Nghiên cứu xây dựng thuật toán tự động chẩn đoán lỗi trong máy biến áp lực 220kv của lưới điện truyền tải

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN QUỐC HUY NGUYỄN QUỐC HUY CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA C C NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TỐN TỰ ĐỘNG CHẨN ĐOÁN LỖI TRONG MÁY BIẾN ÁP LỰC 220KV CỦA LƢỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI R L T U D LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOÁ K37 Đà Nẵng - Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN QUỐC HUY NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỰ ĐỘNG CHẨN ĐOÁN LỖI TRONG MÁY BIẾN ÁP LỰC 220KV CỦA LƢỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI C C R L T Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 8520216 U D LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS - TS LÊ TIẾN DŨNG Đà Nẵng - Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tự thân tơi thực Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Học viên Nguyễn Quốc Huy C C R L U D T MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TĨM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU …………………………………………………………… ….… CHƢƠNG ……………………………………………………………………… GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan Trạm biến biến 220kV Kon Tum 1.1.1 Khái niệm máy biến áp C C 1.1.2 Cấu tạo máy biến áp lực 1.1.3 Nguyên lý hoạt động máy biến áp lực 1.1.4 Thông số kĩ thuật máy biến áp R L 1.2 Tổng quan giám sát chẩn đoán lỗi Máy biến áp lực 10 1.2.1 Đặt vấn đề 10 1.2.2 Mục Tiêu 10 1.3 Yêu cầu hệ thống 11 1.3.1 Yêu cầu chung 11 1.3.2 Sơ đồ nguyên lý kết nối hệ thống trạm 12 1.3.3 Sơ đồ kết nối thu thập liệu tập trung 13 1.4 Thông số ký thuật hệ thống 13 T U D 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.4.5 Yêu cầu chung 13 Chức hệ thống 14 Các thành phần hệ thống SCADA 16 Kết luận Tổng quan lỗi máy biến áp 17 Thống kê lỗi máy biến áp lực 18 CHƢƠNG 21 MƠ HÌNH TỐN HỌC 21 2.1 Đặt vấn đề 21 2.2 Mơ hình tốn học máy biến áp lực 21 2.2.1 Mơ hình tốn học lúc máy biến áp lực hoạt đơng bình thƣờng 21 2.2.2 Mơ hình tốn học máy biến áp lực xảy lỗi 27 2.3 Kết luận 45 CHƢƠNG 46 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN TỰ ĐỘNG CHẨN ĐOÁN LỖI 46 3.1 Tổng quan mạng nơron nhân tạo 46 3.1.1 Điều khiển dựa mạng Nơron 46 3.1.2 Thuật toán huấn luyện mạng 57 3.2 Đề xuất giải pháp đề tài 60 3.2.1 Sơ đồ khối 60 3.2.2 Giải thích sơ đồ khối 60 3.2.3 Cách thực huấn luyện mạng, nguyên lý hoạt động mơ hình 60 3.3 Thuật tốn tự động chuẩn đoán lỗi ứng dụng mạng nơron nhân tạo 61 3.4 Phân tích hiệu quả, phạm vi áp dụng thuật toán đề xuất 63 CHƢƠNG 64 C C MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG 64 4.1 Các tham số mô 64 4.1.1 Mơ hình tốn học máy biến áp lực 64 R L 4.1.2 Thông số thành phần mơ hình tốn học 64 4.2 Mô hoạt động máy biến áp lực hoạt động bình thƣờng 65 T 4.3.Mơ hoạt động máy biến áp lực trƣờng hợp xảy lỗi 66 4.3.1 Lỗi pha chạm đất (lỗi Line-Groud) 66 4.3.2 Lỗi hai pha ngắn mạch (Lỗi Line-Line) 67 4.3.3 Lỗi ba pha chạm đất ( lỗi Line-Ground ) 68 4.4 Phân tích kết mơ đánh giá hiệu 69 4.4.1 Máy biến áp thực tế hoạt động bình thƣờng 69 U D 4.4.2 Máy biến áp thực tế xuất lỗi pha A chạm đất ( A-Ground) 72 4.4.3 Máy biến áp thực tế xuất lỗi pha chạm đất (3 Line-Ground) 76 4.4.4 Máy biến áp thực tế xuất lỗi pha (B-C) ngắn mạch 79 KẾT LUẬN, HƢỚNG PHÁT TRIỂN VÀ KIẾN NGHỊ 83 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ LUẬN VĂN 83 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1: GIẢI THÍCH KÍ HIỆU PHỤ LỤC 2: CHƢƠNG TRÌNH MATLAB PHỤ LỤC 3: MƠ HÌNH THUẬT TỐN CHẨN ĐỐN LỖI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỰ ĐỘNG CHẨN ĐOÁN LỖI TRONG MÁY BIẾN ÁP LỰC 220KV CỦA LƢỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI Học viên: Nguyễn Quốc Huy Chuyên ngành:Kỹ thuật điều khiển - Tự động hóa Mã số: 8520216 Khóa: K37 Trƣờng Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Trong trình vận hành hệ thống lƣới điện Truyền tải, xuất lỗi (sự cố/hiện tƣợng bất thƣờng) xảy với tần suất nhiều đặc thù lƣới điện Truyền tải với độ dài đƣờng dây lớn thiết bị vận hành lâu năm, khối lƣợng đƣờng dây/thiết bị nhiều đặc biệt địa hình phân bố phức tạp Có nhiều nguyên nhân dẫn đến ổn định hệ thống: cố hƣ hỏng thiết bị, trình phƣơng thức vận hành hệ thống điện dẫn đến máy biến áp làm việc tình trạng tải, điều kiện thời tiết cực đoan (giông sét, tố lốc ), suy giảm phần tử cách điện, phụ tải không đối xứng…Việc xác định xác vị trí nguyên nhân lỗi để loại trừ/xử lý nhanh yêu cầu lớn quản lý vận hành lƣới điện Từ nhu cầu thực tiễn trên, tác giả định chọn đề tài nghiên cứu C C NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỰ ĐỘNG CHẨN ĐOÁN LỖI TRONG MÁY BIẾN ÁP LỰC 220KV CỦA LƢỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI R L Đề tài đƣa đề xuất giải pháp chẩn đoán, xác định lỗi hệ thống điện để đáp ứng yêu cầu vận hành linh hoạt rút ngắn thời gian xử lý lỗi T Từ khóa - Vận hành hệ thống lƣới điện Truyền tải; Chẩn đốn lỗi; mơ phỏng… STUDY ON BUILDING AUTOMATIC DIAGNOSTICS FOR DIAGNOSTIC DIAGNOSTICS IN 220KV PRESSURE TRANSFORMERS OF TRANSMISSION NETWORKS U D Abstract - During the operation of the Transmission grid, the occurrence of faults (malfunctions / irregularities) occurs with quite a lot of typical frequency of the Transmission grid with a large length of transmission line For many years, the volume of lines / equipment is quite large and especially the complex distributed terrain There are many reasons for the instability of the system: due to the failure of the equipment, the operation mode of the electrical system leading to the transformers working in overload, weather conditions extreme (thunderstorms, whirlwinds ), attenuation of insulating elements, asymmetric loads Determining the exact location and cause of faults for elimination/ fast handling is a major requirement in management grid operation management From the practical needs above, the author has decided to select the research topic STUDY ON BUILDING AUTOMATIC DIAGNOSTICS FOR DIAGNOSTIC DIAGNOSTICS IN 220KV PRESSURE TRANSFORMERS OF TRANSMISSION NETWORKS This topic offers a proposal on solutions to diagnose and identify errors in the electricity system to meet the requirements of flexible operation and reduce error handling time Key words - Operating transmission grid system; Fault diagnosis; simulate MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ thứ TBA220kV Kon Tum Hình 1.2: Cấu tạo lõi máy biến áp lực Hình 1.3: Mơ hình vỏ máy biến áp Hình 1.4: Hoạt động mạch từ máy biến áp Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý kết nối hệ thống 12 Hình 1.6: Cấu trúc vị trí từ xa 12 Hình 1.7: Sơ đồ kết nối thu thập liệu 13 Hình 1.8: Vị trí lỗi Các máy biến áp trạm biến áp (>100kV)(dựa 536 lỗi chính) 19 Hình 2.1: Sơ đồ máy biến áp pha 22 Hình 2.2: thành phần vectơ đối xứng 27 Hình 2.3: Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng 29 Hình 2.4: Sơ đồ tƣơng đƣơng tƣơng ứng với lỗi chạm đất phía thứ cấp 30 Hình 2.5: Sơ đồ tƣơng đƣơng tƣơng ứng với lỗi pha chạm đất phía sơ cấp 32 Hình 2.6: sơ đồ tƣơng đƣơng tƣơng ứng với lỗi hai pha ngắn mạch phía thứ cấp 36 Hình 2.7: Sơ đồ tƣơng đƣơng tƣơng ứng với lỗi hai pha ngắn mạch phía sơ cấp 38 Hình 2.8: Sơ đồ tƣơng đƣơng tƣơng ứng với lỗi ba pha chạm đất phía thứ cấp 41 Hình 2.9: Sơ đồ tƣơng đƣơng tƣơng ứng với lỗi ba pha nối đất phía sơ cấp 42 Hình 3.1: Sự tƣơng thích lý tƣởng mạng Nơ ron linh hoạt hệ thống thần kinh sinh học 47 Hình 3.2: Mơ hình khối vấn đề điều khiển sử dụng cấu trúc đơn giản điều khiển mạng Nơ ron nhiều lớp 49 Hình 3.3: Cấu trúc phức tạp điều khiển mạng nơ ron nhiều lớp với ba lớp ẩn …………………………………………………………………………………… 49 Hình 3.4: Cấu trục mạng nơ ron truyền thẳng nhiều lớp 51 Hình 3.5: Nơ ron toán học đơn giản 51 Hình 3.6: Cấu hình mạng nơ ron truyền thẳng hai lớp 53 Hình 3.7: Cấu hình mạng nơ ron truyền thẳng lớp 55 Hình 3.8: Cấu trúc mạng nơron truyền thẳng 56 Hình 3.9: Sơ đồ khối cấu trúc NN với hệ thống effecto learning 59 Hình 3.10: Mơ hình chẩn đốn lỗi 60 Hình 4.1: Đồ thị mơ dòng điện máy biến áp hoạt động ổn định 65 Hình 4.2: Đồ thị mơ điện áp máy biến áp hoạt động ổn định 65 Hình 4.3: Đồ thị dịng điện lỗi pha chạm đất 66 Hình 4.4: Đồ thị điện áp lỗi pha chạm đất 66 Hình 4.5: Đồ thị dịng điện lỗi hai pha ngắn mạch 67 Hình 4.6: Đồ thị điện áp lỗi hai pha ngắn mạch 67 Hình 4.7: Đồ thị dòng điện lỗi ba pha nối đất 68 Hình 4.8: Đồ thị điện áp lỗi ba pha nối đất 68 Hình 4.9: Đồ thị điện áp máy biến áp bình thƣờng với ∆R=0.5Ω ∆L=0.004H 69 C C R L U D T Hình 4.10: Đồ thị phần trăm sai lệch ΔFU_Normal ΔFi_Normal 71 Hình 4.11: Đồ thị phần trăm sai lệch ΔFU_AG ΔFi_AG 71 Hình 4.12: Đồ thị phần trăm sai lệch ΔFU_3G ΔFi_3G 72 Hình 4.13: Đồ thị phần trăm sai lệch ΔFU_LL ΔFi_LL 72 Hình 4.14: Đồ thị điện áp lỗi A-Ground với ∆R=0.5Ω ∆L=0.004H 73 Hình 4.15: Đồ thị phần trăm sai lệch ΔFU_Normal ΔFi_Normal 74 Hình 4.16: Đồ thị phần trăm sai lệch ΔFU_AG ΔFi_AG 75 Hình 4.17: Đồ thị phần trăm sai lệch ΔFU_3G ΔFi_3G 75 Hình 4.18: Đồ thị phần trăm sai lệch ΔFU_LL ΔFi_LL 75 Hình 4.19: Đồ thị điện áp lỗi 3Line-Ground với ∆R=0.5Ω ∆L=0.004H 76 Hình 4.20: Đồ thị phần trăm sai lệch ΔFU_Normal ΔFi_Normal 77 Hình 4.21: Đồ thị phần trăm sai lệch ΔFU_AG ΔFi_AG 77 Hình 4.22: Đồ thị phần trăm sai lệch ΔFU_3G ΔFi_3G 78 Hình 4.23: Đồ thị phần trăm sai lệch ΔFU_LL ΔFi_LL 78 Hình 4.24: Đồ thị điện áp lỗi pha B-C ngắn mạch với ∆R=0.5Ω ∆L=0.004H 79 Hình 4.25: Đồ thị phần trăm sai lệch ΔFU_Normal ΔFi_Normal 80 Hình 4.26: Đồ thị phần trăm sai lệch ΔFU_AG ΔFi_AG 81 Hình 4.27: Đồ thị phần trăm sai lệch ΔFU_3G ΔFi_3G 81 Hình 4.28: Đồ thị phần trăm sai lệch ΔFU_LL ΔFi_LL 82 C C R L U D T MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1: Thông số máy biến áp TBA 220kV Kon Tum Bảng 1.3: Phƣơng thức giám sát 18 Bảng 1.4: Báo cáo tỉ lệ lỗi xảy loại máy biến áp 20 Bảng 4.1: số liệu chẩn đốn MBA bình thƣờng khơng có Neural Network lấy mẫu lần 70 Bảng 4.2: số liệu chẩn đốn máy biến áp bình thƣờng có Neural Network lấy mẫu lần 70 Bảng 4.3: số liệu chẩn đoán lỗi (A-Ground)khơng có Neural Network lần lấy mẫu ………………………………………………………………………………….… 73 Bảng 4.4: số liệu chẩn đốn lỗi (A-Ground có Neural Network lần lấy mẩu 73 Bảng 4.5: số liệu chẩn đốn lỗi (3L-Ground) khơng có Neural Network lấy mẫu lần 76 Bảng 4.6: số liệu chẩn đoán lỗi (3L-Ground) có Neural Network lấy mẫu lần 77 Bảng 4.7: số liệu chẩn đốn lỗi (B-C) khơng có Neural Network lấy mẫu lần 79 Bảng 4.8: số liệu chẩn đốn lỗi (B-C)có Neural Network lấy mẫu lần 80 C C R L U D T MỞ ĐẦU Trạm biến áp 220kV Kon Tum gồm có 02 MBA: AT1, AT2 có cơng suất lắp đặt 2x125MVA, đƣợc xây dựng địa điểm thôn Thanh Trung, xã Vinh Quang, thành phố Kon Tum, cách Quốc lộ 14 khoảng 01km hƣớng Tây, cách đƣờng dây 500kV mạch hữu khoảng 30m phía Tây, nằm hƣớng Tây - Bắc Thành phố Kon Tum, tỉnh Kon Tum Trạm đƣợc đóng điện đƣa vào vận hành vào cuối tháng 7/2015; nằm xa nơi dân cƣ, xung quanh vƣờn cao su Công ty cao su Kon Tum, đƣợc xây bao bọc bới tƣờng rào bảo vệ chiều cao 3.5m, nhà cửa xây dựng kiên cố, bên trạm có đƣờng nội nối thơng với nhau; địa hình cao, thống với tổng diện tích 52.000 m2 Trạm đóng vai trị quan trọng hệ thống điện nói chung khu vực miền Trung Tây Nguyên nói riêng C C Trạm biến áp 220kV Kon Tum điểm thu hút nguồn cơng suất đổ từ phía 110kV từ 04 trạm 110 kV là: Trạm 110kV Kon Tum (E45), Trạm 110kV R L T Đăk Tô (E46), Trạm 110kV Kon Plong Thủy điện PlayProng, ĐăkPxa Kon Tum tƣơng lai không xa trạm tiếp tục khép nối mạch vòng với Trạm biến áp 220kV Bờ Y truyền tải công suất qua trạm 500 kV Pleiku (E52) lên lƣới điện Quốc gia qua đƣờng dây mạch kép 220kV Pleiku - Kon Tum (theo quy hoạch phát triển điện lực địa bàn tỉnh Kon Tum có khoảng 82 thủy điện vừa nhỏ số nhà máy điện lƣợng tái tạo NLG, NLMT với tổng công suất dƣới 904 MW, nhu cầu sử dụng điện tỉnh Kon Tum thấp phần lớn lƣợng cơng U D suất chủ yếu truyền tải lên lƣới Quốc gia) Sau sâu vào khảo sát nghiên cứu tình trạng thực tế yêu cầu nay, em đƣợc Hội đồng đánh giá luận văn Trƣờng Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, Bộ môn Tự động hóa khóa K37 Kon Tum, mã số 8520216 định giao thực đề tài luận văn “ Nghiên cứu xây dựng thuật toán tự động chẩn đoán lỗi máy biến áp lực 220kV lưới điện Truyền tải” với hƣớng dẫn PGS TS Lê Tiến Dũng, Trƣởng Khoa điện trƣờng Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Đề tài nghiên cứu đề xuất xây dựng thuật toán giám sát chẩn đoán lỗi MBA có độ xác cao, phù hợp với u cầu cần kỹ thuật đảm bảo chất lƣợng điện áp phục vụ phụ tải để giải vấn đề nêu trình giám C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T ... 3: MƠ HÌNH THUẬT TỐN CHẨN ĐOÁN LỖI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỰ ĐỘNG CHẨN ĐOÁN LỖI TRONG MÁY BIẾN ÁP LỰC 220KV CỦA LƢỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI Học viên: Nguyễn Quốc Huy Chuyên ngành:Kỹ thuật điều... thuyết tự động giám sát chẩn đoán lỗi Máy biến áp lực 220kV, áp dụng cho máy biến áp vận hành Việt Nam  Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài xây dựng thuật toán giám sát chẩn đoán lỗi Máy biến áp lực 220... hành lƣới điện Từ nhu cầu thực tiễn trên, tác giả định chọn đề tài nghiên cứu C C NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỰ ĐỘNG CHẨN ĐOÁN LỖI TRONG MÁY BIẾN ÁP LỰC 220KV CỦA LƢỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI R L Đề