LUẬN VĂN NHẬN DẠNG MỘT SỐ QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN BẰNG KỸ THUẬT WAVELETS

Gồm các phần sau:1. Đặt vấn đề và tổng hợp lý thuyết các quá trình quá độ (QTQĐ).2. Giới thiệu phần mềm mô phỏng quá độ ATP và kết quả mô phỏng.3. Kỹ thuật Wavelets – phân tích dữ liệu quá độ. Kết quả của việc nhận dạng.4. Kết hợp mạng Neuron để tự động hóa việc phân loại (dùng công cụ Matlab).

NHẬN DẠNG MỘT SỐ QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN BẰNG KỸ THUẬT WAVELETS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

GVHD : TS NGUYỄN HỮU PHÚC CBHD : THS NGUYỄN NGỌC TUYẾN

SVTH : TRƯƠNG QUỐC KHÁNH MSSV : P0000038

BK

TPHCM

NỘI DUNG

Gồm các phần sau:

quá trình quá độ (QTQĐ)

ATP và kết quả mô phỏng

C Kỹ thuật Wavelets – phân tích dữ liệu

quá độ Kết quả của việc nhận dạng

việc phân loại (dùng công cụ Matlab)

ĐẶT VẤN ĐỀ A1

Các hiện tượng quá độ trong hệ thống điện:

Hậu quả:

Phá hủy cách điện,làm hư thiết bị vận hành

Không liên tục cung cấp điện,gây thiệt hại nền kinh tế…

Cần tìm hiểu, phân tích các QTQĐ, để chọn ra các biện pháp bảo vệ phù hợp…

MỘT SỐ QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ

ĐƯỢC KHẢO SÁT

e Restrike (Phóng điện trở lại)

Biên độ và tần số của dòng điện :

Quá điện áp xảy ra trong quá trình đi đến cân bằng của áp trên giàn tụ với áp nguồn hệ thống

Biên độ dòng, áp tỷ lệ thuận với |Us-Uc|

Capacitor Switching:

Isolated Bank

(file C.pl4; x-var t) v:U v:BEG 0.01 0.03 0.05 0.07 0.09 [s] 0.11 -2.0

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

2.0 [V]

Sơ đồ mạch điện khảo sát

U

I max  S  C

C L π

f

2

Capacitor Switching:

Voltage Magnification

(file M.pl4; x-var t) v:U v:BEG

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 [s] 0.12 -2.0

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

2.0 [V]

Điện Áp

Sơ đồ mạch khảo sát

Biên độ dòng, áp tỷ lệ thuận với |Us-Uc|

Quá điện áp xảy ra trong quá trình đi đến cân bằng của áp trên giàn tụ với áp nguồn hệ thống và dao

Capacitor Switching:

Back-To-Back Capacitor Bank

(file B.pl4; x-var t) v:U v:BEG

0.00 0.03 0.06 0.09 0.12 [s] 0.15 -1.5

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

1.5 [V]

m.max

C L 2.π

Trong quá trình đóng của các tiếp điểm, điện trường giữa 2 tiếp điểm sẽ tăng rất mạnh và khi độ bền cách điện của lớp điện môi trong máy cắt không chịu nổi, dẫn đến hiện tượng phóng điện trước khi tiếp điểm thực sự đóng giàn tụ vào hệ thống

Áp đặt trên tụ có thể đến 1.89p.u

(f ile Pres.pl4; x-v ar t) v :U

0 10 20 30 40 50 60 [ms] 70 -3

-2 -1 0 1 2

3 [V]

A6

Trong quá trình cắt của các tiếp điểm, độ chênh lệch điện áp giữa

áp trên tụ (giữ giá trị áp trước khi cắt) và áp trên hệ thống có thể

lên đến 2 p.u Điện trường giữa 2 tiếp điểm sẽ tăng rất mạnh và

khi độ bền cách điện của lớp điện môi trong máy cắt không chịu

nổi, dẫn đến hiện tượng phóng điện lại Hiện tượng có thể dẫn đến

phóng điện lần 2, thậm chí lần 3… và áp trên tụ sẽ tăng dần

Áp trên tụ có thể có giá trị 3 p.u (phóng điện lại lần 1)

(f ile Res.pl4; x-v ar t) v :U

0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 [s] 0.30 -1.5

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

2.5 [V]

A7

Voltage Sag

Đặc điểm:

Tần số quá độ bằng tần số hệ thống

Giá trị hiệu dụng từ 0.1(p.u) đến 0.9(p.u)

Thời gian quá độ từ 0.5 chu kỳ đến 1 phút

Nguyên nhân:

Khởi động động cơ hoặc tải tăng đột ngột

Sự cố chạm đất 1 pha của hệ thống nối đất trực tiếp

Điện áp:

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

A8

A9

A10

A11

Harmonics

Đặc điểm:

Họa tần là sự méo dạng của sóng sin chuẩn, có các

thành phần tần số thường là bội số của tần số cơ bản

Nguyên nhân:

Bộ biến đổi điện tử công suất (biến tần, chỉnh lưu…)

Máy biến áp làm việc trong trạng thái bão hòa

Điện áp:

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

A12

ATP-EMTP phần mềm mô phỏng quá độ

ATP là phần mềm

mô phỏng quá độ

Cho phép xuất dữ liệu mô phỏng sang Matlab

Gồm 4 chương trình chính:

ATP Control Center ATPDraw

ATP Control Center

Là phần mềm trung tâm điều khiển và kích hoạt 3 module phần mềm kể trên

Vào menu

Settings để cài

đặt và chọn các chương trình cần điều khiển

B2

ATPDraw 3.6

Là phần mềm để tạo mạch mô

phỏng quá độ

Mở tập tin

“All.adp” để tham

khảo tất cả linh kiện, thiết bị mà ATPDraw hỗ trợ

Vào menu

ATP\Settings… để

cài đặt các thông

số về bước thời gian và tổng thời gian mô phỏng

PlotXY

Là phần mềm để xem tín hiệu mô phỏng được xuất ra từ ATPDraw

Chọn Load, chọn tập tin *.pl4 vừa được tạo ra từ tập tin mô phỏng

Kích chuột vào những biến cần vẽ Nhấn Plot

Để phân tích phổ Fourier của tín hiệu thì kích vào Four

B B4

GTPPLOT

Là phần mềm để xem tín hiệu mô phỏng được xuất

ra từ ATPDraw nhưng thực thi trên giao diện DOS

GTPPLOT còn hỗ trợ xuất dữ liệu mô phỏng thành

dữ liệu Matlab

Gõ lệnh pl4 , sau đó gõ đường dẫn tập tin cần vẽ

Gõ lệnh Choice để xem tất cả các biến trong tập

tin Gõ #1,2, để chọn biến cần vẽ hoặt xuất thành

dữ liệu khác Gõ lệnh Matlab để chuẩn bị xuất

thành dữ liệu của Matlab (còn hỗ trợ xuất sang các

chương trình khác, xem Help để biết thêm chi tiết)

Gõ lệnh Go để xuất dữ liệu

B5

GTPPLOT (t.t) B6

Mô phỏng Capacitor Switching:

1.2 [V ]

(f ile C.pl4; x-v ar t) v :U v :BEG 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 [s] 0.12 -2.0

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

2.0 [V ]

(f ile C.pl4; x-v ar t) v :U v :BEG 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 [s] 0.12 -3

-2 -1 0 1 2

3 [V ]

Mô phỏng Capacitor Switching:

Voltage Magnification

(f ile M pl4; x -v ar t ) v : U v : BEG 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 [s] 0.12 -1.2

-0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8

1.2 [V ]

(f ile M.pl4; x-v ar t) v :U v :BEG

0.00 0.03 0.06 0.09 0.12 [s] 0.15 -2.0

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

2.0 [V ]

-2 -1 0 1 2

3 [V]

Mô phỏng Capacitor Switching:

Back-To-Back Capacitor Bank

-0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8

1.2 [V]

(f ile B.pl4; x-v ar t) v :U v :BEG 0.00 0.03 0.06 0.09 0.12 [s] 0.15 -1.5

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

1.5 [V]

B9

K1

Mô phỏng Capacitor Switching:

-2 -1 0 1 2

3 [V]

B10

V S =-1 p.u V c =1.98p.u V S =0 p.u V c =1.98p.u eBook for You

Mô phỏng Capacitor Switching:

-1 0 1 2

3 [V]

Mô phỏng Voltage Sag

(f ile SAG.pl4; x-v ar t) v :U

0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 [s] 0.20 -0.9

-0.6 -0.3 0.0 0.3 0.6

0.9 [V]

(f ile SAG.pl4; x-v ar t) v :U

0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 [s] 0.20 -0.9

-0.6 -0.3 0.0 0.3 0.6

0.9 [V]

0.01mH 5ohm

Mô phỏng Voltage Swell

(f ile SWELL.pl4; x-v ar t) v :U

0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 [s] 0.20 -1.00

-0.75 -0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75

1.00 [V]

(f ile SWELL.pl4; x-v ar t) v :U

0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 [s] 0.20 -1.00

-0.75 -0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75

1.00 [V]

0.01mH 5ohm

B13

K1

R2 K2

Voltage Interruption

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Swell được tạo dễ

dàng hơn bởi Matlab

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

B14

Voltage Flicker

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Voltage Flicker được

tạo bởi tổng hình sin

B15

Harmonics

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Harmonics được tạo

tạo bởi các công thức

toán học trên Matlab

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -1

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

B16

x s

b a b

a

) , ( )

, (

Not support in Time Domain

Ψ(.): mother wavelet b=shift factor , a:scale factor=1/frequency

C1

Wavelet Analysis (t.t)

Short-Time Fourier Analysis:

High frequencies  narrow window

Low frequencies  wide window

 But not both

Wavelet Analysis:

Frequency increases  window narrows

C2

Wavelet C3

Wavelet C4

Discrete Wavelet Transform

j j

j

N

w w

N P

2 2

Sin chuẩn- Pure Sine

Voltage Interruption

Voltage Interruption

Voltage Swell

Voltage Swell

Voltage Sag

Voltage

Sag P1 0.0002

nhận dạng các quá trình quá độ

C18

Sin chuẩn- Pure Sine

C

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130

0.10.20.30.40.5

Các mức Năng Lượng của Pure Sin

Capacitor Switching:

Isolated Bank

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130

0.10.20.30.40.5

Các mức Năng Lượng

Capacitor Switching:

Voltage Magnification

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130

0.10.20.30.40.5

Các mức Năng Lượng

Ước lượng thời điểm kết thúc quá độ

Thành phần tần số cao vượt trội

Các mức Năng Lượng

C22

Thời điểm bắt đầu quá độ

Ước lượng thời điểm kết thúc quá độ

Thành phần tần số cao vượt trội eBook for You

Các mức Năng Lượng

C23

Thời điểm

bắt đầu quá độ

Thời điểm kết thúc quá độ

Thành phần tần số cao vượt trội

Thành phần tần số thấp vượt trội eBook for You

Các mức Năng Lượng

C24

Thời điểm bắt đầu quá độ

Thời điểm kết thúc quá độ

Thành phần tần số cao vượt trội

Thành phần tần số thấp vượt trội

Các mức Năng Lượng

Khơng xác định được khoảng thời gian

quá độ

C25

Thành phần tần số cao vượt trội

Các mức Năng Lượng

Voltage Interruption với biên độ bằng không

0.050.10.150.20.250.30.350.40.45

sự cố

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130

0.10.20.30.40.5

Các mức Năng Lượng củaIN17

Voltage Interruption với biên độ lớn hơn khơng

C28

Các mức Năng Lượng

Biên độ trong thời gian quá độ nằm trong khoảng

1.1(p.u) đến 1.8(p.u)

C29

Thời điểm bắt đầu quá độ Thời điểm

kết thúc quá độ

Các mức Năng Lượng

Bảng tổng kết C31

Voltage

Sag

Voltage Swell

Voltage Interruption

Voltage Flicker Harmonics

Capacitor Switching

Pure Sin P1 0.0002 0.0002 0.0002 0.0001 0.0004 0.0147 0.0001

1:đóng cắt tụ bù 2:sụt điện áp 3:tăng điện áp 4:ngắt điện

5:chập chờn điện áp 6:họa tần 7:Sin chuẩn

Kết luận về Phân Loại

Tín hiệu giàu các thành phần tần số cao:

xác định được khoảng thời gian quá độ

Tín hiệu gần như hình sin, giàu các thành phần tần số cơ bản :

Voltage Sag: biên độ từ 0.1(p.u) đến 0.9(p.u)

Voltage Swell: biên độ từ 1.1(p.u) đến 1.8(p.u)

Voltage Interruption: biên độ nhỏ hơn 0.1(p.u)

(xét biên độ trong khoảng thời gian quá độ xác định)

Yêu cầu

Tự động hóa việc nhận dạng

Các bước thực hiện việc nhận dạng ở trên đều thực

hiện bằng mắt hoặc dựa vào kinh nghiệm phân tích, dẫn đến : mất nhiều thời gian, không đáp ứng được

đòi hỏi cung cấp thông tin tức thời cho công việc

giám sát, bảo trì hệ thống

Đưa ra giải pháp để tối ưu thời gian và tạo khả

năng tự động trong việc nhận dạng

Kết hợp khả năng tính toán của Matlab và mạng

Neuron để giải quyết các yêu cầu nhất thiết trên

Tạo giao diện chương trình để người giám sát sử

dụng dễ dàng hơn

D1

Kết hợp mạng Neuron

PNN – Probabilistic Neural Network :

PNN được cung cấp bởi Neural Network Toolbox

trong Matlab

Tốn nhiều bộ nhớ Mạng được tạo, chiếm bộ nhớ xấp

xỉ 4.5 lần kích thước dữ liệu để luyện mạng

PNN yêu cầu thời gian học rất nhỏ và thời gian gọi

nhanh

Có thể chạy tương ứng với thời gian thực

Câu lệnh tạo mạng PNN trong Matlab :

Cấu trúc Mạng PNN

2

) ( n e n radbas

D3

Cách thức hoạt động của PNN

Khi ta đưa một tín hiệu vào mạng, lớp mạng

đầu tiên tính toán khoảng cách từ tín hiệu đến

mẫu mà ta đã huấn luyện và tạo nên một

vector có các phần tử xác định được vị trí của

tín hiệu so với mẫu

Lớp mạng thứ hai tính xác suất phân bố của

tín hiệu đưa vào so với mỗi dạng phân loại

của mẫu

Lớp thứ ba sẽ tìm ra xác suất lớn nhất của tín

hiệu đưa vào so với mỗi dạng phân loại, xác

suất ứng với dạng nào có giá trị lớn nhất thì

giá trị Y tương ứng với dạng đó được gán là

một, ngược lại được gán là không

D4

Mẫu huấn luyện Mạng

Số mẫu huấn luyện : 241 mẫu

Sụt điện áp, tăng điện áp, ngắt điện, phóng điện

trước, phóng điện trở lại : mỗi loại 20 mẫu

Họa tần, chập chờn điện áp : mỗi loại 10 mẫu

Sine chuẩn : 11 mẫu

Đóng trạm tụ cách ly, khuếch đại điện áp : mỗi loại

40 mẫu (do dự tính trường hợp khi đóng trạm tụ

Mơ hình cho cơng việc

nhận dạng

Input gồm 15 giá trị :

13 mức năng lượng [ P 1 D ,P 2 D ,…P 13 D ]

Khoảng thời gian quá độ[ t t ]

Giá trị lớn nhất của điện áp trong thời gian quá độ [ A ]

Output :

Cĩ giá trị từ 1 đến 8

Mẫu Phân tích DWT - 13 levels

Khoảng thời gian quá độ 13 mức năng lượng của 13 levels

8

D6

Tự động hóa việc nhận dạng D7

1 Tin hieu SA01

Nhận dạng được tín hiệu đưa vào là sụt điện áp , bắt đầu từ chu

kỳ thứ 2 với biên độ là 0.5 p.u, trong khoảng thời gian là 5 chu

kỳ, kết thúc ở chu kỳ thứ 7

D8

các dạng này có nhiều đặc điểm tương đồng với

nhau, nên thực sự gây lầm lẫn cho người giám sát, có

thể dẫn đến điều khiển sai các thiết bị bảo vệ

Tìm ra đặc điểm riêng biệt, để phân biệt

Tự động hóa công việc nhận dạng

E1

Phân loại các quá trình khác nhau

của Capacitor Switching

Isolated Bank

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130

0.10.20.30.40.5

Các mức Năng Lượng

Thành phần

5 vượt trội eBook for You

Các mức Năng Lượng

Back-To-Back Capacitor Bank

0.10.20.30.40.50.6

Các mức Năng Lượng

E5

Biên độ giảm dần max lớn hơn min từ 1% đến 25%

Thành phần

6 vượt trội

Prestrike

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130

0.10.20.30.40.50.6

Các mức Năng Lượng

Thành phần tần số thấp vượt trội eBook for You

Restrike

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130

0.10.20.30.40.5

Các mức Năng Lượng

Thành phần tần số thấp vượt trội

0 0.5 1 1.5

2

2.5

0 2 4 6 8 10 12 14 0

0 2 4 6 8 10 12 14

0 0.2 0.4 0.6 0.8

1:đóng trạm tụ cách ly 2:khuếch đại điện áp 3:đóng trạm tụ song song

4:phóng điện trước 5:phóng điện trở lại

E9

Kết luận

Thành phần tần số cao:

Isolated Bank và Voltage Magnification có :

Thành phần level 5 vượt trội

Back-To-Back Capacitor Bank có :

Thành phần level 6 vượt trội

Độ suy giảm của nhiễu level 3 :

Isolated Bank và Back-To-Back Capacitor Bank có : Biên độ giảm dần theo hàm mũ

% suy giảm nhỏ nhất của Isolated Bank lớn hơn % suy giảm lớn nhất của Back-To-Back Capacitor Bank (xét trong đoạn

đã chọn)

Voltage Magnification :

Biên độ giảm dần theo chu kỳ

Có cả 2 thành phần tần số cao và thấp:

Prestrike : xảy ra trong quá trình đóng giàn tụ vào lưới điện

Restrike : xảy ra trong quá trình cắt giàn tụ khỏi lưới điện

E10

Tự động hóa việc nhận dạng

Dùng mạng Neuron ở phần trên để phân biệt :

Kết quả là 8 : tín hiệu sẽ là phóng điện trước hoặc phóng điện trở lại

Nhận biết quá trình phóng điện xảy ra trước hay sau quá trình đóng cắt tụ :

Xảy ra trước : tín hiệu là phóng điện trước

Xảy ra sau : tín hiệu là phóng điện trở lại

Kết quả là 1 : tín hiệu sẽ là 1 trong 3 hiện tương đóng cắt tụ bù Nhận biết sự thay đổi của nhiễu bậc 3 của 3 quá trình trong

là đóng trạm tụ song song

E11

Ví dụ minh họa

Nhận dạng được tín hiệu đưa vào là phóng điện trước , bắt đầu

từ chu kỳ thứ 0.3024 với biên độ là 1.8961 p.u, trong khoảng

thời gian là 0.756 chu kỳ, kết thúc ở chu kỳ thứ 1.0584

Ứng dụng kỹ thuật DDE

để tạo giao diện người dùng

DDE : là kỹ thuật cho phép hai chương trình

cùng xử lý hay truy xuất dữ liệu lẫn nhau

Ứng dụng kỹ thuật DDE, viết chương trình (từ

ngôn ngữ lập trình Visual Basic 6.0) liên kết và

điều khiển Matlab tạo giao diện GUI (Graphical

User Interface) để dễ dàng cho người sử dụng

Matlab với kỹ thuật DDE cho phép xuất chuỗi,

Các chức năng của chương trình

Chương trình bao gồm các tính năng :

Click vào nút OPEN để chọn tín hiệu (tập tin mat), chương

trình sẽ vẽ tín hiệu trên giao diện

Click nút lệnh Analyze để phân tích DWT với dạng wavelet

và level đã chọn (mặc dịnh là wavelet db4 và level 3)

Check vào Multi-Level để hiển thị các thành phần nhiễu từ

1 đến mức level đã chọn trước

Check vào INPUT vs OUTPUT nếu muốn so sánh tín hiệu

đầu vào và tín hiệu đã lọc bớt các thành phần nhiễu

Click vào nút lệnh Energy để xem giá trị và biểu đồ của 13

mức năng lượng khi được phân tích DWT-13 level

Đưa ra kết quả nhận dạng : thời gian bắt đầu, kết thúc, giá

trị lớn nhất khi quá độ và tên của quá trình quá độ… khi click

vào nút lệnh Result

F2

Giao diện chương trình F3

Kết luận

F4

Luận án đã đưa ra một phương pháp mới

để nhận dạng các quá trình quá độ trên

lưới điện : kỹ thuật phân tích Wavelet

Kết hợp với trí khôn nhân tạo để tự động

hóa công đoạn nhận dạng

Khai thác được khả năng tính toán của

Matlab để có thể tính được thời điểm bắt

đầu, kết thúc quá độ, biên độ quá độ mà

không phải nhìn bằng mắt

Dùng ngôn ngữ lập trình Visual Basic

6.0 để tạo giao diện cho người sử dụng