Bài viết tiến hành nhận dạng trạng thái máy biến áp trong quá trình làm việc giúp chẩn đoán sớm các dạng sự cố trong máy biến áp 3 pha, qua đó giảm bớt những thiệt hại về kinh tế và nâng cao độ tin cậy, chất lượng điện cung cấp cho các hộ tiêu thụ là hết sức cần thiết. Bài báo nghiên cứu chẩn đoán sự cố tiềm ẩn trong máy biến áp phân phối 22/0,4kV bằng cách dùng phần mềm ANSYS để phân tích các mẫu số liệu điện và chuyển vị cơ khí.
TNU Journal of Science and Technology 225(09): 96 - 102 CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TRONG MÁY BIẾN ÁP PHA SỬ DỤNG CÁC TÍN HIỆU DỊNG, ÁP VÀ RUNG ĐỘNG CƠ KHÍ Đào Duy Yên*, Trần Xuân Minh, Trương Tuấn Anh Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên 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 trình làm việc giúp chuẩn đoán sớm dạng cố máy biến áp 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 nghiên cứu chẩn đoán cố tiềm ẩn máy biến áp phân phối 22/0,4kV cách dùng phần mềm ANSYS để phân tích mẫu số liệu điện chuyển vị khí Thuật tốn Levenberg – Marquadrt kết hợp mạng nơ ron MLP sử dụng để nhận dạng trạng thái MBA Kết học mạng nơ ron thành công nhận dạng 05 trạng thái cố MBA, bao gồm: Chập vòng dây cuộn cao áp pha B, chập 5%, 10% tổng số vòng dây cuộn cao áp pha B, nới lỏng dây quấn pha B lỏng bu lông gá cuộn dây MBA vào xà đỡ Kết nhận dạng đạt độ xác 99,8% Từ khóa: Phát cố; mơ hình máy biến áp; phần mềm ANSYS; chuyển vị rung động; mạng nơron Ngày nhận bài: 22/8/2020; Ngày hoàn thiện: 31/8/2020; Ngày đăng: 31/8/2020 IDENTIFYING FAULTS IN PHASE TRANSFORMER USING THE SIGNALS OF CURRENTS, LINE VOLTAGES AND MECHANICAL VIBRATION Dao Duy Yen*, Tran Xuan Minh, Truong Tuan Anh TNU - University of Technology ABSTRACT The electrical system is a complex system in both structure and operation, where any fault occurs, any element in the system affects power supply reliability, power quality and causes great economic damage Therefore, the identification of the transformer state in the working process can help us to early diagnose fault patterns in 3-phase transformers, thereby reducing economic losses and improving reliability The quality of electricity supplied to consumers is essential This paper deals with identifying faults in 22/0.4kV distribution phase transformers by using the ANSYS software to simulate samples of electrical data and mechanical displacement The Levenberg Marquadrt algorithm combined with the MLP neural network was used by the author to identify the MBA states Neural network learning results have been successful and identified 05 fault states of the MBA, including the short turns of phase B high voltage winding, short 5%, 10% of the total number of phase B high voltage winding, relax phase B windings and loose bolts that attach the MBA coils to the support beam) The identification results have an accuracy of 98.9% Keywords: Fault detection; transformer model; ansys software; mechanical vibration; neural network Received: 22/8/2020; Revised: 31/8/2020; Published: 31/8/2020 * Corresponding author Email: daoduyyen88@gmail.com 96 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Đào Duy Yên Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Giới thiệu Hiện có nhiều giải pháp nhận dạng trạng thái máy biến áp (MBA) như: - Sử dụng tín hiệu điện đầu vào MBA [1]-[3] - Đo phóng điện cục MBA (PD) [4], [5] - Phân tích đáp ứng tần số quét (FRA) [6], [7] Phương pháp sử dụng tín hiệu điện đầu vào MBA giúp ta so sánh khác tín hiệu điện MBA làm việc bình thường có cố, kênh tín hiệu để nhận dạng xác trạng thái MBA Việc kết hợp lấy tín hiệu điện tín hiệu rung động khí cho ta mẫu số liệu hoàn chỉnh tin cậy kết hợp với mạng nơ-ron MLP [8] để học nhận dạng trạng thái làm việc MBA cách xác Bài báo tập trung nghiên cứu phương pháp sử dụng tín hiệu điện khí để nhận dạng trạng thái MBA Xây dựng mơ hình máy biến áp phân phối Bảng Các thông số MBA Công suất định mức Tổ đấu Điện áp sơ cấp Điện áp thứ cấp Chiều cao cửa sổ Chiều rộng cửa sổ Chiều rộng chân lớp Chiều rộng chân lớp Chiều dầy lớp Chiều dầy lớp Chiều rộng gông lớp Chiều rộng gơng lớp Đường kính cuộn hạ áp Đường kính ngồi cuộn hạ áp Chiều cao cuộn hạ áp Số vịng cuộn hạ áp Đường kính cuộn cao áp Đường kính ngồi cuộn cao áp Chiều cao cuộn cao áp 400 Y-Y0-12 22 0,4 530 302 140 120 200 40 140 120 150/250 189/289 450 22 209/309 282/382 430 kVA kV kV mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm Trong nội dung báo xây dựng mơ hình máy biến áp có cơng suất 400 kVA, tổ đấu dây Y-Y0, cấp điện áp 22/0,4 kV phần mềm ANSYS [9], [10] Phần mềm ANSYS có khả xây dựng mơ hình MBA mơ lấy tín hiệu điện http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 225(09): 96 - 102 tín hiệu rung động khí mà phần mềm khác Matlab… cho ta mô lấy tín hiệu điện Các thơng số máy biến áp cho bảng Hình Mơ hình máy biến áp phân phối có dung lượng 400kVA, điện áp 22/0,4kV Cơ sở lý thuyết toán trường điện từ rung động khí Các phương trình Maxwell tổng quát hóa định luật thực nghiệm người trước phát ra: chỉnh sửa định luật Ampe (ba phương trình cho ba chiều (x, y, z)), định luật Gauss cho điện tích (một phương trình), mối quan hệ dịng điện tổng dịng điện dịch (ba phương trình (x, y, z)), mối quan hệ từ trường véctơ (ba phương trình (x, y, z)) [9] Tồn cơng thức Maxwell viết gọn lại dạng véctor giải tích bảng sau đây: Bảng Các cơng thức Maxwell Dạng vi Tên Dạng tích phân phân d B Định luật Edl = BdA .E = dt Farada t c s d Định luật .H = J + D c Hdl = s JdA + dt s DdA t Ampere Định luật .D = s DdA = v dV Gauss Định luật Gauss s BdA = .B = (Cho từ trường) 3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho toán điện từ sử dụng phần mềm maxwell 97 Đào Duy Yên Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 96 - 102 Phương trình điện từ khơng gian áp dụng cho tốn điện từ Maxwell viết cơng thức (1) sau: Với vật liệu đàn hồi tuyến tính đẳng hướng, ta có quan hệ ứng suất với biến dạng: .H = J Trong đó: (1) .B = B = 0 ( H + M ) = 0 r H + 0 M p Trạng thái từ trường biến thiên theo dạng sin 3D áp dụng cho lớp toán điện từ trường sinh nguồn điện biến thiên điều hịa Phương trình biến số không gian nút xác định công thức (2): H = j H + j (2) Do nguồn điện biến thiên chuyển động vật thể Khi hệ phương trình không gian nút phần tử xác định công thức (3): H + B =0 t (3) .B = − . − .( ) = t 3.2 Phương pháp tính tốn lực điện từ phần mềm maxwell Theo định luật lực điện từ Lorent [10], phần mềm định nghĩa đại lượng gọi tenso lực Maxwell công thức (4): B H H x Bx − = H y By H z Bz H x By H y By − B H H z By H y Bz B H H z Bz − H x Bz (4) 3.3 Hệ phương trình học tốn phần tử hữu hạn Lực, chuyển vị, biến dạng ứng suất Có thể chia lực tác dụng ba loại ta biểu diễn chúng dạng véctơ cột: - Lực thể tích: f = f [ fx, fy, fz]T (5) - Lực diện tích: T = T [ Tx, Ty, Tz] - Lực tập trung Pi: Pi = Pi [ Px, Py, Pz]T T 98 (6) (7) =D 0 1 − − 0 − 0 E D= (1 + )(1 − 2 ) 0 0,5 − 0 0 0,5 − 0 0 0,5 − (8) (9) 3.4 Phân tích dao động học độ ồn Khi nghiên cứu rung động, ngồi dịch chuyển trạng thái x, cịn xét tới tốc độ dịch chuyển [4]: dx = X m cos(t + ) dt d 2x a = = − A sin(t + ) dt v= (10) Trong trường hợp tổng quát, chuyển động biểu thị dạng chuỗi Fuorie: x(t ) = X n cos(nt ) + Ym sin(nt ) 3.5 Mơ hình tính tốn dao động phương pháp phần tử hữu hạn Xét mô hình phân tích tốn rung động phương pháp phần tử hữu hạn Ta có phương trình tổng qt sau [6].: (11) M U + C U + K U = F a Các thành phần ngoại lực tương ứng viết dạng công thức: F = Fmax ei eit F = Fmax ( cos + i sin ) eit F = (F1 + i F2 )eit (12) Khi hệ phương trình động lực học viết cho tốn dao động cơng thức sau: (−2 M + iC + K )(U1 + i U2 )eit = (F1 + i F2 )eit (13) Các trường hợp mô Tác giả thực mô lấy số liệu trường hợp làm việc MBA chế độ 50%; 80%; 100% tải Các trường hợp hoạt động: có trường hợp MBA làm việc bình thường trường hợp cố là: - Bình thường; http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Đào Duy Yên Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN - Sự cố ngắn mạch hai vòng dây cao áp; - Sự cố nới lỏng vòng dây cuộn dây cao áp; - Sự cố lỏng bu-lông gá cuộn dây; - Sự cố ngắn mạch chập 5% tổng số vòng dây cao áp; - Sự cố chập 10% tổng số vịng dây cao áp Tổng hợp lại có 12 kết quả, ký hiệu từ A-1 (các giá trị tức thời lực hướng trục hướng kính tác dụng lên cuộn dây lõi MBA trường hợp bình thường) F-3 (phổ biên độ rung động vỏ MBA theo ba hướng x, y z trường hợp cố chập 10% tổng số vòng dây cao áp Các mẫu số liệu mô phần mềm Ansys Trường hợp MBA hoạt động bình thường, tải 50% (trường hợp A-1): 225(09): 96 - 102 Ứng dụng mạng MLP phân loại tín hiệu điện - máy biến áp 6.1 Mạng Nơrơn MLP Từ nơrơn McCulloch - Pitts phát triển thành mạng MLP (MultiLayer Perceptron) mạng truyền thẳng: • Các nơrơn 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 nơrôn lớp trước tới nơrôn lớp sau hướng từ đầu vào đến đầu (mạng truyền thẳng) [7], [8].; • Các nơrơn lớp có hàm truyền đạt Hình Đồ thị Chuyển vị theo phương x vỏ máy biến áp Biên độ lớn đạt 6, 401 10−5 mm ứng với tần số 115Hz Hình Đồ thị Chuyển vị theo phương y vỏ máy biến áp Biên độ chuyển vị theo phương y lớn đạt 4, 4473 10−4 mm ứng với tần số 50Hz Hình Đồ thị Chuyển vị theo phương z vỏ máy biến áp Biên độ chuyển vị theo phương y lớn đạt 6,1456.10-3mm ứng với tần số 50Hz http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Hình Mơ hình mạng MLP với lớp ẩn 6.2 Q trình học mạng Nơrơn MLP 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 Với số liệu mẫu tập hợp gồm p cặp mẫu cho dạng véctơ đầu vào - véctơ đầu tương ứng xi , d i với i = 1, , p , xi N ; di K 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 véctơ x i vào mạng MLP, đầu mạng xấp xỉ giá trị đích có: i : MLP ( xi ) di 99 Đào Duy n Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN sai số tổng cộng mẫu tiến tới giá trị cực tiểu nhỏ ngưỡng chọn trước đó: E= p MLP ( xi ) − di i =1 → (14) 6.3 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 trục: sử dụng giá trị lớn phổ trục, hay ta có: x1 = ( M x ( ) ) ; max = 25,30, ,200 ( M y ( ) ) ; x3 = max ( M z ( ) ) = 25,30, ,200 x2 = max = 25,30, ,200 • Từ giá trị biến thiên lực tác dụng theo trục: sử dụng giá trị lớn lực trục, lựa chọn búi dây pha B, phía cao áp (là pha sử dụng mô pha xảy cố), hay ta có: x4 = max t 0,100 ms ( Fx ( t ) ) ; ( Fy ( t ) ) ; x6 = max ( Fz ( t ) ) ; t 0,100 ms x5 = max t 0,100 ms x7 = max t 0,100 ms 225(09): 96 - 102 Như vậy, véctơ đặc tính đầu vào gồm tối đa 14 thành phần Đầu hệ nhận dạng mã trạng thái máy biến áp, bao gồm trạng thái bản: • MBA chế độ bình thường; • MBA bị lỏng ốc bu lông gá cuộn dây; • MBA có vịng dây bị nới lỏng quanh trụ; • MBA bị chập vòng dây liền (tại cuộn dây pha B, phía cao áp); • MBA bị chập 5% số vòng dây liền (tại cuộn dây pha B, phía cao áp); • MBA bị chập 10% số vòng dây liền (tại cuộn dây pha B, phía cao áp) Số nơ-rơn ẩn lựa chọn thực nghiệm để có số lượng nơ-rơn đảm bảo học thành công mẫu số liệu Thực tế cho thấy số lượng không lớn (dao động từ đến nơ-rôn ẩn) nên báo lựa chọn thử nghiệm trực tiếp, tăng dần số lượng nơ-rôn 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 nơ-rôn ẩn tăng dần sau: • Với nơ-rơn ẩn: ( Fx ( t ) ) ; ( Fy ( t ) ) ; x9 = max ( Fz ( t ) ) ; t 0,100 ms x8 = max t 0,100 ms x10 = x11 = x12 = ( Fcx ( t ) ) ; max ( Fcy ( t ) ) ; max ( Fcz ( t ) ) ; max ( I H (t )) ; max ( I L (t )) t 0,100 ms t 0,100 ms x13 = x14 = 100 max t 0,100 ms t 0,100 ms t 0,100 ms Hình Kết thử nghiệm với nơ-rơn ẩn Kết học cho thấy mạng có cấu trúc đơn giản (14 đầu vào, nơ-rôn ẩn, đầu ra) nên chưa học thành công mẫu, nên cịn nhiều trường hợp lỗi Trong tồn mẫu thuộc trường hợp học khơng thành cơng • Với nơ-rơn ẩn: http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Đào Duy Yên Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Hình Kết thử nghiệm với nơ-rôn ẩn Kết học cho thấy mạng có cấu trúc đơn giản (6 đầu vào, nơ-rôn ẩn, đầu ra) nên chưa học thành công mẫu, nhiên số lượng sai sót so với trường hợp lớp ẩn Còn trường hợp (mẫu số 4) bị nhầm từ dạng sang dạng 3, mẫu (số 17) bị nhầm từ dạng sang dạng • Với nơ-rơn ẩn: Hình Kết thử nghiệm với nơ-rôn ẩn Kết học cho thấy mạng học thành công tất mẫu, tất trường hợp có sai số nhỏ (nhỏ ngưỡng 0,5) Một số kết luận hướng phát triển Bài báo trình bày trạng thái MBA mô đánh giá gồm: trạng thái làm việc bình thường 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 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 225(09): 96 - 102 liệu mô này, trạng thái, véctơ 14 thành phần đặc tính trích xuất để làm sở nhận dạng trạng thái, là: 03 biên độ thành phần tần số chuyển dịch lớn theo trục; 09 biên độ lớn lực tác dụng theo trục; 02 biên độ lớn dịng phía Mơ hình phi tuyến để xử lý véctơ đặc tính mạng nơ-rơn MLP Với lớp ẩn nơ-rôn ẩn, mạng học thành công 100% mẫu học Hướng phát triển nghiên cứu bao gồm hướng chính: Bổ sung thêm mẫu học phong phú để nâng cao độ tin cậy thuật toán nhận dạng xử lý tín hiệu; Khảo sát khả triển khai thực tế thiết bị cho giải pháp lý thuyết đề xuất TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] T T Pham, Power Transformer Design Scientific and Technics Publishing House, 2005 [2] Department of Electrical Machines and Tools, Transformer Design Lecture notes, Hanoi university of science and technology, 1967 [3] S Brahma, “Fault location scheme for a multi-terminal transmission line using synchronized voltage measurements,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol 20, no 2, pp 1325-1331, 2005 [4] M Djuric, Z Radojevic, and V Terzija, “Distance protection and fault location utilizing only phase current phasors,” IEEE Trans Power Delivery, vol 13, no 4, pp 1020-1026, 1998 [5] J.-A Jiang, J.-Z Yang, Y.-H Lin, C.-W Liu, and J.-C Ma, “An adaptive PMU based fault detection/location technique for transmission lines Part I: Theory and algorithms,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol 15, no 2, pp 486-493, 2000 [6] A Girgis, D Hart, and W Peterson, “A new fault location technique for two- and threeterminal lines,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol 7, no 1, pp 98-107, 1992 [7] A Gopalakrishnan, D Hamai, M Kezunovic, and S McKenna, “Fault location using the distributed parameter transmission line model,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol 15, no 4, pp 1169-1174, 2000 101 Đào Duy n Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN [8] Y Lin, C Liu, and C Chen, “A new PMUbased fault detection/location technique for transmission lines with consideration of arcing fault discrimination-part I: theory and algorithms,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol 4, pp 1587-1593, 2001 [9] S Brahma, and A Girgis, “Fault Location on a Transmission Line Using Synchronized 102 225(09): 96 - 102 Voltage Measurements,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol 19, no 4, pp 16191622, 2004 [10] P K Dash, B K Panigrahi, and G Panda, “Power quality analysis using S-transform,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol 18, pp 406-411, 2003 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn ... pháp sử dụng tín hiệu điện đầu vào MBA giúp ta so sánh khác tín hiệu điện MBA làm việc bình thường có cố, kênh tín hiệu để nhận dạng xác trạng thái MBA Việc kết hợp lấy tín hiệu điện tín hiệu rung. .. → (14) 6 .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:... MBA mơ lấy tín hiệu điện http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 225(09): 96 - 102 tín hiệu rung động khí mà phần mềm khác Matlab… cho ta mô lấy tín hiệu điện Các thơng số máy biến áp cho bảng