Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp hiện đại nhận dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận án “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đại nhận dạng cố ngắn mạch đường dây truyền tải điện” cơng trình nghiên cứu riêng tơi hồn thành bảo tận tình tập thể thầy giáo hướng dẫn khoa học Các kết nghiên cứu luận án trung thực, phần cơng bố tạp chí khoa học chuyên ngành với đồng ý đồng tác giả, phần cịn lại chưa cơng bố cơng trình khác Thái Ngun, ngày tháng năm 2019 Nghiên cứu sinh ii LỜI CẢM ƠN Trong q trình làm luận án, tơi nhận nhiều ý kiến đóng góp từ thầy giáo, cô giáo, anh chị bạn đồng nghiệp Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến thầy PGS.TSKH Trần Hoài Linh Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, thầy TS Đỗ Trung Hải Trường đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Hội đồng Khoa học – Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đồng nghiệp trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp gia đình có ý kiến đóng góp q báu tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun, Phịng Đào tạo - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Công ty lưới điện cao Miền Bắc, Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia - Tập đoàn ĐLVN tạo nhiều điều kiện tốt mặt để tơi hồn thành luận án Tác giả luận án iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4.Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Những đóng góp luận án Cấu trúc luận án Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Tổng quan phương pháp định vị cố đường dây tải điện 1.3 Phương pháp đo lường từ phía 1.3.1 Phương pháp điện kháng đơn 1.3.2 Phương pháp Takagi 1.3.3 Phương pháp Takagi cải tiến 1.4 Phương pháp đo lường từ hai đầu 11 1.5 Phương pháp sử dụng mạng nơron 12 1.6 Phương pháp sóng lan truyền 13 1.6.1 Phương pháp định vị cố dựa nguyên lý sóng lan truyền từ điểm cố 14 1.6.2 Phương pháp sóng lan truyền từ đầu đường dây 15 1.7 Kết luận chương 19 Chương 2: CÁC GIẢI PHÁP CỦA LUẬN ÁN TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN SÓNG LAN TRUYỀN 20 2.1 Mô hình tốn học sóng lan truyền đường dây 20 2.1.1 Mô hình đường dây truyền tải điện 20 2.1.2 Nguyên lý lan truyền sóng đường dây 25 2.1.3 Sóng điện từ đường dây tải điện không cố 27 2.1.4 Sóng điện từ đường dây tải điện có điểm cố: 31 2.1.5 Trường hợp tổng quát: 32 iv 2.2 Các giải pháp đề xuất luận án 33 2.2.1 Sơ đồ khối ước lượng vị trí cố 33 2.2.2 Phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động đường dây khơng có nhánh rẽ 34 2.2.3 Phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động đường dây có nhiều nhánh rẽ .35 2.3 Phương pháp mô kiểm nghiệm kết nghiên cứu sở sử dụng công cụ Matlab/Simulink 36 2.4 Kết luận chương 40 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP TDR XÁC ĐỊNH SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY .41 3.1 Mô tả phương pháp 41 3.2 Wavelet ứng dụng wavelet để phân tích sóng phản xạ 41 3.3 Mạng nơron mờ ứng dụng để hiệu chỉnh thời điểm sóng phản xạ 55 3.1 Quy tắc suy luận mạng TSK 56 3.3.2 Mô hình mạng nơron mờ TSK 58 3.3.3 Thuật toán học mạng nơron mờ TSK 59 3.3.4 Khởi tạo mạng nơron cho trình học: 63 3.3.5 Thuật phân cụm trừ mờ 63 3.3.6 Mạng TSK để hiệu chỉnh thời điểm sóng phản xạ 65 3.4 Kết mơ tính tốn sử dụng phương pháp TDR 67 3.4.1 Mơ hình mơ sóng lan truyền đường dây dài sử dụng công cụ Matlab/Simulink 67 3.4.2 Kết mơ sóng lan truyền từ Matlab- Simulink 69 3.4.3 Kết ước lượng sử dụng phân tích wavelet 73 4.2.3 Kết hiệu chỉnh sai số vị trí cố mạng nơron TSK : 76 3.5 Thử nghiệm thiết kế chế tạo thiết bị TDR sử dụng FPGA 80 3.5.1 Công nghệ FPGA ứng dụng mạch tốc độ cao 81 3.5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch thu phát TDR sử dụng FPGA 83 3.5.3 Kết thực nghiệm 84 3.6 Kết luận Chương 87 Chương 4: PHƯƠNG PHÁP TFDR ĐỂ XÁC ĐỊNH SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY CÓ NHÁNH RẼ 88 4.1 Mô tả phương pháp TFDR 88 4.2 Tín hiệu chirp 89 4.3 Hệ số tương quan 92 4.4 Sử dụng hàm tương quan để xác định vị trí cố: 94 4.4.1 Sử dụng hàm tương quan để xác định vị trí cố đường dây khơng có nhánh rẽ: 94 4.4.2 Xác định vị trí cố đường dây có nhánh rẽ 98 v 4.4.3 Một số kết mô sử dụng phương pháp TFDR 105 4.5 Kết luận chương 113 Kết luận hướng phát triển 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 Phụ lục 1: Thơng số cài đặt mơ hình Matlab-Simulink 124 Phụ lục 2: Chương trình phân tích sóng phản xạ TDR 126 Phụ lục 3: Chương trình phân tích sóng phản xạ TFDR 127 Phụ lục 4: Chương trình thử nghiệm nhận dạng cố sử dụng chip FPGA 129 Phụ lục 5: Sơ đồ mạch FPGA 134 Phụ lục 6: Chương trình tính hàm mật độ: 135 Phụ lục 7: Chương trình thuật tốn SubtractiveClustering 136 Phụ lục 8: Chương trình huấn luyện mạng TSK 136 Phụ lục 9: Chương trình kiểm tra mạng TSK huấn luyện 140 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý Nghĩa TDR Time Domain Reflectometry Nghĩa tiếng Việt Phản xạ miền thời gian TFDR TFDR - Time Frequency Domain Reflectometry Phản xạ miền thời gian tần số ANNs Artificial Neural Networks Mạng noron nhân tạo ATP Alternative Transient Program Phần mềm mô ATP FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh MATLAB Matrix Laboratory Chương trình Matlab FT Fourier Transform Biến đổi phổ Fourier FPGA Field-Programmable Gate Array Mảng cổng lập trình dạng trường I/O Input/ Output Cổng vào/ ISE Interative Softwave Engineering Phần mềm ISE ADC Analog-to-Digital Converter Bộ biến đổi tương tự số DAC Digital to Analog Converter Bộ biến đổi số tương tự VHDL Very High Speed integrated circuit hardware Description Language Ngơn ngữ lập trình dùng để diễn tả phần cứng tích hợp tốc độ cao vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị A Ý nghĩa Dòng điện phức V Điện áp phức Z Ω Tổng trở R Ω/km Điện trở riêng L H/km Điện cảm riêng C F/km Điện dung riêng Z Ω/km Tổng trở sóng riêng f Hz Tần số sóng G Km/Ω Điện dẫn v Km/s Vận tốc truyền sóng Nep/km Hệ số tắt dần mục 2.1.2 Rad/km Hệ số pha mục 2.1.2 I U C Hệ số khúc xạ Hệ số phản xạ Ghi viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1: Tổng hợp cố đường dây truyền tải điện 110kV Công Ty Lưới điện Cao miền Bắc - chi nhánh Thái Nguyên năm 2013 2012 10 Bảng 2: Kết thử nghiệm phương pháp sóng phản xạ từ điểm cố Nippon đường dây 220kV Thái Nguyên - Hà Giang theo [14] 15 Bảng 3.1: Vận tốc truyền sóng đường dây truyền tải điện 71 Bảng 2: Kết tính tốn xác định vị trí cố ba pha 74 Bảng 3: Kết tính tốn xác định vị trí cố ba pha chạm đất lfault=20 km 75 Bảng 4: Kết tính tốn xác định vị trí cố 1pha, pha chạm đất cố pha l= 20, 30 km 75 Bảng 1: Bảng kết xác định vị trí cố áp dụng phương pháp hàm tương quan 107 Bảng 2: Kết xác định thời điểm sóng phản xạ từ đầu đường dây khơng có cố 111 Bảng 3: Kết xác định vận tốc phân đoạn đường dây 111 Bảng 4: Kết xác định vị trí cố ngắn mạch pha chạm đất 111 Bảng 5: Kết xác định vị trí cố ngắn mạch pha chạm đất 112 Bảng 6: Kết khảo sát vị trí cố với điện trở khác 112 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ minh họa cố đường dây có nguồn cấp Hình 1.2: Sơ đồ thay minh họa cố đường dây có nguồn cấp Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý đường dây bị cố với hai nguồn cấp 11 Hình 1.4: Sơ đồ thay đường dây cố 11 Hình 1.5: Sự lan truyền phản xạ sóng dòng điện đường dây 14 Hình 1: Mơ hình đường dây truyền tải hình pha 20 Hình 2: Mơ hình phân đoạn đường dây truyền tải hình ba pha 21 Hình 3: Sơ đồ thay đường dây có thơng số rải 23 Hình 4: Sơ đồ thay mạng cửa đường dây truyền tải pha 23 Hình 5: Sơ đồ thay đường dây truyền tải ba pha 25 Hình 2.6: Mơ hình Petersen tương đương để giải tốn truyền sóng 28 Hình 2.7: Mơ hình Petersen tương đương mạch có tải trở 29 Hình 2.8: Mơ hình Petersen tương đương mạch có tải R nối tiếp L 29 Hình 2.9: Mơ hình Petersen tương đương mạch có tải R song song L .30 Hình 2.10: Mơ hình Petersen tương đương mạch R song song C 30 Hình 2.11: Mơ hình Petersen tương đương mạch R nối tiếp C 31 Hình 2.12: Sơ đồ khối tổng quan phương pháp xác định vị trí cố đường dây truyền tải điện 34 Hình 13: Sơ đồ khối xác định vị trí cố đường dây truyền tải điện 35 Hình 14: Sơ đồ mơ số vị trí cố nhánh rẽ 36 Hình 15:Mơ hình mơ q trình truyền sóng đường dây truyền tải điện .37 Hình 16: Sơ đồ khối mô dạng ngắn mạch, nguồn phát xung chiều, nguồn phát tín hiệu hình chirp 38 Hình 17: Mơ hình khối thiết bị đo tín hiệu phản xạ từ điểm cố cuối đường dây .39 Hình 1: Nguyên lý làm việc Time Domain Reflectometer 41 Hình 3.2: Một số wavelet kinh điển 45 Hình 3.3: Cấu trúc bước liên tiếp phân tích tín hiệu ban đầu thành thành phần chi tiết xấp xỉ 48 Hình 3.4: Tín hiệu gốc hàm y(t) 49 Hình 3.5: Phân tích phổ wavelet Daubechies tín hiệu y(t) 49 Hình 3.6: Tín hiệu gốc hàm y1(t) 50 Hình 3.7: Phân tích phổ wavelet Daubechies tín hiệu y1(t) 50 x Hình 3.8: Tín hiệu đầu đường dây có tải R-L cố pha vị trí l=20km thành phần chi tiết d1 tín hiệu 51 Hình 3.9: Thành phần d1 tín hiệu điện áp từ Hình 3.8 phóng to 51 Hình 3.10: Tín hiệu đầu đường dây có tải R cố pha trở vị trí l=30km thành phần chi tiết d1 tín hiệu 53 Hình 3.11: Thành phần d1 tín hiệu điện áp từ Hình 3.10 phóng to 54 Hình 3.12: Tín hiệu đầu đường dây có tải R cố pha có điện trở nối tiếp điện cảm vị trí l=30km thành phần chi tiết d1 tín hiệu 54 Hình 3.13: Thành phần d1 tín hiệu điện áp từ Hình 3.12 phóng to 54 Hình 3.14: Mạng nơron mờ TSK 58 Hình 3.15: Thuật tốn học mạng TSK 61 Hình 3.16: Dạng sóng điện áp đầu đường dây cố pha l=10km cố RL .66 Hình 3.17: Hình ảnh phóng to tín hiệu đầu đường dây hình bên 66 Hình 3.18: Minh họa việc trích 20 mẫu giá trị tức thời xung quanh thời điểm to để làm liệu đưa vào mạng nơron 66 Hình 3.19: Mơ hình mơ xác định thành phần sóng lan truyền phản xạ đường dây pha khơng có cố đường dây với nguồn phát xung chiều 68 Hình 3.20: Mơ hình mơ xác định thành phần sóng lan truyền phản xạ đường dây pha có cố đường dây 69 Hình 3.21: Mơ hình mơ xác định thành phần sóng lan truyền phản xạ đường dây pha có cố đường dây khơng có tải 69 Hình 3.22: Dạng sóng điện áp đầu đường dây tải trở Rtai=100( ) 70 Hình 3.23: Dạng sóng điện áp đầu đường dây tải R || C ( Rtai=100( ), C=1µF) 70 Hình 3.24 : Dạng sóng điện áp đầu đường dây tải R ntL (Rtai=100( ), L=10mH) 70 Hình 3.25: Tín hiệu đầu đường dây đo khơng có cố hình ảnh phóng to tín hiệu phản xạ từ cuối đường dây 70 Hình 3.26 : Dạng sóng điện áp đầu đường dây cố pha vị trí l=20km a) Khi có trở Rfault=10 , Rload=100 b) Sự cố Rfault=10 Lfault=0,5mH, Rload=100 71 Hình 3.27: Dạng sóng điện áp đầu đường dây cố pha vị trí l=20km (Khi tải Rload=100 song song với Cload=1µF) 72 Hình 3.28: Dạng sóng điện áp đầu đường dây cố pha vị trí l=20km (Rfault=10 tải trở Rload=100 ) 72 Hình 3.29: Dạng sóng điện áp đầu đường dây cố pha vị trí l=20km (Rfault=10 tải Rnt L, Rload=100 , Lload=1 mH) 72 128 end % -% xac dinh gia tri thoi diem y4=Coeff; n=length(y4); y4=y4(6000:6500); maxy4=max(y4); for i=6000:1:6500 if y1(i)==maxy4 t4=i; end end % -y5=Coeff; n=length(y5); y5=y5(7200:7800); maxy5=max(y5); for i=7200:1:7800 if y1(i)==maxy5 t5=i; end end % -% xac dinh gia tri thoi diem ph?n x? t? đi?m y6=Coeff; n=length(y6); y6=y6(7600:8000); maxy6=max(y6); for i=7600:1:8000 if y1(i)==maxy6 t6=i; end end y7=Coeff; n=length(y7); y7=y7(8000:9000); maxy7=max(y7); for i=8000:1:9000 if y1(i)==maxy7 t7=i; end end % thoi gian song di va phan hoi detat2=(t2-t1)*1000/10000; % ns v0=2*46.7/detat2*10^6 % -xac dinh van toc -128- 129 Phụ lục 4: Chương trình thử nghiệm nhận dạng cố sử dụng chip FPGA `timescale 1ns / 1ps module clk_gen(CLKIN_IN, RST_IN, CLKFX_OUT, CLKIN_IBUFG_OUT, CLK0_OUT); input CLKIN_IN; input RST_IN; output CLKFX_OUT; output CLKIN_IBUFG_OUT; output CLK0_OUT; wire CLKFB_IN; wire CLKFX_BUF; wire CLKIN_IBUFG; wire CLK0_BUF; wire GND_BIT; assign GND_BIT = 0; assign CLKIN_IBUFG_OUT = CLKIN_IBUFG; assign CLK0_OUT = CLKFB_IN; BUFG CLKFX_BUFG_INST (.I(CLKFX_BUF), O(CLKFX_OUT)); IBUFG CLKIN_IBUFG_INST (.I(CLKIN_IN), O(CLKIN_IBUFG)); BUFG CLK0_BUFG_INST (.I(CLK0_BUF), O(CLKFB_IN)); DCM_SP #( CLK_FEEDBACK("1X"), CLKDV_DIVIDE(2.0), CLKFX_DIVIDE(1), CLKFX_MULTIPLY(5), CLKIN_DIVIDE_BY_2("FALSE"), CLKIN_PERIOD(20.000), CLKOUT_PHASE_SHIFT("NONE"), DESKEW_ADJUST("SYSTEM_SYNCHRONOUS"), DFS_FREQUENCY_MODE("LOW"), DLL_FREQUENCY_MODE("LOW"), DUTY_CYCLE_CORRECTION("TRUE"), FACTORY_JF(16'hC080), PHASE_SHIFT(0), STARTUP_WAIT("FALSE") ) DCM_SP_INST (.CLKFB(CLKFB_IN), CLKIN(CLKIN_IBUFG), DSSEN(GND_BIT), PSCLK(GND_BIT), PSEN(GND_BIT), PSINCDEC(GND_BIT), RST(RST_IN), CLKDV(), -129- 130 CLKFX(CLKFX_BUF), CLKFX180(), CLK0(CLK0_BUF), CLK2X(), CLK2X180(), CLK90(), CLK180(), CLK270(), LOCKED(), PSDONE(), STATUS()); Endmodule ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// module rs232ctrl( clk, TxD, RxD, din, TxD_busy, TxD_start ); input clk; input RxD; input [7:0] din; input TxD_start; output TxD; output TxD_busy; wire [7:0] TxD_data; assign TxD_data = din; // Instantiate the module async_transmitter async_transmitter_unit ( clk(clk), TxD_start(TxD_start), TxD_data(TxD_data), TxD(TxD), TxD_busy(TxD_busy) ); async_receiver async_receiver_unit ( clk(clk), RxD(RxD), -130- 131 RxD_data_ready(RxD_data_ready), RxD_data(RxD_data), RxD_idle(RxD_idle), RxD_endofpacket(RxD_endofpacket) ); Endmodule // Chương trình tạo xung phát vào đầu đường dây: `timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// module async_transmitter( input clk, input TxD_start, input [7:0] TxD_data, output TxD, output TxD_busy ); // Assert TxD_start for (at least) one clock cycle to start transmission of TxD_data // TxD_data is latched so that it doesn't have to stay valid while it is being sent parameter ClkFrequency = 25000000; // 25MHz parameter Baud = 115200; //số bit truyền thời gian giây theo chuẩn RS232 generate if(ClkFrequency