Hiện tượng rung của máy biến áp trong chế độ làm việc bình thường và sự cố, ứng dụng mạng nơron để nhận dạng trạng thái máy biến áp

Bài viết đề xuất giải pháp giám sát và phát hiện các lỗi trong MBA phân phối biến áp 22/0,4 kV dựa trên tín hiệu điện và rung. Các mẫu dữ liệu được mô phỏng bằng phần mềm ANSYS, mạng nơron nhân tạo cổ điển MLP được sử dụng làm bộ phân loại. Các kết quả mô phỏng cho thấy tính chính xác của giải pháp được đề xuất.

LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA HIỆN TƯỢNG RUNG CỦA MÁY BIẾN ÁP TRONG CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG VÀ SỰ CỐ, ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON ĐỂ NHẬN DẠNG TRẠNG THÁI MÁY BIẾN ÁP CIRCUIT BREAKER OF THE BATTERY IN THE NORMAL WORKING SYSTEM AND INCIDENTAL, APPLICATION OF NEURAL NETWORK TO RECOGNIZE THE TRANSFORMER Đào Duy Yên1, Đỗ Văn Đỉnh2, Vũ Anh Tuấn3 Email: dodinh75@gmail.com Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên Trường Đại học Sao Đỏ Trường Đại học Tài - Quản trị kinh doanh Ngày nhận bài: 27/4/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 28/6/2018 Ngày chấp nhận đăng: 28/9/2018 Tóm tắt Hệ thống điện hệ thống phức tạp cấu trúc vận hành, xảy cố phần tử hệ thống ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện gây thiệt hại lớn kinh tế Vì vậy, việc nhận dạng trạng thái máy biến áp (MBA) trình làm việc giúp ta chẩn đoán sớm dạng cố máy biến áp (MBA) pha, qua giảm bớt thiệt hại kinh tế nâng cao độ tin cậy, chất lượng điện cung cấp cho hộ tiêu thụ cần thiết Bài báo đề xuất giải pháp giám sát phát lỗi MBA phân phối biến áp 22/0,4 kV dựa tín hiệu điện rung Các mẫu liệu mô phần mềm ANSYS, mạng nơron nhân tạo cổ điển MLP sử dụng làm phân loại Các kết mơ cho thấy tính xác giải pháp đề xuất Từ khóa: Phát cố; mơ hình máy biến áp; phần mềm ANSYS; chuyển vị rung động, mạng nơron Abstract Power system is a complex system in both structure and operation Any incident during the system operation affects the reliability of power supply, power quality and may cause great losses The power transformers are key elements of a power system Thus, the online identification of the transformers’ status helps us to early diagnose the possible malfunctions, thereby will help to reduce economic losses and improve the reliability This makes the online identification at great desire This paper presents a method of supervising and detecting the faults in a distribution 22/0.4 kV transformer based on electrical and vibration signals The data samples are simulated using ANSYS software, the classical artificial neural network MLP is used as the classifier The numerical results show the correctness of the proposed solutions Keywords: Fault detection; transformer model; finite elements method; mechanical vibration; neural networks GIỚI THIỆU MBA bị cố cao, tốn thời gian tiền Máy biến áp (MBA) phần quan trọng hệ thống truyền tải điện Khi MBA bị hư hỏng làm gián đoạn cung cấp điện liên tục, ảnh hưởng đến đời sống, kinh tế - xã hội bạc Hiện nay, lưới điện đối mặt với hệ thống MBA bị lão hóa già cỗi, hay tải, nguy cố MBA lưới điện lớn Bởi vậy, tổng thể việc phân tích, giám sát trạng thái vùng, khu vực… Ngoài ra, chi phí cho MBA trở nên cần thiết việc vận chuyển, bảo dưỡng sửa chữa Trên giới có bước phát triển kỹ thuật Người phản biện: PGS.TS Trần Vệ Quốc TS Đặng Hồng Hải nhanh chóng phương diện phép đo, thu thập, phân tích liệu để xác định lỗi nhằm Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 13 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC đưa đánh giá kịp thời tình trạng MBA Có nhiều phương pháp để chẩn đốn tình trạng MBA, tựu chung lại chia làm hai hướng Hướng thứ phương pháp online có nghĩa kiểm tra, chẩn đốn trạng thái MBA mà khơng cần cắt điện Hướng thứ hai phương pháp offline, kiểm tra, chẩn đoán trạng thái MBA việc cắt điện Đối với việc cắt điện kiểm tra MBA khó thực việc cắt điện ảnh hưởng tới sản lượng phụ tải, tiêu kinh doanh công ty điện lực đời sống kinh tế - xã hội nhân dân Hiện nay, có nhiều phương pháp giám sát, chẩn đốn tình trạng MBA [1]: (1) Phân tích hàm lượng khí hịa tan dầu MBA (DGADisolved Gas Analysis), (2) Đo phóng điện cục MBA (PD - Partial Discharge), (3) Phân tích đáp ứng tần số quét (FRA - Frequency Response Analysis) Để giám sát tình trạng hoạt động MBA có nhiều phương pháp đề xuất có phương pháp đo độ rung MBA [2, 3] Phương pháp giám sát độ rung MBA giống phương pháp đo đáp ứng tần số quét, từ ghi độ rung xác định tình trạng khí MBA, ưu điểm phương pháp giám sát online liên tục tình trạng khí MBA Bài báo tập trung nghiên cứu phương pháp đáp ứng tần số quét (FRA) đề xuất giải pháp giám sát trực tuyến độ rung MBA phân phối 22/0,4 kV thông qua kỹ thuật nhận dạng đáp ứng tần số rung MBA để giám sát chẩn đoán tình trạng hoạt động MBA PHÂN TÍCH RUNG ĐỘNG THEO MIỀN TẦN SỐ Việc tính nguyên vẹn học ban đầu MBA lực biến dạng cuộn dây, dịch chuyển lõi thép,… tác động lực điện lớn, mà nguyên nhân dòng điện cố Sự biến dạng cuộn dây việc dịch chuyển lõi thép không phát sớm thường chuyển thành hư hỏng điện môi nhiệt Loại hư hỏng thay đổi có khắc phục cách đại tu MBA quấn lại cuộn dây, sửa chữa lại lõi thép thay hoàn toàn MBA Vì vậy, cần thiết phải kiểm tra nguyên vẹn MBA lắp đặt sau trình vận chuyển, MBA vận hành cách định kỳ đặc biệt sau cố ngắn mạch, nhằm đánh giá tình trạng bất thường đưa cảnh báo sớm hư hỏng xảy Đã chục năm nay, hãng chế tạo thiết bị chẩn đoán MBA giới đưa áp dụng kỹ thuật để giải hiệu vấn đề này, “Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số” (FRA - Frequency Response Analysis) MBA xem mạng lưới phức hợp bao gồm phần tử RLC Những đóng góp vào mạng lưới phức hợp RLC xuất phát từ điện trở cuộn dây đồng; điện cảm cuộn dây điện dung có từ lớp cách điện búi dây, cuộn dây với nhau, cuộn dây lõi thép, lõi thép vỏ thùng, thùng máy cuộn dây Tuy nhiên, sử dụng mạch đẳng trị đơn giản hóa với phần tử RLC gộp lại minh họa hình để giải thích cách xác nguyên lý kỹ thuật đáp ứng tần số Hình Mạch đẳng trị đơn giản hóa với phần tử RLC gộp lại Đáp ứng tần số tiến hành cách đặt tín hiệu điện áp thấp có tần số thay đổi vào cuộn dây MBA đo hai tín hiệu đầu vào đầu Tỷ số hai tín hiệu cho ta đáp ứng yêu cầu Tỷ số gọi hàm truyền MBA, từ ta thu giá trị độ lớn góc pha Với tần số khác nhau, mạng lưới RLC cho mạch tổng trở khác Vì lý đó, hàm truyền tần số đơn vị đo lường tổng trở thực mạng lưới RLC MBA TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG RUNG TRONG MÁY BIẾN ÁP Hiện tượng rung MBA sinh lực khác xuất lõi thép cuộn dây bên MBA suốt trình vận hành Sự rung động cuộn dây gây lực điện động, có tương tác dịng điện 14 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA chảy cuộn dây từ thơng dị làm cho cuộn dây bị rung Lực điện động tỷ lệ với bình phương dịng điện bao gồm hai thành phần dọc trục xuyên tâm Hình Chuyển vị theo phương y vỏ máy Biên độ chuyển vị theo phương y lớn đạt 4,4473.10-5 mm ứng với tần số 50 Hz Chuyển vị theo phương z vỏ máy: Hình Mạch từ cuộn dây máy biến áp Sự rung động lõi thép tượng gọi từ giảo, từ giảo tượng vật thể kim loại trải qua biến dạng hình dạng đặt vào từ trường PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG TẦN SỐ RUNG MÁY BIẾN ÁP TRONG CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG VÀ SỰ CỐ TRONG PHẦN MỀM ANSYS Hình Chuyển vị theo phương z vỏ máy Biên độ chuyển vị theo phương z lớn đạt mm tương ứng với tần số 50 Hz 6,14 ⋅ 10-5 mm 4.2 Mã B: Máy biến áp cố chập vòng dây Chuyển vị theo phương x vỏ máy: Trong báo này, tác giả thực mô xử lý số liệu sau: - Mã A: MBA làm việc bình thường - Mã B: MBA cố chập vòng dây - Mã C: MBA cố chập 5% tổng số vòng dây cao áp - Mã D: MBA cố chập 10% tổng số vòng dây cao áp 4.1 Mã A: Máy biến áp làm việc bình thường Chuyển vị theo phương x vỏ máy: Hình Chuyển vị theo phương x vỏ máy Biên độ chuyển vị theo phương x lớn đạt mm tương ứng với tần số 115 Hz 146,00 ⋅ 10-5 mm Chuyển vị theo phương y vỏ máy: Hình Chuyển vị theo phương x vỏ máy Hình Chuyển vị theo phương y vỏ máy Biên độ lớn đạt 6,401 ⋅ 10-5 mm mm tương ứng với tần số 115 Hz Biên độ chuyển vị theo phương y lớn đạt mm ứng với tần số 50 Hz 44,473 ⋅ 10-5 mm Chuyển vị theo phương y vỏ máy: Chuyển vị theo phương z vỏ máy: Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 15 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Biên độ chuyển vị theo phương z lớn đạt 0,0054 mm ứng với tần số 195 Hz 4.4 Mã D: Máy biến áp cố chập 10% tổng số vòng dây cao áp Chuyển vị theo phương x vỏ máy: Hình Chuyển vị theo phương z vỏ máy Biên độ chuyển vị theo phương z lớn đạt 0,00614 mm ứng với tần số 50 Hz 4.3 Mã C: Máy biến áp cố chập 5% tổng số vòng dây cao áp Chuyển vị theo phương x vỏ máy: Hình 12 Chuyển vị theo phương x vỏ máy Biên độ chuyển vị theo phương x lớn đạt 0,1935 mm ứng với tần số 120 Hz Chuyển vị theo phương y vỏ máy: Hình Chuyển vị theo phương x vỏ máy Biên độ chuyển vị theo phương x lớn đạt 0,0036 mm ứng với tần số 195 Hz Chuyển vị theo phương y vỏ máy: Hình 13 Chuyển vị theo phương y vỏ máy Biên độ chuyển vị theo phương y lớn đạt 0,74037 mm ứng với tần số 50 Hz Chuyển vị theo phương z vỏ máy: Hình 10 Chuyển vị theo phương y vỏ máy Biên độ chuyển vị theo phương y lớn đạt 0,0096 mm ứng với tần số 195 Hz Chuyển vị theo phương z vỏ máy: Hình 14 Chuyển vị theo phương z vỏ máy Biên độ chuyển vị theo phương z lớn đạt 10,183 mm ứng với tần số 50 Hz ỨNG DỤNG MẠNG MLP TRONG PHÂN LOẠI CÁC TÍN HIỆU ĐIỆN – CƠ CỦA MÁY BIẾN ÁP 5.1 Mạng nơron MLP Hình 11 Chuyển vị theo phương z vỏ máy Từ nơron McCulloch – Pitts phát triển thành mạng MLP (MultiLayer Perceptron) mạng truyền thẳng 16 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA - Các nơron xếp thành lớp (layer), mạng gồm lớp kênh tín hiệu đầu vào (input layer), lớp kênh tín hiệu đầu (output layer), gồm số lớp trung gian gọi chung lớp ẩn (hidden layers); - Giữa hai lớp liên tiếp có ghép nối từ nơron lớp trước tới nơron lớp sau hướng từ đầu vào đến đầu (mạng truyền thẳng); - Các nơron lớp có hàm truyền đạt Mạng MLP với cấu trúc hình sử dụng rộng rãi việc tái tạo ánh xạ vào, xác định từ số liệu mẫu Mạng MLP xây dựng xác định theo thuật tốn học có giám sát (như trình bày mục 4.3) Với số liệu mẫu tập hợp gồm p cặp mẫu cho dạng vectơ đầu vào – vectơ đầu tương ứng {xi , di } với i = 1, , p , , ta cần xác định mạng MLP (bao gồm việc xác định thông số cấu trúc trọng số ghép nối tương ứng với cấu trúc lựa chọn) cho đưa vectơ xi vào mạng MLP, đầu mạng xấp xỉ giá trị đích có: ∀i : MLP ( xi ) ≈ di (1) sai số tổng cộng mẫu tiến tới giá trị cực tiểu nhỏ ngưỡng chọn trước ε > đó: p = E ∑ MLP ( xi ) - di i =1 → Như vậy, vectơ đặc tính đầu vào gồm tối đa sáu thành phần Đầu hệ nhận dạng mã trạng thái MBA, bao gồm sáu trạng thái bản: - d=1: MBA chế độ bình thường 5.2 Quá trình hình học mạng MLP sử dụng mô pha xảy cố), hay ta có: (2) 5.3 Ứng dụng mạng MLP phân loại tín hiệu điện – máy biến áp Trong báo này, đề xuất sử dụng đặc tính liên quan tới rung động MBA để phân loại trạng thái MBA trích xuất từ tín hiệu đo sau: - Từ phổ tần số dao động chuyển dịch vỏ MBA theo ba trục: sử dụng giá trị lớn phổ trục, hay ta có: - d=2: MBA bị lỏng ốc bu lơng gá cuộn dây - d=3: MBA có vịng dây bị nới lỏng quanh trụ - d=4: MBA bị chập vòng dây liền (tại cuộn dây pha B, phía cao áp) - d=5: MBA bị chập 5% số vòng dây liền (tại cuộn dây pha B, phía cao áp) - d=6: MBA bị chập 10% số vòng dây liền (tại cuộn dây pha B, phía cao áp) Số nơron ẩn lựa chọn thực nghiệm để có số lượng nơron đảm bảo học thành công mẫu số liệu Thực tế cho thấy số lượng không lớn (dao động từ đến nơron ẩn) nên tác giả lựa chọn thử nghiệm trực tiếp, tăng dần số lượng nơron ẩn sử dụng (bắt đầu từ 1) đạt sai số nhỏ Chương trình mơ sử dụng thuật tốn học Levenberg – Marquadrt thư viện hỗ trợ Neural Network Toolbox Matlab Kết thử nghiệm với số nơron ẩn tăng dần sau: - Với nơron ẩn: Destination MLP Output Error ; 0 10 12 14 16 18 Sample number - Từ giá trị biến thiên lực tác dụng theo ba trục: sử dụng giá trị lớn lực trục, lựa chọn búi dây pha B, phía cao áp (là pha Hình 15 Kết thử nghiệm với nơron ẩn Kết học cho thấy mạng có cấu trúc đơn giản (6 đầu vào, nơron ẩn, đầu ra) nên chưa học thành công mẫu, nhiên số Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 17 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC lượng sai sót so với trường hợp lớp ẩn Còn trường hợp (mẫu số 4) bị nhầm từ dạng sang sạng 3, mẫu (số 17) bị nhầm từ dạng sang dạng - Khảo sát khả triển khai thực tế thiết bị cho giải pháp lý thuyết đề xuất - Với nơron ẩn: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Tử Thụ (2005) Thiết kế máy biến áp điện Destination MLP Output lực NXB Khoa học Kỹ thuật Error [2] Thiết kế máy biến áp (1967) Bộ mơn Máy điện - Khí cụ điện NXB Đại học Bách khoa Hà Nội [3] S Brahma (2005) Fault location scheme for a multi-terminal transmission line using synchronized voltage measurements IEEE Trans Power Delivery, 20(2), 1325-1331 0 10 12 14 16 18 Sample number Hình 16 Kết thử nghiệm với nơron ẩn Kết học cho thấy mạng học thành công tất mẫu, tất trường hợp có sai số nhỏ (nhỏ ngưỡng 0,5) KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Bài báo trình bày trạng thái MBA mô đánh giá gồm: trạng thái làm việc bình thường năm trạng thái cố Với trạng thái, MBA mô với tải biến thiên từ 50% đến 100% định mức, tín hiệu thu thập gồm dịng điện phía sơ cấp thứ cấp, lực tác dụng lên búi dây (đã phân tách theo trục x, y z), chuyển dịch theo trục x, y z điểm đầu mút cánh tản nhiệt Trên sở số liệu mô này, trạng thái, vectơ sáu thành phần đặc tính trích xuất để làm sở nhận dạng trạng thái, là: ba biên độ thành phần tần số chuyển dịch lớn theo trục; ba biên độ lớn lực tác dụng theo ba trục Mơ hình phi tuyến để xử lý vectơ đặc tính mang nơron MLP Với lớp ẩn ba nơron ẩn, mạng học thành công 100% mẫu học Hướng phát triển nghiên cứu bao gồm hai hướng chính: - Bổ sung thêm mẫu học phong phú để nâng cao độ tin cậy thuật toán nhận dạng xử lý tín hiệu; [4] Brahma S, Girgis A (2004) Fault Location on a Transmission Line Using Synchronized Voltage Measurements IEEE Trans Power Delivery, 19(4), 1619-1622 [5] P.K Dash, B.K Panigrahi, G Panda (2003) Power quality analysis using S-transform IEEE Power Delivery, vol 18, pp 406- 411 [6] Djuric M, Radojevic Z, Terzija V (1998) Distance protection and fault location utilizing only phase current phasors IEEE Trans Power Delivery, 13(4), 1020-1026 [7] Jiang Joe-Air, Yang Jun-Zhe, Lin Ying-Hong, Liu Chih-Wen, Ma Jih-Chen (2000) An adaptive PMU based fault detection/location technique for transmission lines Part I: Theory and algorithms IEEE Trans Power Delivery, 15(2), 486-493 [8] Girgis A, Hart D, Peterson W (1992) A new fault location technique for two - and three-terminal lines IEEE Trans Power Delivery, 7(1), 98-107 [9] Gopalakrishnan A, Hamai D, Kezunovic M, McKenna S (2000) Fault location using the distributed parameter transmission line model IEEE Trans Power Delivery, 15(4), 1169-1174 [10] Y Lin, C Liu, C Chen (2001) A new PMU- based fault detection/location technique for transmission lines with consideration of arcing fault discrimination-part I: theory and algorithms IEEE Trans Power Delivery, (4), 1587-1593 18 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 ... dạng hình dạng đặt vào từ trường PHÂN TÍCH ? ?ÁP ỨNG TẦN SỐ RUNG MÁY BIẾN ÁP TRONG CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG VÀ SỰ CỐ TRONG PHẦN MỀM ANSYS Hình Chuyển vị theo phương z vỏ máy Biên độ chuyển vị theo... 4,4473.10-5 mm ứng với tần số 50 Hz Chuyển vị theo phương z vỏ máy: Hình Mạch từ cuộn dây máy biến áp Sự rung động lõi thép tượng gọi từ giảo, từ giảo tượng vật thể kim loại trải qua biến dạng hình dạng. .. xuất giải pháp giám sát trực tuyến độ rung MBA phân phối 22/0,4 kV thông qua kỹ thuật nhận dạng ? ?áp ứng tần số rung MBA để giám sát chẩn đoán tình trạng hoạt động MBA PHÂN TÍCH RUNG ĐỘNG THEO MIỀN