Ứng dụng kỹ thuật wavelet nhận dạng quá điện áp trong hệ thống điện

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o - PHẠM ĐÌNH ANH KHÔI ỨNG DỤNG KỸ THUẬT WAVELET NHẬN DẠNG QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CHUYÊN NGÀNH : MẠNG & HỆ THỐNG ĐIỆN MÃ SỐ NGÀNH : 2.06.07 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2004 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TIẾN SĨ HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG (Họ tên, học hàm học vị, chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Họ tên, học hàm học vị, chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Họ tên, học hàm học vị, chữ ký) Luận văn thạc só 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 2004 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA o0o Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghóa Việt Nam Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc o0o NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên : Phạm Đình Anh Khôi Ngày tháng năm sinh : 23 - 10 - 1979 Chuyên Ngành : Mạng Và Hệ Thống Điện Mã Số : 2.06.07 Phái : Nam Nơi Sinh : Ninh Thuận I TÊN ĐỀ TÀI: ÁP DỤNG KỸ THUẬT WAVELET NHẬN DẠNG QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tổng quan điện áp hệ thống điện Nghiên cứu lý thuyết Wavelet khả ứng dụng hệ thống điện Khảo sát ứng dụng kỹ thuật Wavelet vào toán nhận dạng điện áp cụ thể hệ thống điện Nhận xét đánh giá Kết luận III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 09 – 02 – 2004 IV NGAØY HOAØN THAØNH : 09 – 07 – 2004 V HỌ VÀ TÊN CB HƯỚNG DẪN : Tiến Só HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG Cán Bộ Hướng Dẫn Chủ Nhiệm Ngành Bộ Môn Quản Lý Ngaønh - - - Nội dung đề cương luận văn thạc só hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày …… tháng …… năm 2004 PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, lời cám ơn chân thành gửi đến thầy hướng dẫn, TS Hồ Văn Nhật Chương – tất hướng dẫn, đóng góp tận tình thầy người thực Luận Văn trình học làm việc vừa qua Với kiến thức có ngày hôm nay, kết trình học tập rèn luyện lâu dài; tất công ơn tất q Thầy, Cô Trừơng Đại Học Bách Khoa đem đến hành trang kiến thức cho vào đời Ngoài ra, xin gửi đến Thầy, Cô Bộ môn Hệ Thống Điện lời cám ơn sâu sắc tạo điều kiện thuận lợi hỗ trợ cho nhiều trình học tập, công tác thời gian làm luận án Cuối cùng, xin gởi lời cảm ơn chân thành đến bạn bè, đồng nghiệp gia đình tạo cho nỗ lực cố gắng giúp đỡ chân tình để hoàn thành luận án TP.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2004 Người thực Phạm Đình Anh Khôi TÓM TẮT LUẬN VĂN Với tình hình kinh tế - xã hội đà phát triển nay, ngành điện ngày nắm vai trò lớn Nó có ảnh hưởng định đến tồn mở rộng loại hình công nghiệp, kinh tế, dịch vụ Do vậy, hệ thống điện Việt Nam phải ngày phát triển để đảm nhận tốt vai trò Mặt khác, hình thành phát triển dạng sóng điện áp đóng vai trò quan trọng đến trình vận hành tổng thể hệ thống Chúng coi tác nhân không mong muốn, gây ảnh hưởng đến tình trạng làm việc bình thường hệ thống điện Theo đó, nghiên cứu điện cao áp – mà cụ thể việc nhận dạng cho dạng điện áp phát sinh lưới – công việc không phần quan trọng, kết công việc góp phần tăng thêm hiểu biết cho công việc nghiên cứu, thiết kế cách điện; đồng thời, giúp cho người vận hành hệ thống điện tìm hiểu tác dụng độ điện áp lên phần tử hệ thống cao thế, hay vấn đề thử nghiệm thiết bị, Ngoài ra, kết công việc giúp cho công tác vận hành hệ thống thông suốt Hướng nghiên cứu áp dụng vào thực tế dùng kỹ thuật Wavelet, ngành điện, nhận quan tâm lớn nhà nghiên cứu giới Kỹ thuật Wavelet, vốn ban đầu phát triển cách độc lập lãnh vực toán học ứng dụng, xử lý tín hiệu số ứng dụng máy tính, ngày ứng dụng vào lãnh vực nghiên cứu khác Trong ngành điện, kỹ thuật áp dụng thành công việc nhận dạng loại tín hiệu dòng, áp, công suất, Có thể liệt kê nhiều báo đề tài giới thiệu tạp chí uy tín quốc tế IEEE, kỷ yếu hội nghị khoa học quốc tế tổ chức trường đại học lớn Ngoài ra, có hướng phát triển thêm công nghệ trí tuệ nhân tạo hình thành từ Wavelet Đó công nghệ mạng Wavelet, kết hợp từ mạng Nơ-rôn nuôi tiến với phần tử xử lý wavelet, với nguyên lý hoạt động mạng Nơ-rôn có cách thức xử lý phức tạp Tuy nhiên, hình thành phát triển thời gian gần đây, kỹ thuật Wavelet trình hoàn thiện dần Với phương thức xử lý tín hiệu, giải thuật tính toán xuất sau ngày ưu việt hơn, có nhiều khả bù lại, thời gian mức độ phức tạp lớn dần lên Và Luận Văn, người thực sử dụng kỹ thuật Wavelet dựa giải thuật tính toán biến đổi Wavelet khoảng thời gian ảo với đặc tính trực giao, có độ mịn hỗ trợ - chặt (compact support) với wavelet Daubechies để tiến hành nhận dạng điện áp – cố gắng lớn để bắt kịp kỹ thuật mới, vốn xuất năm gần Do đó, nội dung tổng thể Luận Văn trình bày sau: Với mục đích nhận dạng loại điện áp xuất hệ thống điện, người thực tiến hành nghiên cứu, khảo sát mô số dạng điện áp tiêu biểu, thường xuất hệ thống điện để tiến hành nghiên cứu Chương Luận Văn trình bày tổng quan tượng điện áp hệ thống điện Tuy nhiên, Luận Văn bước đầu áp dụng kỹ thuật lý thuyết xử lý tín hiệu số kỹ thuật Wavelet, nên công việc giới thiệu wavelet chiếm hai chương với mục đích cung cấp nhìn tổng quan nguồn gốc đặc điểm wavelet ưu điểm so với phương thức xử lý tín hiệu thông thường Cụ thể, chương hai trọng vào công nghệ xử lý tín hiệu, với mục đích minh họa cho ưu điểm kỹ thuật Wavelet Sau đó, chương ba vào giới thiệu nguồn gốc đặc điểm kỹ thuật Wavelet Bởi đề tài khảo sát nhận dạng mô hình, nên chương bốn giới thiệu công cụ mô giải vấn đề Đó phần mềm EMTP chuyên dùng cho mô độ điện từ ngôn ngữ tính toán MATLAB, với hộp công cụ (toolbox) WaveLab – giới thiệu download miễn phí địa “http://www-stat.stanford.edu/~wavelab/”, thực công việc nhận dạng tín hiệu điện áp Từ đó, chương năm tập trung vào mô số dạng điện áp thường xuất hiện, với hệ thống điện cao đơn giản Và công việc ứng dụng kỹ thuật Wavelet dựa giải thuật biến đổi Wavelet - dựa nghiên cứu Cohen, Daubechies, Jawerth Vial - thực để nhận dạng chúng để minh họa cho tính hiệu thuật toán dựa kỹ thuật Và cuối cùng, chương sáu đưa kết luận công việc thực Mã nguồn chương trình sử dụng Luận Văn giới thiệu phần phụ lục MỤC LỤC Chương Tổng quan điện áp hệ thống điện 1.1 Giới thiệu 1.2 1.2 Phân loại 1.2 1.3 Quá điện áp khí 1.3 1.3.1 Sự hình thành điện tích đám mây 1.3 1.3.2 Phóng điện sét 1.4 1.3.3 Thoâng số đặc tính phóng điện sét 1.6 1.3.4 Sóng điện áp sét 1.7 1.4 Quá điện áp đóng cắt 1.8 1.4.1 Nguồn gốc điện áp đóng cắt 1.9 1.4.2 Đóng cắt nguồn vào đường dây không tải 1.10 1.5 Quá điện áp tạm thời 1.12 1.5.1 Sa thải phụ tải 1.13 1.5.2 Hiệu ứng Ferranti 1.13 1.5.3 Sự cố chạm đất 1.13 1.5.4 Quaù điện áp sóng hài bão hòa từ 1.14 1.6 Kết luận 1.14 Chương Công nghệ xử lý tín hiệu 2.1 Biến đổi Fourier chuỗi Fourier 2.2 2.2 Khuyết điểm phép biến đổi Fourier truyền thống 2.4 2.3 Độ phân giải thời gian – tần số nguyên lý bất định 2.7 2.4 Phép biến đổi Fourier thời gian ngắn 2.10 2.5 Phép biến đổi Wavelet 2.15 Chương Wavelets – Cội rễ chất 3.1 Nguồn gốc hình thành Wavelet 3.2 3.2 Wavelet toán học ứng dụng 3.3 3.3 Dãy lọc xử lý tín hiệu số 3.10 3.4 Phân tích đa phân giải với ứng dụng máy tính 3.12 3.5 Khai triển wavelet rời rạc với dãy lọc 3.15 3.5.1 Khai triển chuỗi tín hiệu – Các loại sở khai triển 3.16 3.5.2 Khai triển tín hiệu rời rạc với wavelet rời rạc 3.18 3.6 Khai triển chuỗi tín hiệu rời rạc dùng lọc 3.20 3.6.1 Khai triển Haar tín hiệu rời rạc 3.20 3.6.2 Biểu diễn khai triển Haar lọc 3.21 3.6.3 Khôi phục tín hiệu lọc tổng hợp 3.23 3.6.4 Các đặc điểm tín hiệu khai triển Haar 3.24 3.6.5 Khái niệm đa phân giải xử lý số tín hiệu 3.26 Chương Giới thiệu công cụ thực 4.1 Chương trình EMTP96 4.2 4.1.1 Lịch sử phát triển EMTP 4.2 4.1.2 Các ứng dụng chương trình 4.3 4.1.3 Khả chương trình 4.4 4.1.4 Giới thiệu MCAT phiên 2.01 4.5 4.2 Phần mềm MATLAB 4.5 4.2.1 Lịch sử hình thành phát triển MATLAB 4.5 4.2.2 Tổng quan MATLAB 4.6 4.2.3 Toolbox Wavelab – Wavelet 4.7 4.2.3.1 Giới thiệu toolbox WaveLab 4.7 4.2.3.1 Giới thiệu toolbox Wavelet 4.8 Chương Nhận dạng điện áp kỹ thuật Wavelet 5.1 Mô tạo tín hiệu điện áp EMTP96 5.2 5.1.1 Khảo sát điện áp điểm nút phụ tải sét đánh đường dây 5.3 5.1.2 Khaûo sát điện áp điểm nút phụ tải đóng cắt máy cắt phụ tải 5.4 5.1.3 Khảo sát điện áp điểm nút phụ tải cắt tải 5.6 5.1.4 Khảo sát điện áp điểm nút phụ tải đóng tụ bù điểm nút phụ tải có sụt áp 5.6 5.2 Chuyển liệu từ EMTP sang MATLAB nhờ MCAT 2.01 5.7 5.3 Nhận dạng điện áp sở kỹ thuật Wavelet 5.9 5.3.1 Mục đích ý tưởng nhận dạng 5.9 5.3.2 Tìm hiểu giải thuật tính biến đổi Wavelet rời rạc 5.10 5.3.3 Đề xuất phương pháp nhận dạng tín hiệu điện áp 5.16 5.3.4 Sơ đồ thực giải thuật nhận dạng định vị 5.21 5.3.5 Kết quaû 5.22 Chương 6.1 Nhận xét kết kết luận 6.1 6.2 Hướng phát triển tương lai 6.2 Tài liệu tham khảo Phần phụ lục Tổng quan “quá điện áp” hệ thống điện TỔNG QUAN VỀ QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Có thể nói, hình thành phát triển dạng sóng điện áp hệ thống điện đóng vai trò quan trọng đến trình vận hành tổng thể hệ thống Chúng coi tác nhân không mong muốn, gây ảnh hưởng đến tình trạng làm việc bình thường hệ thống điện Và như, đứng góc độ nhà kỹ thuật, công việc tìm hiểu đặc điểm chúng để từ đưa phương án khắc phục công việc quan trọng nhất, kết công việc góp phần làm giảm đáng kể tầm ảnh hưởng điện áp, đưa đến tình trạng vận hành an toàn cho hệ thống 1.1 Phụ Lục plot(TransTime,VSWaveform);hold on axis([1 VoltLength min(Volt) max(Volt)]) title('Transient Waveform'); ylabel( 'Voltage (Volts)'); xlabel('Sample Number' ) TransSegment=[];TransSegment(1)=Trans(ii); end hold off pause VoltageTrans = figure( 'menubar', 'none','NumberTitle', 'off','name', 'Identify Result','color', [0.7 0.7 0.7],'Position' ,[scrsz(1) scrsz(2) scrsz(3) scrsz(4)-40], 'Resize','on'); File = uimenu( 'label', 'File'); New = uimenu(File,'label','New','Callback', 'Identify(''userdata'',''initialise'')'); Quit = uimenu(File,'label','Quit','callback','close all'); Help = uimenu( 'label', 'Help'); P_Help = uimenu(Help, 'label', 'Identify OverVoltage Help','callback', 'helpwin Identify'); subplot(223);plot(1:VoltLength,Volt); title('Input Voltage'); ylabel('Voltage (Volts)'); xlabel('Position') axis([1 VoltLength min(Volt) max(Volt)]) subplot(224); seg=1;ii=1;TransSegment(1)=Trans(1); while TransSegment(length(TransSegment))~=Trans(length(Trans)) kk=1;TransSegment(kk)=Trans(ii); for ii=seg+1:length(Trans) if Trans(ii)-Trans(ii-1) 2^14 kk=round(VoltLength/(2^13)); Volt_new(1)=Volt(1); for ii=2:VoltLength if kk*ii 400000); wcf = ShapeAsRow(wc); Menu(1,2,State); t51= uicontrol( 'Style', 'text','String' ,num2str(VoltLength), 'BackgroundColor', [0.7 0.7 0.7],'Position' , [310 50 17], 'fontsize', 12,'HorizontalAlignment','right'); t52= uicontrol( 'Style', 'text','String',num2str(Volt2Length), 'BackgroundColor', [0.7 0.7 0.7], 'Position' , [660 50 17], 'fontsize',12, 'HorizontalAlignment','right'); t54= uicontrol( 'Style', 'text','String' , num2str(Power2Volt), 'BackgroundColor', [0.7 0.7 0.7], 'Position' , [750 50 17], 'fontsize', 12, 'HorizontalAlignment','left'); if Extra == subplot(221); plot(StandTime2,Volt2); title('Input Voltage'); ylabel( 'Voltage (Volts)'); xlabel('Position'); subplot(223); wavecoef = wcf; scal = 1./max(abs(wavecoef((2^(3)+1):Volt2Length))); LockAxes([0 (-Res2High) (-Res2High + Res2Diff + 1)]); for j = (Res2High-1):-1:(Res2High-Res2Diff) tj = (0.5 : (2^(j) -.5)) / 2^(j); PL.19 Phuï Luïc PlotSpikes(-j,tj,(wavecoef(dyad(j)).*scal)); end UnlockAxes; title('WT[volt] - Detection of Transients'); ylabel( 'Resolution'); xlabel('Position' ); subplot(122); LockAxes([0 Count+1]); title('Wavelet Components of OverVoltage Signal'); ylabel( 'Resolution'); xlabel('Position' ); w = zeros(size(wc)); nplot = 0; for j = Res3High - Res3Diff : Res3High, wcj = wc(dyad(j)); kx = find(abs(wcj) > Res3Filt); nkx = length(kx); for kk=1:nkx, k = kx(kk); w(dyad2ix(j,k-1)) = wcj(k); x = IWT_CDJV(w,3,3); nplot = nplot+1; plot(StandTime2,nplot + x); w(dyad2ix(j,k-1))=0; end drawnow; end UnlockAxes; tj = (.5:(2^(ResTrans)-.5))./2^(ResTrans); x = wavecoef(dyad(ResTrans)); xx = abs(x); ResLeng = ^ ResTrans; ResScale = Volt2Length / ResLeng; Disturbance = (1:VoltLength/ResScale); Trans = find(xx(Disturbance) > ResResolution); TransLength = length(Trans); if TransLength