Nhận dạng và phân loại các tín hiệu quá độ dựa vào mạng nơron kết hợp với phân tích Wavelets

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TẤN ĐỜI NHẬN DẠNG VÀ PHÂN LOẠI CÁC TÍN HIỆU QUÁ ĐỘ DỰA VÀO MẠNG NƠRON KẾT HỢP VỚI P

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TẤN ĐỜI

NHẬN DẠNG VÀ PHÂN LOẠI CÁC TÍN HIỆU QUÁ ĐỘ DỰA VÀO MẠNG NƠRON KẾT HỢP VỚI

PHÂN TÍCH WAVELETS

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2005

S KC 0 0 0 4 4 0

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN TẤN ĐỜI

NHẬN DẠNG VÀ PHÂN LOẠI CÁC TÍN HIỆU QUÁ ĐỘ DỰA VÀO MẠNG NƠRON KẾT HỢP

VỚI PHÂN TÍCH WAVELETS

Chuyên ngành: Thiết Bị Mạng và Nhà Máy Điện

Mã số ngành: 60 52 50

Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 08 Năm 2005

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NHẬN DẠNG VÀ PHÂN LOẠI CÁC TÍN HIỆU QUÁ ĐỘ DỰA VÀO MẠNG NƠRON KẾT HỢP

VỚI PHÂN TÍCH WAVELETS

Chuyên ngành: Thiết Bị Mạng và Nhà Máy Điện

Mã số ngành: 60 52 50

Họ và Tên Học Viên: NGUYỄN TẤN ĐỜI

Người Hướng Dẫn: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 08 Năm 2005

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Giáo viên hướng dẫn:

( ghi họ tên, chức danh khoa học, học vị và cơ quan công tác )

Giáo viên chấm nhận xét 1:

( ghi họ tên, chức danh khoa học, học vị và cơ quan công tác )

Giáo viên chấm nhận xét 2:

( ghi họ tên, chức danh khoa học, học vị và cơ quan công tác )

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

Ngày … Tháng … Năm ……

Có thể tìm hiểu luận văn thạc sĩ tại Thư Viện Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật T.P Hồ Chí Minh

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

- Họ và tên: Nguyễn Tấn Đời

- Ngày sinh: 07 – 03 – 1974

- Nơi sinh: Thị xã Bến Tre

- Địa chỉ liên lạc:

 BM Điện tử Công nghiệp, Khoa Điện Tử, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

08 – 8960985 ntdoi@yahoo.com

 43/12 Đường 8 KP3 P.Linh Trung Q.Thủ Đức

08 – 7 222 159 0983 222 159

- Quá trình đào tạo:

 1980 – 1991: học cấp 1, 2 và 3 tại Thị Xã Bến Tre

 1992 – 1997: học đại học ngành Kỹ thuật Điện – Điện Tử tại Trường

ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

 2003 – 2005: học cao học ngành Điện tại Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

- Quá trình công tác:

 1997 – 2004: Giảng dạy tại BM Điện tử, Khoa Điện – Điện Tử, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

 2004 – nay: Giảng dạy tại BM Điện tử Công nghiệp, Khoa Điện Tử Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, người thực hiện xin bày tỏ lòng biết ơn đối với Thầy NGUYỄN HỮU PHÚC, người đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện đề tài

Người thực hiện cũng chân thành cảm ơn Thầy Quyền Uy Aùnh, chủ nhiệm ngành đã giúp đỡ và tạo rất nhiều điều kiện để đề tài được hoàn thành đúng thời hạn

Người thực hiện xin gởi lới cám ơn đến quý Thầy Cô Trường

ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, Trường ĐH Bách Khoa TPHCM đã giảng dạy và giúp đỡ trong quá trình học và thực hiện đề tài này

Người thực hiện xin gởi đến quý Thầy Cô và Anh Chị Phòng QLKH -–QHQT - Sau ĐH Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã có nhiều giúp đỡ trong quá trình học và thực hiện đề tài

Xin gởi đến các bạn học viên khóa 1 lớp CH Điện Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã có nhiều ý kiến quý báu cho người thực hiện trong quá trình thực hiện đề tài

Sau cùng, người thực hiện xin gởi đến các người thân trong gia đình lời cám ơn vì đã động viên và giúp đỡ trong suốt thời gian thực hiện đề tài

TPHCM, Ngày 30 tháng 08 năm 2005 Người Thực Hiện

NGUYỄN TẤN ĐỜI

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ii

Chương 6:

Trình bày việc áp dụng phân tích wavelets đa phân giải MRA và mạng nơron xác suất PNN Đưa ra nội dung tính toán và cách thực hiện việc phân tích và phân loại các hiện tượng quá độ bằng phân tích wavelets và mạng nơron

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 1

1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 1

1.4 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN 2

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 KHÁI NIỆM 3

2.1.1 Định nghĩa chất lượng điện năng 3

2.1.2 Tầm quan trọng của chất lượng điện năng 3

2.2 CÁC HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN 3

2.2.1 Dao động quá độ 3

2.2.2 Thay đổi áp thời gian dài 5

2.2.3 Thay đổi áp thời gian ngắn 5

2.2.4 Mất cân bằng điện áp 6

2.2.5 Méo họa tần 7

2.2.6 Nhấp nháy điện áp 8

2.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 9

2.3.1 Giới thiệu 9

2.3.2 Đánh giá chất lượng điện năng 9

2.3.3 Thiết bị đo chất lượng điện năng 10

CHƯƠNG 3: WAVELETS và PHÂN TÍCH WAVELETS 3.1 GIỚI THIỆU VỀ WAVELETS 13

3.1.1 Định nghĩa Wavelets 13

3.1.2 Phân tích Wavlets 14

3.2 BIẾN ĐỔI WAVELETS 15

3.2.1 Biến đổi Wavelets liên tục 15

3.2.2 Biến đổi Wavelets rời rạc 18

CHƯƠNG 4: MẠNG NƠRON 4.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG NƠRON 21

4.1.1 Định nghĩa mạng nơron 21

4.1.2 Hoạt động của mạng nơron 22

4.1.3 Các thành phần của mạng nơron 23

4.2 HUẤN LUYỆN MẠNG NƠRON 24

4.2.1 Học có giám sát/ Học có thầy 24

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP iv

TP HỒ CHÍ MINH 30 – 08 – 2005 4.2.2 Học không giám sát/ Học không có thầy 25

4.2.3 Tốc độ học 25

4.2.4 Các luật học 25

4.3 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI MẠNG NƠRON 25

4.3.1 Mạng Lan truyền ngược 25

4.3.2 mạng LVQ 27

4.3.3 Mạng Xác suất 28

4.3.4 Mạng Hopffield 29

4.3.5 Mạng Tự sắp xếp 30

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG CÁC HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ 5.1 MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB 32

5.1.1 Giới thiệu về Power System Blockset Toolbox 32

5.1.2 Mạch mô phỏng 33

5.2 MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM ATP 34

5.2.1 Giới thiệu về ATP 34

5.2.2 Mạch và kết quả mô phỏng 38

CHƯƠNG 6: ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH WAVELETS và MẠNG NƠRON TRONG PHÂN TÍCH và PHÂN LOẠI QUÁ ĐỘ 6.1 ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH WAVELETS 41

6.1.1 Phân tích đa phân giải 41

6.1.2 Định lý Parseval 42

6.1.3 Phân tích tín hiệu quá độ bằng Wavelets 42

6.2 PHÂN LOẠI TỰ ĐỘNG BẰNG MẠNG NƠRON 47

6.2.1 Mô hình mạng nơron Xác suất 47

6.2.2 Nhận dạng hiện tượng quá độ bằng mạng nơron Xác suất 49

CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VÀ NHẬN DẠNG 7.1 XÂY DỰNG GIẢI THUẬT 50

7.2 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VÀ NHẬN DẠNG 52

7.2.1 Nhận dạng qua các đặc trưng năng lượng 52

7.2.2 Mẫu huấn luyện và nhận dạng tự động 61

7.3 CHƯƠNG TRÌNH GIAO DIỆN 63

7.3.1 Giới thiệu về GUI 63

7.3.2 Phân tích và nhận dạng tín hiệu trên giao diện 65

CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN 8.1 KẾT LUẬN 68

8.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC

Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ :

Các vấn đề về chất lượng điện năng được quan tâm ở nhiều nước trên thế giới và đã có rất nhiều tài liệu đề cập đến đề tài này Ơû Việt Nam hiện nay, tuy vấn đề về chất lượng điện năng chưa được quan tâm nhiều nhưng trong tương lai đây sẽ là một tiêu chí quan trọng để người tiêu dùng lựa chọn nhà cung cấp điện năng Do đó, tìm hiểu về chất lượng điện năng và các vấn đề liên quan là một công việc cần thiết trong thời gian này

Hiện nay có nhiều kỹ thuật mới để phân tích, xử lý và phân loại, nhận dạng các tín hiệu Đặc biệt kỹ thuật phân tích wavelets rất hiệu quả trong phân tích các tín hiệu động, không mang tính chu kỳ, và mạng nơron rất thích hợp cho việc phân loại tự động nhiều tín hiệu khác nhau

Nhận thấy được tầm quan trọng của các vấn đề trên, người thực hiện đã chọn

đề tài Nhận Dạng và Phân Loại Các Tín Hiệu Quá Độ Dựa Vào Mạng Nơron

Kết Hợp Với Phân Tích Wavelets để thực hiện trong luận văn tốt nghiệp

Đề tài này dùng để nhận dạng và phân loại nhanh các hiện tượng quá độ trên hệ thống điện như: Võng điện áp, Tăng điện áp, Méo họa tần, Nhấp nháy điện áp, Mất điện áp và Đóng cắt tụ điện trên đường dây Khi nhận biết được các hiện tượng này sẽ giúp người vận hành hệ thống có những thao tác xử lý thích hợp để nâng cao chất lượng điện năng

1.2 GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ:

Được sự phân công của Phòng quản lý sau đại học và Ban chủ nhiệm ngành và với sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn, người thực hiện đã giải quyết đề tài trên theo hướng kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng trên máy tính

1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI:

Do thời gian thực hiện đề tài là 06 tháng và bị hạn chế về thiết bị nên người thực hiện phải thu hẹp phạm vi nghiên cứu của mình Nội dung đề tài được giới hạn trong việc mô phỏng kết quả phân loại một số tín hiệu có sẵn trên máy tính Chấp nhận dữ liệu của các tín hiệu quá độ cũng được tạo ra trên máy tính, chưa thử nghiệm được việc xử lý trong thời gian thực

Ngoài ra đề tài được giới hạn trong việc nhận biết các hiện tượng quá độ khác nhau, không quan tâm đến việc nhận biết khác biệt trong cùng một loại quá độ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2

TP HỒ CHÍ MINH 30 – 08 – 2005

1.4 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN:

Vì nội dung đề tài nói về nhận dạng các hiện tượng quá độ trên hệ thống điện nên luận văn được trình bày theo hướng tìm hiểu, phân tích các vấn đề lý thuyết liên quan làm nền tảng cho việc lập trình mô phỏng trên máy tính

Cụ thể luận văn được sắp xếp tuần tự theo các nội dung sau:

- Chương 2 trình bày các vấn đề về chất lượng điện năng Từ đó nêu lên các hiện tượng quá độ trên hệ thống ảnh hưởng đến chất lượng điện năng Đây là các đối tượng sẽ được nhận dạng trong những phần sau

- Chương 3 trình bày khái niệm về wavelets và biến đổi wavelets Lý thuyết này làm nền tảng cho việc nghiên cứu các ứng dụng của wavelets

- Chương 4 giới thiệu về mạng nơron, về đặc điểm và hoạt động của các loại mạng nơron Lý thuyết này giúp cho việc chọn lựa tối ưu ứng dụng của từng loại mạng

- Chương 5 giới thiệu về hai phần mềm: ATP – EMTP và Matlab, đồng thời nêu lên cách thực hiện mô phỏng các dạng sóng của tín hiệu quá độ Những tín hiệu này làm dữ liệu cho chương trình phân tích và phân loại

- Chương 6 nêu cụ thể cách ứng dụng phân tích wavelets đa phân giải trong phân tích các tín hiệu quá độ Trình bày ứng dụng định lý Parseval vào biến đổi wavelets để trích các đặc trưng năng lượng của tín hiệu quá độ Điều này sẽ làm giảm bớt số lượng mẫu nhận dạng

Ngoài ra, chương này còn trình bày cách thực hiện mô hình mạng nơron xác suất để nhận dạng tín hiệu, cách lựa chọn dữ liệu huấn luyện mạng

- Chương 7 nêu lên toàn bộ kết quả mô phỏng đạt được, bao gồm kết quả nhận dạng qua các đặc trưng năng lượng của tín hiệu và kết quả huấn luyện và thử nghiệm nhận dạng của mạng nơron

Các đặc trưng về năng lượng của tín hiệu được biểu diễn qua đồ thị phân bố năng lượng của 13 cấp phân tích wavelets db4

- Cuối cùng, chương 8 nêu lên nhận xét, kết luận của người thực hiện đề tài, cùng với định hướng phát triển của đề tài trong tương lai

- Toàn bộ nội dung các chương trình mô phỏng, cùng với các số liệu liên quan được trình bày trong phần phụ lục của luận văn

Chương 2

GIỚI THIỆU CÁC HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ

TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1 KHÁI NIỆM:

2.1.1 Định nghĩa chất lượng điện năng:

Bất kỳ sai lệch nào của dòng điện và điện áp so với dạng sóng sin chuẩn của nguồn cung cấp đều có thể gây ra hư hỏng hoặc tác động sai đối với các thiết bị Người sử dụng yêu cầu phải được cung cấp nguồn điện có chất lượng, dạng sóng sin chuẩn có biên độ ổn định và đảm bảo độ tin cậy cho các thiết bị điện tử có độ nhạy cao

Có thể định nghĩa khác nhau về chất lượng điện năng

- Các công ty cung cấp điện định nghĩa chất lượng điện năng là độ tin cậy trong cung cấp điện

- Nhà máy sản xuất thiết bị điện định nghĩa chất lượng điện năng là các đặc tính của nguồn cho phép thiết bị hoạt động phù hợp, các đặc tính này khác nhau đối với các loại thiết bị khác nhau và tùy vào từng nhà máy

- Tuy nhiên cuối cùng thì chất lượng điện năng sẽ do khách hàng đưa ra Do đó chất lượng điện năng được định nghĩa là các vấn đề trên hệ thống điện liên quan đến điện áp, dòng điện và tần số nhằm đảm bảo cho thiết bị hoạt động một cách hiệu quả

Thực tế, chất lượng điện năng chính là chất lượng của điện áp trên hệ thống điện Các tiêu chuẩn trong lãnh vực chất lượng điện năng được dành cho việc duy trì điện áp với các giới hạn xác định

2.1.2 Tầm quan trọng của chất lượng điện năng:

- Sự gia tăng của các thiết bị kỹ thuật số có độ nhạy cao đòi hỏi nghiêm ngặt về chất lượng nguồn cung cấp Các lãnh vực liên quan như công nghệ bán dẫn, máy tính điện tử, người máy, thiết bị điều khiển có lập trình Ngoài ra chính các thiết bị điện tử lại làm tăng ảnh hưởng đến chất lượng điện năng Thị trường điện tạo ra tính cạnh tranh cũng làm người ta quan tâm nhiều đến chất lượng điện năng

- Chất lượng của nguồn điện có thể ảnh hưởng trực tiếp lên nhiều nhà tiêu thụ trong công nghiệp, những người sử dụng các thiết bị tự động và hiện đại

- Lý do cuối cùng để ta quan tâm đến chất lượng điện năng là giá trị kinh tế, các ảnh hưởng về kinh tế lên các công ty điện, khách hàng, nhà cung cấp thiết bị

2.2 CÁC HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN:

2.2.1 Dao động quá độ:

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 4

TP HỒ CHÍ MINH 30 – 08 – 2005

Khái niệm quá độ được dùng để chỉ các sự kiện ta không mong muốn xảy ra thoáng qua trên hệ thống điện Quá độ thường liên quan đến các hiện tượng dao động tắt dần của các mạch R, L và C

Quá độ được chia làm 2 loại: xung quá độ và dao động qua độ, tùy vào dạng sóng điện áp hoặc dòng điện quá độ

Xung quá độ:

Hình 2.1: Xung quá độ

Xung quá độ là sự thay đổi đột ngột điện áp hoặc dòng điện ở trạng thái xác lập, mang tính đơn cực

Xung quá độ thường được mô tả bằng thời gian xuất hiện và thới gian suy giảm của nó Ví dụ một xung quá độ 1.2x50s 2000V sẽ có biên độ tăng từ 0 đến max 2000V trong thời gian 1.2s, sau đó suy giảm biên độ trong thời gian

50s

Nguyên nhân gây ra xung quá độ là do sét đánh

Do có chứa các thành phần tần số cao nên hình dạng xung quá độ có thể thay đổi tùy theo các thành phần của mạch, và sẽ khác nhau đáng kể ở những vị trí khác nhau trên hệ thống

Xung quá độ có thể kích thích tần số cơ bản và gây ra dao động quá độ

Dao động quá độ:

Dao động quá độ là sự thay đổi đột ngột của điện áp hoặc dòng điện ở trạng thái xác lập trên hệ thống điện, mang tính lưỡng cực dương và âm

Dao động quá độ gồm các giá trị tức thời của điện áp hoặc dòng điện thay đổi cực tính liên tục Nó được mô tả bởi các thành phần chứa trong phổ tần, gồm tần số, thời gian và biên độ Dựa vào tần số người ta chia dao động quá độ ra thành 3 loại: tần số cao, tần số trung bình và tần số thấp

Hình 2.2 minh họa dạng sóng dao động quá độ do đóng cắt tụ

Hình 2.2: Dao động quá độ