Xác định vị trí sự cố trên cáp ngầm sử dụng phương pháp biến đổi wavelet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo LUẬN VĂN THẠC SĨ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN CÁP NGẦM SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI WAVELET CBHD : TS VŨ PHAN TÚ HVTH : DƯƠNG ĐỨC TÂM MSSV : 01807293 TP HỒ CHÍ MINH 2010 Luận văn thạc sĩ CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS VŨ PHAN TÚ (Họ tên, học hàm học vị, chữ ký) …………… Cán chấm nhận xét : (Họ tên, học hàm học vị, chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Họ tên, học hàm học vị, chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Ngày ……… tháng ……… năm 2010 Dương Đức Tâm Luận văn thạc sĩ LUẬN VĂN THẠC SĨ  Học tên học viên: DƯƠNG ĐỨC TÂM Ngày tháng năm sinh: 08/03/1983 Nơi sinh: Hà Nội MSHV: 01807293 Chuyên ngành: Thiết bị mạng nhà máy điện Khóa: 2007 1/ Tên đề tài: “ Xác định vị trí cố cáp ngầm sử dụng phương pháp biến đổi Wavelet” 2/ Nhận xét: GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Dương Đức Tâm CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Luận văn thạc sĩ LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Cô trường ĐHBK thời gian qua hướng dẫn trình học tập, nghiên cứu đặc biệt cảm ơn Thầy Vũ Phan Tú, người tận tình hướng dẫn suốt thời gian thực luận văn Thầy hướng dẫn thiếu sót, bổ sung kiến thức thực tế hữu ích giúp tơi hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn bạn thân hữu, đồng nghiệp người thân gia đình động viên, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập thời gian thực luận văn Dương Đức Tâm Dương Đức Tâm Luận văn thạc sĩ TÓM TẮT LUẬN VĂN I Tổng quan: Đường dây truyền tải điện không xem giải pháp truyền thống để truyền tải điện xa với công suất lớn Cấp điện áp truyền tải lớn đường dây không giới 1.125kV Tuy nhiên, vấn đề hạn chế lớn đường dây khơng chiếm nhiều diện tích đất đai khoảng không gian rộng lớn cho hành lang an toàn lưới điện Để khắc phục nhược điểm này, số trường hợp không sử dụng đường dây không mà phải sử dụng đường cáp ngầm cao để truyền tải điện Đối với cáp ngầm vận hành điện áp cao phụ thuộc nhiều vào công nghệ chế tạo vật liệu cách điện Hiện nay, giới sản xuất cáp ngầm cách điện XLPE vận hành với điện áp AC 500kV điện áp DC 800kV Một số lý để sử dụng đường cáp ngầm sau : - Bảo tồn cảnh quan thành phố, khu di tích lịch sử, … - Đảm bảo cung cấp điện cho khu vực có mật độ sử dụng điện cao - Những khu vực khơng thích hợp cho việc xây dựng đường dây không đồng thời phải đảm bảo tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt Tuy nhiên, đường cáp truyền tải điện ngầm có số vướng mắc trình đầu tư xây dựng quản lý vận hành sau : - Chi phí đầu tư xây dựng lớn so với chi phí xây dựng đường dây truyền tải điện khơng, ước tính chi phí đầu tư gấp lần - Việc sửa chữa đường cáp điện ngầm xảy cố phức tạp nhiều thời gian thực - Ảnh hưởng đến chế độ vận hành hệ thống điện thao tác đóng ngắt đường cáp điện ngầm vào lưới điện Do đó, khó khăn lớn cáp ngầm bị cố xác định vị trí xảy cố, cố nằm phân đoạn cáp ngầm Dương Đức Tâm Luận văn thạc sĩ Để giải số nhược điểm đường dây không đường cáp điện ngầm, người ta quan tâm nghiên cứu đến việc kết hợp truyền tải điện đường dây không đường cáp ngầm cao Tuy nhiên nhược điểm lớn việc sử dụng cáp ngầm xảy cố ngắn mạch khó khăn việc sửa chữa Việc không xác định điểm ngắn mạch nằm vị trí đường cáp ngầm, thuộc phân đoạn Nếu giải tốn xác định vị trí điểm ngắn mạch nhanh chóng, dễ dàng nâng cao hiệu việc sử dụng cáp ngầm thực tế Mục tiêu luận văn tìm giải pháp mơ đường dây kết hợp không cáp ngầm, nhằm mục đích khảo sát diễn biến q trình q độ xảy hệ thống đường dây không cáp ngầm xảy ngắn mạch Nghiên cứu phương pháp xác định điểm cố cáp ngầm cách sử dụng phương pháp biến đổi Wavelet II Hướng nghiên cứu luận văn: Sau tham khảo tài liệu số tài liệu khác, nhận thấy việc xác định vị trí điểm ngắn mạch cáp ngầm thực tế gặp nhiều khó khăn, tương đối phức tạp.Vì cần tìm phương pháp hữu hiệu để tính tốn xác định vị trí điểm ngắn mạch cáp ngầm Phương pháp sử dụng phương pháp biến đổi Wavelet, phương pháp số tiên tiến có nhiều ưu điểm giải thuật mở linh động có độ xác cao, dễ tiếp cận, áp dụng Sau đánh giá kết phương pháp, độ xác, khả áp dụng vào thực tế, nêu giải pháp để giải tổng kết vấn đề Cụ thể luận án có nhiệm vụ sau : Tìm hiểu nghiên cứu dạng kết cấu cáp ngầm cao sử dụng hệ thống điện Mơ hình hố đường dây kết hợp không cáp ngầm vận hành hệ thống điện Dương Đức Tâm Luận văn thạc sĩ Mơ q trình q độ đường dây kết hợp, kiểm tra so sánh với chế độ vận hành thực tế Nghiên cứu thuật toán lọc nhiễu sử dụng phương pháp biến đổi Wavelet Áp dụng vào mơ hình thực tế để xác định vị trí điểm ngắn mạch cáp ngầm a Phạm vi nghiên cứu Luận văn nghiên cứu tốn xác định vị trí ngắn mạch đường cáp ngầm việc sử dụng phần mềm Matlab để mô tính tốn b Các bước tiến hành Thu thập tài liệu, nghiên cứu thông số liên quan đến cáp ngầm mơ hình đường dây kết hợp đường dây không cáp ngầm Mơ hình hố đường dây kết hợp đường dây không cáp ngầm vận hành lưới điện bao gồm : đường dây cáp ngầm 220kV dài km tiêu biểu đường dây cáp ngầm 220kV Nhà Bè – Tao Đàn Khảo sát trình độ xảy ngắn mạch pha cáp ngầm vị trí khác Biến đổi wavelet tín hiệu thu nhận Dùng giải thuật lọc nhiễu để sau tính tốn vị trí ngắn mạch Đánh giá toàn luận văn, đề nghị hướng phát triển thêm cho đề tài c Điểm luận văn Biến đổi wavelet tĩnh để có thơng số phân tích cần thiết Nghiên cứu đề suất giải thuật lọc nhiễu để áp dụng cho việc xác định vị trí ngắn mạch Dương Đức Tâm Luận văn thạc sĩ d Giá trị thực tiễn luận văn Nghiên cứu việc sử dụng lý thuyết Wavelet vào việc lọc nhiễu tín hiệu Khả áp dụng vào thực tế cao Mở hướng việc xác định vị trí ngắn mạch đường dây cáp ngầm, ứng dụng thực tế mạng điện hành hệ thống điện Giúp nâng cao khả vận hành mạng điện Dương Đức Tâm Luận văn thạc sĩ MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN I Tổng quan: II Hướng nghiên cứu luận văn: a Phạm vi nghiên cứu b Các bước tiến hành c Điểm luận văn .7 d Giá trị thực tiễn luận văn .8 MỤC LỤC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ CÁP ĐIỆN LỰC 12 I.1 Khái quát chung : .12 I.1.1 Quá trình hình thành phát triển cáp điện lực : .12 I.1.2 Tình hình sản xuất cáp XLPE số Công Ty giới : 13 I.2 Các dạng cáp điện lực : 16 I.2.1 Các loại cáp điện lực: .16 I.2.2 Cấu trúc đặc trưng cáp điện lực : 16 I.2.2.1 Cáp khô (Cáp rắn) : 16 I.2.2.2 Cáp dầu áp lực cao (loại OF) : 17 I.2.2.3 Cáp dầu dạng ống (loại POF) : .18 I.2.2.4 Cáp cách điện chất dẻo tổng hợp (EPR, XLPE) : 18 I.2.2.5 Hệ thống đường dẫn cách điện khí (GIL) : 19 I.2.3 Kết cấu cáp điện lực : 20 I.2.3.1 Lõi cáp : 20 I.2.3.2 Cách điện cáp : 20 I.2.3.3 Vỏ cáp lớp bảo vệ : 21 CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI WAVELET 22 Dương Đức Tâm Luận văn thạc sĩ II.1 Giới thiệu 22 II.2 Biến đổi wavelet liên tục (Continuous Wavelet Transform-CWT) : 23 II.2.1 Ý nghĩa: 23 II.2.2 Các họ dạng Wavelet thường gặp : 25 II.3 Biến đổi wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform-DWT) 27 II.3.1 Cơ sở lý thuyết : .27 II.3.2 Kỹ thuật phân tích đa phân giải (Multi-Resolution Analysis-MRA) : .28 II.4 Biến đổi wavelet tĩnh (Stationary wavelet transform) 30 II.5 Vài nét lịch sử Wavelet ứng dụng Hệ thống điện : 31 II.5.1 Lịch sử Wavelet 31 II.5.2 Những ứng dụng Wavelet HTĐ .32 II.5.3 Ứng dụng Bảo vệ Hệ thống điện 33 CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG ĐƯỜNG DÂY VÀ CÁP NGẦM .34 III.1 Mơ hình cáp ngầm đơn giản chiều dài 5km: 34 III.1.1 Mơ hình: 34 III.1.2 Kết mô phỏng: 38 III.2 Mơ hình thực tế trạm Nhà Bè – Tao Đàn 43 III.2.1 Mơ hình: 43 III.2.2 Mơ hình mơ đường dây 220kV Nhà Bè – Tao Đàn 54 III.2.3 Kết mô phỏng: 59 CHƯƠNG IV: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ BẰNG PHƯƠNG PHÁP WAVELET .64 IV.1 Tổng quan phương pháp xác định vị trí cố cáp ngầm: 64 IV.1.1 Phương pháp Phương trình Telegrapher: 64 IV.1.1.1 Tổng quan phương pháp: 64 IV.1.1.2 Ưu điểm khuyết điểm phương pháp: 66 IV.2 điểm cố Phương pháp sử dụng thiết bị phát sóng kết hợp biến đổi Wavelet để xác định 66 Dương Đức Tâm 10 Luận văn thạc sĩ Ma trận tương qua bậc với n=1 Abs of D1 new level1 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0.03980.0399 0.04 0.04010.04020.04030.04040.04050.04060.04070.0408 Giá trị tuyệt đối ma trận tương quan sau Từ hai thời điểm xuất xung đến xung phản hồi lại lần TP1=0,040061, TP2= 0,040175 Tính tốn giá trị khoảng cách từ điểm ngắn mạch đến đầu đường dây Nhà Bè : x = 6,226 – (0,040175-0,040061) x 87912/2 = 1,105 km Ví dụ minh họa phần trình biến đổi trường hợp Để minh họa cụ thể cho trình phân tích Dương Đức Tâm 81 Luận văn thạc sĩ CHƯƠNG V: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, KẾT LUẬN Sau mô hệ thống điện hai trường hợp, trường hợp đơn giản, trường hợp thực tế Ta có sóng điện áp dịng điện hai đầu đường cáp ngầm cần khảo sát Tiếp theo tiến hành khảo sát thuật toán xác định vị trí ngắn mạch cho trường hợp vị trí ngắn mạch điện trở ngắn mạch khác Sau rút kết luận, nhận xét hướng phát triển đề tài V.1 Kết quả: V.1.1 Đường dây mơ hình 5km: Khoảng cách ngắn mạch (km) Thời gian phản hồi Khoảng cách tính tốn (km) Sai số (km) % Sai số 8,60E-05 1,00E+00 0,00E+00 0,00% 6,50E-05 1,98E+00 2,33E-02 0,47% 4,30E-05 3,00E+00 0,00E+00 0,00% 2,10E-05 4,02E+00 -2,33E-02 -0,47% Nhận xét: Kết cho sai số tốt không sai lệch 0,5% Là điều kiện mạch tương đối đơn giản, tiền đề tốt để thử nghiệm mạch phức tạp thực tế Dương Đức Tâm 82 Luận văn thạc sĩ V.1.2 Đường dây Nhà Bè – Tao Đàn: Kết ma trận tương quan sau trường hợp tiêu biểu: 700 600 500 400 300 200 100 0.0396 0.0398 0.04 0.0402 0.0404 0.0406 Trường hợp x=1km Kết sau lọc nhiễu Xác định ma trận tương quan có thời điểm xuất xung 0,040061 0,040175 Nên vị trí ngắn mạch xác định: 0,9637 km 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 -500 -1000 0.0398 0.0399 0.04 0.0401 0.0402 0.0403 0.0404 0.0405 Trường hợp x=2km Kết sau lọc nhiễu Xác định ma trận tương quan có thời điểm xuất xung 0,04005; 0,040142 0,040236 Nên vị trí ngắn mạch xác định: 1,9869 1,9404 km Dương Đức Tâm 83 Luận văn thạc sĩ 1200 1000 800 600 400 200 0.0395 0.04 0.0405 0.041 Trường hợp x=3km Kết sau lọc nhiễu Xác định ma trận tương quan có thời điểm xuất xung 0,040038 0,04011 Nên vị trí ngắn mạch xác định: 2,9172 km 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0.0399 0.0399 0.04 0.04 0.0401 0.0401 0.0402 0.0402 0.0403 Trường hợp x= 4km Kết sau lọc nhiễu Xác định ma trận tương quan có thời điểm xuất xung 0,040027 0,040077 Nên vị trí ngắn mạch xác định: 3,9404 Dương Đức Tâm 84 Luận văn thạc sĩ 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.0401 0.0401 0.0401 0.0401 Trường hợp x=5km Kết sau lọc nhiễu Xác định ma trận tương quan có thời điểm xuất xung 0,040019; 0,040042 0,040072 Nên vị trí ngắn mạch xác định: 5,1962 4,9637 Bảng tóm tắt kết quả: Khoảng Điện trở Thời gian Khoảng cách cách (km) ngắn mạch phản hồi tính tốn (km) 1 ohm 0,000114 0,963674419 -0,036325581 -0,58% ohm 9,2E-05 1,986930233 -0,013069767 -0,21% ohm 7,2E-05 2,917162791 -0,082837209 -1,32% ohm 5E-05 3,940418605 -0,059581395 -0,95% ohm 2,8E-05 4,963674419 -0,036325581 -0,58% Sai số (km) % Sai số Nhận xét: Kết cho sai số tốt không sai lệch 1,5% Sai số lớn so với mạch cáp ngầm 5km cấu trúc mạch phức tạp Dương Đức Tâm 85 Luận văn thạc sĩ Đặc tuyến sai số theo điện trở ngắn mạch trường hợp x=2km: Khoảng cách (km) Điện trở ngắn mạch Thời gian phản hồi Khoảng cách tính tốn Sai số % Sai số ohm 9,2E-05 1,98693 -0,01307 -0,00209 2 ohm 9,2E-05 1,98693 -0,01307 -0,00209 ohm 9,2E-05 1,98693 -0,01307 -0,00209 ohm 9,2E-05 1,98693 -0,01307 -0,00209 ohm 9,2E-05 1,98693 -0,01307 -0,00209 ohm 9,2E-05 1,98693 -0,01307 -0,00209 ohm 9,2E-05 1,98693 -0,01307 -0,00209 ohm 9,2E-05 1,98693 -0,01307 -0,00209 ohm 9,2E-05 1,98693 -0,01307 -0,00209 10 ohm 9,2E-05 1,98693 -0,01307 -0,00209 Nhận xét: Với trường hợp khoảng cách ngắn mạch từ 0-2 km, độ xác thuật tốn khơng phụ thuộc vào điện trở ngắn mạch Dương Đức Tâm 86 Luận văn thạc sĩ Đặc tuyến sai số theo điện trở ngắn mạch trường hợp x=5km: Khoảng cách (km) Điện trở ngắn mạch Thời gian phản hồi Khoảng cách tính tốn Sai số % Sai số ohm 2,8E-05 4,963674 -0,03633 -0,0058 ohm 2,8E-05 4,963674 -0,03633 -0,0058 ohm 2,8E-05 4,963674 -0,03633 -0,0058 ohm 2,8E-05 4,963674 -0,03633 -0,0058 5 ohm 2,8E-05 4,963674 -0,03633 -0,0058 ohm 2E-05 5,335767 0,335767 0,053586 ohm 2,2E-05 5,242744 0,242744 0,03874 ohm 2,2E-05 5,242744 0,242744 0,03874 ohm 2,2E-05 5,242744 0,242744 0,03874 10 ohm 1,9E-05 5,382279 0,382279 0,061008 Nhận xét: Với trường hợp khoảng cách ngắn mạch từ 2-6 km, độ xác thuật toán phụ thuộc vào điện trở ngắn mạch Điện trở cao, sai số tăng, không tuyến tính Dương Đức Tâm 87 Luận văn thạc sĩ V.2 Ưu khuyết điểm: a) Ưu điểm: - Độ xác kết sau cao - Giải thuật có tính hiệu cao, thời gian tính tốn nhanh - Khả áp dụng thực tế tốt b) Nhược điểm: - Chỉ thử nghiệm mơ hình chưa có điều kiện vận hành thử nghiệm thực tế Nên kết phần mang tính chủ quan - Sai số tăng điện trở ngắn mạch tăng, cần nghiên cứu phát triển thuật toán để hồn thiện - Chưa có điều kiện để tính tốn thử nghiệm hệ thống lớn để xem xét ảnh hưởng đến kết thực tế V.3 Kết luận: - Khả ứng dụng thực tế cao, áp dụng mơ hình trạm điện thực tế cho kết khả quan - Độ xác việc xác định cao, toán cụ thể luận án xác định phân đoạn xảy cố xác - Mở rộng kết hợp với chương trình khác nhận dạng trạng thái hệ thống điện, tính tốn phân bố cơng suất,… giúp việc quản lý vận hành hệ thống ðiện dễ dàng nhanh chóng ðạt hiệu cao Dương Đức Tâm 88 Luận văn thạc sĩ PHỤ LỤC Code chương trình biến đổi wavelet tĩnh lọc nhiễu cho đường cáp ngầm đoạn Nhà Bè – Tao Đàn: clear all; load V_S.mat; % Thoi gian mo phong time=V_S(1,:); % Tach song pha a de phan tich phase_a= V_S(2,:); % chon khoang de phan tich, diemdau=30000; khoangcach=45263; s=phase_a(1,diemdau:diemdau+khoangcach); % Bien doi stationary wavelet transform [swa,swd]=swt(s,4,'db2'); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%% Giai thuat loc nhieu %%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% D1=swd(1,:); D=swd; D1_temp=D1; n=1 k=1; reply='y'; while reply=='y' D1_temp=D1; while k