Luận văn thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: Xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng phương pháp biến đổi Wavelet

TÊN ĐỀ TÀI: Xác Định Vị Trí Sự Cố Trên Đường Dây Truyền Tải Sử Dụng Phương Pháp Biến Đổi Wavelet NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Chương 1: Tổng Quan Chương 2: Giới Thiệu Về Phương Pháp Biến Đổi W

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS VŨ PHAN TÚ (Họ tên, học hàm học vị, chữ ký)

2

3

4

5 Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Đỗ Anh Tùng MSHV: 11820132 Ngày, tháng, năm sinh: 16/01/1971 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số: 605251

I TÊN ĐỀ TÀI: Xác Định Vị Trí Sự Cố Trên Đường Dây Truyền Tải Sử Dụng

Phương Pháp Biến Đổi Wavelet

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Chương 1: Tổng Quan Chương 2: Giới Thiệu Về Phương Pháp Biến Đổi Wavelet Chương 3: Một Số Phương Pháp Xác Định Vị Trí Sự Cố Trên Đường Dây

Truyền Tải Chương 4: Xác Định Vị Trí Sự Cố Trên Đường Dây

Truyền Tải Trên Không Thực Tế Chương 5: Xác Định Vị Trí Sự Cố Kết Hợp Đường Dây

Trên không Với Cáp Ngầm Chương 6: Kết Luận

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2012

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/06/2012 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS VŨ PHAN TÚ

Tp.HCM, ngày tháng năm 2012

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ (Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô Khoa Điện tử, Bộ môn Hệ Thống Điện trường ĐHBK.TPHCM trong thời gian qua đã hướng dẫn trong quá trình học tập,

Điện-nghiên cứu và đặc biệt cảm ơn Thầy TS Vũ Phan Tú,

người đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian thực hiện luận văn Thầy đã hướng dẫn và chỉ ra những thiếu sót, bổ sung những kiến thức thực tế hữu ích giúp tôi hoàn thành quyển luận văn này

Xin chân thành cảm ơn các bạn thân hữu, các đồng nghiệp trong cơ quan đã cung cấp các số liệu phục vụ làm luận văn và những người thân trong gia đình đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thời gian thực hiện luận văn

Đỗ Anh Tùng

TÓMTẮTLUẬNVĂN

Đường dây truyền tải điện bao gồm đường dây trên không và cáp ngầm được sử dụng để truyền tải điện năng từ các nguồn điện xa xôi tới các trung tâm phụ tải lớn 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 Có nhiều nguyên nhân gây ra sự cố, như kết quả của sét đánh trực tiếp hay gián tiếp vào đường dây, thiết bị sự cố, xâm phạm hành lang an toàn đường dây do các hoạt động của con người, quá tải…

Khi một sự cố xảy ra trên một đường dây truyền tải, điện áp tại điểm sự cố đột ngột giảm đến một giá trị thấp Sự thay đổi đột ngột tạo ra một xung điện từ tần số cao được gọi là sóng truyền (Traveling Waves - TW) Các sóng này, truyền đi từ điểm sự cố theo hai hướng có tốc độ gần với ánh sáng Để tìm ra điểm sự cố, tín hiệu thu được từ thiết bị phải được biến đổi qua bộ lọc và được phân tích bằng cách sử dụng các công cụ xử lý tín hiệu khác nhau Sau đó, các tín hiệu lọc được sử dụng để phát hiện và xác định vị trí sự cố Để tìm vị trí sự cố chính xác, cần thiết phải đo đạc các giá trị, cực tính, pha và độ lệch thời gian của sóng đến Vì vậy, mục tiêu chính của đề tài này là xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng phương pháp biến đổi wavelet

Tầm quan trọng của nghiên cứu, phát sinh từ sự cần thiết để giảm sự gián đoạn điện, tức là phải giảm thời gian tìm kiếm sự cố, đặc biệt là trong các khu vực với địa hình khó khăn mà tuyến đường dây truyền tải đi qua, để sửa chữa và khôi phục kịp thời, thời gian khôi phục là bao gồm cả thời gian để tìm vị trí sự cố Điều này có thể đạt được bằng cách giảm sai số trong ước tính vị trí sự cố

Để xác định vị trí ngắn mạch trên đường truyền tải có thể chia làm hai trường phái chính như sau:

 Phương pháp dựa trên việc đo trở kháng sau khi xảy ra ngắn mạch hay còn gọi là thuật toán dựa trên pha Phương pháp này chủ yếu dựa vào các tín hiệu đo đạc được

 Phương pháp dựa trên việc đo đạc sự truyền sóng Phương pháp này ngày càng được sử dụng nghiên cứu áp dụng nhiều hơn, do có nhiều ưu thế như: không bị ảnh hưởng nhiều bởi sai số thiết bị đo, thuật toán dựa trên những kỹ thuật tính toán hiện đại mạnh mẽ và đáp ứng chính xác hơn, cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghệ máy tính, vi xử lý

Luận văn này, giới thiệu phương pháp để xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải, biến đổi wavelet để xử lý tín hiệu sóng truyền thu được kết hợp với lọc nhiễu, sau đó đi vào mô phỏng bằng Matlab-Simulink

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI WAVELET 8

2.3- Biến đổi wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform-DWT) 10 2.4- Kỹ thuật phân tích đa phân giải (Multi-Resolution Analysis-MRA) 10 2.5- Biến đổi wavelet tĩnh (Stationary wavelet transform -SWT) 13 2.6- Vài nét ứng dụng trong hệ thống điện 14 2.6.1- Những ứng dụng chính của wavelet 14 2.6.2- Ứng dụng trong bảo vệ hệ thống điện 15

3.2.1- Tổng quan phương pháp 17 3.2.2- Ưu điểm và khuyết điểm chính của phương pháp 19 3.3- Phương pháp sử dụng thiết bị phát sóng kết hợp biến đổi wavelet 19

3.3.2- Ưu điểm và khuyết điểm chính của phương pháp 20

3.4.1- Giới thiệu phương pháp wavelet trong việc xử lý tín hiệu số 21

3.4.5- Ý nghĩa của giải thuật lọc nhiễu 24

TRUYỀN TẢI TRÊN KHÔNG THỰC TẾ

4.2.4.2- Sai số phần trăm so với chiều dài đường dây 43 4.2.4.3- Ảnh hưởng của các vị trí ngắn mạch khác nhau 43 4.2.4.4- Ảnh hưởng của các loại ngắn mạch khác nhau 44 4.3- Khảo sát đường dây 220kV Rạch Giá-Trà Nóc 46

4.3.3- Các thông số vận hành 49

4.3.4.1- Xem xét các dạng sóng điện áp, dòng điện 50

tại đầu phát và đầu nhận 4.3 4.2- Điện áp đầu phát khi xảy ra sự cố ngắn mạch 53

tại các vị trí khác nhau 4.3.4.3- Ảnh hưởng của các loại ngắn mạch và các 55

vị trí ngắn mạch khác nhau 4.3.4.4- Ảnh hưởng của điện trở ngắn mạch khác nhau 56 4.4- Khảo sát các sự cố đã xảy ra trên đường dây 220kV Rạch giá-Trà nóc 57 4.4.1- Công tác ứng trực xử lý sự cố trong quản lý vận hành 57 4.4.2- Kết quả kiểm tra truy tìm sự cố đd 220kV Rạch giá-Trà nóc 61 4.4.3- Chi phí thiệt hại khi sự cố đường dây truyền tải xảy ra 62 4.4.4- Thông số vận hành đường dây trước thời điểm xảy ra sự cố 64 4.4.5- Ứng dụng phương pháp biến đổi wavelet tính tóan vị trí sự cố 65 4.4.6- So sánh kết quả vị trí sự cố ngắn mạch 66 4.4.7- So sánh kết quả khoảng trụ tương ứng vị trí sự cố ngắn mạch 67

CHƯƠNG 5: XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ KẾT HỢP ĐƯỜNG DÂY

5.3- Đường dây trên không có kết hợp với cáp ngầm 77

đường dây 220kV Rạch giá (272) - Trà nóc (271)

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

DANHMỤCCÁCBẢNG

Bảng 4.1: Kết quả ảnh hưởng của các vị trí ngắn mạch khác nhau 43Bảng 4.2: Kết quả ảnh hưởng của các loại ngắn mạch khác nhau 44Bảng 4.3: Thông số vận hành tại trạm 220kV Rạch giá 50 Bảng 4.4: Kết quả ảnh hưởng của các loại ngắn mạch

Bảng 4.10: Thông số vận hành đường dây 220kV Rạch giá-Trà nóc

Bảng 4.11: Kết quả tính tóan các vị trí sự cố 65 Bảng 4.12: So sánh kết quả vị trí ngắn mạch rơle báo

với thực tế tìm được và tính toán 66Bảng 4.13: So sánh khoảng trụ đường dây tương ứng

vị trí ngắn mạch rơle báo với thực tế tìm được và tính toán 67 Bảng 5.1: Kết quả ảnh hưởng của các vị trí ngắn mạch khác nhau-cáp ngầm 76Bảng 5.2: Kết quả ảnh hưởng của các vị trí ngắn mạch khác nhau 87Bảng 5.3: Kết quả ảnh hưởng của các loại ngắn mạch khác nhau 88

Hình 1.1: Đứt dây dẫn pha A khoảng trụ 62-63 (phía trụ 62) 2

đường dây 220kV Ô môn-Thốt nốt (sự cố ngày 24/09/2010-PTC4) Hình 1.2: Đứt dây dẫn pha A khoảng trụ 62-63 (phía trụ 63) 2

đường dây 220kV Ô môn-Thốt nốt (sự cố ngày 24/09/2010-PTC4) Hình 1.3: Chuỗi sứ néo pha B trụ 218 bị phóng điện (phía trụ 219) 3 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 3

đường dây 220kV Cao lãnh-Thốt nốt(sự cố ngày 05/11/2011-PTC4) Hình 1.5: Thay thế mới chuỗi sứ néo pha B trụ 218 bị phóng điện 4

đường dây 220kV Cao lãnh-Thốt nốt(sự cố ngày 05/11/2011-PTC4) Hình 2.1: Phân tích Wavelet được xem như hai bộ lọc tần số cao và thấp 11

Hình 4.7: Điện áp đầu phát tại x = 95km 30 Hình 4.8: Điện áp đầu phát tại x = 85km 30 Hình 4.9: Điện áp đầu phát tại x = 79.5km 31

Hình 4.10: Điện áp đầu phát tại x = 59.5km 31 Hình 4.11: Điện áp đầu phát tại x = 34km 32 Hình 4.12: Tín hiệu điện áp đầu phát pha A 33

đường dây 220kV Rạch giá – Trà nóc 47 Hình 4.32: Cách bố trí dây tiếp đất đường dây 220kV Rạch giá – Trà nóc 47 Hình 4.33: Mô hình đường dây 220kV Rạch giá – Trà nóc 49 Hình 4.34: Mô phỏng đường dây 220kV Rạch giá – Trà nóc 49

Hình 4.38: Dòng điện đầu nhận 52 Hình 4.39: Điện áp đầu phát tại x=59.5km 53 Hình 4.40: Điện áp đầu phát tại x= 35km 53 Hình 4.41: Điện áp đầu phát tại x= 17km 54 Hình 4.42: Điện áp đầu phát tại x= 6.7km 54 Hình 4.43: Xáng cạp gây ra sự cố ngày 13/11/10

đường dây 220kV Rạch giá-Trà nóc (PTC4) 63 Hình 4.44: Lập biên bản vi phạm có chứng kiến của chính quyền địa phương

sự cố ngày 13/11/10 đường dây 220kV Rạch giá-Trà nóc (PTC4) 63 Hình 5.1: Mô hình đường dây cáp ngầm bài báo IEEE 70 Hình 5.2: Mô phỏng đường dây cáp ngầm bài báo IEEE 70

Hình 5.10: Điện áp đầu phát tại x= 1km 75 Hình 5.11: Mô hình đường dây 220kV Nhà Bè – Tao Đàn 77 Hình 5.12: Mô phỏng đường dây 220kV Nhà Bè – Tao Đàn 78

Hình 5.19a: Điện áp đầu phát tại x= 7.266km 83 Hình 5.19b: Điện áp đầu nhận tại x= 7.266km 84 Hình 5.20a: Điện áp đầu phát tại x= 8.766km 84 Hình 5.20b: Điện áp đầu nhận tại x= 8.766km 85

DANHMỤCCÁCCHỮVIẾTTẮT

TW : Traveling Waves R21 : Rơle khoảng cách DWT : Discrete Wavelet Transform MRA : Multi-Resolution Analysis SWT : Stationary wavelet transform EMTP : Electromagnetic Transient Program ATP : Alternative Transients Program SCADA : Supervisory Control And Data Acquisition MOV : Metal Oxide Varistor

NĐ-CP : Nghị định của chính phủ PTC4 : Công ty Truyền Tải Điện 4

CHƯƠNG1:TỔNGQUAN

1.1- Lý do chọn đề tài

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 không 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

Hình 1.1: Đứt dây dẫn pha A khoảng trụ 62-63 (phía trụ 62) đường dây 220kV Ô môn-Thốt nốt

(sự cố ngày 24/09/2010-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)

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)

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

1.2- Mục đích

Mục tiêu của luận văn là tìm ra giải pháp mô phỏng bằng Matlab-Simulink đường dây truyền tải trên không và đường dây trên không có kết hợp với cáp ngầm, 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 vị trí sự cố đường dây trên không và mở rộng cho đường dây trên không có kết hợp với cáp ngầm bằng cách sử dụng phương pháp biến đổi wavelet và kết hợp với lọc nhiễu

Hình 1.5: Thay thế mới chuỗi sứ néo pha B trụ 218 bị phóng điện đường dây 220kV Cao lãnh-Thốt nốt

(sự cố ngày 05/11/2011-PTC4)

1.3- Hướng nghiên cứu của luận văn

Vấn đề nghiên cứu sự cố trên đường dây truyền tải là một phần quan trọng của phân tích hệ thống điện Trong hệ thống năng lượng điện, khi đường dây truyền tải xảy ra sự cố, có rất nhiều các thành phần quá độ của các tần số khác nhau sẽ được tạo ra Rất nhiều thông tin sự cố là có chứa trong các thành phần quá độ Vì vậy, nó có thể được sử dụng để phân tích sự cố hoặc những bất thường của thiết bị hoặc của hệ thống điện và phân tích nguyên nhân của sự cố hoặc các bất thường khác [14] Vấn đề quan trọng, là làm thế nào để sử dụng những tín hiệu quá độ đó

để phát hiện hoặc để xác định vị trí sự cố

Xác định vị trí sự cố và các phương pháp xác định vị trí sự cố đã được đề xuất và thực hiện từ trước cho đến nay, có thể được phân loại như: Sử dụng phương diện tần số lưới điện trong khoảng thời gian sau sự cố, sử dụng các phương trình vi phân đường dây và đánh giá các tham số đường dây [8-11] Sử dụng sóng truyền bao gồm hệ thống bảo vệ sóng truyền Kỹ thuật sóng truyền được tìm thấy là chính xác hơn các kỹ thuật kháng trở trong việc xác đinh vị trí sự cố của đường dây truyền tải, cung cấp độ chính xác khá cao [12-17] và [20-32]

Nhiều nghiên cứu đã được đưa ra để xác định vị trí sự cố như ở trên Tuy nhiên, đối với đường dây truyền tải điện phía Nam, định vị sự cố chủ yếu dựa vào các rơle bảo vệ khoảng cách đường dây (R21) Các rơle bảo vệ về cơ bản có thể định vị được các sự cố không cân bằng, mà độ chính xác của vị trí sự cố có thể bị ảnh hưởng bỡi điện trở sự cố ngắn mạch, trở kháng cực nguồn và ảnh hưởng của các đường dây đi chung khác… Vẫn chưa có nhiều các nghiên cứu về xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải, dựa trên việc phân tích tín hiệu sóng truyền do sự cố tạo ra và sử dụng phương pháp biến đổi wavelet để phân tích Đây là phương pháp số tiên tiến, xử lý tín hiệu kỹ thuật số mạnh mẽ hiện nay, dễ tiếp cận và áp dụng

Do đó, trong luận văn này thực hiện xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng phương pháp biến đổi wavelet kết hợp với lọc nhiễu và mô phỏng bằng phần mềm Matlab-Simulink

Sau cùng đánh giá kết quả của phương pháp, độ chính xác, khả năng áp dụng vào thực tế, nêu giải pháp để giải quyết và tổng kết vấn đề

Cụ thể luận văn có những nhiệm vụ sau:  Giới thiệu về phương pháp biến đổi wavelet  Tìm hiểu và nghiên cứu một số phương pháp đã được 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 thuật toán lọc nhiễu để xác định vị trí sự cố

 Mở rộng mô phỏng khảo sát đường dây truyền tải trên không có kết hợp với cáp ngầm bằng Matlab-Simulink

 Một bảng số liệu tính toán xác định vị trí sự cố với các điều kiện ngắn mạch khác nhau, so sánh với số liệu đường dây truyền tải đang vận hành Đánh giá kết quả đạt được

1.4- Phạm vi nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu phương pháp xác định vị trí ngắn mạch của đường dây truyền tải trên không, cáp ngầm bằng việc sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng và tính toán

Các bước tiến hành:  Thu thập tài liệu, nghiên cứu các thông số liên quan đến đường dây

trên không, cáp ngầm và các mô hình của đường dây trên không có kết hợp với cáp ngầm

 Mô hình hoá đường dây trên không, cáp ngầm tham khảo từ bài báo trên IEEE và đang vận hành trong lưới điện bao gồm: Đường dây thực tế 220kV Rạch giá-Trà nóc Đường dây trên không có kết hợp với cáp ngầm 220kV Nhà bè – Tao đàn

 Khảo sát các quá trình quá độ khi xảy ra ngắn mạch trên đường dây truyền tải với các điều kiện ngắn mạch khác nhau

 Biến đổi wavelet các tín hiệu thu nhận được, kết hợp giải thuật lọc nhiễu để sau cùng tính toán vị trí ngắn mạch So sánh số liệu vị trí ngắn mạch đã tính toán được với bài báo đã tham khảo và đường dây truyền tải đang vận hành Đánh giá toàn bộ luận văn, đề nghị hướng phát triển thêm cho đề tài

1.5- Điểm mới của luận văn

 Biến đổi wavelet tĩnh tín hiệu điện áp thu được từ một đầu đường dây, để có được hệ số phân tích cần thiết, hệ số xấp xỉ và hệ số chi tiết  Kết hợp giải thuật lọc nhiễu, dựa trên mối quan hệ tương quan giữa

các hệ số chi tiết để áp dụng cho việc xác định vị trí ngắn mạch  Xác định vị trí ngắn mạch đường dây trên không, kiểm tra so sánh với

số liệu bài báo đã tham khảo và đường dây vận hành thực tế, cho kết quả như mong muốn

 Xác định vị trí ngắn mạch đường dây trên không có kết hợp cáp ngầm, trong cả hai môi trường truyền sóng khác nhau

1.6- Giá trị thực tiễn của luận văn

 Nghiên cứu việc sử dụng lý thuyết wavelet vào việc xác định vị trí ngắn mạch, thể hiện tính hiện đại của phương pháp, thuận tiện cho online

 Khả năng áp dụng vào thực tế có độ chính xác cao, giúp giảm chi phí giá thành vận hành như tìm kiếm sự cố nhanh, khắc phục và sửa chữa kịp thời, giảm thiểu được thời gian mất điện…

 Mở ra một hướng mới về việc xác định vị trí ngắn mạch của đường dây trên không và cáp ngầm, ứng dụng vào thực tế trong hệ thống điện lớn hiện hành, có nhiều đường dây truyền tải Giúp nâng cao khả năng quản lý và vận hành hệ thống điện được tốt hơn

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP

BIẾN ĐỔI WAVELET 2.1- Giới thiệu

Phân tích wavelet là một phương pháp mới cho dù nền tảng toán học của nó đã có từ những lí thuyết của Joseph Fourier vào thế kỷ XIX Fourier đã đặt nền tảng với lí thuyết phân tích tần số mà ý nghĩa to lớn và quan trọng đã được chứng minh

Từ “Wavelet” lần đầu được sử dụng là vào năm 1909, trong một luận văn của Alfred Haar Còn khái niệm wavelet được dùng cho các sách lý thuyết đưa ra bởi Jean Morlet và nhóm nghiên cứu Marseille thuộc Trung tâm Nghiên cứu Lý thuyết Vật lý tại Pháp

Phương pháp phân tích wavelet đã được phát triển chủ yếu bởi Y.Meyer và các đồng nghiệp của ông, những người đã phổ biến rộng rãi phương pháp này Thuật toán chính dựa vào các công trình trước đó của Stephane Mallat năm 1988 Từ đây, việc nghiên cứu wavelet trở nên mang tính quốc tế Đặc biệt là những nghiên cứu tại Mỹ, nơi có những nhà khoa học đi đầu về lĩnh vực này như Ingrid Daubechies, Ronald Coifman, Victor Wickerhauser [18]

2.2- Cơ sở toán học

Biến đổi wavelet ra đời [18-19] đã khắc phục được những bất lợi của biến đổi Fourier truyền thống mà nó còn có những ưu điểm mới lạ, hấp dẫn, thu hút nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu, phát triển và triển khai ứng dụng, mang lại hiệu quả thiết thực Ưu điểm nổi bật của phân tích wavelet là khả năng phân tích cục bộ, tức phân tích một vùng nhỏ trong một tín hiệu lớn Khả năng này đã khắc phục nhược điểm của biến đổi Fourier và biến đổi Fourier thời gian ngắn

Wavelet là hàm được tạo ra từ hàm (x)- được gọi là wavelet mẫu (còn gọi là wavelet giải tích) Hàm (x)được định nghĩa cho biến thực x và có thể mang giá trị phức Nói cách khác,  là một ánh xạ từ R vào C, có chuẩn giới hạn L2, 

được định nghĩa:







2

)(

 (2.1)

Vì hàm (x)có thể có giá trị phức nên (x)2được dùng thay cho 2











xdxx)|2(| (2.2)

 0)

( dxx (2.3)

Hàm wavelet được tạo bằng cách dịch chuyển (translation) và co giãn (dilation) hàm wavelet mẫu (x):

RbRaa

bxax

 

2.3- Biến đổi wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform-DWT)

DWT [14-15], [18-19] và [21-22] là biến đổi tuyến tính tác động trên vector 2n chiều (vector trong không gian Euclide 2n chiều) vào một vector trong không gian tương tự DWT là một biến đổi trực giao Biến đổi trực giao có thể xem như là phép quay trong không gian vector, chúng không thay đổi độ dài

Trong DWT một wavelet được dịch chuyển và mở rộng bởi những giá trị rời rạc Thông thường ta sử dụng hệ số theo lũy thừa của 2

Một định nghĩa tổng quát của wavelet rời rạc:

Zkjkt

jk







Zkj

kjtkjfDWTC

tf

,

,()),)((1

)(  (2.7)

Phương trình (2.7) cũng được gọi là phân tích wavelet của f(t)

2.4- Kỹ thuật phân tích đa phân giải (Multi-Resolution Analysis-MRA)

Kỹ thuật phân tích đa phân giải là một trong những đặc điểm quan trọng nhất của kỹ thuật biến đổi wavelet rời rạc

Phần lớn các tín hiệu thực tế, thành phần tần số thấp là thành phần thực sự quan trọng và mang nét đặc trưng của tín hiệu Còn thành phần tần số cao được hiểu xem như là các sắc thái khác nhau của tín hiệu Lấy giọng nói làm ví dụ, ta thấy khi lọc bỏ thành phần tần số cao thì giọng nói có thể khác đi nhưng ta vẫn nghe và hiểu được, nhưng khi lọc bỏ thành phần tần số thấp thì không nghe được gì cả

Phân tích đa phân giải là có khả năng như hai bộ lọc [14-15], [18-20], tạo nên hai thành phần: Xấp xỉ và chi tiết của tín hiệu vào Thành phần xấp xỉ có hệ số

tỷ lệ cao, tương ứng với tần số thấp Thành phần chi tiết có hệ số tỷ lệ thấp, tương ứng với tần số cao

Hình 2.1: Phân tích Wavelet được xem như hai bộ lọc tần số cao và thấp

Minh họa tín hiệu vào là dạng Sin chuẩn với nhiễu tần số cao

Quá trình trên gọi là phân ly bậc một, quá trình có thể lập đi lập lại để tạo nên phân ly bậc n ( n > 1 )

Hình 2.2: Phân ly bậc 2

Với n = 2: A2 là thành phần xấp xỉ bậc 2

D1 và D2 là thành phần chi tiết bậc 1 và bậc 2 tương ứng

Hình 2.3: Minh họa cho phân ly bậc 3

2.5- Biến đổi wavelet tĩnh (Stationary wavelet transform-SWT)

Biến đổi wavelet tĩnh [32] được phát triển tiếp theo từ biến đổi wavelet rời rạc như sau: Giả thiết một hàm f(x) được chia thành các tập con sau j bước chia là Vj (…V3  V2  V1  V0) Sự phân chia này được xác định bởi việc nhân tỷ lệ cj,kvới f(x):

Với (x) là hàm tỷ lệ, như là một hàm lọc thấp cj,k còn được gọi là xấp xỉ rời rạc tại độ phân giải 2j

Nếu hàm φ(x) là hàm wavelet, thì hệ số wavelet được tính toán bởi:

(2.10) Với ωj,k được gọi là tín hiệu rời rạc chi tiết tại độ phân giải 2j

Khi hàm tỷ lệ (x) có tính chất sau:

Với h(n) là bộ lọc băng thông thấp, thì cj+1,k có thể được tính trực tiếp từ cj,k như:

Với g(n) là bộ lọc băng thông cao

Tích vô hướng f(x),2(j1)(2(j1)xk) được tính toán với:

Phương trình (2.12), (2.13) được dùng như là kỹ thuật đa phân giải trong SWT truyền thống Trong phép biến đổi này, giải thuật làm giảm số được sử dụng

(2.8)(2.9)

(2.11)

(2.12)

(2.13))

2(2)(

)()(),(

,

,,

,

kxx

xx

xfc

jjk

j

kjkjk

j











)2

(2),(

j     



Chất lượng điện năng32%Đo lường

4%Dự báo phụ tải

3%

cho phép biến đổi Nghĩa là hai mẫu thì giữ lại một trong quá trình biến đổi Do đó, toàn bộ chiều dài của hàm f(x) sẽ giảm còn một nửa

Do vậy, kỹ thuật biến đổi này phải sử dụng kỹ thuật tăng số mẫu lên như sau

Khoảng cách giữa các mẫu tăng lên gấp đôi, từ tỷ lệ j thành tỷ lệ cj+1,k:

Và hệ số của hàm wavelet rời rạc:

Với l là chiều dài giới hạn

2.6- Vài nét ứng dụng trong hệ thống điện 2.6.1- Những ứng dụng chính của Wavelet

Biến đổi Wavelet là một công cụ xử lý tín hiệu kỹ thuật số mạnh mẽ hiện nay, đang được áp dụng nhiều lĩnh vực của vật lý như thiên văn học, địa chấn học, quang học, y học, xử lý hình ảnh, xử lý tín hiệu nói chung [19]…

Wavelet được dùng trong hệ thống điện lần đầu vào năm 1994 bởi Robertson và Ribeiro Những ứng dụng chính của biến đổi Wavelet trong hệ thống điện (HTĐ) có thể chia như sau:

- Bảo vệ hệ thống điện - Chất lượng điện năng - Quá độ trong hệ thống - Biến đổi cục bộ trong hệ thống - Dự báo phụ tải

- Đo lường trong hệ thống

Hình 2.4: Tỷ lệ các ứng dụng về những lĩnh vực khác nhau trong HTĐ được xuất bản

(2.14)

(2.15)

2.6.2- Ứng dụng trong bảo vệ hệ thống điện

Lợi ích của việc áp dụng biến đổi wavelet nâng cao khả năng hoạt động của rơle được nhận ra trong vài năm gần đây Năm 1996, Chaariel giới thiệu wavelet cho bảo vệ rơle trong mạng phân phối để phân tích tín hiệu ngắn mạch chạm đất ở cấp 20kV nối đất lập lại, mô phỏng trong EMTP Trong cùng năm J.Monoh giới thiệu thuật toán để đào tạo chính xác cho Hệ Trí tuệ Nhân tạo cũng sử dụng biến đổi wavelet Năm 1998 Magnago và Abur đã phát triển một kỹ năng mới để xác định vị trí ngắn mạch trên đường dây cũng sử dụng wavelet và mô phỏng trên EMTP để kiểm định Đến năm 1999 các tác giả trên đã phát triển đề tài trên cho mạng phân

phối hình tia Năm 2003 D Chanda et al đã trình bày một phương pháp mới cho

việc xác định vị trí sự cố dựa trên phân tích đa phân giải wavelet (MRA), mô phỏng

trong EMTP Năm 2007 C.K Jung et al đã mô tả một thuật toán mới lọc nhiễu, xác

định các sóng phản xạ có cùng tần số để xác định vị trí sự cố trong môi trường nhiễu, dựa trên biến đổi wavelet tĩnh…

Và rất nhiều công trình khác đã được công bố trên thế giới về vấn đề bảo vệ trong hệ thống điện như bảo vệ cho thanh cái, động cơ, máy phát, máy biến áp, nhận dạng chất lượng điện năng, giải tích tín hiệu, lọc sóng hài…

Giới thiệu những vấn đề trên để cho thấy rằng sử dụng biến đổi wavelet vào bài toán trong hệ thống điện nói chung hay bảo vệ hệ thống điện nói riêng đang ngày càng được nghiên cứu và mở rộng của ngành điện trên thế giới

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI

chính xác hơn các kỹ thuật kháng trở trong việc xác định vị trí sự cố của đường dây truyền tải, do không phụ thuộc vào điện trở ngắn mạch, phụ tải

và các thông số nguồn trước sự cố Zeng Xiangjun et al [12] đề xuất

phương pháp gắn thẻ thời gian bằng cách sử dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS), vị trí sự cố là được tính bằng thời gian sóng đến tại các cảm biến đặt ở đầu đường dây và V Šiožinys [13] dựa vào sự khác biệt thời gian giữa sóng phản xạ và khúc xạ Trong [14-17] và [20-28] dựa trên biến đổi wavelet tín hiệu quá độ do sự cố tạo ra Tuy nhiên, các phương pháp này có hạn chế không thể tách rời sóng truyền rõ ràng cho việc phát hiện vị trí sự cố từ các sóng khác của các tần số khác nhau, do các dao động và sóng đa hài quá độ của sự cố tạo ra gọi chung là nhiễu Trong [29-30] sử dụng phương pháp biến đổi wavelet kết hợp mạng nơron nhân tạo (ANNs) để

huấn luyện cũng đang được phát triển Kurt J Ferreira and Alexander E

Emanuel [31] dùng thiết bị cảm biến từ trường làm thiết bị đo lường thay thế cho việc xác định vị trí sự cố Phương pháp áp dụng giải thuật lọc nhiễu

bằng cách sử dụng tín hiệu từ một đầu đường dây xác định thời gian sóng tới và phản xạ cùng tần số trong [32] Phương pháp này ngày càng được nghiên cứu áp dụng nhiều hơn, do có nhiều ưu thế như: Không cần đường giao tiếp và đồng bộ thiết bị lấy mẫu ở hai đầu đường dây, đồng bộ lấy mẫu thường phức tạp, chẳng hạn như định vị GPS, phương pháp và kỹ thuật truyền thông không chỉ làm tăng chi phí đầu tư mà còn ảnh hưởng đến tính chính xác của kết quả Đồng thời, thuật toán dựa trên những kỹ thuật tính toán hiện đại ngày càng mạnh mẽ và đáp ứng chính xác hơn, cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghệ máy tính, vi xử lý

Sau đây, giới thiệu một số phương pháp tiêu biểu để xác định vị trí sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải từ những phương pháp nêu trên Phương pháp biến đổi wavelet kết hợp với lọc nhiễu để xử lý tín hiệu sóng truyền thu được từ một đầu đường dây để xác định vị trí ngắn mạch, thực hiện mô phỏng bằng Matlab-Simulink là phương pháp đề xuất của luận văn này

3.2- Phương pháp giải tích dựa vào phương trình Telegrapher 3.2.1- Tổng quan phương pháp

Phương pháp này dựa vào đặc tính điện áp và dòng điện là hàm theo khoảng cách của đường dây truyền tải và thời gian [10] Những thông số này có quan hệ với

thông số của đường dây do đó nên gọi là phương trình Telegrapher

Với R, l, G, C là điện trở, điện cảm, điện dẫn và điện dung của đường dây

trên một đơn vị chiều dài

,

Rit

ilxv



Gvxitv



(3.1)

Hình 3.1: Sơ đồ phương trình Telegrapher

Có thể giải phương trình trên bằng các điều kiện biên như Hình 3.1 với việc thay thế ZC =(Rjl)/(GjC) và  (R jl)(G jC), Vo=VR và I0=IR, cách giải là:

đường dây có thể coi như hai đường dây hoàn chỉnh Nghĩa là điện áp tại bất kỳ điểm nào trên đường dây cũng là hàm của điện áp và dòng điện tại cuối đường dây

trong trạng thái bình thường Hơn nữa, tại điểm ngắn mạch F điện áp được diễn tả qua hai tập dữ liệu (VS, IS) và (VR, IR) là tương đương Do đó, từ phương trình (3.2)

hoặc (3.3), điện áp tại điểm ngắn mạch cách đầu cuối D km có thể diễn tả như sau:





RR

CC

IVx

Zx

xZ

xIx

Vx

)cosh(/

)sinh(

)sinh()

cosh(



















SS

C

C

IVx

LZ

xL

xLZ

xLIx

Vx

))(

cosh()

/)(sinh(

)(sinh)

(cosh





(3.2)

(3.3)

Với VF là điện áp tại điểm F, giải phương trình (3.4) cho kết quả khoảng cách D như sau:

Với:

3.2.2- Ưu điểm và khuyết điểm chính của phương pháp

C phóng điện vào cáp Do tín hiệu phóng đi được truyền đến điểm ngắn mạch rồi

phản hồi trở lại, nên điểm ngắn mạch sẽ xác định được bằng thời gian truyền xung này Phương pháp này thích hợp với việc xác định những trường hợp ngắn mạch có điện trở ngắn mạch cao

(3.4)

(3.6)

RC

R

SC

S

V cosh((  ))  sinh((  )

)/(tanh

BA



,)

sinh()

SC

SC

I

(3.5)

Hình 3.2: Sơ đồ mạch của thiết bị phát sóng

3.3.2- Ưu điểm và khuyết điểm chính của phương pháp

3.4- Phương pháp biến đổi wavelet 3.4.1- Giới thiệu phương pháp wavelet trong việc xử lý tín hiệu số

Phương pháp biến đổi Fourier là phương pháp phân tích tín hiệu cổ điển nhưng có ý nghĩa rất lớn trong thực tế Tuy nhiên vì phân tích tín hiệu thành các thành phần trên miền tần số nên phép biến đổi Fourier làm mất thông tin theo miền thời gian Đây chính là nhược điểm lớn nhất của phương pháp này

Phương pháp biến đổi Fourier giới hạn trong “cửa sổ” hay giới hạn trong khoảng thời gian ngắn, phần nào hạn chế của phương pháp Fourier truyền thống như những thông tin về thời gian chỉ mang ý nghĩa tương đối, là khoảng thời gian hơn là thời điểm [18]

Chính vì vậy, phương pháp được chọn cho đề tài là phương pháp biến đổi Wavelet, phương pháp giải quyết hoàn toàn các nhược điểm của phương pháp Fourier Nên xu hướng hiện nay để giải bài toán phân tích tín hiệu số là xu hướng chủ đạo trong các nghiên cứu và ứng dụng thực tế

3.4.2- Phương pháp

Điểm mạnh của phương pháp là tránh được những sai số do thiết bị và sự

đồng bộ thông tin từ hai đầu như trong phương pháp phương trình Telegrapher

Việc lấy thông tin từ một đầu cuối và xử lý dễ dàng và chính xác hơn

Tín hiệu quá độ bao giờ cũng có rất nhiều tín hiệu bất thường, những tín hiệu này có chứa rất nhiều thông tin hữu ích Tuy nhiên, đối với vấn đề xác định vị trí ngắn mạch chỉ có thông tin quá độ tại một tần số nhất định là có ý nghĩa Do đó, trong vấn đề này, ta xem những tín hiệu không cần thiết là nhiễu Thuật toán mới [32] để lọc nhiễu này sẽ được áp dụng, tín hiệu phản hồi từ vị trí ngắn mạch sẽ được xác định Từ đó, xác định vị trí ngắn mạch Giải thuật này dựa trên những hệ số tương quan có được qua phép biến đổi wavelet tĩnh với nhiều cấp phân giải

Sau khi biến đổi wavelet tĩnh, sóng được phân tích thành hai nhóm chính là nhóm các hệ số xấp xỉ và nhóm các hệ số chi tiết Thông thường, các hệ số xấp xỉ chứa đựng các thành phần tần số thấp Các hệ số chi tiết chứa thông tin về các thành phần tần số cao Để nhận biết việc xảy ra ngắn mạch, các hệ số xấp xỉ thường được

sử dụng Còn trong việc xác định vị trí điểm ngắn mạch các hệ số chi tiết sẽ được sử dụng như giải thuật sẽ được sử dụng sau đây

3.4.3- Sơ đồ giải thuật

Số tín hiệu đủ?

“Correlation 1”

If, abs(Corr_new1)<abs(D1) Corr_new1=0, D1=0 “Tạo thành ma trận Corr_new1”

“Correlation 2”

If, abs(Corr_new2)<abs(Corr_new1) Corr_new2=0, D1=0 “Tạo thành ma trận Corr_new2”

nCorr

newCorr

PPCorrnew

21_



“Correlation 3”

If, abs(Corr_new3)<abs(Corr_new2) Corr_new3=0, D1=0 “Tạo thành ma trận Corr_new3”

nCorr

newCorr

PPCorrnew

33_



nCorr

D

PPCorrnew

11



Đúng Sai

n=n+1

Lấy mẫu (Điện áp hoặc dòng trên pha a,b,c)

Tính toán khoảng cách

3.4.4- Giải thích giải thuật

Đầu tiên các sóng điện áp hoặc dòng điện tại đầu đường dây truyền tải (hoặc cuối đường dây) được các thiết bị ghi nhận lại trong các hệ thống SCADA Khi phát hiện ra có hiện tượng ngắn mạch, những thông số gần nhất của điện áp hoặc dòng

điện được biến đổi wavelet tĩnh với thông số sóng Daubechies-2, bậc biến đổi bậc 4 Trên mỗi pha ta có các hệ số xấp xỉ A1, A2, A3, A4 và hệ số chi tiết D1, D2, D3, D4

Thành lập ma trận tương quan Correlation từ các ma trận hệ số chi tiết D1, D2, D3, D4 Kết quả tạo thành ma trận Correlation_new3 Với 2

1

21

lần thứ hai tại thời điểm TP2

Hình 3.3: Minh họa về sơ đồ sóng truyền