Thành phần sóng khúc xạ: 2 1 2 2 t k t u u z u z z (2.3.2.4) Hệ số phản xạ: 2 1 2 2 k t u Z u Z Z (2.3.2.5) Hệ số khúc xạ: 2 1 1 2 ( 1) Z Z Z Z (2.3.2.6) Sự phản xạ nhiều lần của sóng: Hình 12: Sự phản xạ nhiều lần của sóng
Các hệ số phản xạ: 0 10 1 0 0 02 2 0 1 02 1 0 2 2 2 Z Z Z Z Z Z Z Z Z Các hệ số khúc xạ: 2 0 02 2 0 1 0 01 1 0 Z Z Z Z Z Z Z Z 2.3.3 Các phương pháp xác định vị trí sự cố.
Dựa vào các phương pháp đo, định vị sự cố bằng sóng làn truyền, có thể chia thành 5 loại khác nhau: Loại A, B, C, D, E. Hoạt động của mỗi loại đề dựa trên việc phân tích sóng điện từ nhận được khi có sự cố diễn ra. Trong đó, các loại A, D, E là được sử dụng phổ biến hơn cả.
a. Phương pháp kiểu A
Áp dụng cho đường dây có một điểm cuối và thiết bị định vị được đặt ở một đầu đường dây. Khoảng cách đến điểm sự cố được xác định qua việc phân tích sóng truyền được ghi tại một điểm cuối đường dây. Sai lệch thời gian Δt giữa xung sự cố ban đầu và xung phản hồi tương ứng là khoảng thời gian để xung đi từ điểm cuối đường dây đến điểm sự cố và ngước lại. Nguyên tắc này được sử dụng để tính tốn khoảng cách từ trạm A đến điểm sự cố.
Hình 13: Phương pháp kiểu A
t1: Thời gian sóng phản xạ lần thứ 1 từ điểm sự cố đến A (s) t2: Thời gian sóng phản xạ lần thứ 2 từ điểm sự cố đến A (s) v: Vận tốc sóng (m/s).
Sai số phương pháp này bị ảnh hưởng bới điện trở sự cố, sai số này có thể được loại bỏ bằng việc sử dụng phương pháp kiểu D.
b. Phương pháp kiểu B
Áp dụng cho đường dây có thiết bị định vị đặt ở 2 đầu. Sóng truyền sinh ra bởi sự cố sẽ chạy về 2 đầu A, B của đường dây. Vài micro giây sau sự cố, sóng truyền tới trạm A và kích hoạt bộ đếm thời gian. Bộ đếm này sẽ ngừng lại khi có tín hiệu sóng phản xạ từ trạm B gửi tới.
Hình 14: Phương pháp kiểu B
c. Phương pháp kiểu C.
Phương pháp này sử dụng máy tạo xung ở 1 đầu đường dây. Thiết bị định vị sẽ phát xung truyền vào đường dây đến vị trí sự cố. Lúc này sẽ xuất hiện một xung phản xạ từ điểm sự cố chạy về đầu phát. Bằng việc tính tốn giữa 2 lần phát và nhận xung phản xạ, thiết bị có thể tìm ra điểm sự cố.
Hình 15: Phương pháp kiểu C
Trong đó: lsuco: là khoảng cách đến điểm sự cố (m). t1: Thời gian đi từ trạm A đến điểm sự cố (s). t2: Thời gian đi từ điểm sự cố đến trạm A (s).
v: Vận tốc sóng (m/s)
d. Phương pháp kiểu D.
Tương tự như kiểu B, nhưng để xác định chính xác vị trí sự cố, kiểu D này địi hỏi 2 thiết bị định vị ở 2 đầu đường dây phải được đồng bộ thời gian với nhau (như sử dụng hệ thống GPS).
Hình 16: Phương pháp kiểu D
Trong đó: lsuco: là khoảng cách đến điểm sự cố (m).
tA: Thời gian sóng phản xạ đầu tiên đi từ điểm sự cố đến A (s). tB: Thời gian sóng phản xạ đầu tiên đi từ điểm sự cố đến B (s). v: Vận tốc sóng (m/s).
e. Phương pháp kiểu E.
Đối với phương pháp này, sóng truyền được tạo ra bởi chính các máy cắt ở trên đường dây. Tương tự như kiểu C, sử dụng máy tạo xung, các máy cắt lúc này có thể được xem như là 3 máy tạo xung riêng biệt
Hình 17: Phương pháp kiểu E
t1: Thời gian đi từ điểm sự cố đến trạm A (s). t2: Thời gian xung tạo ra đến điểm sự cố (s). v: Vận tốc sóng (m/s)
2.4 Thực tiễn áp dụng phương pháp định vị sự cố đường dây truyền tải điện:
Năm 2017, EVN có dự án lắp đặt các thiết bị định vị sự cố sử dụng phương pháp truyền sóng (TWFL) Kinkei SFL-2000, SEL-400L cho các đường dây 220kV, 500kV tại các trạm biến áp như Sơn Hà, Thành Mỹ, Hịa Khánh, Huế, Đơng Hà, Tam Kỳ, và Dốc Sỏi. Kế hoạch thực hiện dự án tiến hành theo 3 bước. Bước đầu tiên là thiết lập TWFL để hoạt động với phương pháp một đầu đường dây. Bước thứ hai là đồng bộ hóa TWFL bằng đồng hồ Furuno GPS/GNSS và sử dụng kênh thông tin liên lạc đã được định cấu hình. Các TWFL sẽ gửi thơng tin sóng truyền đến máy chủ F/L để tính tốn khoảng cách sự cố theo phương pháp hai đầu đường dây, hiển thị kết quả và gửi email cho đơn vị vận hành. Bước thứ ba, PTC2 cài đặt, liên kết mạng truyền thông NPT giữa các TWFL như trong Hình 18. Các TWFL nhận được thơng tin sóng truyền từ xa để cung cấp vị trí sự cố tự động. Độ chính xác của SFL-2000 được báo cáo là 200m, trong khi độ chính xác của SEL-400L được báo cáo là 2%.
Mặc dù TWFL được công nhận là giải pháp đã khắc phục đáng kể những thiếu sót của phương pháp điện kháng, nhưng SFL-2000 khơng thể sử dụng trong bước 1. Bởi vì, nếu khơng có giao tiếp giữa hai đầu đường dây thì việc tính tốn vị trí sự cố khơng tự động thực hiện bằng máy chủ F/L. Do đó, khó khăn mà đơn vị vận hành gặp phải là thu thập thủ cơng các báo cáo sự kiện sóng truyền từ mỗi trạm biến áp. Đồng thời, đòi hỏi kỹ năng phân biệt sóng phản xạ của điểm sự cố, thời gian sóng truyền đến để tính tốn vị trí sự cố thủ cơng bằng phương pháp một đầu do sóng phản xạ từ thanh cái liền kề có cùng cực tính với sóng phản xạ của điểm sự cố thực, cho nên có khả năng sẽ xuất hiện tình huống nhận dạng nhầm lẫn sóng là khơng thể tránh khỏi. Ngồi ra, tất cả các cơng việc được thực hiện và hỗ trợ bởi các chuyên gia có kinh nghiệm.
2.5 Giới thiệu công nghệ định vị sự cố của một số hãng trên thế giới.
Công nghệ định vị sự cố của Isa (Italia):
Đặc tính.Thiết bị định vị sự cố của Isa là một hệ thống định vị sự cố bằng sóng truyền TFS (Traveling Wave Fault LocationSystem). Sai số xác định khoảng cách điểm sự cố nhỏ hơn 500 m. Sai số còn tùy thuộc vào các yếu tố sau đây:
- Điện trở sự cố.
- Sai số của máy biến dòng và biến điện áp. - Độ khơng chính xác của các tham số đường dây.
- Tình trạng trở kháng thứ tự “khơng” ln thay đổi theo độ ô nhiễm môi trường dọc theo hành lang của tuyến đường dây.
- Dòng tải trên đường dây.
Công nghệ của nhiều hãng chỉ xác định được điểm sự cố cho đường dây trên không tải điện xoay chiều. Riêng thiết bị của Isa có thể sử dụng cho các trường hợp sau:
- Đường dây truyền tải điện xoay chiều.
- Đường dây truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC). - Đường dây truyền tải có tụ bù nối tiếp.
- Các đường dây với nhánh T.
- Các đường dây cáp và dây trên không.
- Đo khoảng cách sự cố của một sự cố một pha chạm đất trong hệ thống phân phối trung tính khơng nối đất.
Nguyên lý định vị sự cố. Thiết bị của Isa sử dụng đồng thời cả 3 nguyên lý xác định điểm sự cố cho thiết bị của mình, bao gồm ba phương pháp sau: D, A, E.
a. Công nghệ định vị sự cố của hãng khác (Nippon, Kinkei, Hathaway, v.v.)
Đặc tính: Sử dụng cho đường dây tải điện xoay chiều, không sử dụng được cho đường dây tải điện một chiều. Sử dụng cho đường dây trên không, không sử dụng được cho đường cáp.
Nguyên lý xác định khoảng cách điểm sự cố là sử dụng duy nhất một phương pháp kiểu D, không đo được khoảng cách đến điểm sự cố khi gặp sự cố kiểu loại đứt dây hay tuột lèo cũng như không áp dụng được cho đường dây cụt.
Tần số lấy mẫu 10 MHz (Kinkei). Tần số là một dải trong khoảng hẹp xung quanh một trị số cố định, không thay đổi trong các môđun, không phụ thuộc vào số kênh trong môđun.
Bảng 1 Kết quả sau thử nghiệm của Nippon trên đường dây 220 kV Thái Nguyên - Hà Giang (nguồn: Ban kỹ thuật Cty Truyền tải điện-NPT)
Lần Ngày Thời
điểm Kết quả Điểm sự cố thực tế Nguyên nhân Sai số
1 7/6/2012 3:21:31 No 50 N0 48 Sét đánh 1384m
2 21/6/2012 13:33:08 No 365 No 363 Sét đánh 996m 3 23/07/2012 14:45:55 No 287 No 282 Sét đánh 2282m
2.6 Phương pháp biến đổi Wavelet
Vào thế kỷ 19, nhà toán học người Pháp Joseph Fourier đã chứng minh rằng một hàm tuần hồn bất kỳ nào đó có thể biểu diển như một tổng xác định của các hàm mũ phức. Phương pháp phân tích wavelet là một phương pháp mới phát triển dựa trên nền tảng nhưng lý thuyết của Fourier.
Trong luận văn của Alfred Haar năm 1909 từ “Wavelet” lần đầu tiên được sử dụng. Còn khái niệm wavelet được dùng cho các sách lý thuyết được đưa ra bởi Jean Morlet và nhóm nghiên cứu Marseille thuộc Trung tâm Nghiên cứu Lý thuyết Vật lý tại Pháp. Phương pháp phân tích wavelet đã được phát triển và phổ biến bởi Y.Meyer và các đồng nghiệp của ông. Thuật tốn chính dựa vào các cơng trình nghiên cứu của Stephane Mallat vào năm 1988.
Từ đó, việc nghiên cứu wavelet trở nên mang tính quốc tế. Mỹlà một trongnhững quốc gia có những nhà khoa học đi đầu trong lĩnh vực nghiên cứu này như: Ingrid Daubechies, Ronald Coifman, Victor Wickerhauser.
2.6.1 Khái niệm
Biến đổi wavelet được sử dụng để phân tích tín hiệu khơng cố định, tần số thayđổi theo thời gian.
Biến đổi wavelet liên tục (CWT) được định nghĩa bằng công thức (2.6.1.1):
1 ( , ) ( ) * 0 , R t b CWT a b s t dt a a a R b R (2.6.1.1) 1 2 , ( ) a b t a t b a (2.6.1.2)
Hàm (2.6.1.2) là hàm cửa sổ còn được gọi là Wavelet mẹ (mother wavelet), a là tỷ lệ và b là khoảng dịch, ψ*(t) là liên hợp phức của hàm Wavelet ψ(t). Thuật ngữ Wavelet nghĩa là sóng con. Hàm Wavelet gốc là nguyên mẫu đầu tiên để tạo nên các hàm cửa sổ. Thuật ngữ dịch (translation) liên quan với vị trí của cửa sổ, như là cửa sổ được dịch chuyển trên tín hiệu. Thuật ngữ này rõ ràng tương ứng với thông tin thời gian trong miền khai triển (transform domain).
Tuy nhiên, chúng ta khơng có tham số tần số như trong biến đổi Fourier thời gian ngắn STFT (Short time Fourier Tranform). Thay thế cho tham số tần số, chúng ta có khái niệm tỷ lệ, là phép tốn mở rộng hoặc nén tín hiệu. Các tỷ lệ nhỏ tương ứng với mở rộng hay giãn các tín hiệu và các tỷ lệ lớn tương ứng để nén tín hiệu.Việc lấy tỷ lệ Wavelet mẹ cho phép so sánh và rút ra đặc điểm chính xác của tín hiệu. Các Wavelet có tỷ lệ bé có khả năng trích được phần biến thiên nhanh, có tần số cao (phần tinh), cịn khi tỷ lệ lớn trích được phần biến thiên chậm, tần số thấp (phần thơ) của tín hiệu.
2.6.2 Biến đổi wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform-DWT).
Vì những hàm Wavelet ψa, b(ω) được định nghĩa đối với mọi điểm trong không gian (a, b) nên rõ ràng việc áp dụng những cơ sởWavelet ψa,b(ω) rất dư thừa. Dovậy, để giảm bớt sự dư thừa đó biến đổi Wavelet rời rạc (DWT) [11], [12] được giới thiệu. Biến đổi DWT dựa trên cơ sở mã hố băng con, có thể được thực hiện dễ dàng, giảm thời gian tính tốn và tài nguyên yêu cầu.
Cơ sở của DWT được xây dựng từ năm 1976, khi các kỹ thuật phân tích tín hiệu rời rạc được phát triển. Các nghiên cứu về DWT cũng được thực hiện trong lĩnh vực mã hóa tín hiệu tiếng nói cịn được gọi là mã hoá băng con (sub-band coding). Năm1983, các
kỹ thuật tương tự kỹ thuật mã hoá băng con được phát triển được gọi là mã hố hình chóp (pyramidal coding) và dẫn đến sơ đồ phân tích đa phân giải (MRA).
Trong biến đổi Wavelet liên tục, tín hiệu được phân tích sử dụng một tập hợp hàm cơ sở liên quan với nhau bởi hệ số tỷ lệ (a) và hệ số tịnh tiến (b). Trong DWT, biểu diễn thời gian tỷ lệ của tín hiệu số thu được nhờ sử dụng các kỹ thuật lọc số. Tín hiệu được phân tích qua các bộ lọc với tần số cắt khác nhau ở các tỷ lệ khác nhau.
Chúng ta có hàm rời rạc f(n)và biến đổi Wavelet rời rạc DWT được định nghĩa bởi phương trình sau: , ( , ) ( , ) ( ) j k( ) n Z C a b C j k f n n (2.6.2.1)
Với ψj,k là Wavelet rời rạc được định nghĩa như sau:
2 , ( ) 1 2 2 (2 ) 2 2 j jt j j k j j n k n n k (2.6.2.2) Các tham số a, b được xác định: a = 2j, b = 2jk.
Biến đổi DWT có thể biến đổi ngược nếu như tập hợp tương ứng của các mẫu xác định một khung Wavelet: 2 2 2 , , ( , ) a b A f f a b B f (2.6.2.3)
Trong đó A và B là hai hằng số dương gọi là giới hạn của khung (framebounds). Biến đổi ngược được xác định như sau:
, ( ) ( , ) j k( ) j Z k Z f n C j k n (2.6.2.4)
Nếu giới hạn khung (framebounds) trong (3.5) là A=B=1, thì phép biến đổi là trực giao. Đây là tổng vô hạn theo cả chỉ số thời gian k và chỉ số tỷ lệ j. Tuy nhiên tổng này có thể được tính hữu hạn với sai số rất nhỏ trong trường hợp các hàmWavelet với toàn bộ năng lượng tập trung trong một khoảng nào đó, như vậy phép tổng hữu hạn f(n) theo k là đúng với một số xấp xỉ.
2.6.3 Kỹ thuật phân tích đa phân giải (Multi-Resolution Analysis-MRA)
Kỹ thuật phân tích đa phân giải được xem là một trong những đặc điểm quan trọng nhất của kỹ thuật biến đổi wavelet rời rạc.
Thực tế trong phần lớn các loại tín hiệu, thành phần thực sự quan trọng và mang nét đặc trưng của tín hiệu là thành phần tần số thấp. Thành phần tần số cao của tín hiệu được
hiểu xem như là các sắc thái khác nhau của tín hiệu. Phân tích đa phân giải (MRA) sẽ giống như 2 bộ lọc tần số thấp và tần số cao [10] [13], tạo nên hai thành phần: Xấp xỉ và chi tiết của tín hiệu vào. Thành phần xấp xỉ có hệ số tỷ lệ cao, tương ứng với tần số thấp. Thành phần chi tiết có hệ số tỷ lệ thấp, tương ứng với tần số cao.
Hình 19: Hai bộ lọc tần số cao và tần số thấp của kỹ thuật MRA
Với tín hiệu vào là dạng sin nhiễu tần số cao, phân ly tín hiệu đầu vào lần 1 gọi là quá trình phân ly bậc 1.
Hình 20: Quá trình phân ly bậc 1 [13]
Tiếp tục q trình phân ly tín hiệu bậc 2
Trong đó:
- A1, A2 là thành phần xấp xỉ bậc 1 và 2.
- D1, D2 là thành phần chi tiết bậc 1 và bậc 2 tương ứng. Thực hiện phân ly một lần nữa ta được quá trình phân ly bậc 3:
Hình 22: Quá trình phân ly bậc 3 [13]
Phương pháp này tránh lỗi thiết bị và đồng bộ thông tin từ cả hai đầu. Việc lấy thông tin từ một đầu và xử lý nó dễ dàng và chính xác hơn. Tín hiệu nhất thời ln tiềm ẩn rất nhiều tín hiệu bất thường, những tín hiệu này chứa rất nhiều thơng tin hữu ích. Tuy nhiên, đối với các bài tốn vị trí ngắn mạch, chỉ thơng tin thoáng qua ở một tần số nhất định là có ý nghĩa. Do đó, trong bài tốn này, chúng tơi coi các tín hiệu khơng cần thiết là nhiễu. Thuật toán lọc nhiễu mới này sẽ được áp dụng, tín hiệu phản hồi từ vị trí ngắn mạch sẽ được xác định. Từ đó xác định vị trí đoản mạch. Thuật tốn này dựa trên các hệ số tương quan thu được thông qua phép biến đổi wavelet tĩnh với nhiều mức độ phân giải. Sau khi biến đổi wavelet tĩnh, sóng được phân tích thành hai nhóm chính, nhóm