Có rất nhiều loại sự cố trong hệ thống điện bao gồm tất cả các trục trặc, hư hỏng làm cho hệ thống điện vận hành không định mức, mất ổn định. Nhận dạng mọi sự cố trong hệ thống điện là một công việc bắt buộc và ngày càng được hoàn thiện.
Việc nhận dạng có tốt, thiết bị bảo vệ có chính xác, tin cậy thì hệ thống điện mới vận hành an toàn, ổn định, cung cấp điện được liên tục.
Hệ thống bảo vệ nhìn hệ thống điện thông qua các thiết bị đo lường. Các thông số hệ thống điện bao gồm thông số vận hành và thông số chế độ. Một số thông số đã được biết trước như tổng trở, chiều dài đường dây,…, không thay đổi trong quá trình vận hành; các thông số dòng điện, điện áp, công suất luôn thay đổi khi vận hành, nhất là khi có sự cố. Việc đo lường chính xác các thông số này là vô cùng quan trọng, ảnh hưởng đến việc nhận dạng chế độ, bảo vệ và điều khiển hệ thống.
Dòng điện và điện áp vận hành được đo lường thông qua các biến dòng điện CT, biến điện áp VT. Thiết bị bảo vệ nhận biết sự cố thông qua các thông số đo lường được. Thiết bị bảo vệ relay nhận biết các loại sự cố và đưa ra tín hiệu tác động cắt máy cắt, cô lập điểm sự cố khỏi hệ thống. Có rất nhiều loại relay bảo vệ như bảo vệ quá dòng (50/51), bảo vệ quá dòng chạm đất (50/51N), bảo vệ quá dòng có hướng (67), bảo vệ khoảng cách (21), bảo vệ so lệch (87), bảo vệ tần số (81), bảo vệ thấp áp (27), bảo vệ quá áp (59),…
Việc nhận dạng sự cố trong hệ thống điện là một công việc khó khăn và phức tạp. Hiện nay, với sự phát triển của thiết bị bảo vệ relay điện tử, kỹ thuật số, các sự cố trong hệ thống điện được nhận dạng và điều khiển tương đối đầy đủ và chính xác. Tuy nhiên, với yêu cầu ngày càng cao, thiết bị relay khó phát hiện được các dao động điện, các thành phần họa tần bậc cao. Từ đó đòi hỏi phải có một thiết bị mới, một công nghệ mới, nhận dạng được mọi sự cố một cách nhanh chóng, chính
26
xác. Một phương pháp được nghiên cứu nhiều trong thời gian gần đây là nhận dạng sự cố hệ thống điện bằng biến đổi Wavelet các sóng tín hiệu dòng điện và điện áp đo lường. Biến đổi Wavelet biến đổi sóng tín hiệu sang cả hai miền thời gian và tần số, do đó mọi sự thay đổi về biên độ, tần số của tín hiệu phân tích đều có thể nhận biết được.
Sau đây sẽ trình bày phương pháp biến đổi tín hiệu, biến đổi Wavelet, áp dụng để nhận dạng sự cố trong hệ thống điện.
2.2. Phương pháp biến đổi tín hiệu
Có nhiều phương pháp biến đổi tín hiệu, tùy vào loại tín hiệu và mục đích của việc biến đổi mà áp dụng các phương pháp biến đổi khác nhau. Trước biến đổi Wavelet - WT (Wavelet Transform), về cơ bản có 2 phương pháp biến đổi tín hiệu là biến đổi Fourier - FT (Fourier Transform) và biến đổi Fourier thời gian ngắn - STFT (Short Time Fourier Transform).
Biến đổi Fourier mô tả tín hiệu là tổng các hàm sin hay cosin với các tần số khác nhau thể hiện như Hình 2.4; các thành phần tần số không thấy được trong miền thời gian có thể được hiển thị rõ ràng trong miền tần số. Tuy nhiên sau quá trình biến đổi, tín hiệu được chuyển hoàn toàn sang miền tần số, như vậy thông tin về thời gian của tín hiệu bị mất. Do đó phép biến đổi Fourier không thích hợp để phân tích các tín hiệu động.
Biến đổi Fourier của hàm f(t) được định nghĩa là:
( ) +
−
= f t e− dt
F ( ) jt (2.1)
trong đó F() là hàm theo tần số và gọi là phổ của tín hiệu f(t).
Hình 2.4. Phép biến đổi Fourier
27
Tín hiệu f(t) có thể được khôi phục bằng phép biến đổi Fourier ngược:
( )t ej tF( )d F( )e j t
f
−
+
−
=
=21 21 , (2.2)
Biến đổi Fourier thời gian ngắn là một dạng biến thể của biến đổi Fourier, thực hiện biến đổi Fourier trên từng phần nhỏ của tín hiệu, là một sự thỏa hiệp giữa thông tin thời gian và thông tin tần số của tín hiệu trong một khoảng thời gian ngắn gọi là cửa sổ tín hiệu, thể hiện như Hình 2.5. Kết quả của phép biến đổi phản ánh được thông tin trong cả hai miền thời gian và tần số của tín hiệu nguyên bản.
Khuyết điểm của phương pháp STFT là độ rộng cửa sổ tín hiệu phân tích phải cố định trên toàn khoảng thời gian biến đổi.
Với STFT, tín hiệu f(t) đầu tiên được nhân với một hàm cửa sổ w(t - ) để lấy được tín hiệu trong một khoảng thời gian ngắn xung quanh thời điểm , sau đó áp dụng phép biến đổi Fourier cho đoạn tín hiệu này ta được một hàm 2 biến STFTf(,) xác định bởi:
( ) + ( ) ( )
−
− −
= wt f t e dt
STFTf , jt (2.3)
Như vậy, STFT tại thời điểm là biến đổi Fourier của tín hiệu f(t) nhân với phiên bản dịch theo thời gian một khoảng : w(t - ) của cửa sổ cơ bản xung quanh
. Cửa sổ biến đổi càng hẹp thì sự định vị theo thời gian càng tốt và tín hiệu được đánh giá càng chính xác hơn.
Hình 2.5. Phép biến đổi STFT