Áp dụng phương pháp không lưới RBF cho mô phỏng phân bố thế trên hệ thống nối đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA _ TRẦN PHƯỚC CHUNG ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP KHÔNG LƯỚI RBF CHO MÔ PHỎNG PHÂN BỐ THẾ TRÊN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2020 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS Vũ Phan Tú Cán chấm nhận xét 1: TS Huỳnh Quốc Việt Cán chấm nhận xét 2: TS Dương Thanh Long Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG – TP HCM ngày 22 tháng 08 năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ bao gồm: PGS TS Nguyễn Văn Liêm Chủ tịch hội đồng TS Nguyễn Phúc Khải Thư ký TS Huỳnh Quốc Việt Phản biện TS Dương Thanh Long Phản biện PGS TS Huỳnh Châu Duy Uỷ viên Xác nhận chủ tịch hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên môn ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRƯỞNG KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN PHƯỚC CHUNG MSHV: 1870632 Ngày tháng năm sinh: 16/09/1992 Nơi sinh: Cần Thơ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 I Tên đề tài: Áp dụng phương pháp không lưới cho toán phân bố hệ thống nối đất II Nhiệm vụ nội dung: Chương 1: Giới thiệu đề tài Chương 2: Giới thiệu việc phân bố hệ thống nối đất Chương 3: Giới thiệu phương pháp không lưới Chương 4: Mô phân bố điện cực nối đất Chương 5: Mô phân bố lưới nối đất Chương Mô phân bố trạm nối đất Chương Kết luận III Ngày giao nhiệm vụ: 10/02/2020 IV Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 03/08/2020 V Cán hướng dẫn: PGS.TS Vũ Phan Tú CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Ngày tháng năm CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO PGS.TS Vũ Phan Tú TS Nguyễn Nhật Nam TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin chân thành cám ơn Thầy PGS.TS Vũ Phan Tú, Thầy tận tình giúp đỡ hướng dẫn tơi suốt trình thực luận văn Những truyền đạt kiến thức quý báo Thầy giúp học tập, nghiên cứu khắc phục nhiều thiếu sót q trình thực luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn đến tất Thầy, Cô khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh giảng dạy trang bị cho kiến thức bổ ích quý báo suốt q trình học tập trường Tơi xin chân thành cám ơn gia đình người thân yêu tạo kiện thuận lợi để yên tâm học tập tốt thời gian vừa qua Cảm ơn tất đồng nghiệp bạn bè chia sẻ, trao đổi kiến thức kinh nghiệm suốt trình học tập suốt trình thực luận văn Tơi xin chân thành cám ơn TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Trong Luận văn tập trung vào việc giới thiệu phương pháp khơng lưới RBF thơng qua áp dụng vào toán trường điện từ cụ thể toán phân bố hệ thống nối đất Qua đó, Luận văn đưa số nhận xét việc áp dụng hàm sở bán kính phân bố điểm liệu điểm nội suy thuật toán ảnh hưởng đến kết độ chỉnh xác việc mộ Luận văn bao bao gồm chương: - Chương 1: Tổng quan Trong phần nêu lý chọ đề tài mục tiêu, phạm vi nghiên cứu đề đề tài - Chương 2: Phân bố hệ thống nối đất Giới thiệu sơ lược hệ thống nối đất, q trình tản dịng hệ thống nối đất Đồng thời chương giới thiệu toán phân bố hệ thống nối đất - Chương 3: Phương pháp khơng lưới RBF Trình bày phương pháp tính số khơng lưới sở bán kính gồm lịch sử pháp triển phương pháp, chi tiết để giải toán dùng kỹ thuật nội suy phương pháp - Chương 4: Mô phân bố điện cực nối đất dùng phương pháp không lưới RBF Chương đưa toán phân bố đơn giản dùng điện cực nối đất Thông qua kháo sát kết tốn phân bố với hệ tham số đầu vào khác đưa nhận xét - Chương 5: Mô phân bố lưới nối đất phương pháp khơng lưới RBF Trình bày, mơ phân bố lưới nối đất hình vng hình chữ L, đồng thời so sánh, đối chiếu kết với phương pháp bán kính khơng lưới với phương pháp FEM, FDM, RBF-FDM - Chương 6: Mô phân bố trạm biến áp Xét hệ thống nối đất trạm biến áp 110kV khu cơng nghiệp Cổng Xanh tỉnh Bình Dương, mô hệ thống đồng thời đưa nhận xét khuyến nghị sơ - Chương Kết luận Đưa kết luận hướng phát triển đề tài MASTER THESIS SUMARY Contents of this thesis focus on introduction of meshfree-BRF method and then applying the method to solve specific electric filed problem which is simulation of electric potential distribution in grounding systems There by, the thesis makes comments about applying Radius Basis functions and choosing types of collocation and center points, which effect the simulated result There are chapters in this thesis: - Chapter 1: Overview Rationale, objectives and scope - Chapter 2: Electric potential distribution in grounding systems This chapter introduces grounding systems and process of current into earth through grounding system Then presenting associated problems - Chapter 3: Meshfree – RBF method Development history of the method and solving the problems step by step - Chapter 4: Simulation of electric potential distribution for grounding electrodes using meshfree RBF This chapter presents simple electric potential distribution problems Examination of some cases with input parameters, and comments accordingly - Chapter 5: Simulation of electric potential distribution for grounding grids using meshfree RBF Presenting simulation of electric potential distribution for grounding grids of L and square shape The result is compared to FEM, FDM, RBF-FDM - Chương 6: Simulation of electric potential distribution for substation Studying the grounding system of 110kV substation of Cong Xanh Industrial Park, Binh Duong Simulation of system and making recommendations - Chapter 7: Conclusion LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Trần Phước Chung, xin cam đoan luận văn thạc sĩ đề tài “ Áp dụng phương pháp meshfree RBF cho mô phân bố hệ thống nối đất” cơng trình nghiên cứu thân tôi, hướng dẫn khoa học PGS.TS Vũ Phan Tú Các số liệu, kết mô luận văn trung thực Tôi cam đoan không chép cơng trình khoa học người khác, tham khảo có trích dẫn rõ ràng TP.HCM, ngày 03 tháng 08 năm 2020 CHƯƠNG 1: MỤC LỤC GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 MỤC TIÊU 1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 2: PHÂN BỐ THẾ TRÊN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT 2.1 NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN [1] .3 2.2 ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT THÔNG DỤNG .4 2.3 BÀI TOÁN PHÂN BỐ THẾ .7 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP KHÔNG LƯỚI RBF .8 3.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN .8 3.2 HÀM CƠ SỞ BÁN KÍNH 3.3 NỘI SUY DỮ LIỆU PHÂN TÁN .11 3.4 GIẢI THUẬT PHƯƠNG PHÁP KHÔNG LƯỚI 14 3.4.1 Phân bố điểm 14 3.4.2 Trình tự giải tốn 16 3.5 ỨNG DỤNG VÀO BÀI TOÁN CỤ THỂ 17 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG PHÂN BỐ THỂ TRÊN ĐIỆN CỰC NỐI ĐẤT DÙNG PHƯƠNG PHÁP KHÔNG LƯỚI RBF 29 4.1 PHÂN BỐ THẾ TRÊN ĐIỆN CỰC NỐI ĐẤT HÌNH CẦU 29 4.1.1 Mơ tả tốn 29 4.1.2 Các điều kiện toán 29 4.1.3 Kết mô với điện cực hình cầu 29 4.2 PHÂN BỐ THẾ CỌC NỐI ĐẤT 33 4.2.1 Mơ tả bàn tốn 33 Hình 5.20 Kết mơ lưới L Ở vị trí x = hình 5.21, phần bên trái tập trung nhiều nối đất nên giá trị điện cao so phần bên phải (vị trí toạ độ dương trục y) Do việc chọn khoảng cách từ biên lưới đến biên miền mô theo trục y nhỏ nên việc phân bố khu vực mô dốc Hình 5.21 Phân bố mặt đất vị trí x =0 Trang 60 Với phương pháp FDM, giá trị điện toạ độ y = -17.5 y = trường hợp mô nhìn chung cao so với phương pháp khơng lưới hình 5.22 Việc phân bố giá trị điện khu vực từ biên lưới đến biên miền khảo sát khơng có chênh lệch lớn Hình 5.22 So sánh phân bố số vị trí với FDM Trang 61 CHƯƠNG 6: 6.1 [6]MÔ PHỎNG PHÂN BỐ THẾ TRÊN TRẠM BIẾN ÁP GIỚI THIỆU TRẠM BIẾN ÁP Trạm biến áp 110kV khu công nghiệp Cổng Xanh có kích thước 50m x 58m Hệ thống dùng cọc tiếp địa có đường kính 16mm độ dài 3m, lưới nối đất sử dụng dây đồng trần có tiết diện 120 mm2 Lưới nối đất chôn cách mặt đất 0.8m Việc phân bố cọc nối đất trạm biến áp khơng hình 6.1 hình 6.2 Hình 6.1 Sơ đồ bố trí lưới nối đất trạm biến áp 110kV khu cơng nghiệp Cổng Xanh Bình Dương Trang 62 Giả sử điện lưới nối đất hệ thống pu Vì đường kính dây tạo nên lưới nối đất cọc nối đất nhỏ so với khu đất cần khảo sát nhỏ nên luận văn không xét đến vấn đề Môi trường đất xem đồng Hình 6.2 Bố trí lưới cọc nối đất trạm Biến áp 110kV khu công nghiệp Cổng Xanh tỉnh Bình Dương 6.2 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Kết mơ thể từ Hình 6.3, Hình 6.4, Hình 6.5, Hình 6.6, Hình 6.7 - Các điểm có giá trị điện cao mô nằm khu vực đặt lưới nối đất hình 6.3 Ở khu vực biên nhìn chung có điện thấp so với khu vực bên lưới nối đất - Các nối đất phân bố với khoảng cách m theo trục y trục x (trừ hai nối đất bên phải trục x với khoảng cách 5m) Việc phân bố đồng nối đất làm điện mặt đất so với trường phân bố khơng nối đất hình 6.3 Trang 63 Hình 6.3 Kết mơ phân bố trạm 110kV Trang 64 - Việc bổ sung cọc nối đất vị trí hình 6.2 làm điện khu vực tăng lên - Tại vị trí y = -27 gắn cọc nối đất Phân bố khu vực có tăng lên điện mặt đất toạ độ có cọc nối đất thấp so với điện khu vực có đối đất bên phải Điều khoảng cách chia nối đất khu vực xa so với khu vực nối đất cuối khu vực bên phải Hình 6.4 Phân bố trạm 110kV vị trí y = -27 Trang 65 - Trong hình 6.5 vị trí cắt trục chứa cọc nối đất bổ sung cọc nối đất làm giá trị điện khu vực nâng lên làm việc phân bố phẳng Điều làm cho khu vực khu vực có độ an tồn cao Hình 6.5 Phân bố trạm 110kV vị trí y = Trang 66 - Ở vị trí có toạ độ y = 21 y = 27 có chênh lệch điện lớn Vị trí y = 27 vị trị biên lưới nối đất nên có điện thấp Hình 6.6 Phân bố trạm 110kV vị trí y = 21 y = 27 Trang 67 - Điện giá trị cao lưới 0.9837 pu vị trí (x ,y) = (7,3) Hình 6.7 Đây vị trí có cọc nối đất vị trí lân cận lưới chứa cọc nối đất Hình 6.7 Vị trí có điện áp cao thấp lưới - Điện nhỏ 0.5845 pu vị trí (x ,y) = (-23,27) Hình 6.7 Đây vị trí biên lưới khảo sát Ở ba vị trí biên cịn lại có mức điện thấp so với điểm khác lưới Điện áp tiếp xúc lớn xét vùng lưới – 0.5845 = 0.4155 pu - Nếu bước chân người 0.5m điện áp bước lưới cao hình 6.8 0.0538 pu Những điểm có giá trị điện áp bước cao Hình 6.8 vị trí hai biên trục y - Cần phải đặt biệt quan tâm đến điểm thiết kế hệ lưới nối đất khu cơng nghiệp Cổng Xanh có khả cao điện điểm vượt qua giá trị điện áp tiếp xúc điện áp bước cho phép Trang 68 - Vị trí từ biên lưới nối đất đến hàng rào không xét luận văn vị trí quan trọng điện khu vực dốc Hình 6.8 Điện áp bước lưới nối đất Trang 69 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN 7.1 KẾT LUẬN Trong luận văn chủ yếu giới thiệu phương pháp không lưới BRF Luận văn trình bày cụ thể việc áp dụng phương pháp không lưới để giải phương trình cụ thể Thơng qua có nhìn tổng quát ảnh hưởng hàm sở bán kính RBF kiểu phân bố điểm ảnh hưởng đến sai số giải toán nội suy dùng phương pháp Luận văn áp dụng phương pháp vào việc giải toán phân bố điện cực nối đất hai trường hợp điện cực nối đất hình cầu cọc nối đất Các hệ số ɛ chọn khác cho hàm RBF cho kết khác dùng phương pháp xấp xỉ Do chọn hệ số ɛ để giải toán cần quan tâm để có kết mơ mong muốn Việc chọn lựa phụ thuộc vào thuật toán kinh nghiệm thực tế người mô Luận văn thự mơ tốn phân bố cọc nối đất thấy hàm RBF phù hợp cho việc mô hàm IMQ Phương pháp không lưới RBF luận văn áp dụng vào việc giải toán phân bố hệ thống nối đất cho lưới hình chữ L hình vng, sâu vào phân tích lưới hình vuông Việc so sánh với phương FEM, FDM phương pháp khơng lưới thực lưới hình vng trường hợp khơng có cọc nối đất Giữa phương pháp khác có khác kết mô phân bố trường hợp khảo sát Nhưng nhìn chung khác khơng q lớn Ngun nhân có khác thông số đầu vào phương tiện mô Lưới nối đất trạm biến áp 110kV khu cơng nghiệp Cổng Xanh tỉnh Bình Dương mô chương Do Trạm biến áp chưa xây dựng xong thiếu phần mô tả kỹ thuật nên Luận văn dừng lại việc phân bố hệ đơn vị tương đối Luận văn khuyến cáo vị trí cần lưu ý thiết kế hệ thống nối đất thông qua phương pháp không lưới RBF Trang 70 7.2 ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP KHÔNG LƯỚI RBF 7.2.1 Ưu điểm Trên thực tế, liệu đầu vào thu nhận rời rạc Phương pháp cần sử dụng tập liệu bên vị trí biên miền khảo sát để tiến hành tính tốn nội suy để tìm lời giải gần vị trí khác Đây việc sử dụng liệu ban đầu cách trực tiếp Do phương pháp có tính thực tế cao Như tên gọi “không lưới” phương pháp này, phương pháp không thời gian để tạo lưới số phương pháp khác mà tiến tành tính toán lên phân tử cụ thể 7.2.2 Nhược điểm Do tập liệu thu thập ban đầu hay hay nhiều làm ảnh hưởng đến việc xấp xỉ toán Việc lựa chọn tham số hàm RBF việc lựa chọn phân bố điểm làm ảnh hưởng đến kết toán Vấn đề phụ thuộc vào kinh nghiệm thực tế khả người mô Với hệ thống lớn, số phân tử nhiều việc mô trở nên khó khăn với máy tính thơng thường địi hỏi lượng phần cứng phương pháp cao q trình tốn ma trận khoảng cách Hệ thống lớn nên việc mô hệ thống thời gian nhiều 7.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Phương pháp không lưới áp dụng vào lĩnh vực trường điện từ phương pháp mẽ Do kiến thức người thực thời gian thực có hạn nên luận văn có nhiều sai sót hạn chế Luận văn tập trung vào nghiên cứu phương pháp khơng lưới, thơng qua áp dụng phương pháp vào việc tính tốn phân bố hệ thống nối đất Trang 71 Đây trường hợp áp dụng phương pháp vào trường điện từ Nên Luận văn đề xuất số hướng nghiên cứu khác sau: - Áp dụng phương vào giải toán khác trường điện từ hệ thống dây trần cáp bọc dùng cho cấp điện áp cao siêu cao thế,… - Thực phần mềm hoàn chỉnh cho việc mô phân bố hệ thống nối đất Trang 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V Hoàng, Kỹ thuật cao áp, tập 2, Hồ Chí Minh: ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH, 2012 [2] T P Vũ, Phương pháp số trường điện từ, Hồ Chí Minh: ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH, 2013 [3] G E Fasshauer, Meshfree approximation methods with MATLAB, vol 6, World Scientific, 2007 [4] IEEE Std 80-2013 Guide for Safety in AC Substation Grounding, 2013 [5] TCVN 4756:1989 Quy phạm nối đất nối không thiết bị điện, 1989 [6] J Oh, Adaptive Meshfree Methods for Partial Differential Equations, Springer, 2018 Trang 73 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Trần Phước Chung Ngày, tháng, năm sinh:16/09/1992 Nơi sinh: Cần Thơ Địa liên lạc: số 11, đường 7B, phường An Lạc A, Quận Bình Tân Q TRÌNH ĐẠO TẠO Từ 2010 đến 2014: Sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Tp HCM Từ 2018 đến nay: Học viên trường Đại học Bách Khoa Tp HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC Từ 5-2015 đến 5-2020: Làm việc Công ty Cổ phần Cáp điện Thịnh Phát Địa 144A, Hồ Học Lãm, Phường An Lạc Quận Bình Tân, Tp HCM Trang 74 ... 2: Phân bố hệ thống nối đất Giới thiệu sơ lược hệ thống nối đất, q trình tản dịng hệ thống nối đất Đồng thời chương giới thiệu toán phân bố hệ thống nối đất - Chương 3: Phương pháp khơng lưới RBF. .. 2: PHÂN BỐ THẾ TRÊN HỆ THỐNG NỐI ĐẤT 2.1 NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN [1] .3 2.2 ĐIỆN TRỞ NỐI ĐẤT THÔNG DỤNG .4 2.3 BÀI TOÁN PHÂN BỐ THẾ .7 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP KHÔNG LƯỚI... cọc nối đất - Mơ phân bố lưới nối đất - So sánh đánh giá kết với phương pháp phần tử hữu hạn, sai phân hữu hạn - Đánh giá, lựa chọn hàm sở bán kính dùng cho hệ thống nối đất - Mô phân bố hệ thống