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

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP DƯƠNG HỊA AN Tên đề tài : NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆN ĐẠI NHẬN DẠNG SỰ CỐ NGẮN MẠCH TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9.52.02.16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận án “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp hi ện đại nhận dạng cố ngắn mạch đường dây truyền tải ện” công trình nghiên cứu riêng tơi hồn thành bảo tận tình tập th ể thầy giáo hướng dẫn khoa học Các kết nghiên cứu luận án trung thực, phần công bố tạp chí khoa học chuyên ngành v ới s ự đồng ý đồng tác giả, phần cịn lại chưa cơng bố cơng trình khác Thái Ngun, ngày tháng năm 2019 Nghiên c ứu sinh LỜI CẢM ƠN Trong q trình làm luận án, tơi nhận nhiều ý ki ến 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 Tr ường đ ại học Bách Khoa Hà Nội, thầy TS Đỗ Trung Hải Trường đại học Kỹ thu ật Công Nghiệp Hội đồng Khoa học – Khoa Điện - Trường Đại h ọc Kỹ thu ật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo Khoa Đi ện - Tr ường Đ ại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đồng nghiệp trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp gia đình có ý ki ến 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 thu ật Cơng nghiệp Thái Ngun, Phịng Đào tạo - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghi ệp, Công ty lưới điện cao Miền Bắc, Tổng Cơng ty Truyền tải điện Qu ốc gia Tập đồn ĐLVN tạo nhiều điều kiện tốt mặt đ ể tơi hồn thành luận án Tác giả luận án MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu .1 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4.Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài .3 Những đóng góp luận án Cấu trúc luận án .4 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN T ẢI ĐIỆN .5 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 .8 1.4 Phương pháp đo lường từ hai đầu 10 1.5 Phương pháp sử dụng mạng nơron 11 1.6 Phương pháp sóng lan truyền 12 1.6.1 Phương pháp định vị cố dựa nguyên lý sóng lan truyền từ điểm cố .12 1.6.2 Phương pháp sóng lan truyền từ đầu đường dây 14 1.7 Kết luận chương .17 Chương 2: CÁC GIẢI PHÁP CỦA LUẬN ÁN TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PH ẦN SÓNG LAN TRUYỀN .18 2.1 Mơ hình tốn học sóng lan truyền đường dây 19 2.1.1 Mơ hình đường dây truyền tải điện 19 2.1.2 Nguyên lý lan truyền sóng đường dây 24 2.1.3 Sóng điện từ đường dây tải điện không cố 25 2.1.4 Sóng điện từ đường dây tải điện có điểm cố: 30 2.1.5 Trường hợp tổng quát: .31 2.2 Các giải pháp đề xuất luận án 32 2.2.1 Sơ đồ khối ước lượng vị trí cố 32 2.2.2 Phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động đường dây khơng có nhánh rẽ 33 2.2.3 Phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động đường dây có nhiều nhánh rẽ 34 2.3 Phương pháp mô kiểm nghiệm kết nghiên cứu sở sử dụng công cụ Matlab/Simulink .35 2.4 Kết luận chương .39 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP TDR XÁC ĐỊNH SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY 40 3.1 Mô tả phương pháp 40 3.2 Wavelet ứng dụng wavelet để phân tích sóng phản xạ 40 3.3 Mạng nơron mờ ứng dụng để hiệu chỉnh thời điểm sóng phản xạ 54 3.1 Quy tắc suy luận mạng TSK 55 3.3.2 Mơ hình mạng nơron mờ TSK 57 3.3.3 Thuật toán học mạng nơron mờ TSK 58 3.3.4 Khởi tạo mạng nơron cho trình học: 62 3.3.5 Thuật phân cụm trừ mờ 62 3.3.6 Mạng TSK để hiệu chỉnh thời điểm sóng phản xạ 64 3.4 Kết mơ tính tốn sử dụng phương pháp TDR 66 3.4.1 Mơ hình mơ sóng lan truyền đường dây dài sử d ụng công cụ Matlab/Simulink .66 3.4.2 Kết mơ sóng lan truyền từ Matlab- Simulink 68 3.4.3 Kết ước lượng sử dụng phân tích wavelet 72 4.2.3 Kết hiệu chỉnh sai số vị trí cố mạng nơron TSK : 75 3.5 Thử nghiệm thiết kế chế tạo thiết bị TDR sử dụng FPGA 79 3.5.1 Công nghệ FPGA ứng dụng mạch tốc độ cao 79 3.5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch thu phát TDR sử dụng FPGA 81 3.5.3 Kết thực nghiệm 82 3.6 Kết luận Chương .85 Chương 4: PHƯƠNG PHÁP TFDR ĐỂ XÁC ĐỊNH SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY CÓ NHÁNH RẼ 86 4.1 Mô tả phương pháp TFDR 86 4.2 Tín hiệu chirp .87 4.3 Hệ số tương quan .90 4.4 Sử dụng hàm tương quan để xác định vị trí cố: 91 4.4.1 Sử dụng hàm tương quan để xác định vị trí cố đường dây khơng có nhánh rẽ: 91 4.4.2 Xác định vị trí cố đường dây có nhánh rẽ 96 4.4.3 Một số kết mô sử dụng phương pháp TFDR 103 4.5 Kết luận chương 111 Kết luận hướng phát triển 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO 113 Phụ lục 1: Thơng số cài đặt mơ hình Matlab-Simulink .122 Phụ lục 2: Chương trình phân tích sóng phản xạ TDR 124 Phụ lục 3: Chương trình phân tích sóng phản xạ TFDR 125 Phụ lục 4: Chương trình thử nghiệm nhận dạng cố sử dụng chip FPGA .127 Phụ lục 5: Sơ đồ mạch FPGA 132 Phụ lục 6: Chương trình tính hàm mật độ: 133 Phụ lục 7: Chương trình thuật tốn SubtractiveClustering 134 Phụ lục 8: Chương trình huấn luyện mạng TSK 134 Phụ lục 9: Chương trình kiểm tra mạng TSK huấn luyện .138 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý Nghĩa Nghĩa tiếng Việt TDR Time Domain Reflectometry 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 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa I& A Dòng điện phức U& 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 ZC 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  Hệ số khúc xạ  Hệ số phản xạ Ghi 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 Bảng 2: Kết thử nghiệm phương pháp sóng phản xạ từ điểm cố Nippon đường dây 220kV Thái Nguyên - Hà Giang theo [14] 14Y Bảng 3.1: Vận tốc truyền sóng đường dây truyền tải điện .70 Bảng 2: Kết tính tốn xác định vị trí cố ba pha 73 Bảng 3: Kết tính tốn xác định vị trí cố ba pha chạm đất l fault=20 km .73 Bảng 4: Kết tính tốn xác định vị trí cố 1pha, pha chạm đất cố pha l= 20, 30 km 74 Bảng 1: Bảng kết xác định vị trí cố áp dụng phương pháp hàm tương quan 105 Bảng 2: Kết xác định thời điểm sóng phản xạ từ đầu đường dây khơng có cố.108 Bảng 3: Kết xác định vận tốc phân đoạn đường dây .109 Bảng 4: Kết xác định vị trí cố ngắn mạch pha chạm đất 109 Bảng 5: Kết xác định vị trí cố ngắn mạch pha chạm đất 110 Bảng 6: Kết khảo sát vị trí cố với điện trở khác 110 10 DANH MỤC CÁC HÌNH V 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 .7 Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý đường dây bị cố với hai nguồn cấp 10 Hình 1.4: Sơ đồ thay đường dây cố 10 Hình 1.5: Sự lan truyền phản xạ sóng dịng điện đường dây 13Y Hình 1: Mơ hình đường dây truyền tải hình  pha 19 Hình 2: Mơ hình phân đoạn đường dây truyền tải hình  ba pha .20 Hình 3: Sơ đồ thay đường dây có thơng số rải 21 Hình 4: Sơ đồ thay mạng cửa đường dây truyền tải pha 22 Hình 5: Sơ đồ thay đường dây truyền tải ba pha .23 Hình 2.6: Mơ hình Petersen tương đương để giải tốn truyền sóng 26 Hình 2.7: Mơ hình Petersen tương đương mạch có tải trở .27 Hình 2.8: Mơ hình Petersen tương đương mạch có tải R nối tiếp L 28 Hình 2.9: Mơ hình Petersen tương đương mạch có tải R song song L 28 Hình 2.10: Mơ hình Petersen tương đương mạch R song song C 29 Hình 2.11: Mơ hình Petersen tương đương mạch R nối tiếp C 30 Hình 2.12: Sơ đồ khối tổng quan phương pháp xác định vị trí cố đường dây truyền tải điện 33 Hình 13: Sơ đồ khối xác định vị trí cố đường dây truyền tải điện 34 Hình 14: Sơ đồ mơ số vị trí cố nhánh rẽ 35 Hình 15:Mơ hình mơ q trình truyền sóng đường dây truyền tải điện 36 Hình 16: Sơ đồ khối mô dạng ngắn mạch, nguồn phát xung chiều, nguồn phát tín hiệu hình chirp 37 Hình 17: Mơ hình khối thiết bị đo tín hiệu phản xạ từ điểm cố cuối đường dây Hình 1: Nguyên lý làm việc Time Domain Reflectometer .40 Hình 3.2: Một số wavelet kinh điển .44 Hình 3.3: Cấu trúc bước liên tiếp phân tích tín hiệu ban đầu thành thành phần chi tiết xấp xỉ 47 Hình 3.4: Tín hiệu gốc hàm y(t) 48 Hình 3.5: Phân tích phổ wavelet Daubechies tín hiệu y(t) 48 Hình 3.6: Tín hiệu gốc hàm y1(t) 49 Hình 3.7: Phân tích phổ wavelet Daubechies tín hiệu y1(t) 49 138 Phụ lục 4: Chương trình thử nghiệm nhận dạng c ố 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), - 138 - 139 RST(RST_IN), CLKDV(), 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 ( - 139 - 140 clk(clk), RxD(RxD), 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