Luận văn thạc sĩ khoa học thiết kế hệ chẩn đoán sự cố tiềm ẩn của mba lực dựa trên fuzzy logic

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http //lrc tnu edu vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ––––––––––––––––––––––––– NGUYỄN KHẮC HƯNG THIẾT KẾ HỆ CHUẨN Đ[.]

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

–––––––––––––––––––––––––

NGUYỄN KHẮC HƯNG

THIẾT KẾ HỆ CHUẨN ĐOÁN SỰ CỐ TIỀM ẨN CỦA MÁY BIẾN ÁP LỰC DỰA TRÊN FUZZY LOGIC

Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã ngành: 8 52 02 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: 1 TS Đỗ Trung Hải

2 TS Nguyễn Tiến Duy

THÁI NGUYÊN - 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa

học của TS Đỗ Trung Hải và TS Nguyễn Tiến Duy Các kết quả tính toán, số liệu

nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Khắc Hưng

LỜI CẢM ƠN

Qua thời gian học tập, nghiên cứu chương trình cao học kỹ thuật điện của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, đã giúp tác giả nhận thức sâu sắc về cách thức nghiên cứu, phương pháp tiếp cận các đối tượng nghiên cứu và lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp cao học; đồng thời góp phần nâng cao kiến thức chuyên môn vững vàng, nâng cao năng lực thực hành, khả năng thích ứng cao trước sự phát triển của khoa học, kĩ thuật và kinh tế; có khả năng phát hiện, giải quyết độc lập những vấn đề thuộc chuyên ngành được đào tạo và phục vụ cho công tác được tốt hơn Việc thực hiện nhiều bài tập nhóm trong thời gian học đã giúp tác giả sớm tiếp cận được cách làm, phương pháp nghiên cứu, tạo tiền đề cho việc độc lập trong nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

TS Đỗ Trung Hải và TS Nguyễn Tiến Duy đã giúp đỡ, hướng dẫn hết sức chu đáo, nhiệt tình trong quá trình thực hiện để tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ này;

Các CBCNV trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình tiến hành thực nghiệm đề tài và bảo vệ luận văn thạc sĩ;

Các đồng chí lãnh đạo và tập thể cán bộ công nhân viên của Công ty Điện lực Bắc Kạn đã giúp đỡ tác giả thực hiện việc nghiên cứu, thu thập các số liệu để tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ này; các đồng nghiệp là những người đã hoàn thành chương trình cao học, đã dành thời gian đọc, đóng góp, chỉnh sửa cho luận văn thạc

sĩ này hoàn thiện tốt hơn;

Gia đình, bạn bè của tác giả đã giúp đỡ, tạo điều kiện về thời gian, động viên tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này;

Tác giả mong muốn tiếp tục nhận được sự chia sẻ, hỗ trợ và tạo điều kiện của Hội đồng Chấm luận văn thạc sĩ, để bản luận văn này hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cám ơn

Bắc Kạn, ngày tháng 05 năm 2019

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ SỐ TIỀM ẨN CỦA MÁY BIẾN ÁP LỰC 5

1.1 Tổng quan về máy biến áp lực 5

1.1.1 Các thông số cơ bản của máy biến áp 5

1.1.2 Thí nghiệm máy biến áp 7

1.2 Các phương pháp chẩn đoán lỗi tiềm ẩn 10

1.2.1 Kiểm tra đánh giá về điều kiện cách điện 10

1.2.2 Giám sát trực tuyến sự phóng điện một phần – PD 11

1.2.3 Phân tích độ khí hoà tan trong dầu (DGA) 12

1.3 Chẩn đoán lỗi tiềm ẩn MBA trên cơ sở DGA 14

1.3.1 Đặc tính sinh khí 14

1.3.2 Các lỗi tiềm ẩn của MBA 15

1.3.3 Chẩn đoán lỗi dựa trên phương pháp tỉ lệ 18

1.4 Đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp dựa trên DGA 22

1.5 Kết luận chương 23

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ CHẨN ĐOÁN LỖI THEO FUZZY LOGIC 24

2.1 Tổng quan về fuzzy logic và suy luận xấp xỉ 24

2.1.1 Khái niệm tập mờ và logic mờ 24

2.1.2 Các phép toán trên tập mờ 26

2.1.4 Suy luận xấp xỉ 31

2.2 Thiết kế hệ chẩn đoán lỗi 35

2.2.1 Xây dựng mô hình chẩn đoán mới theo logic mờ 36

2.2.2 Thiết kế thuật toán cho mô hình chẩn đoán mờ 38

2.3 Kết luận chương 42

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG 43

3.1 Giới thiệu về công cụ, môi trường lập trình 43

3.2 Kết quả mô phỏng 44

3.2.1 Giao diện chính của chương trình 45

3.2.2 Chức năng chẩn đoán 46

3.2.3 Chức năng tra cứu 48

3.2.4 Chức năng in báo cáo 50

3.3 Kết luận chương 50

KẾT LUẬN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

PHỤ LỤC: MỘT SỐ MODUL CHÍNH CỦA CHƯƠNG TRÌNH 56

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DGA Dissolved Gas Analysis HFCT High Frequency Current Transformer IEC International Electrotechnical Commission MBA Máy biến áp

PD Partial Discharge TOGAS Transformer Oil Gas Analysis System SQL Structured Query Language

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các lỗi MBA và nguyên nhân gây ra 15

Bảng 1.2 Định nghĩa tỉ lệ và phương pháp tỉ lệ 18

Bảng 1.3 Phương pháp hệ số tỉ lệ Dornenburg 18

Bảng 1.4 Giá trị giới hạn L1 của Dornenburg 19

Bảng 1.5 Bảng chẩn đoán gốc của phương pháp tỉ lệ Rogers 19

Bảng 1.6 Mã định nghĩa của phương pháp tỉ lệ Rogers đã cải tiến 20

Bảng 1.7 Chẩn đoán theo phương pháp tỉ lệ Rogers đã cải tiến 20

Bảng 1.8 Tỉ lệ các thành phần khí và các lỗi tương ứng theo IEC-60599 (2015) 22

Bảng 1.9 Mã của các tỉ số theo từng khoảng giá trị 22

Bảng 1.10 Bảng luật chuẩn đoán lỗi theo mã quy ước 22

Bảng 2 1 Bảng luật chẩn đoán cho 8 lỗi được viết lại theo nhãn ngôn ngữ 38

Bảng 2.2 Ngưỡng L1 theo IEC-599 39

Bảng 2.3 Tính toán độ tin cậy kết luận của các luật chẩn đoán mờ 40

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các cuộn dây mới 16

Hình 1.2 Phóng điện đánh thủng cách điện chưa biến dạng vòng dây 16

Hình 1.3 Phóng điện đánh thủng cách điện và biến dạng vòng dây 16

Hình 2.1 Hàm thuộc A(x) của tập kinh điển A 17

Hình 2.2 Hàm thuộc của tập mờ B 26

Hình 2.3 Hàm thuộc của tập mờ C 26

Hình 2.4 Hàm thuộc F(x) có mức chuyển đổi tuyến tính 27

Hình 2.5 Sơ đồ bộ suy luận xấp xỉ theo tiếp cận fuzzy logic 35

Hình 2.6 Tập mờ cho các tỉ số 38

Hình 2.7 Công thức tính độ thuộc trên các tập mờ khác nhau 40

Hình 3.1 Visual Studio 2013 Ultimate 44

Hình 3.2 Bảng cơ sở dữ liệu 45

Hình 3.3 Giao diện chính của chương trình 47

Hình 3.4 Nhập số liệu để thực hiện chức năng chẩn đoán 48

Hình 3.5 Kết quả chẩn đoán sau khi nhập số liệu 48

Hình 3.6 Tra cứu lịch sử chẩn đoán 49

Hình 3.7 Danh sách lịch sử chẩn đoán 50

Hình 3.8 Chi tiết kết quả tra cứu 51

MỞ ĐẦU

Máy biến áp (MBA) lực là một thiết bị chủ đạo trong hệ thống năng lượng Độ tin cậy của chúng không chỉ ảnh hưởng tới khả năng cung cấp điện mà còn ảnh hưởng tới sự vận hành có tính kinh tế của một hộ tiêu thụ nào đó (ví dụ như các lò luyện, dây truyền sản xuất, v.v trong các nhà máy) Ví dụ, một lỗi của MBA phân phối có thể làm cho hàng nghìn hộ tiêu thụ mất điện.Một lỗi của MBA tăng thế có thể là nguyên nhân gây ra mất điện của các khu vực liền kề trong hệ thống lưới điện đó

Chẩn đoán sự cố tiềm ẩn của MBAlực trong hệ thống điện là một vấn đề đã được nhiều nhà khoa học quan tâm Để có thể đưa ra được thông tin về các lỗi (lỗi tiềm ẩn) có thể xảy ra trong tương lai của MBA, trong một số công trình đã đưa ra các phương pháp chẩn đoán dựa trên phân tích lượng khí hoà tan trong dầu Ngoài ra còn có các phương pháp chẩn đoán dựa trên đáp ứng phổ tần MBA, chẩn đoán dựa trên độ rung của MBA Phương pháp sắc ký khí với phân tích khí hoà tan trong dầu [1] cần thiết phải có những thiết bị đo chuyên dụng và đòi hỏi độ chính xác cao Dựa trên những kỹ thuật này, đã có nhiều kỹ thuật hiện đại cho phép chẩn đoán tốt hơn [11], tuy nhiên một điểm chung của các phương pháp này là phải dựa trên các kỹ thuật đo đạc chính xác Vì vậy, kết quả chẩn đoán cũng phụ thuộc nhiều vào độ chính xác kết của của các phép đo Một phương pháp chẩn đoán khác có thể kế thừa được tri thức chuyên gia dưới dạng luật thống kê đã được giới thiệu [12], [16] Phương pháp này được phát triển dựa trên sử dụng mạng neural nhân tạo Để có được kết quả chẩn đoán chính xác, theo phương pháp sử dụng mạng neural cần phải có bộ

dữ liệu thực nghiệm “đủ lớn” để huấn luyện mạng và lựa chọn được một cấu trúc mạng hợp lí Thực tế cho thấy, theo tiếp cận này có rất nhiều cấu trúc mạng có thể được lựa chọn với những kết quả chẩn đoán khác nhau Thời gian huấn luyện mạng lớn cũng là một nhược điểm của phương pháp này Ngoài ra, các phương pháp sử dụng fuzzy logic, mờ-neural cũng được đề xuất [17], [18], [15] Điểm chung của các phương pháp này đó là kế thừa được tri thức chuyên gia trên cơ

sở hệ luật

Ở Việt Nam, các hệ hỗ trợ quyết định dựa trên trí tuệ nhân tạo được phát triển trên cở sở sử dụng tri thức chuyên gia như hệ chuyên gia, mạng neural, fuzzy logic, v.v cũng dần được phát triển rộng rãi Có thể thấy một số nghiên cứu đã được công

bố như ứng dụng hệ mờ [2], mạng neureal [3], hệ chuyên gia [4], hay kết hợp hệ chuyên gia, mạng neural và fuzzy logic để phát triển hệ chẩn đoán sự cố tiềm ẩn MBA [5] - [10] Điểm chung của các nghiên cứu này đó là có sử dụng hệ tri thức chuyên gia Tuy nhiên, việc nghiên cứu tìm kiếm các phương pháp mới hiệu quả hơn luôn là đòi hỏi của quá trình phát triển Vì vậy, dưới sự định hướng của các thầy hướng dẫn là nghiên cứu thiết kế hệ chẩn đoán gồm nhiều bộ suy luận có cấu trúc nối tầng để chẩn đoán sự số tiềm ẩn của MBA lực Với định hướng đó, em xin lựa chọn đề tài

“Thiết kế hệ chẩn đoán sự cố tiềm ẩn của MBA lực dựa trên Fuzzy Logic” làm đề tài nghiên cứu luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật điện

Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Mục tiêu: Phân tích được cơ sở dữ liệu và các dấu hiệu nhận biết để phát hiện

và chẩn đoán được chính xác các sự cố (tiềm ẩn) của MBA lực Nghiên cứu

đề xuất cấu trúc mô hìnhhệ suy luận xấp xỉ dựa trên Fuzzy Logic cho hệ chẩn đoán sự cố tiềm ẩn của MBA lực

- Đối tượng nghiên cứu là: Các phương pháp chẩn đoán của MBA lực trong

các trạm biến áp hạ thế Nghiên cứu về lý thuyếtfuzzy logic, hệ chuyên gia và suy luận xấp xỉ

- Về phạm vi nghiên cứu: Giới hạn công suất MBA từ 50KVA đến 2000 KVA

Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu về các lỗi thường xảy ra đối với MBA lực khi vận hành trong hệ thống điện Nghiên cứu về quá trình chẩn đoán, cơ sở lý thuyết và các phương pháp chẩn đoán Tìm hiểu những kết quả nghiên cứu trước đây đã được công bốtrong và ngoài nước về chẩn đoán sự cố MBA Đặc biệt, tìm hiểu về phương pháp chẩn đoán

sự cố MBA dựa trên phân tích khí hoà tan (DGA - Dissolved Gas Analysis) Đánh

giá ưu nhược điểm của phương pháp Đề xuất mô hình mới cho hệ chẩn đoán theo tiếp cậnlập luận xấp xỉ Trao đổi với các chuyên gia thí nghiệm điện

- Cài đặt phần mềm dựa trên thuật toán đã được thiết kế; Kiểm nghiệm trên dữ liệu thực tế và hiệu chỉnh phần mềm

Những nội dung nghiên cứu chính và bố cục luận văn

Dự kiến nội dung báo cáo của luận văn gồm: phần mở đầu, 3 chương chính, phần kết luận và tài liệu tham khảo Bố cục được trình bày như sau:

Phần mở đầu: Nêu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết và hướng nghiên cứu chính CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ SỐ TIỀM ẨN CỦA MÁY BIẾN ÁP LỰC

Nội dung trọng tâm của chương là nghiên cứu về: Các lỗi thường xảy ra đối với MBA lực khi vận hành trong hệ thống điện; Quá trình chẩn đoán, cơ sở lý thuyết và các phương pháp chẩn đoán; Những kết quả nghiên cứu trước đây đã được công bố

về chẩn đoán sự cố MBA; Phương pháp chẩn đoán sự cố MBA dựa trên phân tích khí hoà tan Đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp

CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ HỆ CHẨN ĐOÁN LỖI THEO FUZZY LOGIC

Nội dung trọng tâm của chương là nghiên cứu tổng quan về lý thuyết fuzzy logic, suy luận xấp xỉ dựa trên fuzzy logic và ứng dụng trong các hệ chuyên gia Thiết kế hệ chẩn đoán có bộ suy luận xấp xỉ dựa trên phương pháp chẩn đoán DGA

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG

Nội dung trọng tâm của chương là cài đặt phần mềm chẩn đoán chạy trên môi trường web dựa trên thuật toán đã thiết kế trong chương 2; Kiểm nghiệm thuật toán chẩn đoán sự

cố tiềm ẩn MBA với những bộ dữ liệu thực tế và hiệu chỉnh phần mềm

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Về ý nghĩa khoa học: Học viên thực hiện đề tài đã nghiên cứu các phương

pháp chẩn đoán dựa trên kết quả của kỹ thuật DGA như Dornembug, Roger và

tiêu chuẩn IEC-599; Tìm hiểm các kết quả nghiên cứu về chẩn đoán đã được các tác giả quốc tế công bố; Phân tích những ưu điểm, tồn tại của các kết quả nói trên Từ đó đã đề xuất một mô hình chẩn đoán theo tiếp cận Fuzzy logic với sự thiết kế các hàm thuộc là phù hợp với thực tế Mô hình chẩn đoán đã được thiết kế cụ thể thành thuật toán hoàn chỉnh để trở thành một phần mềm

hệ chuyên gia trong chẩn đoán sự số tiềm ẩn của MBA lực

- Về ý nghĩa thực tiễn:Với thuật toán chẩn đoán được thiết kế, phần mềm đã

được cài đặt hoàn chỉnh chạy trên môi trường web Phầm mềm đã được kiểm thử với nhiều bộ dữ liệu thực tế và đã có những hiệu chỉnh cần thiết để kết quả chẩn đoán trở nên tin cậy hơn Sản phẩm phần mềm này hoàn toàn có thể áp dụng trong thực tế đối với công tác thí nghiệm nghiệm MBA tại các Công ty, Trung tâm thí nghiệm điện

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN

SỰ SỐ TIỀM ẨN CỦA MÁY BIẾN ÁP LỰC

Nội dung trọng tâm của chương là nghiên cứu về: Các lỗi thường xảy ra đối với MBA lực khi vận hành trong hệ thống điện; Quá trình chẩn đoán, cơ sở lý thuyết và các phương pháp chẩn đoán; Những kết quả nghiên cứu trước đây đã được công bố

về chẩn đoán sự cố MBA; Phương pháp chẩn đoán sự cố MBA dựa trên phân tích khí hoà tan Đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp Nội dung được thể hiện bằng các mục sau

1.1 Tổng quan về máy biến áp lực

Như ta đã biết điện năng là loại năng lượng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống, việc điện khí hoá công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải và các ngành kinh tế khác đòi hỏi phải có thiết bị khác nhau Việc truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ cần phải có đường dây tải điện và trạm biến áp(trạm biến áp giảm áp ở cuối đường dây cho phù hợp với điện áp của phụ tải tiêu thụ) Từ

đó ta cũng thấy rõ MBA chỉ làm nhiệm vụ thay đổi cấp điện áp, hoặc phân phối năng lượng chứ không phải là chuyển hoá năng lượng

Hiện nay ngành chế tạo MBA của nước ta đã sản xuất được nhiều chủng loại MBA khác nhau, trước khi đưa MBAđưa vào vận hành đều phải thí nghiệm nghiệm thu, nhằm xác định chất lượng của MBA thông qua các thông số kỹ thuật

1.1.1 Các thông số cơ bản của máy biến áp

Các thông số định mức được ghi trên các máy, các thông số khác được nhà chế tạo ghi trong lý lịch máy Cụ thể từng thông số như sau

a) Công suất định mức

Là công suất biểu kiến (công suất toàn phần) đưa ra từ phía thứ cấp của MBA

- Ký hiệu: Sđm

- Đơn vị tính: kVA (hay VA)