Nghiên cứu xây dựng thuật toán tự động chẩn đoán lỗi trong lưới điện phân phối

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VĂN DANH NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỰ ĐỘNG CHẨN ĐỐN LỖI TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2018 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Tiến Dũng Phản biện 1: Tiến sĩ Hà Xuân Vinh Phản biện 2: Tiến sĩ Nguyễn Hoàng Mai Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 29 tháng 12 năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa  Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong trình vận hành hệ thống điện phân phối, xuất lỗi (sự cố/hiện tượng bất thường) xảy với tần suất dày đặc đặc thù lưới điện phân phối với độ dự trữ cách điện kém, khối lượng đường dây/thiết bị nhiều đặc biệt địa hình phân bố phức tạp Có nhiều ngun nhân dẫn đến ổn định hệ thống: cố hư hỏng thiết bị phân phối, phương tiện giao thơng xâm hại cơng trình lưới điện, động vật tác động, cối ngã đổ vào đường dây, yếu tố thời tiết (giông sét, tố lốc ), suy giảm phần tử cách điện đường dây, phụ tải khơng đối xứng… Việc xác định xác vị trí nguyên nhân lỗi để loại trừ/xử lý nhanh yêu cầu lớn quản lý vận hành lưới điện Từ nhu cầu thực tiễn trên, tác giả định chọn đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu xây dựng thuật toán tự động chẩn đoán lỗi lưới điện phân phối" Đề tài đưa đề xuất giải pháp chẩn đoán, xác định lỗi hệ thống điện để đáp ứng yêu cầu vận hành linh hoạt rút ngắn thời gian xử lý lỗi MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Trên sở vấn đề đặt dựa hiểu biết kinh nghiệm vận hành, đặc thù địa lý đoạn đường dây (vùng rừng núi, vùng có mật độ giông sét cao, vùng phụ tải trung tâm, khu công nghiệp ) việc chẩn đoán lỗi lưới phân phối dựa liệu khai thác từ tin liệu rơ le hệ thống SCADA Tuy nhiên, chất sở liệu không xác, khơng chắn hoặc/và khơng đầy đủ Đề xuất xây dựng thuật toán chẩn đoán lỗi hệ thống điện có độ xác cao, phù hợp với kết cấu lưới điện địa phương để giải vấn đề nêu trình tìm lỗi mạng lưới phân phối Phương pháp thực hỗ trợ cho việc chẩn đoán, xử lý cố cho lưới phân phối ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Lưới điện phân phối với đặc tính thơng số vận hành trường hợp vận hành bình thường phát sinh lỗi Phân tích tình hình thực tế Việt Nam vấn đề xác định loại trừ lỗi lưới điện phân phối Phạm vi nghiên cứu đối tượng thực dựa vào mô Matlab Simulink, không thực với thiết bị thực tế 2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Khảo sát thực tiễn vấn đề lưới điện phân phối tỉnh Quảng Ngãi Nghiên cứu công trình nghiên cứu cơng bố nước giới tự động chẩn đoán lỗi lưới điện phân phối Chọn mơ hình lưới điện phân phối để làm đối tượng Từ xây dựng mơ hình tốn học cho trường hợp khơng có lỗi cho trường hợp lỗi Mơ đối tượng lưới điện phân phối Matlab-Simulink Phân tích đáp ứng mô cho trường hợp lỗi, từ tìm đặc điểm đáp ứng, thấy ảnh hưởng đến hoạt động lưới điện phân phối Nghiên cứu đề xuất thuật toán tự động chẩn đoán lỗi cho lưới điện phân phối Các điều kiện thu thập tín hiệu đo lường hướng ứng dụng phù hợp cho thực trạng lưới điện phân phối Việt Nam Nghiên cứu kết thu mô kiểm chứng MatlabSimulink để từ rút kết luận Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI - Ý nghĩa khoa học: Đề tài góp phần hồn thiện lý thuyết tự động chẩn đoán lỗi hệ thống điện, áp dụng cho lưới điện phân phối Việt Nam - Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài xây dựng thuật toán chẩn đoán lỗi hệ thống điện sử dụng thực tế vận hành lưới điện, hỗ trợ Điều độ viên đưa định xử lý loại trừ lỗi thông tin vị trí lỗi đến cơng nhân quản lý vận hành giúp việc tiếp cận xử lý cố nhanh Điều giảm thiểu số SAIDI/SAIFI/MAIFI góp phần đảm bảo tiêu độ tin cậy lưới điện CẤU TRÚC CỦA ĐỀ TÀI - Đề tài tổ chức gồm có chương, phần sau: Trước tiên, phần mở đầu giới thiệu lý chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài, phương pháp nghiên cứu ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Chương giới thiệu chung tình hình thực tiễn, tính cấp thiết đề tài, trường hợp lỗi xảy thực tế phương pháp chẩn đoán lỗi lưới điện phân phối - Chương mơ hình tốn học lưới điện phân phối gồm xây dựng mơ hình tốn học cho lưới điện phân phối bản, mơ hình tốn học lưới điện có cố (lỗi), kết mô đáp ứng lưới điện với trường hợp lỗi phân tích đáp ứng lỗi ảnh hưởng đến lưới điện - Chương đề xuất thuật toán tự động chẩn đoán lỗi - Chương mô kiểm chứng với trường hợp chưa có lỗi, trường hợp có lỗi thuật tốn tự động đưa thơng tin lỗi Phân tích kết mơ kết luận, hướng phát triển kiến nghị 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN LỖI TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 1.1 TÌNH HÌNH THỰC TIỄN Hiện nay, việc vận hành tin cậy lưới điện phân phối toán nan giải lưới điện Quảng Ngãi nói riêng Việt Nam nói chung Phần lớn vấn đề phát sinh lỗi loại trừ lỗi hệ thống phân phối chưa kiểm sốt thực có hiệu Với 3.200km chiều dài lưới điện 22/35kV Công ty Điện lực Quảng Ngãi quản lý có đến 2/3 khối lượng đường dây qua khu vực đồi núi rừng nguyên liệu giấy, việc quản lý vận hành phức tạp Bài tốn tìm điểm lỗi hệ thống phân phối đề tài gây khó khăn Có trường hợp lỗi phải nhiều thời gian để phát tiếp cận xử lý Các đường dây độc đạo cấp điện cho khu vực miền núi tỉnh Quảng Ngãi như: Ba Tơ, Sơn Tây, Tây Trà… trải dài 40km có lúc phải ngừng cung cấp điện đến 16 để giải vấn đề tìm kiếm, xử lý cố Việc ngừng cung cấp điện chất lượng điện cho khu vực rộng lớn ảnh hưởng nhiều đến hoạt động sản xuất kinh doanh, an ninh trị địa bàn Lỗi Hình 1.1 Ảnh hưởng lỗi/sự cố hệ thống điện phân phối Thời gian điện kéo dài việc phân đoạn tìm cố dẫn đến số độ tin cậy cung cấp điện thuộc hạng thấp khu vực giới, đặc biệt số SAIFI SAIDI Số liệu năm 2017 - Quảng Ngãi SAIFI: 551 (phút/kh); SAIDI: 14 (lần/kh) - Bình quân CPC: 578 (phút/kh); SAIDI: 15 (lần/kh) Hình 1.2 Chỉ số SAIFI, SAIDI Quảng Ngãi, CPC, Nhật Bản nước 1.2 CÁC TRƢỜNG HỢP LỖI/SỰ CỐ PHỔ BIẾN TRONG THỰC TẾ VẬN HÀNH LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 1.2.1 Lỗi suy giảm cách điện 1.2.2 Lỗi vi phạm hành lang bảo vệ an toàn lƣới điện 1.2.3 Lỗi tiếp xúc điểm đấu nối 1.2.4 Lỗi tƣợng thời tiết cực đoan 1.2.5 Lỗi động vật, bò sát gây ngắn mạch 1.2.6 Lỗi tải đƣờng dây/trạm biến áp phân phối, thi công lắp đặt không đảm bảo kỹ thuật, … 1.3 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN LỖI TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 1.3.1 Phƣơng pháp giải tích dựa vào phƣơng trình Telegrapher 1.3.2 Phƣơng pháp NOVOSEL 1.3.3 Phƣơng pháp chẩn đoán loại trừ lỗi hệ thống điện ứng dụng hệ chuyên gia kết hợp logic mờ Kết luận: Thực trạng lưới điện phân phối với vấn đề chẩn đốn, loại trừ cố xác nhanh chóng tốn khó khăn bới có q nhiều yếu tố bất định đến từ nguyên nhân chủ quan, khách quan tính đặc thù Đã có nhiều giải pháp nghiên cứu đề xuất cho vấn đề nêu trên, nhiên tùy thuộc vào tính chất, loại hình trạng lưới điện yếu tố vùng miền để đưa giải pháp có hiệu cho việc vận hành lưới điện an toàn, chất lượng kinh tế 7 CHƢƠNG 2: MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN BA PHA ĐIỂN HÌNH 2.1 MƠ TẢ HỆ THỐNG Một hệ thống điện ba pha gồm nguồn cân bằng, đường dây với phụ tải thành phần Hình 2.1: Hệ thống phân phối điển hình Trong đó: - Nguồn ba pha cân có điện áp hiệu dụng 22kV, tần số 50Hz; - Tổng trở đường dây - Tổng trở phụ tải - Dòng điện - Phụ tải thành phần RLC với phần thực ảo biểu diễn dạng: ; ; ; S = R +jX Điện áp điểm A xác định theo công thức: (2.1) Áp dụng phép chuyển đổi chuỗi (2.1) thành (2.2), (2.2) Trong đó: Và , trở kháng thành phần đối xứng tính tốn sau: (2.3) (2.4) Biểu diễn dạng ma trận trở kháng, hệ thống cân (2.3) viết dạng: (2.5.1) (2.5.2) (2.5.3) Ở trạng thái hệ thống vận hành bình thường trường hợp cố khác sử dụng công thức (2.4) để xác định vị trí lỗi hệ thống 2.2 MƠ PHỎNG HỆ THỐNG + Sơ đồ mô hệ thống simulink: Hình 2.2 Mơ phần tử hệ thống phân phối Matlab simulink Phần tử đóng cắt (RC) thực sau thời điểm 2.5 chu kỳ, phần tử tạo lỗi sau thời điểm 10 chu kỳ Xét hệ thống 20 chu kỳ trường hợp vận hành khác hệ thống 2.2.1 Trạng thái hệ thống vận hành bình thƣờng Đồ thị điện áp dạng sin chuẩn với giá trị đặt: Hình 2.3 Đồ thị điện áp ba pha Vabc 2.2.2 Trƣờng hợp lỗi pha C chạm đất L1 L2 Điện áp pha chạm đất giảm giá trị Vc = Ic.Rf, Vc sau vị trí lỗi khơng giá trị điện áp pha lại tăng lên lần 10 2.2.3 Trƣờng hợp ngắn mạch hai pha B, C lần lƣợt L1 L2: 11 2.2.4 Trƣờng hợp ngắn mạch hai pha chạm đất lần lƣợt L1 L2: 2.2.5 Trƣờng hợp ngắn mạch ba pha/ba pha chạm đất lần lƣợt L1 L2: Điện áp ba pha 12 Kết luận: Qua mô hệ thống điển hình chế độ vận hành khác nhau, kết mô cho giá trị tiêu chuẩn lưới điện Các giá trị hiệu dụng biến thiên thành phần dòng, áp chuẩn áp dụng vào việc tính tốn so sánh với giá trị thu thập từ hệ thống đo xa, tin tủ điều khiển RC, relay thu thập từ substation để đưa kinh nghiệm chẩn đoán dựa sai số mức tốt 13 CHƢƠNG 3: ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN CHẨN ĐOÁN LỖI 3.1 CHẨN ĐOÁN LỖI TRÊN CƠ SỞ THÀNH PHẦN ĐỐI XỨNG Xét hệ thống phân phối ba pha cân trường hợp lỗi pha A chạm đất Hình: 3.1 Sơ đồ lỗi chạm đất pha hệ thống ba pha cân Điện áp pha A thời điểm lỗi xác định công thức: Vsa = (1 – d)Zl1 x (Isa + kTs0) + If x Rf (3.1) Với cố pha chạm đất, giá trịnh tính tốn theo cơng thức: If = 3If2 (3.2) Và thành phần thứ tự nghịch dòng cố If2 xác định sử dụng hệ số phân phối Df = If2/Is2 dòng thứ tự nghịch Is2 xác định điểm đo lường Hình: 3.2 Sơ đồ mạch điện thay lỗi chạm đất pha Mạch thay dòng thứ tự nghịch cho hệ thống cân Hình thể hình Theo định luật Kirchhoff cho pha A ta có phương trình điện áp: ( ) (3.3) 14 ( ) (3.4) Với A1 = Zl2, B1 = Zs2 + Zl2, D1 = Zr2 Hệ số phân phối Df cho dòng thứ tự nghich xác định: (3.5) Phương trình (3.5) cách xác định thành phần thứ tự nghịch dòng cố từ dòng diện từ nguồn Thay vào phương trình (3.1) PT (3.2) (3.5), ta có: ( ) ( ( ) ) ( ) ))( ) ( ) (3.6) Hay, ( ) ( ( ) (3.7) Phương trình (3.7) biểu diễn theo biến khoảng cách lỗi sau: ( ) ( ) ( ) ( ) (3.8) Từ phần ảo (3.8), điện trở lỗi xác định: ( ) (3.9) Thay vào phần thực (12) (13), ta có: ( ) ( ) =0 (3.10) Từ (3.10) xác định d khoảng cách lỗi 1-d 3.2 THUẬT TOÁN CHẨN ĐOÁN LỖI + Khái niệm bản: Với hệ ba pha điển hình xảy lỗi pha chạm đất 15 Ta có: ( ) (3.11) Với: VSabc = [VSa VSb VSc]: vector điện áp pha; Isabc = [ISa Isb Isc]: vector dòng điện pha; Vfabc = [Vfa Vfb Vfc]: vector điện áp pha thời điểm lỗi; Ma trận điện kháng đường dây: [ ] If: Dòng lỗi; Vì điện áp pha lỗi giống nhau, pha điện áp A diễn tả sau: ( )( ) (3.12) Ma trận điện dẫn Yf xác định (3.13) Và ma trận điện dẫn YL tải xác đinh cách lấy nghịch đảo trở kháng đường dây tải, sau: ( Với ma trận trở kháng tải: ) 16 [ ] Sau đó, dòng lỗi xác định từ việc sử dụng tính chất mạch song song: [ ) ] ( [ Với, ] [ ( (3.14) ] ) ( ) (3.15) Các ma trận A,B,C,D xác định sau: ( ) [ ] =[ B [ ] ] C (3.16) D [ ] [ ] (3.17) Ta có: [ ( ) ] [ ]( ) [ ] (3.18) Lưu ý hàng (3.18) đưa ra: [ ] [ [ ] ] (3.19) 17 Sau đó, phương trình dòng lỗi viết lại thành: [ ] [ ][ ][ ] (3.20) ), ta có biểu thức cuối theo dòng lỗi: Bỏ qua yếu tố không xét ( [ ] [ ] (3.21) Thay (3.21) vào (3.12), ta có: ( )( [( ) ) ( ) ( ) ] (3.22) Hoặc, ( ( ) )( ) ( ) (3.23) Với: Phương trình (3.23) xếp lại thành đa thức bậc hai biến khoảng cách d: ( ( ) ( ) (3.24) 18 Thể hệ số (3.24) theo số phức biểu diễn dạng hình chữ nhật, là: ( ) Phương trình (3.24) viết thành: ( ) ( ) ( ) (3.25) Với thành phần ảo: (3.26) Từ phần thực, đa thức bậc hai theo d xác định sau: ( Với a = ( Ta có phương trình: ) ( ), b = ( a ) ) + bd + c = (3.27) c = (3.28) Từ (3.28) xác định khoảng cách lỗi d: √ (3.29) Kết luận: Với phương trình xác định vị trí lỗi dựa phân tích mạch trực tiếp áp dụng cho hệ thống cân không cân nào, ba pha, ba /một pha 19 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KIỂM NGHIỆM 4.1 MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CÁC VỊ TRÍ LỖI CỤ THỂ: Xét hệ thống: Hình 4.1 Mơ hệ thống phân phối trường hợp lỗi pha chạm đất Hệ thống xét trường hợp lỗi pha chạm đất, chín khoảng cách lỗi khác từ 0,1 đến 0,9 tương ứng 3/30 km cho khoảng cách lỗi Tương ứng với vị trí lỗi cho trước ta thu giá trị Vabc, Iabc, Vsabc, Isabc, với: - Vabc: điện áp tình trạng vận hành bình thường; Iabc: dòng điện tình trạng vận hành bình thường; Vsabc: điện áp tình trạng vận hành lỗi vị trí khác nhau; Isabc: dòng điện tình trạng vận hành lỗi vị trí khác nhau; Rf: điện trở lỗi cho giá trị 0; 30Ω 50Ω + Kết thu sau (*): 20 Hình 4.3 Đồ thị điện áp, dòng điện lỗi ba pha Vsabc, Isabc vị trí d=3km 21 Hình 4.5 Đồ thị điện áp, dòng điện lỗi ba pha Vsabc, Isabc vị trí d=27km Nhận xét: - Đồ thị điện áp, dòng điện ba pha Vabc, Iabc chế độ vận hành bình thường điều hòa giá trị 22kV 76A Độ biến thiên dòng điện lỗi Isabc thay đổi theo hướng giảm từ giá trị 876A - đến 402A vị trí d = 0km đến d = 30km Độ biến thiên điện áp lỗi Vsabc thay đổi theo hướng tăng từ giá trị 1500V - đến 8500V vị trí d = 0km đến d = 30km 4.2 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VỚI THUẬT TỐN ĐỀ XUẤT: Xuất phát từ tốn giải đa thức bậc (3.27) thuật toán xây dựng, với tham số đầu vào: - Vabc: điện áp vận hành bình thường; - Iabc: dòng điện vận hành bình thường; Vsabc: điện áp lỗi đưa vào từ giá trị thu (*) Isabc: dòng điện lỗi đưa vào từ giá trị thu (*); - If: dòng điện lỗi pha Rf: Với giá trị trở kháng lỗi lần lượt: 0, 30, 50Ω Thông số đường dây phụ tải: [ ] [ ] 22 Thực xác định khoảng cách thuật toán chẩn đoán lỗi trường hợp lỗi khác ta thu kết khoảng cách d Với tỷ lệ % sai số: Hình 4.6 Đồ thị mô tả độ sai lệch theo khoảng cách điện trở lỗi Kết luận: Qua giá trị so sánh kết ta thấy độ sai số thuật toán nằm giới hạn từ 0.12% đến 7.3% sai số Khi giá trị Rf tăng cao tính đột biến độ sai số tăng yếu tố bất định đường dây ảnh hưởng phụ tải Điều tương tự khoảng cách d gia tăng độ sai số tăng theo Tuy nhiên mức độ chấp nhận với khả khoanh vùng cố khoảng cách tương đương không vượt chiều dài 1,2 km trường hợp cố cuối đường dây với điện trở chạm đất lớn 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua nghiên cứu thực luận văn “ Nghiên cứu xây dựng thuật toán tự động chẩn đoán lỗi hệ thống điện phân phối” nhận thấy đạt số kết sau: Đã hệ thống yêu cầu vấn đề xử lý lỗi thực tế vận hành từ dạng lỗi đặc thù, phương pháp chẩn đoán đề xuất, sử dụng trước nhiều nơi khác nhau; Sử dụng mơ hình tốn để tổng hợp, hồn thiện mơ phần mềm Matlab-Simullink với hệ thống phân phối đặc thù tiêu biểu; từ sử dụng kết mơ hình để phân tích, nghiên cứu, đánh giá so sánh với kết thực tế thuật toán đề xuất; Xây dựng thuật toán xác định khoảng cách lỗi với thông số đầu vào cố định ảnh hưởng yếu tố bất định việc tìm khoảng cách lỗi, thực kiểm nghiệm qua nhiều lần thử/so sánh đối chiếu khác để đưa kết mức độ chấp nhận với khả khoanh vùng cố; Vì thời gian khả nghiên cứu có hạn, tơi đề xuất giải trường hợp đơn giản đặc thù “chạm đất pha sở phân tích offline” ảnh hưởng yếu tố: hỗ cảm, sóng hài bậc cao, phụ tải bất đối xứng… dẫn đến độ sai lệch cao Mong muốn tác giả tiếp tục nghiên cứu để có phương pháp chẩn đốn “online” với đầy đủ thơng số ảnh hưởng liên quan mơ hình lưới điện phức tạp hơn, trường hợp lỗi đa dạng nhằm áp dụng hỗ trợ công tác vận hành, điều độ hệ thống điện phân phối./  ... giả định chọn đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu xây dựng thuật toán tự động chẩn đoán lỗi lưới điện phân phối" Đề tài đưa đề xuất giải pháp chẩn đoán, xác định lỗi hệ thống điện để đáp ứng yêu cầu... thuyết tự động chẩn đoán lỗi hệ thống điện, áp dụng cho lưới điện phân phối Việt Nam - Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài xây dựng thuật toán chẩn đoán lỗi hệ thống điện sử dụng thực tế vận hành lưới điện, ... phương pháp chẩn đoán lỗi lưới điện phân phối - Chương mơ hình tốn học lưới điện phân phối gồm xây dựng mơ hình tốn học cho lưới điện phân phối bản, mơ hình tốn học lưới điện có cố (lỗi) , kết mô