Luận văn thạc sĩ Mạng và hệ thống điện: Nhận dạng các hiện tượng quá độ điện từ bằng wavelet và áp dụng cho hệ thống điện Việt Nam

Dựa trên kỹ thuật Wavelet, kỹ thuật biến đổi ݖ và công cụ trí tuệ nhân tạo, luận án đã đề xuất các giải thuật, mô hình toán học, phần mềm ứng dụng để giải quyết đảm bảo nhận dạng nhanh c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN NHÂN BỔN

NHẬN DẠNG CÁC HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ ĐIỆN BẰNG WAVELET VÀ ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

Chuyên ngành: Mạng và hệ thống điện Mã số chuyên ngành: 62 52 50 05

Phản biện độc lập 1: PGS TSKH Trần Hoài Linh Phản biện độc lập 2: TS Trần Tấn Vinh

Phản biện 1: GS TS Lê Kim Hùng Phản biện 2: PGS TSKH Trần Hoài Linh Phản biện 3: PGS TS Vũ Phan Tú

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1 PGS TS Nguyễn Hữu Phúc

2 PGS TS Quyền Huy Ánh

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu

Tác giả luận án

Nguyễn Nhân Bổn

iii

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Tên luận án: Nhận dạng các hiện tượng quá độ điện từ bằng Wavelet và áp

dụng cho Hệ thống điện Việt Nam Chuyên ngành: Mạng và Hệ thống điện

Mã số: 62.52.50.05 Họ và tên NCS: Nguyễn Nhân Bổn

Người hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Hữu Phúc PGS TS Quyền Huy Ánh Tên cơ sở đào tạo: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM

Tóm tắt nội dung luận án

Hiện tượng quá độ điện từ là sự thay đổi đột ngột các giá trị điện áp hoặc dòng điện của mạch điện hoặc mạng lưới điện Sự thay đổi này một phần do thao tác thiết bị đóng cắt hoặc do sự cố xảy ra Thời gian diễn ra quá độ rất ngắn, chiếm tỉ lệ nhỏ so với thời gian vận hành của mạng điện Tuy nhiên, các giai đoạn diễn ra quá độ là cực kỳ quan trọng đối với các phần tử mạng điện vận hành với điện áp và dòng điện cực lớn Điều này có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị, thiết bị không khởi động, ngừng hoạt động nhà máy, hoặc mất điện cả thành phố

Luận án nghiên cứu nhận dạng các hiện tượng quá độ điện từ và tính toán quá độ điện từ trong miền thời gian Dựa trên kỹ thuật Wavelet, kỹ thuật biến đổi ݖ và công cụ trí tuệ nhân tạo, luận án đã đề xuất các giải thuật, mô hình toán học, phần mềm ứng dụng để giải quyết đảm bảo nhận dạng nhanh chóng, tính toán chính xác hiện tượng quá độ điện từ phục vụ cho thiết kế và thử nghiệm hệ thống bảo vệ và hệ thống điều khiển trong hệ thống điện

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án tập trung giải quyết ba bài toán liên quan: (a) Nhận dạng các hiện tượng quá độ điện từ; (b) Áp dụng tích phân số trong tính toán mô phỏng hiện tượng quá độ; (c) Cải tiến mô hình đường dây thông số rải; (d) Triển khai kết quả nghiên cứu trên một phần lưới điện miền Nam Việt Nam

iv

Nội dung nghiên cứu

Các nội dung nghiên cứu bao gồm: 1 Nghiên cứu hiện tượng quá độ về điện áp và đề xuất áp dụng kỹ thuật

Wavelet và công cụ trí tuệ nhân tạo nhận dạng các tính chất của hiện tượng quá độ này;

2 Nghiên cứu các phương pháp tính toán quá độ và đề xuất áp dụng giải thuật tính toán dựa trên kỹ thuật Wavelet để phân tích các quá độ trong lưới điện điển hình;

3 Nghiên cứu mô hình đường dây thông số rải, đề xuất cải tiến mô hình đường dây, áp dụng tính toán đóng không tải đường dây;

4 Tính toán áp dụng lưới điện mẫu 3 nút, 9 nút và một phần lưới điện Việt Nam nhằm minh họa khả năng áp dụng của các phương pháp đề xuất

Các kết quả chính của luận án

Những kết quả đạt được bao gồm: 1 Sử dụng hàm Wavelet (Daubechies) thích hợp trong quá trình nhận dạng hiện

tượng quá độ điện từ; 2 So sánh và đánh giá các phương pháp phân loại nhiễu bằng mạng nơ-rôn, hệ lô-

gic mờ, mạng nơ-rôn lô-gic mờ cùng trên một tập mẫu về các hiện tượng quá độ;

3 Khảo sát, nhận dạng các trường hợp quá độ đóng cắt tụ bù (đóng trạm tụ bù cách ly, khuếch đại điện áp, đóng trạm tụ bù song song, phóng điện trước, phóng điện trở lại);

4 Đề xuất phương pháp nhận dạng hiện tượng quá độ điện từ có nhiễu tạp và chồng lấn trong miền thời gian;

5 Sử dụng kỹ thuật Wavelet trong tính toán hiện tượng quá độ điện từ hệ thống điện trong miền thời gian thông qua mô phỏng ngắn mạch trên lưới điện mẫu, đóng không tải đường dây cao thế Kết quả phân tích đã chứng tỏ khả năng áp dụng tốt của kỹ thuật Wavelet vào phân tích quá độ trong hệ thống điện;

6 Xây dựng mô hình mạng thụ động RLC thể hiện ma trận tổng dẫn trong mô hình đường dây thông số rải

v

Những đóng góp về mặt khoa học và thực tiễn của luận án

+ Đóng góp về mặt khoa học - Nhận dạng các trường hợp đóng cắt tụ bù khác nhau; - Đề xuất phương pháp nhận dạng hiện tượng quá độ điện từ có nhiễu tạp và chồng

lấn trong miền thời gian; - Tính toán hiện tượng quá độ trong miền thời gian (ngắn mạch) trong hệ thống điện

đơn giản (3 nút, 9 nút); - Cải tiến mô hình đường dây thông số rải + Đóng góp về mặt thực tiễn

- Áp dụng kỹ thuật biến đổi wavelet và mạng nơ rôn trong việc nhận dạng sự cố ngắn mạch các đường dây, các hiện tượng mất điện, sóng hài, đóng tải công suất lớn trạm 500kV Nhà Bè Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng kỹ thuật Wavelet trong việc nhận dạng các sự cố trên hệ thống điện Việt Nam

Hướng phát triển của đề tài

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu của luận án này, tác giả đề xuất một số nghiên cứu tiếp theo:

- Nghiên cứu thêm để gia tăng độ chính xác, cụ thể xem xét mức tương quan giữa các mức năng lượng, xác suất xuất hiện giá trị mức năng lượng so với mức định trước

- Tiếp tục nghiên cứu tính toán quá độ bằng phương pháp Wavelet trong các bài toán phức tạp hơn

vi

ABSTRACT

Title: Recognition electromagnetic transient phenomena by Wavelet

technique and applying for Vietnam power systems Major: Electrical network and power system

Code: 62.52.50.05 PhD Student: Nguyen Nhan Bon

Advisors: Asso Prof Dr Nguyen Huu Phuc Asso Prof Dr Quyen Huy Anh University: HoChiMinh University of Technology

Vietnam National University – HoChiMinh City

An electrical transient is the outward manifestation of a sudden change in circuit condition, as when a swith opens or closes or a fault occurs on a system The transient period is usually very short The fraction of their operating time that most circuit spend in the transient condition is insignificant compared with the time spent in the steady state Yet these transient periods are extremely important, for it is at such time that the circuit components are subjected to the greatest stresses from excessive currents or voltge In extreme cases damage results, This may disable a machine, shut down a plant, or black out the city

This thesis studies electromagnetic transient phenomena recognition and electromagnetic transient alalysis in time domain Based on wavelet technique, z-transform and intelligent artificial, the thesis proposes some algorithms, softwares in order to reduce damage of transients due to excessive currents or voltge These are needed for the design and testing of the wide-area protection and control systems of the power grid

Research objectives

The objectives of this research are to develop a system of algorithms for power system transient identification and time domain simulation of power systems and to formulate a softwave applying for short circuit fault recognition and switching a power transmission line with no load case

vii

Contents

1 Study voltage transient phenomena and apply wavelet-based artificial intelligent techniques for recognizing and classifying these transient characteristics

2 Propose a wavelet-based algorithm for time domain simulation in simple power system cases

3 Model a distributed-parameter transmission lines for electromagnetic transient analysis - representation of characteristic impedance matrix by a passive network

4 Apply short-circuit fault recognition and switching a power transmission line with no load case in southern power system of Vietnam

3 Study various detailed capacitor switching transients (isolated capacitor switching, magnification capacitor switching, parallel capacitor switching, restrike capacitor switching, prestrike capacitor switching)

4 Fast detection and localization of disturbances that may overlap in time and frequency in a noisy environment

5 Using wavelet-based algorithm for time domain simulation by short circuit study in sample power system case These results prove capability of wavelet-based algorithm for transient analysis due to comparision existing methods (runge-kutta method, trapezoidal method) in stability and accuracy

6 The passivity requirement in representing the phase-domain characteristic impedance matrix for time-domain EM transient simulation is fulfilled in the most straightforward manner through the use of passive RLC circuits interconnected, and having their parameters directly identified to match the

viii nonlinear frequency dependence of the matrix function The interconnected RLC circuits which are synthesized are an inherently stable network

Scientific and practical contribution of the thesis

Scientific contribution

The thesis has used the mathematical tools such as wavelet technique, transform, artificial intelligent to build algorithms solve recognizing and assessment power system transient

z-Practical contribution

Results of the thesis is a basis of study electromagnetic transient in Vietnam and a good application software for businesses of engineering

Suggest for the continued studies

- Increase accuracy of a recognition method by interrelation of wavelet energy level of disturbance and probability of these energy level compared default energy level

- Continue to study electromagnetic transient difficult problems by wavelet technique

xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - BẢNG BIỂU

Hình 1.1 : Phân loại các hiện tượng quá độ theo khoảng tần số _ 02 Hình 1.2 : Tóm tắt các giải thuật đề xuất về phát hiện và phân loại sự cố 11 Hình 2.1a : Sơ đồ mạch điện khảo sát đóng tụ bù 19 Hình 2.1b : Dạng sóng điện áp trên tụ _ 20 Hình 2.1c : Dạng sóng dòng điện trên tụ _ 20 Hình 2.2a : Sơ đồ mạch điện khảo sát khuếch đại điện áp _ 21 Hình 2.2b : Dạng sóng điện áp trên tụ _ 21 Hình 2.2c : Dạng sóng dòng điện trên tụ 22 Hình 2.2d : Dạng sóng dòng điện trên thanh cái _ 22 Hình 2.3a : Mạch điện khảo sát hiện tượng phóng điện ngược _ 23 Hình 2.3b : Mạch điện phóng điện ngược đơn giản hóa 23 Hình 2.3c : Dạng sóng điện áp trên tụ _ 24 Hình 2.3d : Dạng sóng dòng điện trên trạm tụ _ 24 Hình 2.3e : Dạng sóng dòng điện trên thanh cái _ 25 Hình 2.4a : Dạng sóng điện áp hiện tượng phóng điện trước _ 25 Hình 2.4b : Dạng sóng dòng điện hiện tượng phóng điện trước _ 26 Hình 2.5a : Dạng sóng điện áp hiện tượng phóng trở lại 26 Hình 2.5b : Dạng sóng dòng điện hiện tượng phóng trở lại 27 Hình 2.6 : Dạng sóng điện áp hiện tượng sụt áp 27 Hình 2.7 : Dạng sóng điện áp hiện tượng tăng áp 28 Hình 2.8 : Dạng sóng điện áp hiện tượng mất điện _ 29 Hình 2.9 : Dạng sóng điện áp hiện tượng chập chờn 30 Hình 2.10 : Dạng sóng điện áp hiện tượng họa tần _ 30

xii Hình 2.11a : Thể hiện ma trận tổng trở đặc tính ở dạng mạch điện _ 34 Hình 2.11b : Sơ đồ khối của mạch RLC thể hiện ma trận tổng trở đặc tính _ 36 Hình 2.11c : Sơ đồ mạch RLC biểu diễn các phần ma trận _ 36 Hình 2.11d : Sơ đồ hệ thống điện cho nghiên cứu quá độ đóng cắt _ 40

Hình 2.11e : So sánh phần thực tổng dẫn giữa 2 pha a and b _ 40 Hình 2.11f : So sánh phần ảo tổng dẫn giữa 2 pha a and b _ 41

Hình 2.11g : Điện thế pha “a ” trong quá trình đóng đóng thời 3 pha _ 41 Hình 2.11h : Điện thế pha “a” khi đóng 1 pha “a” vào lưới điện _ 41 Hình 3.1 : Ứng dụng của kỹ thuật Wavelet trong hệ thống điện _ 45 Hình 3.2a : Phân tích Wavelet như hai bộ lọc tần số cao và thấp _ 48 Hình 3.2b : Kỹ thuật Wavelet phân tích tín hiệu bậc 1 49 Hình 3.3 : Kỹ thuật Wavelet phân tích tín hiệu bậc 2 50 Hình 3.4a,b : Dạng sóng sin, sự phân bố năng lượng của sin chuẩn 51Hình 3.5a,b,c : Kết quả phân tích đóng trạm tụ bù cách ly 52 Hình 3.6a,b,c : Kết quả phân tích đóng trạm tụ bù song song 53 Hình 3.7a,b,c : Kết quả phân tích phóng điện trước trong trạm tụ bù 54 Hình 3.8a,b,c : Kết quả phân tích phóng điện trở lại trong trạm tụ bù 55 Hình 3.9a,b,c : Kết quả phân tích sự tăng áp khi đóng tụ bù _ 55 Hình 3.10a,b,c : Kết quả phân tích sự méo dạng sóng do họa tần 56 Hình 3.11a,b,c: Kết quả phân tích sự méo dạng sóng do sụt điện áp 56 Hình 3.12a,b,c : Kết quả phân tích sự méo dạng sóng do tăng điện áp 57 Hình 3.13a,b,c: Kết quả phân tích do mất điện biên độ khác không 58 Hình 3.14 a,b,c: Kết quả phân tích do mất điện biên độ bằng không _ 58 Hình 3.15 a,b,c: Kết quả phân tích chập chờn điện áp _ 59

xiii Hình 3.16 : Phân bố năng lượng của 6 hiện tượng quá độ và sin chuẩn 62 Hình 3.17 : Phân bố năng lượng của 5 hiện tượng đóng cắt trạm tụ _ 63 Hình 3.18 : Tổng hợp các phương pháp tính toán quá độ 65 Hình 3.19 : Hàm tỉ lệ ߮ሺݐሻ 69 Hình 3.20 : Hàm tỉ lệ trên biên ߮௕ሺݐሻ _ 69 Hình 3.21 : Hàm wavelet ߰ሺݐሻ 70 Hình 3.22 : Hàm wavelet trên biên ߰௕ሺݐሻ _ 71 Hình 3.23 : Hàm spline biên ߟଵሺݐሻ _ 72 Hình 3.24 : Hàm spline biên ߟଶሺݐሻ _ 73 Hình 3.25 : Hàm spline biên ߰௕଴ _ 73 Hình 3.26 : Lưu đồ giải mạng điện trong miền Wavelet 76 Hình 3.27 : Lưu đồ TT Wavelet cho hệ thống phương trình vi phân 77 Hình 3.28a : Sơ đồ mạch điện RLC tuyến tính _ 80 Hình 3.28b : Mạch điện RLC mô phỏng EMTP 78 Hình 3.28c : So sánh điện áp tụ điện bằng các phương pháp khác _ 79 Hình 3.28d : So sánh dòng điện cuộn dây bằng các phương pháp khác 80 Hình 3.29a : Sơ đồ mạch điện RLC nguồn AC _ 80 Hình 3.29b : Mạch điện RLC mô phỏng EMTP _ 81 Hình 3.29c : So sánh điện áp tụ điện bằng các phương pháp khác (0.5s đầu) _ 82 Hình 3.29d : So sánh điện áp tụ điện bằng các phương pháp khác (0.5s cuối) _ 82 Hình 3.29e : So sánh dòng điện cuộn dây bằng các phương pháp khác (4s) 83 Hình 4.1 : Mô hình mạng nơ rôn xác suất phân loại nhiễu 86 Hình 4.2 : Tập luật của hệ thống lô-gic mờ _ 88Hình 4.3 : Biến FIS ngõ ra (hàm thành viên gaussmf ) 88

xiv Hình 4.4a : 22 luật mạng nơ-rôn lô-gic mờ trước khi huấn luyện mạng 90 Hình 4.4b : Ngõ ra của mạng neuro-fuzzy sau khi huấn luyện mạng _ 91 Hình 4.5 : Đề xuất p.pháp nhận dạng và đánh giá quá trình quá độ điện từ _ 93 Hình 5.1 : Sơ đồ hệ thống điện miền Nam 2015 bằng EMTP _ 95

Hình 5.2a : Sơ đồ hệ thống điện 550-220kV mô phỏng _ 96 Hình 5.2b : Thông số thời gian mô phỏng _ 96 Hình 5.2c : Thông số điện trở ngắn mạch _ 96 Hình 5.2d : Dạng sóng điện áp khi sự cố 3 pha _ 97 Hình 5.2e : Phân tích Wavelet mức năng lượng điện áp 3 pha _ 97 Hình 5.2f : Phân tích Wavelet mức năng lượng dòng điện 3 pha _ 97 Hình 5.3a : Sơ đồ hệ thống điện 550-220kV mô phỏng _ 97 Hình 5.3b : Thông số thời gian mô phỏng _ 98 Hình 5.3c : Thông số điện trở ngắn mạch _ 98 Hình 5.3d : Dạng sóng điện áp khi sự cố 3 pha 98 Hình 5.3e : Phân tích Wavelet mức năng lượng điện áp 3 pha 99 Hình 5.3f : Phân tích Wavelet mức năng lượng dòng điện 3 pha _ 99 Hình 5.4a : Sơ đồ hệ thống điện 550-220kV mô phỏng _ 100 Hình 5.4b : Thông số thời gian mô phỏng _ 100 Hình 5.4c : Thông số điện trở ngắn mạch _ 100 Hình 5.4d : Dạng sóng điện áp khi sự cố 3 pha _ 101 Hình 5.4e : Phân tích Wavelet mức năng lượng điện áp 3 pha _ 101 Hình 5.4f : Phân tích Wavelet mức năng lượng dòng điện 3 pha _ 102 Hình 5.5a : Sơ đồ hệ thống điện 550-220kV mô phỏng _103

Hình 5.5b : Thông số thời gian mô phỏng _103

xv Hình 5.5c : Thông số điện trở ngắn mạch _ 103 Hình 5.5d : Dạng sóng điện áp khi sự cố 3 pha _ 104 Hình 5.5e : Phân tích Wavelet mức năng lượng điện áp 3 pha _ 104 Hình 5.5f : Phân tích Wavelet mức năng lượng dòng điện 3 pha _ 105 Hình 5.6a : Sơ đồ hệ thống điện 550-220kV mô phỏng _ 106 Hình 5.6b : Thông số thời gian mô phỏng _ 106 Hình 5.6c : Thông số điện trở ngắn mạch _ 106 Hình 5.6d : Dạng sóng điện áp khi sự cố 3 pha _ 107 Hình 5.6e : Dạng sóng điện áp khi sự cố 3 pha _ 107 Hình 5.7a : Sơ đồ hệ thống điện 550-220kV mô phỏng _ 108 Hình 5.7b : Thông số thời gian mô phỏng _ 108 Hình 5.7c : Dạng sóng điện áp khi sự cố 3 pha _ 108 Hình 5.7d : Phân tích Wavelet mức năng lượng điện áp 3 pha _ 109 Hình 5.8a : Sơ đồ hệ thống điện 550-220kV mô phỏng _ 110 Hình 5.8b : Thông số sóng hài mô phỏng _ 110 Hình 5.8c : Dạng sóng điện áp khi sự cố 3 pha _ 110 Hình 5.8d : Phân tích Wavelet mức năng lượng điện áp 3 pha _ 111 Hình 5.9 : Mô hình mạng nơ rôn phân loại sự cố _ 112 Hình 5.10a : Giải thuật Wavelet tính toán quá độ trong hệ thống điện 117 Hình 5.10b : Lưu đồ tính toán hệ thống điện trong miền thời gian _ 118 Hình 5.11a : Sơ đồ hệ thống điện 3 nút _ 119 Hình 5.11b : Điện áp tại 3 nút (p.u) theo phương pháp Wavelet _ 119

Hình 5.12a : Hệ thống điện 9 nút 120 Hình 5.12b : So sánh điện áp tại nút số 7 theo 2 phương pháp _ 121

xvi Hình 5.12c : Điện áp tại 9 nút (p.u) theo phương pháp Wavelet _ 122

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 : Tóm tắt đặc điểm các hiện tượng quá độ điện từ 18 Bảng 3.1 : Bảng phân bố năng lượng 6 quá trình quá độ và sin chuẩn _ 60 Bảng 3.2 : Bảng phân bố năng lượng 5 hiện tượng đóng cắt trạm tụ 60 Bảng 3.3 : So sánh điện áp các phương pháp với lời giải (nguồn DC) _ 79 Bảng 3.4 : So sánh điện áp các phương pháp với lời giải (nguồn AC) _ 81 Bảng 4.1 : So sánh tỉ lệ chính xác ba hệ thống phân loại _ 92 Bảng 5.1 : Kết quả phân loại nhiễu bằng mạng nơ-rôn 114 Bảng 5.2 : Sai số điện áp lớn nhất 3 phương pháp với ATP-EMTP, 3 nút 121 Bảng 5.3 : Sai số điện áp lớn nhất 3 phương pháp với ATP-EMTP, 9 nút 122

1

MỞ ĐẦU

TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN

Hiện tượng quá độ điện từ là sự thay đổi đột ngột các giá trị điện áp hoặc dòng điện của mạch điện hoặc mạng lưới điện Sự thay đổi này một phần do thao tác thiết bị đóng cắt hoặc do sự cố xảy ra Thời gian diễn ra quá độ rất ngắn, chiếm tỉ lệ nhỏ so với thời gian vận hành của mạng điện Tuy nhiên, các giai đoạn diễn ra quá độ là cực kỳ quan trọng đối với các phần tử mạng điện vận hành với điện áp và dòng điện cực lớn Điều này có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị, thiết bị không khởi động, ngừng hoạt động nhà máy, hoặc mất điện cả thành phố Do đó, việc nghiên cứu các tính chất của hiện tượng quá độ là cần thiết để hiểu đầy đủ về tính chất của các mạch điện cũng như lưới điện [1]

Hiện tượng quá độ điện từ liên quan sự phân bố năng lượng điện cơ và năng lượng điện trường trong các thiết bị điện Trong điều kiện vận hành bình thường, với cấu hình mạch điện hoặc lưới điện không đổi và phụ tải là hằng số, sự trao đổi các dạng năng lượng này không được mô hình hóa đầy đủ trong miền thời gian Vì vậy, các hiện tượng quá độ cần được phân tích trong miền tần số thông qua đại lượng điện thế và dòng điện

Hình 1.1 trình bày khung thời gian tiêu biểu đối với các loại quá độ hệ thống điện Các quá độ khoảng tần số 1 liên quan sự tương tác một cách chủ yếu giữa từ trường của các cuộn dây và điện trường của các tụ điện trong hệ thống; Các loại quá

độ này có liên quan sự tương tác này gọi là các quá độ điện từ Các quá độ khoảng tần

số 2 bị ảnh hưởng một cách chủ yếu bởi sự tương tác năng lượng cơ tích trữ trong máy điện quay và năng lượng điện được tích trữ trong lưới điện Các loại quá độ này có

liên quan sự tương tác gọi là các quá độ điện cơ [2]

Trong các năm gần đây, nhu cầu ngày càng tăng về giám sát hệ thống điện và ghi nhận hiện tượng quá độ (bao gồm các dạng sự cố) kết hợp phân tích, phân loại và báo cáo Tuy nhiên, hiện nay các bộ ghi nhận sự cố thiếu khả năng phân loại để phân biệt các thông tin cần thiết từ các dữ kiện thông thường Các nghiên cứu [4-62] đề cập đến bài toán nhận dạng các dạng quá độ điện từ bằng kỹ thuật Fourier, kỹ thuật

2 Fourier với kích thước cửa sổ thay đổi và kỹ thuật Wavelet Kỹ thuật Wavelet, trong thời gian gần đây, được xem như công cụ hữu hiệu ứng dụng trong ngành viễn thông, xử lý ảnh và đã có một số ứng dụng kỹ thuật Wavelet trong hệ thống điện [13-21] Tuy nhiên, việc áp dụng vào các bài toán cụ thể trong hệ thống điện Việt Nam tương đối ít

Hình 1.1:

Phân loại các hiện tượng quá độ theo khoảng tần số [2]

Các nghiên cứu về bài toán nhận dạng trên chưa đề cập việc sử dụng kỹ thuật nào là phù hợp trong từng trường hợp và đánh giá phù hợp về việc phân loại hiện tượng quá độ bằng công nghệ trí tuệ nhân tạo

Bên cạnh nhận dạng hiện tượng quá độ điện từ như ngắn mạch, thao tác vận hành hệ thống điện, nhiễu điện áp…,việc phân tích, tính toán hiện tượng quá độ điện







3 từ là hết sức cần thiết để xác định trước các giá trị điện áp và dòng điện nguy hiểm cho các thiết bị, con người Trong đó, hai bài toán quan trọng là phương pháp tính toán hệ thống điện trong miền thời gian [65-72,84-103] và mô hình hóa đường dây truyền tải [73-83] Hai giới hạn chính của phương pháp tính toán hệ thống điện trong miền thời gian hiện nay [69-70] là: độ chính xác khi tính toán và dao động về tính toán số (là sự dao động của giá trị tính toán của điện áp, dòng điện xung quanh giá trị ổn định cuối cùng, điều này thường gặp phải trong quá trình tính toán số sử dụng phương pháp lặp) khi mô phỏng trong mạch điện tử công suất, thao tác đóng cắt mạch do thông số các phần tử tích trữ năng lượng trong mạch và bước thời gian tính toán mô phỏng

Đối với bài toán mô hình hóa đường dây để nâng cao độ chính xác kết quả mô phỏng trong quá trình quá độ tồn tại vấn đề ổn định của ma trận tổng dẫn mạch truyền tải thông số rải

Như vậy, việc nghiên cứu các bài toán trên là rất cần thiết, các lợi ích mang lại đơn cử như sau:

- Nhận dạng với độ chính xác cao các hiện tượng quá độ điện từ trong thời gian sớm nhất, ngăn ngừa các sự cố xảy ra cho lưới điện và nâng cao độ tin cậy của lưới điện;

- Tính toán và mô phỏng các trường hợp sự cố nguy hiểm xảy ra trên lưới điện như tính toán đóng không tải đường dây cao thế, mô phỏng ngắn mạch

Vì vậy, luận án tập trung giải quyết ba bài toán liên quan: (a) Nhận dạng các hiện tượng quá độ điện từ; (b) Áp dụng tích phân số trong tính toán mô phỏng hiện tượng quá độ; (c) Cải tiến mô hình đường dây thông số rải

MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN ÁN

Ba bài toán nêu trên thể hiện các mục tiêu: - Áp dụng kỹ thuật biến đổi Wavelet trong bài toán nhận dạng hiện tượng quá độ điện từ;

- Ứng dụng kỹ thuật biến đổi Wavelet, xây dựng giải thuật tính toán hiện tượng quá độ điện từ để giảm sai số trong tính toán nhằm nâng cao độ chính xác khi tính toán quá độ lưới điện;

4 - Nghiên cứu cải tiến mô hình đường dây truyền tải thông số rải, phần tử quan trọng khi tính toán hiện tượng quá độ điện từ, nhằm tăng độ chính xác và ổn định hơn so với các mô hình trước đây;

- Triển khai ba mục tiêu nghiên cứu trên một phần lưới điện miền Nam Việt Nam

Để đạt được các mục tiêu trên, các nhiệm vụ sau được đề xuất: - Nghiên cứu hiện tượng quá độ về điện áp và đề xuất áp dụng kỹ thuật Wavelet và công cụ trí tuệ nhân tạo nhận dạng các tính chất của hiện tượng quá độ này;

- Nghiên cứu các phương pháp tính toán quá độ trong miền thời gian và đề xuất giải thuật Wavelet để tính toán trong lưới điện điển hình; Tính toán ngắn mạch lưới điện mẫu 3 nút, 9 nút

- Nghiên cứu mô hình đường dây thông số rải, đề xuất cải tiến mô hình đường dây, áp dụng tính toán đóng không tải đường dây;

- Ứng dụng nhận dạng các hiện tượng quá độ một phần lưới điện miền Nam Việt Nam, nhằm minh họa khả năng áp dụng của các phương pháp đề xuất

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Bài toán 1: Nhận dạng hiện tượng quá độ ảnh hưởng đến chất lượng điện năng (hiện tượng tăng áp, giảm áp, chập chờn, sóng hài, gián đoạn điện, 5 hiện tượng đóng tụ bù) Ứng dụng nhận dạng một phần lưới điện Miền Nam

- Bài toán 2: Tính toán mô phỏng điện áp ngắn mạch trong hệ thống điện mẫu 3 nút, 9 nút

- Bài toán 3: Mô hình đường dây truyền tải thông số rải, đóng không tải đường dây 220kV với nguồn dung lượng lớn vô hạn

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Bài toán 1: Sử dụng kỹ thuật biến đổi Wavelet đa giải trong phân tích các đặc điểm hiện tượng quá độ về điện áp, kết hợp với công nghệ trí tuệ nhân tạo như mạng nơ-rôn, hệ lô-gic mờ, mạng nơ-rôn mờ để nhận dạng, phân loại các hiện tượng quá độ - Bài toán 2: Sử dụng kỹ thuật biến đổi Wavelet tính toán mô phỏng lưới điện 3 nút, 9 nút trong miền thời gian khi ngắn mạch

5 - Bài toán 3: Sử dụng kỹ thuật biến đổi và mạng RLC tương đương để tính toán mô hình đường dây thông số rải

CÁC ƯU ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- So sánh và đánh giá các phương pháp phân loại nhiễu bằng mạng nơ-rôn xác xuất, hệ lô-gíc mờ, mạng nơ rôn mờ cùng trên một tập mẫu về các hiện tượng quá độ

- Khảo sát, nhận dạng các trường hợp quá độ đóng cắt tụ bù (đóng trạm tụ bù cách ly, khuếch đại điện áp, đóng trạm tụ bù song song, phóng điện trước, phóng điện trở lại)

- Đề xuất phương pháp nhận dạng hiện tượng quá độ điện từ - Sử dụng kỹ thuật Wavelet trong tính toán ngắn mạch trên lưới điện mẫu Kết quả phân tích đã chứng tỏ khả năng áp dụng tốt của kỹ thuật Wavelet vào phân tích quá độ trong hệ thống điện

- Xây dựng mô hình mạng thụ động RLC thể hiện ma trận tổng dẫn trong mô hình đường dây thông số rải

Chương 3: Ứng dụng Wavelet trong: a Phân tích phổ tín hiệu để phát hiện điểm

biến thiên mạnh, b Giải hệ phương trình vi-tích phân và giải trong hệ thống điện

Chương 4: Mạng nơ–rôn, lô-gic mờ và ứng dụng trong nhận dạng hiện tượng

quá độ điện từ

Chương 5: Các kết quả tính toán và mô phỏng

6

1 TỔNG QUAN NHẬN DẠNG HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ VÀ TÍNH TOÁN QUÁ ĐỘ

1.1 NHẬN DẠNG HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ

Việc nhận dạng sự cố trong hệ thống điện là một công việc khó khăn và phức tạp Hiện nay, với sự phát triển của thiết bị bảo vệ rơ le điện tử, kỹ thuật số, các sự cố trong hệ thống điện được nhận dạng và điều khiển tương đối đầy đủ và chính xác Tuy nhiên, với yêu cầu ngày càng cao, thiết bị rơ le khó phát hiện được các dao động điện, các thành phần họa tần bậc cao Từ đó, đòi hỏi phải có một thiết bị mới, một công nghệ mới, nhận dạng được mọi sự cố một cách nhanh chóng, chính xác Một phương pháp được nghiên cứu nhiều trong thời gian gần đây là nhận dạng sự cố hệ thống điện bằng kỹ thuật Wavelet để phân tích các sóng tín hiệu đo lường dòng điện và điện áp Phân tích Wavelet biến đổi sóng tín hiệu sang cả hai miền thời gian và tần số, do đó mọi sự thay đổi về biên độ, tần số của tín hiệu phân tích đều có thể nhận biết được

Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của khoa học về mạng rôn và biến đổi Wavelet cho phép ứng dụng phương pháp phân tích Wavelet các tín hiệu đo lường của hệ thống điện, sau đó đưa các kết quả phân tích đến mạng nơ-rôn Mạng nơ-rôn sẽ xử lý và đưa ra tín hiệu sự cố, loại sự cố, tín hiệu điều khiển tác động cắt máy cắt, cô lập điểm sự cố ra khỏi hệ thống

Gần đây, bài toán phân loại và bài toán xác định sự cố trên lưới điện truyền tải và lưới phân phối đang được nghiên cứu bằng kỹ thuật xử lý tín hiệu và kỹ thuật nhận dạng Giải thuật nhúng xử lý tín hiệu là phần quan trọng trong hệ thống nhận dạng hiện tượng quá độ Trước đây, việc nhận dạng sự cố hệ thống điện dựa trên các đo lường các giá trị hiệu dụng và phân tích tần số với các ràng buộc để nâng cao độ chính xác [4-5] Gần đây, các phương pháp phát hiện và phân loại tự động các hiện tượng quá độ điện từ được đề xuất dựa trên kỹ thuật phân tích Wavelet, mạng nơ-rôn, lô-gíc mờ [6-62]

Tổng quan về các phương pháp nhận dạng hiện tượng quá độ điện từ như sau:

1.1.1 Các phương pháp dựa trên mạng nơ-rôn

Mạng nơ-rôn(ANN) là kỹ thuật hữu hiệu cho mô hình nhận dạng, phân loại Nhiều giải thuật sử dụng mạng ANN cho phát hiện và phân loại sự cố trong các năm

7 gần đây [8] Mạng nơ-rôn được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng hệ thống điện vì các giải thuật được sử dụng để huấn luyện dữ liệu ngoại tuyến Các kỹ thuật sử dụng trong mạng nơ-rôn chứng tỏ là công cụ tốt để phát hiện và phân loại sự cố mà không cần dùng bất cứ thông tin ngõ vào, ví dụ tổng trở lưới điện Mạng nơ-rôn học từ các mẫu trong quá trình huấn luyện mạng Tính chất của mạng nơ-rôn có khả năng nhận dạng nhanh chóng, không ảnh hưởng nhiễu, sai số thấp,….Vì vậy, các quyết định thực hiện bởi hệ thống bảo vệ tạo dựa trên mạng nơ-rôn không bị ảnh hưởng bởi các thông số thay đổi của hệ thống điện

Tác giả Ghosh và Lubkeman [9] đề xuất phân loại sự cố trong hệ thống điện bằng mạng nơ-rôn nhân tạo có sử dụng dữ liệu đầu vào là các tín hiệu sự cố Nghiên cứu này đã đề xuất hai mạng nơ rôn khác nhau, mạng nơ-rôn nuôi tiến và mạng nơ-rôn trễ thời gian Công trình này có khả năng mã hóa mối quan hệ tạm thời trong dữ liệu ngõ vào dựa vào thư viện dạng sóng sự cố Sanaye-Pasand và Khorashadi-Zadeh [10] cũng đề xuất phương pháp nhận dạng và phân loại sự cố sử dụng mạng nơ-rôn nhân tạo; trong phương pháp này, tín hiệu ngõ vào được mô hình hóa và mạng nơ-rôn được sử dụng để nhận dạng các mẫu này

Jain và các cộng sự [11] đề xuất phương pháp mới để phát hiện và phân loại sự cố trên hai đường dây truyền tải song song Hỗ cảm đường dây được đưa vào quá trình thiết kế mạng nơ-rôn theo các bước sau:

- Chuẩn bị các dữ liệu huấn luyện phù hợp trong các trường hợp sự cố để mạng nơ-rôn cần thiết học;

- Chọn lựa cấu trúc mạng nơ-rôn phù hợp đối áp dụng cụ thể; - Huấn luyện mạng nơ-rôn;

- Đánh giá mạng nơ-rôn đã huấn luyện bằng các mẫu thử để kiểm tra độ chính xác khi nhận dạng sự cố

Tương tự, Jain và cộng sự [12] sử dụng sơ đồ đề xuất [11] là mạng nơ-rôn nuôi tiến và giải thuật Marquardt Levenberg Giải thuật sử dụng các thành phần cơ bản của dòng điện, điện áp và các thiết bị đo lường ở hai đầu đường dây

8

1.1.2 Các phương pháp dựa trên kỹ thuật Wavelet

Ramaswamy và Kashyap [13,14] đề xuất phương pháp khác để phân loại sự cố trong hệ thống điện sử dụng kỹ thuật Wavelet để phân tích quá độ hệ thống điện Mạng nơ-rôn xác suất phát hiện sự cố sau khi kỹ thuật Wavelet phân tích tín hiệu thành các hệ số chi tiết Mạng nơ-rôn này được sử dụng để phân biệt các hệ số chi tiết cho mỗi sự cố, sau đó phân loại sự cố

Gayathri và Kumarappan [15] đề xuất phương pháp thích hợp phát hiện và phân loại sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng kỹ thuật Wavelet kết hợp với mạng nơ-rôn Phương pháp này không phụ thuộc vào biên độ điện áp quá độ nhưng phụ thuộc tần số được xác định khi xảy ra hiện tượng quá độ

Upendar [16] đề xuất kết hợp kỹ thuật Wavelet rời rạc để phân tích các đặc điểm của sự cố và mạng nơ-rôn (ART2) để phân loại các sự cố

Swarup [17] đề xuất giải thuật mới để bảo vệ hai đường dây truyền tải song song, giải thuật này sử dụng kỹ thuật Wavelet và hệ nơ-rôn mờ Giải thuật chia làm hai giai đoạn: phân tích trong miền thời gian tần số được thực hiện bằng kỹ thuật Wavelet và hệ nơ-rôn mờ để nhận dạng loại sự cố

Zheng-you [18,19] sử dụng tín hiệu dòng điện sự cố để phân tích thành các tín tín hiệu xấp xỉ và chi tiết Sau đó, sử dụng kỹ thuật Wavelet gói để xác định sự cố

Malathi [20] đề xuất một sơ đồ nhận dạng sử dụng kỹ thuật Wavelet và mạng nơ-rôn máy phân lớp sử dụng vector hỗ trợ (SVM) Mạng nơ-rôn này phân tích ngõ vào phi tuyến tương ứng đặc tính không gian đa chiều; sau đó sử dụng tính chất nhiều lớp của mạng SVM để phân loại các sự cố khác nhau

Upendar [21] đề xuất phương pháp mới sử dụng kết hợp kỹ thuật Wavelet và thuật toán di truyền (GA) Kỹ thuật Wavelet phân tích tín hiệu dòng điện và tiến trình tối ưu hóa sử dụng GA để phân loại sự cố

1.1.3 Các phương pháp dựa trên hệ lô-gíc mờ

Biswarup và Reddy [22] đưa ra giải thuật phát hiện và phân loại sự cố dựa trên kỹ thuật Fourier rời rạc và kỹ thuật suy luận mờ; sử dụng một chu kỳ và thành phần đối xứng trong tần số cơ bản Sự khác nhau về góc pha của các thành phần thứ tự của

9 dòng điện sự cố trong mỗi pha và biên độ của các thành phần này được đưa vào hệ suy luận mờ

K Razi và cộng sự [23] đề xuất hệ suy luận mờ cải tiến dựa trên sơ đồ phân loại sự cố sử dụng các hàm thành viên để giải quyết vấn đề chồng lấn các sự cố

Dash và cộng sự [24] sử dụng kỹ thuật Fourier kết hợp với ước lượng biên độ điện áp lớn nhất và độ chênh lệch điện áp so với giá trị định mức Các thông số này được đưa vào hệ chuyên gia mờ Phương pháp này nhận dạng nhiều sự cố như hiện tượng sụt áp, hiện tượng tăng áp; nhưng phương pháp này không sử dụng cho nhận dạng các sự cố ngắn mạch

Vasilic [25] đưa ra phương pháp mới để phân loại sự cố dựa trên hệ mờ ART và mạng nơ-rôn, giải thuật đề xuất sử dụng lý thuyết mạng nơ-rôn tự sắp xếp cạnh tranh và giải thuật này đưa ra vài cải tiến so với phương pháp trước đây

Zhang [26] cũng đưa ra giải thuật tương tự [25] nhưng dựa trên tập luật ra quyết định dựa trên hệ mờ K-NN; trong khi hệ mờ ART tập trung phát hiện sự cố trên đường dây truyền tải Các kết quả đưa ra lời giải nhanh chóng, có khả năng áp dụng nhận dạng và phân loại trong thực tế

Pradhan [27] nỗ lực đưa ra phương pháp phân loại sự cố cho đường dây truyền tải có gắn tụ bù nối tiếp, giải thuật sử dụng hệ lô gíc mờ kết hợp kỹ thuật Wavelet Kỹ thuật Wavelet trích xuất đặc trưng của dòng điện sự cố, sử dụng trong hệ lô gíc mờ

1.1.4 Phương pháp dựa trên kết hợp thành phần đối xứng, tần số và thời gian

F Crusca và M Aldeen [7] đề nghị phương pháp mới để phát hiện và phân loại sự cố dựa vào nguyên lý cơ bản của ước lượng Các tín hiệu sự cố được mô hình hóa như ngõ vào chưa biết và sau đó ước lượng một cách hệ thống hóa bằng lý thuyết quan sát ngõ vào Phương pháp này được áp dụng các phần tử lưới điện như máy phát điện, bộ kích từ, đường dây và phụ tải

Samantaray và cộng sự [28] trình bày giải thuật dựa trên phân tích Fourier về đường bao tần số để phân biệt giữa các điều kiện sự cố và điều kiện không sự cố Dòng sự cố được phân tích bằng kỹ thuật Fourier ngắn Khi sự cố thì các đường bao tần số tập trung ở tần số cao và khi ở điều kiện bình thường thì các đường bao tần số tập trung ở tần số thấp

10 Adu [29] đề xuất giải thuật dựa trên đo lường các góc pha giữa thành phần thứ tự thuận và thành phần thứ tự nghịch của các dòng điện pha Giải thuật này cũng dựa vào biên độ các thành phần thứ tự nghịch và thứ tự không của dòng điện

1.1.5 Đánh giá các phương pháp nhận dạng hiện tượng quá độ điện từ

Hầu hết các phương pháp đều phát hiện và phân loại các loại sự cố trong hệ thống điện như ngắn mạch 1 pha, ngắn mạch 2 pha chạm đất, ngắn mạch 3 pha Tuy nhiên, các phương pháp được đề xuất không nhận dạng tất cả các loại sự cố Kỹ thuật Wavelet dựa trên các giải thuật đề xuất có tính chất sau:

- Kỹ thuật Wavelet được ghi nhận là một trong các phương pháp phát hiện nhanh chóng sự cố và đưa ra giải pháp phân tích hữu hiệu khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện

- Kỹ thuật Wavelet cung cấp giải pháp hoàn chỉnh về tần số tốt hơn kỹ thuật Fourier [54]

- Kỹ thuật Wavelet có ưu điểm phân tích sự thay đổi đột ngột của tín hiệu Điều này rất hữu ích vì một tín hiệu được ghi nhận trong hệ thống truyền tải khi xảy ra sự cố, thường xuyên thay đổi đột ngột

- Tính chất phân tích đa giải trong miền thời gian và tần số cho phép thay đổi kích thước cửa sổ tự động để thực hiện các giải thuật khác nhau phụ thuộc vào thời điểm bắt đầu Các giải thuật này không phụ thuộc các thông số vị trí sự cố, góc pha sự cố và tổng trở sự cố [56]

Các phương pháp sử dụng mạng nơ-rôn để nhận dạng và phân loại sự cố có các đặc điểm:

- Giải thuật mạng nơ-rôn phụ thuộc nhận dạng các mẫu khác nhau liên quan chủ yếu đến đặc điểm tổng trở của sự cố và quá trình học dữ liệu trong quá khứ trong giai đoạn huấn luyện mạng nơ-rôn

- Cấu trúc mạng nơ-rôn có tính chất khi số lượng chu kỳ huấn luyện cao thì khối lượng tính toán rất nhiều

- Một trong hạn chế lớn của mạng nơ-rôn là lời giải không hữu hiệu vì cấu hình lưới điện phức tạp cần nhiều dữ liệu huấn luyện

11

Phát hiện và phân loại sự cố

Phân tích tín hiệunhân tạoTrí tuệ

Tần số cơ bảnTần số cao

Phân tích pha sự cốTính toán thời gian, tần số

Hệ mờMạng nơ rôn mờnơ rônMạng

Kỹ thuật WaveletHệ mờ và Wavelet

Mạng nơ rôn và Wavelet

Mạng nơ rôn SVMGiải thuật

di truyềnWavelet góiNguyên lý

Hình 1.2: Tóm tắt các giải thuật đề xuất cho phát hiện và phân loại sự cố trong

hệ thống điện trong thời gian gần đây

Các nghiên cứu gần đây đề xuất hệ lô-gíc mờ về nhận dạng, phân loại và xác định vị trí Các ưu điểm và hạn chế của phương pháp này như sau:

- Hạn chế của mạng nơ-rôn là quá trình suy luận không thể hiện ra Trái lại, hệ lô-gíc mờ thể hiện các đặc trưng bằng mối liên hệ đơn giản (if, then)

- Trong khi mạng nơ-rôn hạn chế thể hiện quá trình suy luận, hệ lô-gíc mờ mang tính chất chủ quan và gần suy nghĩ con người

12 - Hệ lô-gíc mờ đơn giản hơn các phương pháp khác kết hợp kỹ thuật Wavelet hoặc mạng nơ-rôn Hệ lô-gíc mờ dựa trên các phương pháp phát hiện, phân loại và xác định vị trí liên quan đến các nguyên lý cơ bản ước lượng trạng thái và phân tích thành phần độc lập [23, 57]

Các nghiên cứu trên ứng dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu và gần đây là kỹ thuật Wavelet Tuy nhiên, các nghiên cứu còn một số tồn tại:

- Chưa đưa ra các hàm Wavelet cho phù hợp cho nhận dạng hiện tượng quá độ; - Chưa so sánh và đánh giá các phương pháp phân loại nhiễu cùng trên một tập mẫu về các hiện tượng quá độ để rút ra các đánh giá và kết luận cụ thể;

- Các hiện tượng đóng cắt tụ bù, chưa nghiên cứu phân loại đầy đủ; - Các phương pháp gần đây chưa thể áp dụng hữu hiệu vào phát hiện, phân loại và xác định vị trí sự cố hoặc không thể thực thi trong thời gian thực

Do đó, một giải thuật mới là yêu cầu cấp thiết, có khả năng phát hiện nhanh chóng sự cố và áp dụng trong thời gian thực, vượt trội về các tính năng thời gian, độ tin cậy, khả thi hơn các giải thuật trước đây

Luận án đề xuất hệ thống nhận dạng hiện tượng quá độ điện từ sử dụng kỹ thuật Wavelet rời rạc và kỹ thuật phân tích đa phân giải để phân tích hiện tượng quá độ ảnh hưởng đến chất lượng điện năng Hệ thống này sử dụng tính chất phân tích cục bộ của kỹ thuật Wavelet có khả năng phát hiện và xác định thời gian xảy ra sự cố trong hệ thống điện Kỹ thuật Wavelet này dùng để xác định khoảng thời gian diễn ra quá độ, mức độ ảnh hưởng các nhiễu tạp Dựa trên ưu và khuyết của từng phương pháp phân loại kết hợp với kỹ thuật Wavelet, luận án đề xuất mô hình nhận dạng các hiện tượng quá độ, góp phần bài toán giám sát hiện tượng quá độ trong thời gian thực

1.2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN

Mô phỏng động trong miền thời gian là công cụ quan trọng trong tính toán, phân tích quá độ Hai thành phần quan trọng của tính toán mô phỏng là: (a) Mô hình phần tử; (b) Kỹ thuật tích phân số để giải các hệ thống phương trình mô hình động Các phương pháp số giải hệ thống phương trình vi phân thông thường (ODE) được chia làm hai loại: loại phương pháp dựa trên phương pháp Runge-Kutta, và loại phương pháp tuyến tính nhiều bước Phương pháp Runge-Kutta là tính toán tuyến tính một

13 bước, các phương pháp còn lại là tính toán tuyến tính nhiều bước [68-70] Điều này có nghĩa để tính toán giá trị của hàm x tại thời điểm t qua khoảng tính tích phân

, , giá trị trước đó được sử dụng, trong đó h là bước tính toán tích

phân Phương pháp này tính toán giá trị mới sau vài giai đoạn tính toán, và ước lượng một số giá trị trong khoảng , Vì vậy, giá trị được tính toán dựa trên và vài giá trị trung gian của x trong khoảng , Trái lại, các phương pháp tuyến tính nhiều bước sử dụng các giá trị trước đó của hàm ,

2 , 3 , … để tính toán giá trị mới Số lượng lớn các phương pháp tích phân số đã được đề xuất và sử dụng mô phỏng hệ thống điện trong miền thời gian để chuyển đổi hệ phương trình vi phân thông thường thành các phương trình đại số tại mỗi bước thời gian tính toán [69-72]

Các phương pháp tính toán tích phân số bao gồm: phương pháp Euler hồi qui, phương pháp hình thang, phương pháp Simpson, các phương pháp Runge-Kutta, phương pháp Gear, hoặc các phương pháp tuyến tính nhiều bước Trong nhiều trường hợp, các phương trình mô tả hệ thống cứng ít thay đổi và do đó các phương pháp hàm ẩn thường sử dụng, mặc dù thời gian tính toán lâu Phương pháp hàm ẩn hay phương pháp tuyến tính nhiều bước được sử dụng rộng rãi Trong số các phương pháp này, phương pháp qui tắc hình thang là một phương pháp được sử dụng phổ biến trong các chương trình EMTP, Pspice, ATP-EMTP với ưu điểm sai số tính toán thấp và tính chất ổn định cao của hệ thống được tính toán, có nghĩa xem như hệ thống tuyến tính, tính toán rời rạc trong từng khoảng tích phân tính toán [71, 72]

Tuy nhiên, phương pháp qui tắc hình thang có vài giới hạn về khả năng áp dụng trong một số trường hợp Hai giới hạn chính của phương pháp này là: độ chính xác khi tính toán và dao động về tính toán số trong tính toán khi mô phỏng trong mạch điện tử công suất, thao tác đóng cắt mạch [69, 70] do thông số các phần tử tích trữ năng lượng trong mạch và bước thời gian tính toán mô phỏng

Vì vậy, luận án đề xuất sử dụng giải thuật dựa trên kỹ thuật biến đổi Wavelet để tính toán mô hình mạch điện đơn giản trong miền thời gian; ứng dụng tính toán ngắn mạch trong hệ thống điện mẫu ba nút, chín nút Các kết quả nhận được từ việc sử dụng kỹ thuật biến đổi Wavelet có giá trị tham khảo, như là một phương pháp phân

14 tích bổ sung, thêm vào các phương pháp tính số truyền thống trong miền thời gian, mà cho đến nay đã được sử dụng phổ biến và rộng rãi trong giải tích hệ thống điện

1.3 MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY THÔNG SỐ RẢI

Đã có nhiều nghiên cứu được ghi nhận với việc phát triển một mô hình đường dây hay cáp ngầm cho phân tích quá độ điện từ trong miền thời gian [73-83] Ban đầu, nghiên cứu tập trung các mô hình trong miền hình thái (modal-domain) [73-75], với việc xấp xỉ các ma trận biến đổi hình thái là số thực và hằng số Việc xấp xỉ có thể dẫn đến sai số lớn trong trường hợp đường dây mạch kép hoặc cáp ngầm, có các thành phần của ma trận biến đổi phụ thuộc nhiều vào tần số Vì lý do này, cần phải có sự điều chỉnh hơn nữa của phương pháp mô hình trong miền hình thái trong đó sự phụ thuộc tần số của các ma trận biến đổi phải được xem xét Điều này đòi hỏi quá trình xấp xỉ hóa bằng các hàm số bằng biến đổi hoặc xấp xỉ các hàm số bằng biến đổi để thể hiện các phần tử trong ma trận biến đổi Thời gian gần đây, đã có những phát triển các phương pháp miền pha trực tiếp (direct phase-domain) bằng biến đổi giữa các biến trong miền pha và các biến trong miền hình thái khi tính toán trong miền thời gian đã khắc phục các sai số Tuy nhiên, việc áp dụng vào thực tế khó khăn khi sử dụng các mô hình trong miền pha Các thành phần của ma trận đáp ứng sóng tới biến pha (phase-variable forward impulse response matrix) là các hàm dao động trong miền tần số vì các thành phần này là kết hợp tuyến tính của đáp ứng miền hình thái và các tính chất trong miền pha khác nhau rất lớn, đặc biệt trong trường hợp cáp ngầm Các dao động này làm quá trình xấp xỉ bằng các hàm hữu tỉ rất khó khăn Các kỹ thuật đã áp dụng để giải quyết vấn đề này [78], [79] Trong [77] các phần tử của ma trận hình thái được tách ra, và sự khác nhau về hằng số thời gian truyền liên quan đến các pha được thể hiện hoàn toàn bằng các hàm biến đổi trong quá trình xấp xỉ Trong [78], việc định nghĩa các pha riêng biệt trong từng phần tử của ma trận được sử dụng Điều này cho phép mỗi thành phần của ma trận được biểu diễn như từng thành phần của từng pha độc lập có thời gian trì hoãn khác nhau Tiến trình xấp xỉ được thực hiện từng thành phần riêng lẻ của mỗi phần tử ma trận và vấn đề các hàm số dao động từ sự khác nhau thời gian truyền giữa các pha không xảy ra nữa

15 Tuy nhiên, sự ổn định của hàm số ma trận xấp xỉ là hạn chế trong các phương pháp miền hình thái và các phương pháp trong miền pha [83] Ở các phương pháp trong miền hình thái, vấn đề ổn định liên quan đến xấp xỉ bằng biến đổi hoặc biến đổi Độ chính xác trong phương pháp xấp xỉ và các hàm ổn định khi xấp xỉ đối với các phần tử của ma trận chưa chắc đảm bảo sự ổn định Tương tự, đối với các phương pháp trong miền pha trực tiếp, các tồn tại của ổn định của ma trận đáp ứng sóng tới và tổng trở đặc tính (hay tổng dẫn) Các tiêu chuẩn lý thuyết ổn định đã được đề xuất cho các hàm số của ma trận này trong miền tần số, tuy nhiên áp dụng tiêu chuẩn này gặp khó khăn trong tiến trình xấp xỉ Gần đây, đã có kỹ thuật đưa ra hàm hữu tỉ để xấp xỉ các hàm số ma trận tổng dẫn Các phần tử của ma trận này được thể hiện bởi các hàm hữu tỉ theo biến đổi không thể hiện tính chất vật lý điện Tính chất ổn định được thực hiện theo phương pháp sai số bình phương tối thiểu theo điều kiện ràng buộc và tuyến tính hóa

Luận án phát triển một phương pháp để thể hiện ma trận tổng dẫn (tổng trở) đặc tính của mạch truyền tải thông số rải bằng mạch thụ động bao gồm: các điện trở, các điện cảm và các điện dung với mạch được xấp xỉ đảm bảo luôn ổn định Các thông số của mạng lưới như các điện trở, các điện cảm, các điện dung được xác định bằng quá trình tối ưu hóa có ràng buộc; trong đó sai số giữa tổng dẫn mạng lưới được xấp xỉ và các phần tử của ma trận tổng dẫn đặc tính được cực tiểu hóa, với ràng buộc thông số mạch thụ động luôn dương Tính chất ổn định đạt được không cần sự xấp xỉ vì phần thực trong ma trận tổng dẫn của mạng xấp xỉ kết hợp các phần tử mạch thụ động luôn xác định dương Do đó, tính chất ổn định luôn luôn thỏa mãn trong mạng thụ động này Mạng thụ động xấp xỉ thể hiện ma trận tổng dẫn (tổng trở) đặc tính được kếp hợp mô hình đường dây truyền tải hay các ngầm diễn tả trong miền thời gian rời rạc theo cách tự nhiên

- Đề xuất giải thuật dựa trên kỹ thuật biến đổi Wavelet để tính toán mô hình mạch điện trong miền thời gian, ứng dụng tính toán trong hệ thống điện đơn giản;

- Phát triển phương pháp mới thể hiện ma trận tổng dẫn (tổng trở) đặc tính của mô hình đường dây thông số rải với mạch thụ động bao gồm các điện trở, các điện cảm và các điện dung

17

2 MỘT SỐ QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN (MÔ HÌNH VÀ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG)

2.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ

Các quá trình quá độ trong hệ thống điện xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau từ phía công ty Điện lực (lưới điện truyền tải, lưới điện phân phối đang phát triển rộng lớn) hoặc từ phía khách hàng (sự chuyển mạch của thiết bị điện tử công suất, bộ biến tần thay đổi tốc độ động cơ) Các quá trình trên có thể gây ra mất điện trên lưới, hư hỏng các thiết bị điện đang vận hành, phá hủy cách điện, làm giảm chất lượng điện năng lưới điện, ảnh hưởng trực tiếp các thiết bị khách hàng (người sử dụng điện) và gây thiệt hại cho nền kinh tế

Các quá trình quá độ xảy ra trên lưới điện có thể kể ra như: xung sét, quá điện thế do đóng cắt tụ bù (capacitor switching), điện áp chập chờn (flicker), sóng hài (harmonic), sự cố ngắn mạch, mất điện thời gian ngắn (sag hay interruption).Việc phân tích quá trình quá độ trên là cơ sở để giải thích các hiện tượng bất thường xảy ra trong hệ thống điện

Quá trình quá độ ảnh hưởng phần lớn và mang tính quyết định đến chất lượng điện cung cấp khách hàng Ở Việt Nam, vấn đề chất lượng điện năng là vấn đề mang tính thời sự ngày càng được quan tâm và trở nên cấp thiết Các khách hàng ngày càng có ý thức và đòi hỏi nhiều hơn đối với chất lượng điện được cung cấp từ các công ty Điện lực Do đó, việc nghiên cứu các hiện tượng quá độ đặc biệt ở Việt Nam là hết sức cấp thiết và hữu ích

Để nhận dạng hiện quá độ cần tìm hiểu tính chất mỗi hiện tượng quá độ Luận án tập trung nghiên cứu các hiện tượng quá độ điện từ tiêu biểu tóm tắt trong Bảng 2.1 Chương trình ATP-EMTP được sử dụng để mô phỏng các hiện tượng quá độ và dạng sóng Tần số 50 được sử dụng mô phỏng để so sánh các nghiên cứu trước đây

18 Bảng 2.1: Tóm tắt đặc điểm các hiện tượng quá độ điện từ

Hiện tượng quá độ điện từ Tần số Thời gian Biên độ điện áp Tính chất để phân loại

Hiện tượng đóng tụ bù, phóng điện trước, phóng điện trở lại tụ bù  5 MHz 5(µs)50 (ms) 0.42 p.u Dạng sóng, biên độ, tần số Hiện tượng sụt áp - 0.01 1 (s) 0.10.9

p.u

Biên độ và thời gian

Hiện tượng tăng điện

p.u

Biên độ và thời gian

Hiện tượng chập chờn điện áp  25 Hz  10 (s) 07% p.u Biên độ, thời gianHiện tượng họa tần gây

méo dạng sóng sin

0100 lần tần số cơ bản

Trạng thái xác

p.u

Tổng độ méo dạng, tần số họa tần, tính toán Hiện tượng mất điện - 0.01 1 (s)  0.1 pu Biên độ, thời gian

2.2 MỘT SỐ QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN (MÔ HÌNH VÀ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG)

12 √

(2.1)

(2.2)

19 Trong đó:

là điện áp tức thời của hệ thống (KV), là điện áp tức thời trên trạm tụ (KV), là điện dung trạm tụ (uF),

là điện kháng của nguồn (mH) Trong trường hợp này, giá trị của dòng điện xung kích có thể lớn gấp 5 đến 15 lần dòng định mức của trạm tụ (Hình 2.1a) Khi khoá K đóng, một điện áp đột ngột cũng sinh ra Nếu khoá K được đóng ngay tại điện áp đỉnh, thì điện áp trên trạm tụ từ giá trị bằng không đột ngột tăng lên đến điện áp đỉnh của hệ thống Quá trình tăng đó sẽ gây nên hiện tượng quá áp, tương tự như dòng điện xung kích, độ vọt lố điện áp cũng có tần số cao

Hình 2.1a: Sơ đồ mạch điện khảo sát

b Dạng sóng của áp và dòng trên trạm tụ

Với áp nguồn là 110kV, tụ điện công suất 50MVar Tụ được đóng tại thời điểm áp nguồn tức thời Us=1(p.u) và áp trên trạm tụ tức thời Uc(0+)=0(p.u) Dạng sóng trình bày ở Hình 2.1b, Hình 2.1c

20 Hình 2.1b: Dạng sóng điện áp trên trạm tụ

21 Nếu tần số cộng hưởng của hai nhánh xấp xỉ bằng nhau 1 1 2 2 thì sự khuếch đại điện áp sẽ rất cao vì mạch ở cấp điện áp thấp được bơm vào một nguồn điện áp tại tần số cộng hưởng Khuếch đại điện áp càng lớn khi tụ điện đóng vào lớn hơn nhiều so với tụ đang hoạt động ở phía điện áp thấp

b Dạng sóng của áp và dòng trên trạm tụ

Với áp nguồn là 110kV, máy biến áp 3 pha 110/22kV có công suất 10MVA và x’=10%, tụ điện bên sơ cấp có công suất 50MVar, tụ điện bên thứ cấp có công suất 2MVar Tụ sơ cấp được đóng tại thời điểm áp nguồn tức thời Us=1(p.u) và áp trên trạm tụ tức thời Uc(0+)=0(p.u) Dạng sóng trình bày ở Hình 2.2b, Hình 2.2c và Hình 2.2d

Hình 2.2b: Dạng sóng điện áp trên trạm tụ

Cb-cao

Hình 2.2a: Sơ đồ mạch tương đương

Nguồn Cb-hạ Nguồn Cb-cao Cb-hạ

22 Hình.2.2c: Dạng sóng dòng điện trên trạm tụ

Hình.2.2d: Dạng sóng dòng điện trên thanh cái trạm tụ

2.2.1.3 Đóng trạm tụ song song

Hiện tượng đóng tụ bù song song là hiện tượng khi đóng một trạm tụ vào lưới có những trạm tụ khác đang hoạt động Khi đóng trong trường hợp này thì biên độ và tần số của dòng điện xung lớn hơn trường hợp chỉ có một trạm tụ Tần số quá độ của dòng điện xung này cũng có thể vượt quá tần số quá độ hiện thời của thiết bị đóng cắt

Biên độ và tần số của dòng điện quá độ được tính toán dựa vào mạch RC Tần số giao động lớn nhất được xác định theo công thức:

23 1

(2.3) Hình 2.3a minh họa một nhóm gồm N trạm tụ có cùng công suất đấu hình sao mắc song song nhau

Để đơn giản trong phân tích mạch điện, giả sử rằng điện cảm đ rất lớn so với điện cảm của mỗi trạm tụ Khi đó, điện dung và điện cảm tổng của toàn bộ N trạm tụ được xác định như sau:

11

Hình 2.3a: Mạch điện khảo sát hiện tượng phóng điện ngược

24 [p.u]

25 Hình 2.3e: Dòng điện trên thanh cái

2.2.1.4 Hiện tượng phóng điện trước

Trong quá trình đóng các tiếp điểm, điện trường giữa hai tiếp điểm sẽ tăng rất mạnh và khi độ bền cách điện của lớp điện môi trong máy cắt không chịu nổi, dẫn đến hiện tượng phóng điện trước khi tiếp điểm thực sự đóng trạm tụ vào hệ thống Hiện tượng này gọi là phóng điện trước Dòng điện này có tần số rất cao nên khi đi qua giá trị zero thì sẽ bị tắt và điện áp trên tụ vẫn giữ nguyên giá trị mà nó nhận được ở lần phóng điện đầu tiên, đến khi tiếp điểm đóng lại hoàn toàn thì điện áp trên tụ mới bắt đầu dao động Giá trị điện áp trên tụ lên đến 1.89p.u Dạng sóng trình bày ở Hình 2.4a, Hình 2.4b

Hình 2.4a: Điện áp trên trạm tụ

(file B.pl4; x-var t) c:XX0032-I

-30-20-1001020[mA]