Layer Perceptron) Mạng nơron MLP NCS Nghiên cứu sinh PC Máy tính cá nhân KTS Kỹ thuật số - vi - Mở đầu DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Thiết bị Nippon xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây 220 kV Thái Nguyên - Hà Giang ................................................................................................................................... 13 Bảng 3.1. Khả năng mô phỏng của ATP/EMTP ................................................................. 26 Bảng 3.2. Một số phần tử sử dụng trong luận án ................................................................. 27 Bảng 4.1. Kết quả chạy mô phỏng ứng với tần số khác nhau ............................................. 72 Bảng 4.2. Kết quả thử nghiệm với một số dạng Wavelet khác nhau .................................. 73 Bảng 4.3: Số lƣợng đặc tính tƣơng ứng với các ngƣỡng cắt ............................................... 78 Bảng 4.4: Tổng hợp các kết quả sử dụng rơle khoảng cách thực tế (7SA522) và dùng mạng nơron MLP để giảm các sai số của rơle khoảng cách thực tế 7SA522 ............................... 91 Bảng 4.5: Tổng hợp các kết quả sử dụng rơle khoảng cách ảo và dùng mạng nơron MLP để giảm các sai số của rơle khoảng cách ảo ............................................................................. 91 Bảng 4.6: Tổng hợp các kết quả dùng mạng nơron MLP ƣớc lƣợng trực tiếp vị trí sự cố . 92 Bảng 4.7: So sánh các kết quả sử dụng rơle khoảng cách (Rơle ảo và rơle thực tế) dùng mạng MLP để giảm các sai số về vị trí sự cố ...................................................................... 92 Bảng 4.8: Tổng hợp các kết quả ƣớc lƣợng vị trí sự cố ...................................................... 92 Bảng PL1.1. Thông số cột đƣờng dây 110kV Yên Bái - Khánh Hòa ............................... 108 - vii - Mở đầu DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ minh họa sự cố trên đƣờng dây truyền tải sử dụng phƣơng pháp điện kháng đơn .............................................................................................................................. 9 Hình 1.2: Minh họa phƣơng pháp TAKAGI trên mạch điện một pha hai nguồn................ 10 Hình 1.3: Sơ đồ minh họa phƣơng pháp sử dụng sóng lan truyền xác định vị trí sự cố ..... 12 Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng thể phƣơng pháp phân tích và xử lý tín hiệu đầu đƣờng dây để xác định vị trí sự cố, điện trở sự cố và dạng sự cố. ............................................................. 19 Hình 2.2: Ý tƣởng mô hình hoạt động độc lập mạng MLP ................................................. 20 Hình 2.3: Ý tƣởng mô hình hoạt động song song rơle với mạng MLP ............................... 21 Hình 2.4: Quá trình tạo mẫu để xác định các thông số của các mô hình............................. 22 Hình 2.5: Sơ đồ khối ghép nối giữa các thiết bị trong hệ thống thử nghiệm hoạt động của rơle bằng thiết bị CMC-356................................................................................................. 23 Hình 2.6: Ý tƣởng mô hình hoạt động các mạng MLP xác định vị trí sự cố, xác định dạng sự cố và ƣớc lƣợng điện trở sự cố ....................................................................................... 24 Hình 3.1: Giao diện ATP-Draw ........................................................................................... 26 Hình 3.2: Hợp bộ thí nghiệm thứ cấp 3 pha công suất lớn CMC-356................................. 27 Hình 3.3: Giao diện phần mềm điều khiển Test Universe V2.30 ........................................ 28 Hình 3.4: a) Giao diện sử dụng Transplay; b,c) 6 tín hiệu điện áp và dòng điện cho trƣờng hợp ví dụ YB_AG0_00_00_010_S100.wav ........................................................................ 29 Hình 3.5: Kết nối máy tính với hợp bộ thí nghiệm CMC-356 và rơle 7SA522 .................. 30 Hình 3.6: Phổ Fourrier biên độ của tín hiệu điều hòa (a) tín hiệu gốc, (b) phổ biên độ ........... 31 Hình 3.7: Phổ Fourier của tín hiệu bất định (a) tín hiệu gốc, (b) phổ biên độ) ................... 32 Hình 3.8: Minh họa hàm có độ rộng hữu hạn ...................................................................... 33 Hình 3.9: Hàm co dãn (trên) và hàm sinh (dƣới) của wavelet Haar .................................... 34 Hình 3.10: Một số wavelet kinh điển .................................................................................. 35 Hình 3.11: Cấu trúc các bƣớc liên tiếp phân tích một tín hiệu ban đầu thành các thành phần chi tiết và xấp xỉ .................................................................................................................. 36 - viii - Mở đầu Hình 3.12: Kết quả phân tích tín hiệu tuần hoàn theo họ wavelet Daubechies bậc 4 (trên cùng bên trái: tín hiệu gốc, các cửa sổ còn lại: các thành phần tách ra đƣợc) ..................... 36 Hình 3.13: Kết quả phân tích tín hiệu bất định bằng họ wavelet Daubechies 4 (phía trên bên trái: tín hiệu gốc, các hình còn lại: các thành phần tách ra đƣợc từ tín hiệu ban đầu) .. 37 Hình 3.14: Phân tích phổ của tín hiệu hình sin() không có nhiễu ....................................... 38 Hình 3.15: Phân tích phổ của tín hiệu hình sin có thay đổi 1% về biên độ tại thời điểm t=60 theo 4 bậc wavelet Haar....................................................................................................... 39 Hình 3.16: Phân tích phổ của tín hiệu hình sin có thay đổi 2% về tần số tại thời điểm t=60 ............................................................................................................................................. 40 Hình 3.17: Mô hình nơron chi tiết (trái) và biểu diễn đơn giản hóa (phải) ......................... 43 Hình 3.18: Mô hình nơron với phân cực bias là đầu vào x0: chi tiết (trái) và rút gọn (phải) ............................................................................................................................................. 44 Hình 3.19: Hàm truyền đạt tansig với các hệ số dốc a khác nhau ....................................... 45 Hình 3.20: Hệ xây dựng mô hình xấp xỉ một đối tƣợng cho trƣớc (phối hợp sử dụng sai số đầu ra e  y  d ) ................................................................................................................ 46 Hình 3.21: Mô hình mạng MLP với 1 lớp ẩn (a) và hai lớp ẩn (b) ..................................... 51 Hình 3.22: Cấu trúc mạng MLP với một lớp vào, một lớp ẩn và một lớp ra ..................... 52 Hình 3.23: Đặc tính miêu tả sự phụ thuộc trung bình của E_học và E_kiểmtra vào độ phức tạp của mô hình ................................................................................................................... 59 Hình 3.24: Ba vùng với chất lƣợng học và kiểm tra khác nhau .......................................... 60 Hình 3.25: Ví dụ minh họa chất lƣợng tái tạo hàm số dựa trên một số điểm mẫu cho trƣớc ............................................................................................................................................. 61 Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng ngắn mạch đƣờng dây Yên Bái - Khánh Hòa trong ATP/EMTP ............................................................................................................................................. 62 Hình 4.2: Sơ đồ mô phỏng ngắn mạch 1 pha (AG0), Rsc = 0(Ω) ........................................ 65 Hình 4.3: Sơ đồ mô phỏng ngắn mạch 1 pha (AG0), Rsc = 1, 2, 3, 4, 5(Ω) ........................ 65 Hình 4.4: Sơ đồ mô phỏng ngắn mạch 2 pha (AB0), Rsc = 0(Ω) ........................................ 65 Hình 4.5: Sơ đồ mô phỏng ngắn mạch 2 pha (AB0), Rsc = 1, 2, 3, 4, 5(Ω) ........................ 66 Hình 4.6: Sơ đồ mô phỏng ngắn mạch 2 pha chạm đất (ABG), Rsc = 0(Ω) ........................ 66 Hình 4.7: Sơ đồ mô phỏng ngắn mạch 2 pha chạm đất (ABG), Rsc = 1, 2, 3, 4, 5(Ω) ........ 66 - ix - Mở đầu Hình 4.8: Sơ đồ mô phỏng ngắn mạch 3 pha (ABC), Rsc = 0(Ω)........................................ 67 Hình 4.9: Sơ đồ mô phỏng ngắn mạch 3 pha (ABC), Rsc = 1, 2, 3, 4, 5(Ω) ........................ 67 Hình 4.10: Hàm sinh và hàm co dãn Daubechies bậc 3 ...................................................... 68 Hình 4.11: Kết quả phân tích dòng pha A thành 5 thành phần cơ bản đầu tiên theo các wavelet Daubechies bậc 3.................................................................................................... 68 Hình 4.12: Kết quả phân tích thành phần d1 của 3 dòng pha theo các wavelet Daubechies bậc 3..................................................................................................................................... 69 Hình 4.13: Kết quả phân tích thành phần d1 của 3 điện áp pha theo các wavelet Daubechies bậc 3..................................................................................................................................... 70 Hình 4.14: Kết quả phân tích thành phần d1 của dòng pha A theo các wavelet Daubechies bậc 3 với các tần số lấy mẫu tín hiệu khác nhau từ 100Hz tới 1MHz ................................. 71 Hình 4.15: Ví dụ về thành phần d1 của một tín hiệu và hình ảnh phóng to thể hiện các chi tiết trong tín hiệu ................................................................................................................. 72 Hình 4.16: Phân bố các sai số xác định thời điểm xuất hiện sự cố từ thành phần d1 của 6 tín hiệu đầu đƣờng dây ............................................................................................................. 74 Hình 4.17: Minh họa về việc trích 20 mẫu giá trị tức thời xung quanh thời điểm xuất hiện sự cố để làm đặc tính tính toán ............................................................................................ 75 Hình 4.18: Ví dụ về phổ Fourier của một tín hiệu và các dải tần số đƣợc sử dụng để tính toán đặc tính ........................................................................................................................ 76 Hình 4.19: 3 ví dụ về các giá trị của hệ số tƣơng quan: a) Hệ số tƣơng quan dƣơng cao, b) Hệ số tƣơng quan âm cao, c) Hệ số tƣơng quan thấp. ......................................................... 77 Hình 4.20: Biểu đồ 144 giá trị tức thời các hệ số tƣơng quan giữa các đặc tính với tín hiệu đầu ra ................................................................................................................................... 78 Hình 4.21: Kết quả tối ƣu hóa giảm sai số hàm mục tiêu trong quá trình học của mạng nơron đƣợc lựa chọn trong đề tài......................................................................................... 80 Hình 4.22: Kết quả sử dụng mạng MLP học trực tiếp cho tập hợp 1424 mẫu vị trí sự cố: (a) - Các giá trị vị trí sự cố gốc (km), (b) - Các giá trị vị trí sự cố ƣớc lƣợng (km), (c) - Sai số (km) ..................................................................................................................................... 81 Hình 4.23: Kết quả kiểm tra sử dụng mạng MLP ƣớc lƣợng trực tiếp cho 712 mẫu vị trí sự cố: (a) - Các giá trị vị trí sự cố gốc (km), (b) - Các giá trị vị trí sự cố ƣớc lƣợng (km), (c) Sai số (km) ........................................................................................................................... 82 - x - Mở đầu Hình 4.24: Các tín hiệu dòng pha trong các mẫu: a) 531 (ngắn mạch 2 pha tại vị trí 80km), b) 534 (ngắn mạch hai pha tại vị trí 110km), c) 1602 (ngắn mạch hai pha chạm đất tại 110km), d) 2136 (ngắn mạch một pha chạm đất tại 110km) ............................................... 83 Hình 4.25: Kết quả hoạt động của rơle khoảng cách ảo đƣợc sử dụng trong luận án ......... 84 Hình 4.26: Kết quả học chi tiết cho tập hợp 1424 mẫu vị trí sự cố: (a) - Các giá trị vị trí sự cố gốc (km), (b) - Các giá trị vị trí sự cố ƣớc lƣợng (km), (c) - Sai số (km)....................... 85 Hình 4.27: Kết quả kiểm tra chi tiết cho tập hợp 712 mẫu vị trí sự cố: (a) - Các giá trị vị trí sự cố gốc (km), (b) - Các giá trị vị trí sự cố ƣớc lƣợng (km), (c) - Sai số (km) .................. 86 Hình 4.28: Tổng hợp các sai số của rơle ảo (đƣờng liền đậm), lƣợng cộng vào do MLP tạo ra (đƣờng liền nhạt) và của rơle ảo phối hợp với mạng nơron MLP (đƣờng chấm) cho sự cố ngắn mạch 1 pha tại vị trí 40km cho các thời điểm xuất hiện sự cố khác nhau (ứng với giá trị pha khác nhau của dòng iA)............................................................................................. 87 Hình 4.29: Tổng hợp các sai số của rơle ảo (đƣờng liền đậm), lƣợng cộng vào do MLP tạo ra (đƣờng liền nhạt) và của rơle ảo phối hợp với mạng MLP (đƣờng chấm) cho sự cố ngắn mạch 1 pha ở các thời điểm xuất hiện sự cố khác nhau (ứng với giá trị pha khác nhau của dòng iA) tại vị trí 80km (a) và 110km (b) ............................................................................ 88 Hình 4.30: Các thiết bị thực tế sử dụng trong luận án để kiểm tra kết quả hoạt động thực tế của rơle: (a) Thiết bị hợp bộ CMC-356 của Omicron, (b) Rơle 7SA522 của Siemens ...... 89 Hình 4.31: 1008 dữ liệu mô phỏng đọc từ phần mềm DIGSI 4.82 ..................................... 90 Hình 4.32: Dữ liệu mô phỏng đọc từ chức năng Trip Log .................................................. 90 Hình 4.33: Kết quả học chi tiết cho tập hợp 1424 mẫu dạng sự cố: (a) - Các giá trị gốc mã dạng sự cố, (b) - Các giá trị ƣớc lƣợng dạng sự cố, (c) - Sai lệch giữa giá trị gốc và giá trị ƣớc lƣợng ............................................................................................................................. 93 Hình 4.34: Kết quả kiểm tra chi tiết cho tập hợp 712 mẫu dạng sự cố: (a) - Các giá trị dạng sự cố gốc, (b) - Các giá trị dạng sự cố ƣớc lƣợng, (c) - Sai số ............................................ 94 Hình 4.35: Kết quả học chi tiết cho tập hợp 1424 mẫu điện trở sự cố: (a) - Các giá trị điện trở sự cố gốc (Ω), (b) - Các giá trị điện trở sự cố ƣớc lƣợng (Ω), (c) - Sai số (Ω) .............. 95 Hình 4.36: Kết quả kiểm tra chi tiết cho tập hợp 712 mẫu điện trở sự cố: (a) - Các giá trị điện trở sự cố gốc (Ω), (b) - Các giá trị điện trở sự cố ƣớc lƣợng (Ω), (c) - Sai số (Ω) ...... 96 Hình PL2.1: Phiếu chỉnh định Rơle và thiết bị tự động .................................................... 109 Hình PL3.1: Nhập thông số cho nguồn điện trong ATP/EMTP........................................ 111 - xi - Mở đầu Hình PL3.2: Nhập thông số cho điện cảm nguồn điện trong ATP/EMTP ........................ 112 Hình PL3.3: Thiết lập thiết bị đo dòng và áp 3 pha trong ATP/EMTP ............................. 113 Hình PL3.4: Thiết lập thông số thiết bị chuyển mạch trong ATP/EMTP ......................... 114 Hình PL3.5: Thiết lập thông số cho mô hình đƣờng dây LCC trong ATP/EMTP ............ 115 Hình PL3.6: Thiết lập dữ liệu đƣờng dây LCC trong ATP/EMTP ................................... 115 Hình PL3.7: Thiết lập dữ liệu cho mô hình tải Smax trong ATP/EMTP ........................... 116 Hình PL3.8: Thiết lập dữ liệu cho mô hình tải S50% trong ATP/EMTP ........................... 117 Hình PL3.9: Thiết lập dữ liệu cho mô hình tải S30% trong ATP/EMTP ........................... 117 Hình PL3.10: Thiết lập dữ liệu cho mô hình điện trở sự cố trong ATP/EMTP ................ 118 - xii - Mở đầu MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Đƣờng dây truyền tải điện là một trong những khâu rất quan trọng trong việc đảm bảo sự liên lạc giữa các nguồn điện và các hộ tiêu thụ điện. Tốc độ phát triển nhanh chóng của hệ thống điện trong vài thập kỷ qua cũng đã dẫn đến một sự tăng nhanh về số lƣợng các đƣờng dây truyền tải ở các cấp điện áp cũng nhƣ tổng chiều dài của toàn hệ thống. Theo thống kê của tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN - VietNam Electricity), lƣới điện Việt Nam đã không ngừng mở rộng, vƣơn xa thể hiện quy mô phát triển, sự lớn mạnh của ngành kinh tế mũi nhọn, đảm bảo cung cấp điện ngày càng tin cậy, hiệu quả hơn cho phát triển đất nƣớc. Số liệu thống kê ngày 18/08/2011: Tổng chiều dài đƣờng dây ở các cấp điện áp của EVN tính đến hết năm 2008: 306.000 km. Trong giai đoạn 2006 - 2015, EVN dự kiến phát triển mới: 3.178 km đƣờng dây 500 kV, 9.592 km đƣờng dây 220 kV, 12.659 km đƣờng dây 110kV. Trong quá trình vận hành, đƣờng dây truyền tải điện có thể gặp những sự cố nhƣ sét đánh, ngắn mạch, đứt dây, chạm đất, sự cố từ các thiết bị, hoạt động sai của thiết bị hay sự cố từ phía ngƣời sử dụng, tình trạng quá tải và sự lão hóa của thiết bị... Khi xảy ra sự cố tại bất kỳ một phần tử nào trên đƣờng dây, bảo vệ rơle sẽ tác động tách phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện và loại trừ sự ảnh hƣởng của phần tử sự cố với các phần tử liền kề không bị sự cố. Nhƣ vậy quá trình nhận dạng, phát hiện, cách ly và xác định chính xác vị trí sự cố càng nhanh sẽ càng có lợi, giúp cho việc khôi phục lại chế độ làm việc bình thƣờng của hệ thống điện, giảm thiệt hại về kinh tế và nâng cao đƣợc độ tin cậy cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ [1,2,3,4,5,10]. Hiện nay, để xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện thƣờng dùng nguyên lý khoảng cách. Thuật toán cơ bản đƣợc sử dụng trong các bộ định vị sự cố của rơle khoảng cách cho phép xác định khoảng cách từ nơi đặt thiết bị bảo vệ đến vị trí xảy ra sự cố và đƣợc tính toán một cách chính xác nhất có thể. Các rơle khoảng cách sẽ cung cấp thông tin về vùng xảy ra sự cố nhƣng không thể xác định chính xác điểm xảy ra sự cố, sai số về vị trí sự cố thay đổi tùy theo từng trƣờng hợp cụ thể (ví dụ việc xác định vị trí sự cố từ rơle khoảng cách có độ chính xác thống kê khoảng từ 1 đến 5%). Mặt khác, trên thực tế các đƣờng dây truyền tải thƣờng tƣơng đối dài và phân bố trên các địa hình địa lý khác nhau, vì vậy sự cố có thể xảy ra vì bất cứ lý do gì cũng phải mất từ vài phút đến vài giờ để khắc phục sự cố, dẫn đến việc tìm kiếm và xử lý sự cố còn gặp rất nhiều khó khăn. Bài toán xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây truyền tải đã và đang đƣợc quan tâm nghiên cứu một cách rộng rãi. Trong các mô hình thí nghiệm, đƣờng dây truyền tải đƣợc mô hình hóa dƣới dạng đƣờng dây dài với các thông số đặc trƣng cho quá trình truyền sóng. Tuy nhiên hiện nay các kết quả vẫn còn có nhiều hạn chế. Việc phát triển của các thiết bị đo mới cũng nhƣ các thuật toán xử lý tín hiệu mới ứng dụng trí tuệ nhân tạo có khả năng tiếp tục cải thiện đƣợc các kết quả phân tích. Việc xây dựng thành công một giải pháp phân tích và phát hiện vị trí điểm sự cố trên đƣờng dây truyền tải sẽ có ý nghĩa thực tế tốt, nếu đƣa vào vận hành sẽ có khả năng mang lại hiệu quả cao về mặt kinh tế - kỹ thuật, do - 1 - Mở đầu tăng cƣờng đƣợc độ chính xác nhằm hỗ trợ cho quá trình tìm kiếm và khắc phục sự cố đƣợc nhanh hơn, nâng cao hiệu quả trong vận hành và ổn định hệ thống điện. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích của luận án là nghiên cứu và phát triển một phƣơng pháp mới sử dụng mạng nơron nhân tạo MLP (MultiLayer Perceptron) độc lập hoặc phối hợp với thuật toán tổng trở (tính toán trên máy tính hoặc cài trong các rơle khoảng cách thực tế) để cho phép ƣớc lƣợng vị trí sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện đƣợc chính xác hơn. Đồng thời các mạng nơron MLP cũng đƣợc sử dụng để ƣớc lƣợng giá trị của điện trở sự cố và xác định dạng sự cố với độ chính xác cao. Phƣơng pháp đƣợc đề xuất trong luận án chỉ sử dụng các số liệu đầu vào là các tín hiệu dòng điện và điện áp tức thời đo đƣợc ở đầu đƣờng dây truyền tải có nguồn cung cấp từ một phía và đƣợc thực hiện tuần tự qua ba bƣớc sau: Trƣớc tiên, phƣơng pháp sẽ phân tích trực tuyến các tín hiệu dòng điện và điện áp đo ở đầu đƣờng dây để phát hiện các thời điểm xảy ra những thay đổi đột ngột trong tín hiệu (còn gọi là thời điểm xuất hiện sự cố) do các sự cố trên đƣờng dây sinh ra. Ở bƣớc thứ hai, với thời điểm xuất hiện sự cố đã đƣợc xác định, chƣơng trình tiến hành phân tích trong một cửa sổ nhỏ (40ms trƣớc và 20ms sau thời điểm xuất hiện sự cố tƣơng ứng ba chu kỳ) của các tín hiệu để tính toán các giá trị đặc trƣng (hay còn gọi là các đặc tính) bao gồm các đặc trƣng từ giá trị tức thời và các đặc trƣng từ phổ tần số. Trong bƣớc cuối cùng, bƣớc thứ ba, các giá trị đặc trƣng này đƣợc xử lý tiếp tục bằng một mô hình phi tuyến để đƣa ra đƣợc các ƣớc lƣợng chính xác về vị trí sự cố, điện trở sự cố và dạng sự cố. Để có thể phát hiện đƣợc thời điểm xuất hiện sự cố, luận án đề xuất sử dụng phép phân tích tín hiệu theo các hàm cơ sở wavelet (sóng nhỏ) do phép phân tích này cho phép phát hiện đƣợc các thay đổi đột ngột trong tín hiệu đang đƣợc lấy mẫu để xem xét. Để xây dựng đƣợc mô hình phi tuyến ƣớc lƣợng vị trí sự cố, điện trở sự cố và dạng sự cố luận án sử dụng mạng nơron MLP do khả năng có thể xấp xỉ hàm phi tuyến bất kỳ với độ chính xác cho trƣớc của mạng này. Đồng thời các thông số của mạng nơron MLP sẽ đƣợc điều chỉnh thích nghi trên cơ sở bộ số liệu mẫu đƣợc tạo ra nhờ vào việc sử dụng phần mềm ATP/EMTP (Alternative Transients Programme/ Electro-Magnetic Transients Program) để mô phỏng quá trình quá độ trên đƣờng 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 nhƣ: điện trở sự cố, vị trí sự cố, phụ tải và thời điểm xuất hiện sự cố. Mạng nơron MLP đƣợc đề xuất thử nghiệm theo hai dạng: dạng thứ nhất là hoạt động độc lập, xử lý trực tiếp các đặc tính đầu vào từ 6 tín hiệu dòng – áp ba pha để đƣa ra vị trí sự cố, dạng thứ hai là hoạt động phối hợp với một thuật toán tổng trở, đáp ứng đầu ra của nơron MLP và của thuật toán tổng trở sẽ đƣợc cộng với nhau để đƣa ra kết quả ƣớc lƣợng vị trí sự cố. Thuật toán tổng trở cũng sẽ đƣợc thử nghiệm ở hai dạng, dạng thứ nhất là thuật toán tính toán trên máy tính, dạng thứ hai là kết quả hoạt động của một rơle khoảng cách thực tế. Đối với thuật toán trên máy tính, trong luận án sử dụng trực tiếp các tín hiệu dòng điện - 2 - Mở đầu và điện áp đầu đƣờng dây đã đƣợc mô phỏng đƣợc từ phần mềm mô phỏng ATP/EMTP để tính toán. Đối với rơle khoảng cách thực tế, trong luận án đề xuất sử dụng rơle khoảng cách 7SA522 là loại đƣợc lắp đặt trên đƣờng dây đã sử dụng trong tính toán minh họa của đề tài. Các tín hiệu tính toán mô phỏng từ ATP/EMTP sẽ đƣợc đƣa vào thiết bị CMC-356 của Omicron để tái tạo lại các tín hiệu dòng điện/ điện áp để tiếp tục đƣa vào rơle thực tế đã lựa chọn nhằm xác định kết quả tác động của rơle. Các mô hình mạng nơron MLP sẽ đƣợc huấn luyện để xác định đƣợc vị trí sự cố với sai số nhỏ hơn so với những phƣơng pháp trƣớc đây, giúp cho quá trình tìm kiếm và khắc phục sự cố nhanh, nâng cao hiệu quả trong vận hành hệ thống điện và giảm thiệt hại về kinh tế. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu và đƣa ra phƣơng pháp mới xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện. Một số công cụ và phần mềm mô phỏng sử dụng trong luận án:  Các phần mềm sử dụng trong luận án: ATP/EMTP, Matlab 7.1, DIGSI 4.82, Test Universe V2.30 - Omicron, EView.  Các thiết bị sử dụng trong luận án: Rơle khoảng cách 7SA522, hợp bộ thí nghiệm CMC-356 của Omicron. Phạm vi nghiên cứu:  Ứng dụng phần mềm ATP/EMTP mô phỏng một số dạng sự cố ngắn mạch trên đƣờng dây truyền tải điện để tạo dữ liệu mẫu cho quá trình nghiên cứu.  Lập trình các thuật toán phân tích và xử lý tín hiệu bằng các công cụ mạnh nhƣ Wavelet, mạng nơron,... để xây dựng mô hình xác định vị trí sự cố, điện trở sự cố và dạng sự cố trên đƣờng dây truyền tải.  Nghiên cứu về lý thuyết và các mô hình tính toán xử lý tín hiệu ứng dụng mạng nơron nhân tạo trong bài toán xác định vị trí điểm sự cố trên đƣờng dây truyền tải.  Tìm hiểu và ứng dụng thiết bị mô phỏng CMC-356 của OMICRON để xác định tác động thực tế của rơle khoảng cách 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 phƣơng pháp mới sử dụng song song một rơle khoảng cách và một mạng nơron MLP để xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện áp dụng mô hình ngƣợc dựa trên các tín hiệu dòng điện và điện áp đo đƣợc ở đầu đƣờng dây với sai số nhỏ hơn so với các phƣơng pháp đang sử dụng hiện nay. Luận án cũng xây dựng đồng thời hai mạng nơron MLP khác để xác định dạng của sự cố và điện trở sự cố. - 3 - Mở đầu Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Bài toán xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện có ứng dụng thực tế rất rộng rãi. Phƣơng pháp mới của luận án sẽ góp phần bổ sung số lƣợng các giải pháp để tạo điều kiện cho việc lựa chọn ứng dụng thực tế đƣợc dễ dàng hơn. Phƣơng pháp chỉ yêu cầu sử dụng các tín hiệu dòng điện và điện áp đo lƣờng đƣợc ở đầu đƣờng dây truyền tải điện, nên các khâu đo lƣờng và thu thập số liệu cũng khá đơn giản, tính kinh tế cao. 5. Những đóng góp của luận án Luận án có đóng góp sau:  Xây dựng đƣợc mô hình sử dụng độc lập một mạng nơron MLP và mô hình sử dụng song song một thuật toán tổng trở (thuật toán tổng trở chạy trên máy tính hoặc thuật toán tổng trở của một rơle khoảng cách thực tế 7SA522) với một mạng nơron MLP để xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện (xét ví dụ tính toán cho đƣờng dây 110kV Yên Bái - Khánh Hòa). Trong đó mạng nơron nhân tạo MLP sử dụng đầu vào là các đặc tính thời gian và đặc tính tần số xác định từ các tín hiệu đo tức thời xung quanh thời điểm xảy ra những thay đổi (xuất hiện sự cố) trong các tín hiệu (thời điểm này đƣợc xác định nhờ sử dụng phép phân tích sóng nhỏ (wavelet)). Luận án cũng xây dựng đồng thời hai mạng nơron MLP khác để xác định dạng sự cố và điện trở sự cố.  Khảo sát và đề xuất ứng dụng wavelet Daubechies bậc 3 để phân tích thành phần d1 của tín hiệu lấy mẫu với tần số 100kHz để làm cơ sở phát hiện thời điểm xuất hiện sự cố trên đƣờng dây truyền tải.  Khảo sát các đặc tính dựa trên hệ số tƣơng quan giữa đầu vào và đầu ra để lựa chọn các đặc tính có hệ số tƣơng quan cao để dùng trong các mô hình. Các kết quả tính toán đã đƣa ra danh sách 84 giá trị đặc trƣng tính toán từ 6 đƣờng tín hiệu u-i để làm cơ sở tính toán các thông số sự cố nhƣ vị trí, dạng và điện trở sự cố.  Đề xuất ứng dụng hợp bộ mô phỏng CMC-356 của Omicron kết hợp với rơle thực tế (7SA522) để so sánh chất lƣợng tính toán của mô hình về vị trí sự cố với tác động của rơle trên đƣờng dây thực tế. Đồng thời các kết quả hoạt động của rơle khoảng cách thực tế sẽ đƣợc sử dụng để tạo mẫu học một mạng nơron MLP mới để bù sai số cho rơle khoảng cách thực tế.  Đã mô phỏng và tạo đƣợc bộ mẫu gồm 2136 trƣờng hợp sự cố cho 4 dạng sự cố cơ bản là ngắn mạch 1 pha, hai pha, hai pha chạm đất và ngắn mạch ba pha với các thông số sự cố thay đổi nhƣ: điện trở sự cố (từ 0 đến 5Ω), tải (từ 30% đến 100% định mức), thời điểm xuất hiện sự cố (thay đổi trong toàn bộ một chu kỳ), vị trí sự cố (23 vị trí cách đều 5 km trên đƣờng dây 118,5 km). - 4 - Mở đầu 6. Bố cục của luận án Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận án, tóm tắt về nội dung nghiên cứu, những đóng góp của luận án và bố cục của luận án. Chƣơng 1. Tổng quan về các phƣơng pháp nghiên cứu xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây tải điện Trong chƣơng này sẽ trình bày tóm tắt một số phƣơng pháp nghiên cứu tính toán xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện và áp dụng trong điều kiện thực tế hiện nay. Chƣơng 2. Các giải pháp đề xuất trong luận án Trên cơ sở phân tích ƣu nhƣợc điểm c ủa các nghiên cứu trƣớc đây, luận án đề xuất mô hình mới cho bài toán xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây truyền tải điện 3 pha. Chƣơng 3. Các công cụ tính toán mô phỏng sử dụng trong luận án  Giới thiệu phần mềm mô phỏng ATP/EMTP ứng dụng để mô phỏng các trƣờng hợp ngắn mạch trên đƣờng dây nhƣ: ngắn mạch một pha, 2 pha, 2 pha chạm đất và ngắn mạch 3 pha.  Giới thiệu hợp bộ thí nghiệm và phần mềm Test Universe điều khiển hợp bộ thí nghiệm CMC-356 của Omicron để kiểm nghiệm kết quả hoạt động của rơle khoảng cách thực tế (7SA522).  Giới thiệu mô hình mạng nơron MLP và Wavelet áp dụng trong luận án để tính toán các thông số sự cố. Chƣơng 4. Các kết quả mô phỏng và tính toán  Ứng dụng phần mềm mô phỏng ATP/EMTP để mô phỏng đƣờng dây 110 kV Yên Bái - Khánh Hòa với các thay đổi về vị trí sự cố, điện trở sự cố, thời điểm xuất hiện sự cố, công suất của phụ tải và dạng sự cố để tạo ra các bộ số liệu về dòng điện và điện áp ở đầu đƣờng dây với định dạng file là *.MAT.  Sử dụng phần mềm điều khiển Test Universe mô phỏng lại các bộ số liệu đƣợc tạo ra từ phần mềm mô phỏng ATP/EMTP đƣa vào thiết bị phần cứng Omicron CMC-356 và rơle khoảng cách 7SA522, kết quả thu đƣợc là cơ sở kiểm nghiệm lại kết quả các thuật toán đề xuất trong luận án.  Sử dụng Wavelet để tính toán thời điểm xảy ra những biến đổi đột ngột trong các tín hiệu dòng điện và điện áp đo lƣờng đƣợc ở đầu đƣờng dây để xác định thời điểm xuất hiện sự cố.  Sử dụng mạng nơron MLP tính toán ƣớc lƣợng vị trí sự cố, dạng sự cố và điện trở sự cố cho các trƣờng hợp: Mạng nơron MLP hoạt động độc lập; Mạng nơron MLP phối hợp song song với thuật toán tổng trở (thuật toán trên máy tính, thuật toán tích hợp trong rơle khoảng cách thực tế). Trên cơ sở các kết quả đã tính toán trong mô hình mạng nơron MLP và Wavelet về các thông số sự cố. So sánh với các kết quả giữa các mô hình đề xuất và kết quả đƣợc tạo - 5 - Mở đầu ra từ thiết bị phần cứng Omicron CMC-356 và rơle khoảng cách 7SA522 để kiểm nghiệm lại các thuật toán đã đề xuất. Tiếp theo là phần kết gồm các kết luận và kiến nghị của luận án với những vấn đề cần nghiên cứu tiếp. Cuối cùng của luận án là các tài liệu tham khảo, các công trình đã công bố liên quan đến luận án và phần phụ lục. - 6 -