xây dựng và đánh giá mô hình quá độ điện từ trên hệ thống điện

Nghiên cứu, phân tích, đánh giá, xây dựng mô hình toán học của quá trình quá độ điện từtrong hệthống điện trên nền kỹthuật wavelets và xửlý sốtín hiệu.. Kết quảchính đạt được khoa học, ứ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

XÂY DỰNG VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN

MÃ SỐ: B2008 - 22 - 26

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2010

S 0 9

S KC 0 0 2 8 8 3

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

-+++ -BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆCẤP BỘ

XÂY DỰNG VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ

TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN

MÃ SỐ: B2008 – 22 – 26

Chủ nhiệm đề tài: Thạc Sĩ NGUYỄN NHÂN BỔN

TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 07/ 2010

Tóm tắ t đ ềtài

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ B2008-22-26

TÓM TẮT KẾT QUẢNGHIÊN CỨU ĐỀTÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆCẤP BỘ

Tên đềtài: Xây dựng và đánh giá mô hình quá độđiện từtrên hệthống điệ n

Mã số: B2008-22-26

Chủnhiệm đềtài: Th.S Nguyễn Nhân Bổn Tel.: 0903871443 Email:nnbon@hcmute.edu.vn

Cơquan chủtrì đềtài: ĐH SưPhạm KỹThuậtTPHCM

Cơquan và cá nhân phối hợp thực hiện: Bộmôn Điện Công Nghiệp khoa Điện-Điện Tử trư ờng ĐH SPKT TPHCM; Th.S Nguyễn Vinh Quan;Th.S Trần Quang Thọ;Th.S Nguyễ n Ngọc Âu.

Thời gian thực hiện: từtháng 05 năm 2008 đế n tháng 05 năm 2010

1 Mục tiêu:

Xây dựng giải thuật lai huấn luyện mạng neural trong việc phân tích, đánh giá quá trình quá độđiện từtrên hệthống điện kết hợp các kỹthuật tính toán hiện đại như:lý thuyết toán trong xửlý sốtín hiệu, lý thuyết xác suất, logic mờ

Nghiên cứu, phân tích, đánh giá, xây dựng mô hình toán học của quá trình quá độ điện từtrong hệthống điện trên nền kỹthuật wavelets và xửlý sốtín hiệu

Nhận dạng, phân loại các hiện tượng quá độđiện từ, các nguồn gây nhiễu loạn trong

hệthống điện

2 Nội dung chính:

+ Phương pháp mô phỏng, sửdụng các công cụ MATLAB hoặc ATP-EMTP, trong việc khảo sát các quá trình quá độđiện từ(ngắn mạch, đóng cắt trạm tụbù, đóng không tải máy biến áp, gián đoạn điện, chập chờn điện áp, sóng hài, tăng điện áp,giảm điện áp

+ Xây dựng mô hình toán học hiện tượng quá độđiện từ

+ Xây dựng mô hình toán dựa vào kỹthuật wavelets đánh giá quá trình quá độđiện từ

3 Kết quảchính đạt được (khoa học, ứng dụng, đào tạo, kinh tế– xã hội, v.v…)

Phần mềm ứng dụng hỗtrợcông tác vận hành lưới điện khi phân tích sựcố, tính toán quá độđóng cắt đường dây, máy biến áp, tính toán quá áp trên hệthống điện Phần mềm ứng dụng mô phỏng quá trình quá độđiện từtrong hệthống điện (đóng

cắt, sựcốngắn mạch,…)

Phần mềm ứng dụng huấn luyện, mô phỏng giảlập sựcốcho điều độviên hệthống điện

Phần mềm ứng dụng huấn luyện, mô phỏng, nhận dạng nhiễu chất lượng điện năng Tài liệu tham khảo sinh viên, kỹsư,nhà nghiên cứu và ứng dụng trí tuệnhân tạo trong phân loại nhiễu chất lượng điện; kỹthuật wavelets, xửlý sốtín hiệu, thuật toán wavelets giải trong hệthống điện

Tài liệu nghiên cứu cho sinh viên, học viên cao học vềtính toán quá độđiện từtrong

hệthống điện

Tóm tắ t đ ềtài

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ B2008-22-26

SUMMARY Project Title: Alalysis and Assessment electromagnetic transient in power systems Code number: B2008-22-26

Coordinator: ME Nguyen Nhan Bon

Implementing Institution: Hochiminh city University of Technical Education

Cooperating Institution(s):

Division of Industrial Electricity of Faculty of Electrical & Electronics Engineering of Hochiminh city University of Technical Education

ME Nguyen Vinh Quan; ME Tran Quang Tho ME.Nguyen Ngoc Au

Duration: From May 2008 to May 2010

1 Objectives:

Identification and classification power quality disturbances

Bringing out a new algorithm for power quality problems

Applying the wavelet-technique-based algorithm to assessment electromagnetic transients in electric power systems

2 Main contents:

Using MATLAB, ATP-EMTP softwares to simulate power quality voltage

disturbances such as capacitor switching, sag, swell, flicker, harmonics,

Wavelet-fourier- based artificial intelligent technology in assessment and

classification power quality disturbances

3 Results obtained:

An application software help power system operation on fault analysis, transmission line switching, power transformer modeling, assessment overvoltages in power systems

An application program for electromagnetic transient simulations to train power system operator

An application program for simulation, evaluation power quality disturbances

A reference document for students, engineers, researchers about artificial intelligent

on power quality problem, wavelets technique, digital signal processing, wavelet mathematics for ordinary differential equation

A document for researchers, graduate students on electromagnetic transient in power system

MỤC LỤC CHƯƠNG 0 : GIỚI THIỆU ĐỀTÀI (trang 1 2)

CHƯƠNG 1: CÔNG CỤ WAVELET ĐÁNH GIÁ QÚA ĐỘ ĐIỆN TỪ (NHIỄU CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ) KẾT HỢP CÔNG NGHỆTRÍ TUỆNHÂN TẠO ĐỂPHÂN LOẠI NHIỄU (trang 3 52)

V Các phương pháp phân loại nhiễu chất lượng điện năng

2 Đánh giá

3 Thờigian tính toán

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN QUÁ ĐỘĐIỆN TỪTRONG HỆTHỐNG ĐIỆN

(trang 53 82)

điện IEEE 9 nút, 14 nút và 30 nút)

CHƯƠNG 3: ĐO ĐẠC SỐLIỆU THÍ NGHIỆM (trang 82-96 )

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN (trang 97-98)

PHỤLỤC & TÀI LIỆU THAM KHẢO

I ĐẶT VẤN ĐỀ

II MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA NGHIÊN CỨU

III PHẠM VI NGHIÊN CỨU

IV ĐIỂM MỚI CỦA NGHIÊN CỨU

V GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU

VI BỐ CỤC CỦA NGHIÊN CỨU

Chương 0: Giới thiệu đề tài

I Đặ t vấn đề

Quá độ điện từ trong lưới điện luơn là mối quan tâm sâu sắc các nhà khoa học, trên các

tạp chí chuyên ngành điện IEEE, ScienceDirect,…luơn cĩ các cơng trình cơng bố Các quá độ điện từ luơn được quan tâm sâu sắc, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng, thiết

bị điện, cần cĩ nghiên cứu đầy đủ trong miền tần số Ở Việt nam vấn đề này ngày càng được quan tâm trong bối cảnh việt nam gia nhập WTO và chuẩn bị hình thành thị trường điện ở Việt Nam cho thấy sự cần thiết một nghiên cứu về một số quá trình quá

độ ảnh hưởng trực tiếp chất lượng điện năng cho khách hàng xét đến chất lượng điện

áp và dạng sĩng hình sin là cơsở ban đầu để các cơng ty Điện lực xây dựng các chương trình tính tốn, mơ phỏng các hiện tượng liên quan, từ đĩ đánh giá mức độ ảnh

hưởng đối với chất lượng điện được cung cấp, đề ra các biện pháp khắc phục khi chất

lượng này ngồi phạm vi qui định Cần cĩ nghiên cứu mới để mơ hình quá độ các phần

tử trong miền tần số nhưmáy biến áp, máy cắt,

Hiện nay vấn đề chất lượng điện năng cũng nhưquá áp, hưhỏng thiết bị luơn được các cơng ty điện lực quan tâm, trong bối cảnh việt nam gia nhập WTO và chuẩn

bị hình thành thị trường điện ở Việt Nam cho thấy sự cần thiết một nghiên cứu về một

số quá trình quá độ ảnh hưởng trực tiếp chất lượng điện năng cho khách hàng xét đến chất lượng điện áp và dạng sĩng hình sin là cơsở ban đầu để các cơng ty Điện lực xây

dựng các chương trình tính tốn, mơ phỏng các hiện tượng liên quan, từ đĩ đánh giá

mức độ ảnh hưởng đối với chất lượng điện được cung cấp, đề ra các biện pháp khắc phục khi chất lượng này ngồi phạm vi qui định Các nghiên cứu chưa đưa ra giải pháp phân tích trong miền tần số đối với các phần tử lưới điện Cần cĩ nghiên cứu mới để

mơ hình quá độ các phần tử trong miền tần số nhưmáy biến áp, máy cắt,

Nhưvậy, tập trung nghiên cứu hiện tượng quá độ trên lưới điện là hết sức cấp thiết và hữu ích, nghiên cứu phương pháp để phân tích, đánh giá hiện tượng quá độ điện từ (ngắn mạch, chập chờn, gián đoạn…) trên lưới điện, và mơ hình đúng đắn các phần tử trong lưới điện trong miền tần số

II Mục tiêu và nhiệ m vụ của nghiên cứu.

+ Xây dựng giải thuật lai huấn luyện mạng neural trong việc phân tích, đánh giá quá trình quá độ điện từ trên hệ thống điện kết hợp các kỹ thuật tính tốn hiện đại như:lý thuyết tốn trong xử lý số tín hiệu, lý thuyết xác suất, logic mờ + Nghiên cứu, phân tích, đánh giá, xây dựng mơ hình tốn học của quá trình quá

độ điện từ trong hệ thống điện trên nền kỹ thuật wavelets và xử lý số tín hiệu + Nhận dạng, phân loại các hiện tượng quá độ điện từ, các nguồn gây nhiễu loạn trong hệ thống điện

III Phạm vi nghiên cứu

+ Phương pháp mơ phỏng, sử dụng các cơng cụ MATLAB hoặc ATP-EMTP, trong việc khảo sát các quá trình quá độ điện từ (ngắn mạch, đĩng cắt trạm tụ

Chương 0: Giới thiệu đề tài

bù, đĩng khơng tải máy biến áp, gián đoạn điện, chập chờn điện áp, sĩng hài,

tăng điện áp, giảm điện áp

+ Xây dựng mơ hình tốn học hiện tượng quá độ điện từ

+ Xây dựng mơ hình tốn dựa vào kỹ thuật wavelets đánh giá quá trình quá độ điện từ

IV Điểm mới của nghiên cứu.

- Sử dụng kỹ thuật wavelet kết hợp cơng nghệ trí tuệ nhân tạo trong nhận dạng nhiễu chất lượng điện

- Ứng dụng giải thuật wavelet để giải hệ thống phương trình vi tích phân của hệ thống điện

V Giá trị thực tiễn của nghiên cứu

- Gĩp phần bài tốn nhận dạng nhiễu chất lượng điện năng Đưa ra so sánh, đánh giá ưu và nhược điểm của các phương pháp phân loại dùng trí tuệ nhân tạo

- Thuật tốn đề nghị giải trên hệ thống điện IEEE mẫu 9 nút, 14 nút, 30 nút

VI Bố cục của nghiên cứu

Đề tài được trình bày trong 4 chương

Chương 0 : Giới thiệu nghiên cứu

Chương I : Cơng cụwavelet đánh giá qúa độđiên từ(nhiễu chất lương điện ) kếthợp cơng nghệtrí tuệnhân tạo đểphân loạinhiễu

Chương II : Giải thuật wavelets , ứng dụng trong hệ thống điện

Chương III : Kết luận

Phụ Lục Và Tài Liệu Tham Khảo

Chương 1: Nhận dạng quá trình quá độ

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ – B2008-22-26

CHƯƠNG 1: CƠNG CỤ WAVELET ĐÁNH GIÁ QÚA ĐỘ ĐIỆN TỪ (NHIỄU CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ) KẾT HỢP CƠNG NGHỆ TRÍ TUỆ NHÂN TẠO ĐỂ PHÂN LOẠI NHIỄU.

I GIỚI THIỆU

1 Giới thiệu

2 Quá độ điện từ

3 Quá độ điện cơ

4 Qui tắc hình thang

II KHẢO SÁT WAVELET

1 Định nghĩa wavelet

2 Hệ thống wavelet

3 Tính chất

4 Đặc tính làm wavelet hiệu quả

5 Khơng gian tín hiệu

6 Cơng thức đa phân giải

7 Phân loại biến đổi wavelet

8 Bộ lọc và biến đổi wavelet

III ỨNG DỤNG WAVELET TRONG HỆTHỐNG ĐIỆN

IV KỸTHUẬT WAVELET NHẬN DẠNG NHIỄU CHẤT LƯỢNG ĐIỆN

1 Định nghĩa nhiễu chất lượng điện

2 Kỹ thuật wavelet trong nhận dạng nhiễu

3 Tổng hợp về nhận dạng nhiễu chất lượng điện năng

4 Kỹ thuật s-transform trong nhận dạng nhiễu chất lượng điện năng

V CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI NHIỄU CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

1 Phân loại bằng mạng neuron (PNN)

2 Kỹ thuật mờ (Fuzzy logic) trong phân loại nhiễu chất lượng điện năng

3 Kỹ thuật Nero-Fuzzy trong phân loại nhiễu chất lượng điện năng

Chương 1: Nhận dạng quá trình quá độ

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ – B2008-22-26

VI SO SÁNH KẾT QUẢVÀ ĐÁNH GIÁ

1 Bảng so sánh độ chính xác

2 Đánh giá

3 Thời gian tính tốn

VII ĐÁNH GIÁ CÁC HÀM WAVELET, ĐỘ CHÍNH XÁC VIII ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG

Chươ ng 1: Nhậ n dạng quá trình quá độ

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ B2008-22-26 Trang 3

I GIỚI THIỆU

Các nhiễu chủ yếu trong hệ thống điện là mối quan tâm thường xuyên của các công ty điện lực Các chương trình tính toán quá độ là phần quan trọng để thiết kế và điều khiển, để nâng khả năng tối đa của hệ thống chịu đựng các nhiễu Cho tới ngày nay các công cụ này trở nên hữu hiệu và tin cậy Một số chương trình tính toán có khả năng phân tích một hệ thống điện rộng lớn Các phần mềm thương mại hoá đưa ra các giải thuật cho các nhiệm vụ cụ thể.

Xem xét các chương trình mô phỏng trong miền thời gian, các nhiệm vụ khác nhau được mô tả bằng khung thời gian thích hợp, liên hệ trực tiếp các loại nhiễu trên hệ thống điện Các nhiễu này được phân loại các quá độ điện từ và các quá độ điện cơ Phạm vi tần số tiêu biểu cho hiện tượng quá độ trình bày hình 1.1

1 Quá độ điện từ: Quá độ do đóng mở máy cắt hay vận hành các thiết bị điện tử công suất hay các sự cố hoặc hư hỏng thiết bị, hoặc sét đánh vào đường dây

Bởi vì các quá độ phá huỷ trong vài chu kỳ, khu vực ảnh hưởng là “các trang thiết bị của lưới phân phối” như đường dây truyền tải, cáp, máy biến áp và các thiết bị bảo vệ Vì vậy để mô phỏng chính xác quá độ điện từ phải mô hình các phần tử chi tiết Trái lại do hằng số thời gian dài liên quan quá trình diễn ra của thiết bị nhà máy điện, như máy phát, turbine, các mô hình đơn giản của thiết bị như vậy trở lên hữu hiệu Trong hầu hết các trường hợp, một nguồn áp lý tưởng sau quá độ hay tổng trở máy điện quá độ con là lý do thể hiện nhà máy điện đối với khung thời gian của nghiên cứu quá độ điện từ tiêu biểu

Nghiên cứu các hiện tượng quá độ điện từ bao gồm: quá áp đóng cắt, quá áp phục hồi, cộng hưởng sắt từ EMTP là công cụ phổ biến để nghiên cứu loại quá độ này Tiêu biểu bước mô phỏng quá độ có bậc 10us, mặc dù bước thời gian phụ thuộc quá trình quá độ mô phỏng

2 Quá độ điện cơ: là quá độ chậm hơn do không cân bằng công suất giũa Nguồn điện và tải tiêu thụ, vì vậy liên quan đến dao động trong các rotor máy điện do sự mất cân bằng turbine và đầu cực máy phát Sự phân tích hiện tượng quá độ này xem như mô phỏng ổn định, liên quan mô phỏng trong miền thời gian, hiện tượng này phân loại 3 trường hợp phân tích ổn định

Chươ ng 1: Nhậ n dạng quá trình quá độ

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ B2008-22-26 Trang 4

a) Ổn định quá độ: Đây là sự phân tích ổn định động của rotor máy phát trong vài giây đầu tiên sau sự cố Các sư cố được giả định trên hệ thống truyền tải ảnh hưởng cắt tạm thời các thiết bị bảo vệ, dẫn đến thay đổi trào lưu công suất hệ thống và ảnh hưởng ổn định hệ thống và gây mất đồng bộ các máy phát và tách máy phát ra khỏi lưới.

b) Oån định lâu dài: Phân tích này liên quan đáp ứng lâu dài của hệ thống tới điều kiện khắc nghiệt Các phân tích này liên quan điện áp, tần số, trào lưu công suất các phân tích này tập trung quá trình diễn ra trong máy phát (trao đổi nhiệt động, kênh dẫn nhiệt động trong máy phát thủu điện Thời gian phân tích mô phỏng khoảng vài chục phút.

c) Ổn định trung hạn: Đây là nghiên cứu liên quan chuyển trạng thái từ đáp ứng quá độ ổn định động đến đáp ứng ổn định dài hạn, Nghiên cứu tập trung dao động công suất đồng bộ giữa các máy phát, bao gồm ảnh hưởng một vài hiện tượng quá độ chậm, thời gian nghiên cứu trong khoảng vài phút.

Để giải quyết bài toán quá độ điện từ, các chương trình PSCAD, MicroTransients, ECAP, TRAC và EMTP mô phỏng hiệu quả, các chương trình này giải phương trình vi phân trong miền thời gian với các giải thuật Đặc biệt

Chươ ng 1: Nhậ n dạng quá trình quá độ

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ B2008-22-26 Trang 5

chương trình EMTP với qui tắc hình thang đưa ra một giải pháp hiệu quả, được ứng dụng phân tích các hệ thống điện lớn

Quy tắc hình thang: được dùng để biến đổi những phương trình vi phân

của từng phần tử hệ thống điện thành phương trình đại số gồm các giá trị điện áp, dòng điện và những giá trị cũ Những phương trình đại số này được tập hợp lại bằng phương pháp nút tương đương Kết quả ma trận tổng dẫn này là đối xứng và không thay đổi nếu phép lấy tích phân được thực hiện với các bước thời gian có độ lớn cố định ( fixed time-step size) Quy trình này có thể ứng dụng vào những mạng lưới có độ lớn bất kỳ.

Để giải quyết bài toán quá độ hay chất lượng điện năng, hiện nay sử dụng xử lý tín hiệu đặc biệt là kỹ thuật wavelet, sẽ được trình bày

II KHẢO SÁT WAVELETS

Trong chương này trình bày về định nghĩa, tính chất, phân loại wavelet và những hàm quan trọng của wavelet Các hàm đóng này đặc trưng trong phép biến đổi

wavelet

II.1 Định nghĩa về biến đổi Wavelet :

Một tín hiệu hay hàm f(t) có thể được phân tích, mô tả hay xử lý nếu được chỉ ra như một phân tích tuyến tính :

f(t) = 

l l

a( ) (1.2.1) với l là tổng hữu hạn hay vô hạn , al là hệ số giá trị thực của khai triển vàlt là tập hàm thực của t gọi là tập khai triển Nếu 1.2.1 là duy nhất, tậplt được gọi là cơ sở đối với lớp hàm

Nếu cơ sở là trực giao nghĩa là :

 t , l t k t l t dt 0

thì hệ số có thể tính bởi tích trong :

 t t f t t dt f

a k  ,k  k (1.2.3) Đối với chuỗi Fourier , hàm trực giaolt là sin(kw0t) và cos(kw0t) với tần số của

kw0.