Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo đánh giá mức độ ổn định của hệ thống điện

Giới thiệu chungTrong quá trình lập phương thức vận hành cho hệ thống điện cũng như trongquá trình vận hành thời gian thực, việc đánh giá được chính xác và nhanh chóngmức độ ổn định của

đại học bách khoa hà nội

Phạm Hữu Phước

ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo đánh giá mức độ

ổn định của hệ thống điện

Ngành: Kỹ thuật điện

luận văn thạc sỹ kỹ thuật điện

người hướng dẫn: ts nguyễn đức huy

Hà Nội, tháng 4 năm 2016

Mục lục

1.1 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.2 Cấu trúc luận văn 2

2 Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện 4 2.1 Một số định nghĩa cơ bản 4

2.1.1 Hệ thống điện 4

2.1.2 Chế độ của hệ thống điện 5

2.1.3 Yêu cầu đối với các chế độ của hệ thống điện 7

2.2 Ổn định hệ thống điện 8

2.2.1 Sự cân bằng công suất 8

2.2.2 Các phân loại ổn định của hệ thống điện 9

2.3 Đánh giá ổn định quá độ bằng phương pháp cân bằng diện tích 12 2.3.1 Phương trình mô tả chuyển động quay của máy phát 12

2.3.2 Phương pháp cân bằng diện tích 14

2.3.3 Phương pháp xác định thời gian cắt tới hạn CCT dựa trên mô phỏng 22

2.4 Kết luận chương 26

i

3 Các phương pháp trí tuệ nhân tạo đánh giá ổn định hệ thống

3.1 Tổng quan về mạng nơ ron nhân tạo 29

3.1.1 Nơron nhân tạo 29

3.1.2 Mô hình mạng nơron 31

3.1.3 Huấn luyện mạng ANN 33

3.1.4 Mạng nhiều tầng truyền thẳng MLP 35

3.1.5 Mạng SVM 36

3.2 Cây quyết định 42

3.3 Một số công cụ trí tuệ nhân tạo khác 46

3.4 Ứng dụng mạng ANN trong đánh giá ổn định động của HTĐ 48

4 Ứng dụng các công cụ trí tuệ nhân tạo đánh giá và phân loại mức độ ổn định 51 4.1 Quy trình tính toán 51

4.2 Lưới điện IEEE 9 nút 54

4.2.1 Kết quả phân loại với công cụ Neural Network Toolbox (MATLAB) 58

4.2.2 Kết quả phân loại với công cụ Support Vector Machine 59

4.2.3 Kết quả phân loại với công cụ Multi-class Neural Network của Microsoft Azure 59

4.2.4 Kết quả phân loại với công cụ Two Class Boosted Decision Tree của Microsoft Azure 60

4.3 Lưới điện IEEE 39 nút 61

4.3.1 Mô tả chung về lưới điện 61

4.3.2 Kết quả phân loại với các mạng trí tuệ nhân tạo 63

4.3.3 Một số phân tích định tính 66

5 Kết luận 70 A Một số code chương trình sử dụng trong luận văn 72 A.1 Chương trình con chuẩn bị số liệu cho MS Azure Machine Learning 72 A.2 Chương trình MATLAB huấn luyện mạng nơ ron 75

Tài liệu tham khảo 78

• Đầu tiên cho tôi gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy cô giáo trong bộ môn

Hệ thống điện - Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi hoànthành luận văn thạc sỹ này Đây là cơ hội tốt để tôi được thực hành các

kỹ năng, kiến thức đã học trên giảng đường và giúp tôi ngày càng tự tinhơn vào bản thân mình

• Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới TS Nguyễn Đức Huy trongsuốt thời gian qua đã nhiệt tình chỉ dạy và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luậnvăn thạc sỹ này

• Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới toàn thể người thân, bạn bè, nhữnngười luôn bên cạnh và ủng hộ tôi trong suốt thời gian qua

• Do thời gian có hạn, chắc chắn luận văn này không tránh khỏi những thiếusót Tôi kính mong các thầy cô chỉ bảo, đóng góp ý kiến để tôi có thể hoànthiện, tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài

iv

Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là nhữngnghiên cứu của riêng cá nhân tôi Các số liệu thống kê, báo cáo, các tài liệu khoahọc trong luận văn được sử dụng của các công trình khác đã nghiên cứu đượcchú thích đấy đủ, đúng quy định.

Hà Nội, ngày tháng 04 năm 2016

Tác giả luận văn

v

Danh sách hình vẽ

2.1 Phân loại các quá trình ổn định [1, 2] 12

2.2 Đồ thị đặc tính công suất máy phát theo góc áp dụng phương pháp cân bằng diện tích 15

2.3 Sơ đồ một máy phát - thanh cái vô cùng lớn 17

2.4 Phương pháp cân bằng diện tích 18

2.5 Đặc tính công suất-góc theo phương pháp cân bằng diện tích trong trường hợp hệ thống ổn định 20

2.6 Đặc tính công suất-góc theo phương pháp cân bằng diện tích trong trường hợp hệ thống mất ổn định 20

2.7 Thuật toán xác định CTT 24

2.8 Phương pháp xác định mất đồng bộ trong quá trình mô phỏng 25

2.9 Xác định mô phỏng mất ổn định dựa trên sự phân kỳ của góc máy phát so với tâm quán tính 26

3.1 Mô hình nơ ron nhân tạo 30

3.2 Mạng truyền thẳng 32

3.3 Mạng phản hồi 33

3.4 Mạng MLP tổng quát 35

3.5 Bài toán phân lớp tuyến tính 37

3.6 Siêu phẳng phân tách H0 và siêu phẳng lề H+, H− 38

3.7 Ví dụ về cây quyết định 43

3.8 Giao diện Azure Web Portal 48

4.1 Quy trình tạo cơ sở dữ liệu từ số liệu hệ thống điện mẫu 52

4.2 Tiêu chí đánh giá khả năng phân loại của công cụ trí tuệ nhân tạo 54 4.3 Sơ đồ lưới điện IEEE 9 nút 55

4.4 Phân bố các giá trị CCT của các chế độ làm việc, lưới IEEE 9 nút 56

vi

4.5 Đánh giá kết quả phân loại dựa trên MATLAB Neural network

Toolbox 58

4.6 Sơ đồ lưới IEEE 39 nút (New England) 61

4.7 Kịch bản mất ổn định máy phát G7 62

4.8 Kịch bản mất ổn định máy phát G8 62

4.9 Kịch bản mất ổn định máy phát G9 62

4.10 Phân bố các điểm làm việc theo P9-Q9 66

4.11 Độ nhạy của mạng SVM khi dự báo CCT sự cố máy phát G9 với các biến đầu vào 67

4.12 Phân bố các điểm làm việc theo P8-P9 68

4.13 Độ nhạy của mạng SVM khi dự báo CCT sự cố máy phát G8 với các biến đầu vào 69

Danh sách bảng

4.1 Cấu trúc thông số đầu vào huấn luyện 54

4.2 Số liệu CCT của máy phát G2, lưới IEEE 9 nút 57

4.3 Kết quả phân loại CCT với mạng nơ ron, lưới IEEE 9 nút 59

4.4 Kết quả phân loại CCT với mạng SVM, lưới IEEE 9 nút 59

4.5 Kết quả phân loại CCT với mạng nơ ron của AZUREML, lưới IEEE 9 nút 60

4.6 Kết quả phân loại CCT với cây quyết định của AZUREML, lưới IEEE 9 nút 60

4.7 Kết quả phân loại CCT lưới IEEE 39, sự cố đầu cực máy phát G7 64

4.8 Kết quả phân loại CCT lưới IEEE 39, sự cố đầu cực máy phát G8 65

4.9 Kết quả phân loại CCT lưới IEEE 39, sự cố đầu cực máy phát G9 65

viii

Các thuật ngữ viết tắt

ANN Mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Networks)

CCT Thời gian cắt tới hạn (Critical Clearing Time)

COA Tâm góc (Center Of Angle)

COI Tâm quán tính (Center Of Inertia)

EAC Phương pháp cân bằng diện tích (Equal Area Criterion)

FA Cảnh báo sai sự cố không nguy hiểm (False Alarm)

FD Loại trừ sai sự cố nguy hiểm (False Dismissal)

Giới thiệu chung

Trong quá trình lập phương thức vận hành cho hệ thống điện cũng như trongquá trình vận hành thời gian thực, việc đánh giá được chính xác và nhanh chóngmức độ ổn định của hệ thống theo các tiêu chuẩn khác nhau có ý nghĩa quantrọng Ổn định quá độ là dạng ổn định của hệ thống điện khi có các kích độnglớn, dẫn điện biến động lớn về góc lệch của các máy phát Việc phân tích ổnđịnh quá độ thường cần sử dụng các mô phỏng dựa trên phương pháp tích phân

số Đây là công việc khá mất thời gian, đặc biệt nếu số lượng sự cố cần xét làlớn

Với sự phát triển mạnh mẽ của các công cụ trí tuệ nhân tạo và những kết quảtích cực của việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹthuật, việc nghiên cứu đánh giá khả năng của mạng trí tuệ nhân tạo trong việcphân loại các chế độ làm việc theo điều kiện ổn định là cần thiết Các nghiêncứu trước đây về lĩnh vực này cũng cho kết quả rất khả quan [3 9]

1

1.1 Mục tiêu nghiên cứu

Luận văn đặt mục tiêu xây dựng một quy trình tạo số liệu huấn luyện các mạngtrí tuệ nhân tạo nhằm đánh giá mức độ ổn định quá độ của hệ thống điện, dựatrên số liệu của chế độ xác lập Bên cạnh việc xây dựng quy trình tính toán và

mô phỏng, một mục tiêu khác của luận văn là thử nghiệm quy trình với nhiềucông cụ trí tuệ nhân tạo khác nhau, như các mạng nơ ron được hỗ trợ trong phầnmềm MATLAB, mạng SVM được hỗ trợ bằng phần mềm miễn phí LibSVM, vàcác mạng trí tuệ nhân tạo mới, được hỗ trợ bởi hãng Microsoft thông qua cơchế tính toán đám mây

Để đạt được mục đích này người nghiên cứu đã tiến hành các công việc:

– Nghiên cứu sử dụng công cụ mô phỏng hệ thống điện

– Xây dựng mô hình mô phỏng cho các hệ thống điện mẫu: IEEE 9 nút, NewEngland (IEEE 39 nút)

– Tạo cơ sở dữ liệu bằng cách mô phỏng các kịch bản sự cố cho hệ thốngđiện trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau

– Huấn luyện mạng nơ ron dựa trên cơ sở dữ liệu thu thập được và đánh giákết quả

Luận văn bao gồm các chương như sau:

– Chương 1: Giới thiệu

– Chương 2: Tổng quan về ổn định và ổn định quá độ, phương pháp đánhgiá ổn định quá độ của hệ thống điện

– Chương 3: Giới thiệu về mạng nơ ron nhân tạo và các phương pháp trí tuệnhân tạo nhằm đánh giá ổn định hệ thống điện

– Chương 4: Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo đánh giá ổn định một số hệthống điện mẫu

– Chương 5: Kết luận

Các phần tử của hệ thống điện được chia làm hai nhóm:

– Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối

và sử dụng điện năng như máy phát điện, đường dây tải điện và các thiết

bị dùng điện

4

– Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng thái hệthống điện như bộ điều chỉnh kích từ máy phát điện đồng bộ, điều chỉnhtần số, bảo vệ rơle, máy cắt .

Mỗi phần tử của hệ thống được đặc trưng bởi các thông số, các thông số nàyđược xác định về lượng bởi tính chất vật lí của các phần từ, sơ đồ liên lạc giữachúng và nhiều sự giản ước tính toán khác Ví dụ: tổng trở, tổng dẫn của đườngdây, hệ số biến áp Các thông số của các phần tử cũng được gọi là các thông

số của hệ thống điện

Nhiều thông số của hệ thống điện là các đại lượng phi tuyến, giá trị của chúngphụ thuộc vào dòng công suất, tần số như X, Y, độ từ hóa Trong phần lớncác bài toán thực tế có thể coi chúng là hằng số và như vậy ta có hệ thống tuyếntính Nếu tính đến sự biến đổi của các thông số, ta có hệ thông phi tuyến, đây

là một dạng phi tuyến của hệ thống điện, dạng phi tuyến này chỉ phải xét đếntrong một số ít trường hợp như khi phải tính đến độ bão hòa của máy phát điện,máy biến áp trong các bài toán ổn định

2.1.2 Chế độ của hệ thống điện

Tập hợp các quá trình xảy ra trong hệ thống điện và xác định trjan thái làmviệc của hệ thống điện trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đógọi là chế độ của hệ thống điện

Các quá trình nói trên được đặc trưng bởi các thông số U, I, P, Q, f, δ tạimọi điểm của hệ thống Ta gọi chúng là các thông số chế độ, các thông số này

khác với các thông số hệ thống ở chỗ nó chỉ tồn tại khi hệ thoóng điện làm việc.Các thông số chế độ xác định hoàn toàn trạng thái làm việc của hệ thống điện.Các thông số chế độ quan hệ với nhau thông qua các thông số hệ thống điện,nhiều mối quan hệ này có dạng phi tuyến Ví du P = U2/R.

Đó là dạng phi tuyến thứ hai của hệ thống điện, dạng phi tuyến này không thể

bỏ qua trong các tính toán

Các chế độ của hệ thống điện được chia thành hai loại:

1 Chế độ xác lập là chế độ mà trong đó các thông số của nó dao động rất nhỏxung quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế có thể xem như các thông

số này là hằng số Chế độ xác lập được chia thành:

– Chế độ xác lập bình thường là chế độ vận hành bình thường của hệthống điện

– Chế độ xác lập sau sự cố xảy ra sau khi loại trừ sự cố

– Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ, ví

2.1.3 Yêu cầu đối với các chế độ của hệ thống điện

Đối với các chế độ xác lập bình thường, các yêu cầu là:

– Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải

có chất lượng đảm bảo, tức là giá trị của các thông số chất lượng (điện áp,tần số) phải nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn

– Có hiệu quả kinh tế cao: chế độ thỏa mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượngđiện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyển tải và phân phốiđiện năng nhỏ nhất

– Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, ngườitiêu dùng và thiết bị phân phối điện

Đối với chế độ xác lập sau sự cố: Các yêu cầu nói trên đều được giảm đi nhưngchỉ cho phép kéo dài trong một thời gian ngắn, sau đó phải có biện pháp hoặc

là thay đổi thông số của chế độ hoặc là thay đổi sơ đồ hệ thống để đưa chế độnày về chế độ xác lập bình thường

Đối với chế độ quá độ, yêu cầu sẽ là:

– Chấm dứt một cách nhanh chóng bằng chế độ xác lập bình thường hay chế

độ xác lập sau sự cố

– Trong thời gian quá độ các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép Ví

dụ giá trị của dòng điện ngắn mạch, điện áp tại các nút của phụ tải khingắn mạch

– Các yêu cầu của hệ thống điện được xem xét đến khi thiết kế và được đảmbảo bằng cách điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành hệ thốngđiện.

2.2.1 Sự cân bằng công suất

Điều kiện cần để chế độ xác lập có thể tồn tại là sự cân bằng tác dụng và côngsuất phản kháng Công suất do các nguồn sinh ra phải cân bằng công suất docác phụ tải tiêu thụ cộng với công suất tổn thất trong các phần tử của hệ thốngđiện

PF = Ppt+ ∆P = P (2.1)

QF = Qpt+ ∆Q = Q (2.2)Giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng có mối quan hệ:

S2= P2+ Q2 (2.3)

cho nên các điều kiện cân bằng công suất 2.1 và 2.2 không thể xét độc lập màlúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng

Tuy vậy, trong thực tế tính toán và vận hành hệ thống điện một cách gần đúng,

có thể xem sự biến đổi của công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q

tuân theo các quy luật riêng ít ảnh hưởng đến nhau Đó là:

1 Công suất tác dụng cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng bộ

f hoặc là nằm trong giới hạn cho phép fcpmin 6f 6fcpmax

Do đó, tần số là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng công suất tác dụng

2 Công suất phản kháng cân bẳng khi điện áp các nút của hệ thống điệnnằm trong giới hạn cho phép Ucpmin 6U 6Ucpmax

Do đó, điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng công suất phản kháng

Sự cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệ thống, vì ở khắp mọi nơitần số đều có giá trị chung Việc đảm bảo tần số do đó dễ thực hiện chỉ cần điềuchỉnh công suất tại một nhà máy nào đó Trái lại sự cân bằng công suất phảnkháng mang tính chất cục bộ Việc điều chỉnh công suất phản kháng phức tạp,không thể thực hiện chung cho toàn hệ thống được

2.2.2 Các phân loại ổn định của hệ thống điện

Theo cách phân loại của Liên Xô cũ, các quá trình ổn định của hệ thống điện cóthể chia thành 2 loại gồm: ổn định tĩnh (Steady-state stability) và ổn định động(Transient stability) dựa vào nguồn gốc của kích động

Ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ ban đầu hoặcrất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ Như vậy ổn định tĩnh là điềukiện đủ để một chế độ xác lập tồn tại trong thực tế.

Ổn định động:

Hệ thống điện chịu những kích động lớn: đóng cắt các nguồn, trung tâm phụ tảilớn, thay đổi cấu trúc lưới truyền tải và các sự cố Các kích động lớn này cóđặc điểm là biên độ dao động lớn, tần suất xảy ra thấp

Ổn định động là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ ban đầu hoặcrất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động lớn Như vậy ổn định động là điềukiện để cho chế độ của hệ thống điện tồn tại lâu dài

Theo các cách phân loại mới [1, 2], các quá trình ổn định có thể được chia thành

3 loại chính như sau:

• Ổn định góc lệch: Là quá trình ổn định liên quan đến khả năng các máyphát trong hệ thống điện duy trì được góc đồng bộ tương đối giữa chúng.Việc mất ổn định góc lệch sẽ dẫn đến hiện tượng mất đồng bộ của các máyphát Theo phân loại trong [1,2], ổn định góc lệch được chia thành hai loại:

Ổn định góc lệch với kích động lớn, còn gọi là ổn định quá độ (Transientrotor angle stability), và ổn định góc lệch với kích động nhỏ (Small signalrotor angle stability) Theo cách giải thích trong các tài liệu của phươngTây, ổn định góc lệch phụ thuộc vào hai đại lượng là mô men đồng bộ và

mô men cản [11] Việc thiếu hụt mô men đồng bộ sẽ dẫn đến các máy phát

bị mất ổn định theo dạng phi chu kỳ Khi mô men cản yếu hoặc âm, cac

máy phát điện sẽ xuất hiện dao động không tắt, đây là dạng mất ổn địnhdao động.

• Ổn định điện áp: Là quá trình ổn định liên quan đến khả năng HTĐ duytrì điện áp tại các nút trong và sau các kích động lớn và nhỏ Trên nguyêntắc, ổn định điện áp có thể xảy ra trong các quá trình quá độ ngắn hạn,nếu cấu trúc HTĐ có các động cơ lớn Đối với các HTĐ lớn, quá trình mất

ổn định điện áp thường có nguyên nhân từ sự sụt giảm từ từ của độ dự trữcông suất phản kháng, sự quá tải của hệ thống kích từ các máy phát và sựlàm việc của các máy biến áp có điều áp dưới tải IEEE [2] đề xuất không

sử dụng thuật ngữ ổn định quá độ (Transient Stability) để mô tả các quátrình mất ổn định điện áp Vì vậy, thuât ngữ này được thống nhất dùng

để chỉ các ổn định góc lệch trong thời gian ngắn hạn

• Ổn định tần số: Là quá trình ổn định liên quan đến khả năng của hệ thốngđáp ứng được cân bằng giữa công suất tác dụng của các máy phát và côngsuất yêu cầu của phụ tải Việc duy trì ổn định tần số phụ thuộc vào khảnăng điều khiển tần số các máy phát điện, vào mức độ dự phòng nóng khitính toán phương thức vận hành, cũng như vào việc chỉnh định các rơ le

sa thải phụ tải

Trong khuôn khổ luận văn này, hiện tượng mất ổn định góc lệch trong ngắnhạn, hay còn gọi là ổn định quá độ sẽ được nghiên cứu chi tiết Các nội dung lýthuyết cơ bản của ổn định quá độ sẽ được trình bày trong phần sau

Ổn định hệ

Tác động nhỏ

Tác động lớn

Ngắn hạn Dài hạn Dài hạn

Giả sử bỏ qua ma sát, mômen Tacc sẽ tăng tốc độ quay của máy phát:

Jdωm

dt = Tacc = Tm− Te (2.5)trong đó, t(s): thời gian, ωm: vận tốc góc của rotor máy phát (rad/s cơ), J:mômen quán tính của tua bin và roto máy phát (kg.m2)

Thông thường, phương trình (2.5) được biểu diễn theo hằng số quán tính H củamáy phát.Gọi ω0m là vận tốc góc đồng bộ (rad/s cơ), Srated là công suất địnhmức của máy phát, J có thể được viết thành:

Thay phương trình (2.9) và (2.10) vào phương trình (2.8), ta được phương trình

mô tả chuyển động quay của roto máy phát:

2.3.2 Phương pháp cân bằng diện tích

Bằng cách kết hợp phương trình mô tả chuyển động quay của roto máy phát với

đồ thị công suất - góc, ta có thể minh họa các khái niệm của ổn định động sửdụng phương pháp cân bằng diện tích

Xét sự thay đổi công suất cơ đầu vào của máy phát được biểu thị trên hình 2.2

Hình 2.2: Đồ thị đặc tính công suất máy phát theo góc áp dụng phương pháp

cân bằng diện tích.

Ở công suất cơ ban đầu Pm0, δ = δ0 và hệ thống làm việc tại điểm a Khi côngsuất cơ tăng lên tới Pm1 (công suất tăng tốc = Pm1 - Pm0), roto không thể tăngtốc ngay lập tức, điểm làm việc sẽ dịch trên đường cong công suất-góc về điểm

b tại thời điểm Pe = Pm1 và công suất tăng tốc bằng 0 Tuy nhiên, vận tốc rotokhi đó lớn hơn vận tốc đồng bộ nên góc sẽ tiếp tục tăng lên Tại phía trên điểmlàm việc b thì Pe > Pm và roto giảm tốc cho đến khi góc quay roto đạt giá trịlớn nhất δ m và bắt đầu trở về điểm làm việc b

Với hệ thống một máy phát đẳng trị - thanh cái vô cùng lớn, đồng thời máyphát điện được mô tả bằng hệ phương trình bậc 2 đơn giản, thì không cần thiếtphải thực hiện phương pháp tích phân số giải phương trình (2.11) Phương phápcân bằng diện tích cho phép xác định ổn định của hệ thống dựa trên đồ thị đặctính công suất máy phát theo góc

Bắt đầu từ phương trình mô tả chuyển động quay của roto máy phát trong hệđơn vị tương đối:

d2δ

dt 2 = ω0

2H(Pm− Pe) (2.12)Nhân hai vế với 2δ/dt, ta có:

"



dδ dt

2#

= ω0

H(Pm− P e )dδ (2.15)Lấy vi phân 2 vế, ta có:



dδ dt

2

= ω0H

ω0H

dδ/dt thay đổi trong quá trình dao động nhưng tại thời điểm đạt δm thì dδ/dt

phải bằng 0 Do đó, điều kiện ổn định động:

ω0H

δ

Z

δ

(P m − P e )dδ = 0 (2.18)

Điều này nghĩa là diện tích của hàm Pm− Pe theo δ phải bằng 0, hay diện tích

Aacc bằng diện tích Adec Với Aacc biểu thị cho năng lượng tăng lên trong quátrình tăng tốc của roto và Adec biểu thị cho năng lượng mất đi trong quá trìnhgiảm tốc

Xét hệ thống điện theo sơ đồ hình 2.3 ở dưới :

Hình 2.3: Sơ đồ một máy phát - thanh cái vô cùng lớn.

Máy phát được kết nối với thanh cái có công suất vô cùng lớn bằng đường dâytruyền tải mạch kép Giả sử sự cố xảy ra tại giữa đường dây của 1 trong 2 dây,

sự cố được loại trừ bằng cách cắt đường dây bị sự cố bởi máy cắt ở 2 đầu Góccông suất của hệ thống trong 3 chế độ: trước sự cố, trong sự cố và sau sự cốđược thể hiện trong hình 2.4 Những thông số của máy phát bao gồm:

• Pm Công suất cơ đầu vào của máy phát,

• Pg: Công suất điện đầu vào của máy phát,

• E0g: điện áp quá độ tỉ lệ với từ thông qua cuộn kích từ,

• Vt: điện áp thanh cái vô cùng lớn,

• δo: Góc quay roto ban đầu của máy phát,

• δp: Góc sau sự cố của máy phát,

• δm: Góc lớn nhất,

• δu: góc giới hạn mất ổn định của máy phát Nó bằng (180o - δp),

• δcc: góc cắt tới hạn Critical Clearing Angle

Hình 2.4: Phương pháp cân bằng diện tích.

Trên hình2.4, phần diện tích của hình tạo bởi công suất cơ đầu vàoP m và đườngcong tại chế độ trong sự cố nằm giữa δo và δcc là diện tích tăng tốc Aacc Phầndiện tích tạo bởi đường cong chế độ sau sự cố và công suất cơ đầu vào Pm nằmgiữa δcc và δm là diện tích giảm tốc Adec Diện tích Aacc và Adec được tính nhưsau:

Giá trị diện tích của hai miền này (Aacc, Adec) phụ thuộc vào trị số của góc cắtchậm nhất δcc Để xác định diện tích hai miền, giá trị của góc δcc cho các sự cốriêng biệt phải được tính toán, xác định Để đơn giản, nếu thời gian cắt chậmnhất CTT (Critical Clearing Time) biết, góc cắt chậm nhấtδcc tương ứng đượcxác định bởi khai triễn chuối Taylor Khả năng ổn định quá độ của hệ thốngđiện phụ thuộc tương quan diện tích hai miền, như sau:

– Hệ thống mất ổn định nếu Aacc > Adec,

– Hệ thống ổn định nếu A acc < Adec,

– Hệ thống ở giới hạn ổn định quá độ nếu Aacc = Adec

Hình 2.5 và 2.6 mô tả đáp ứng của roto (được xác định bởi phương trình mô

tả chuyển động quay) xếp chồng trên đồ thị đặc tính công suất - góc trong 2trường hợp: ổn định và mất ổn định

Điểm khác nhau giữa hai trường hợp là ở thời gian cắt sự cố δc2 trong trườnghợp mất ổn định tăng lên so với δc1 trong trường hợp ổn định Các mũi tên chỉhướnng dịch chuyển của điểm làm việc, trượt trên các đường cong đặc tính côngsuất - góc Ta có thể thấy trong trường hợp ổn định, năng lượng tăng lên củaroto do tăng tốc bằng với năng lượng giảm xuống của roto do giảm tốc (Aacc =

Adec) và góc quay roto đạt giá trị lớn nhất δm rồi giảm dần Còn trong trườnghợp mất ổn định, phần năng lượng tăng tốc lớn hơn phần năng lượng giảm tốc(Aacc > Adec) (do sự cố ngắn mạch bị duy trì trong thời gian dài), roto tiếp tụctăng tốc và mất ổn định

Hình 2.5: Đặc tính công suất-góc theo phương pháp cân bằng diện tích trong

trường hợp hệ thống ổn định.

Hình 2.6: Đặc tính công suất-góc theo phương pháp cân bằng diện tích trong

trường hợp hệ thống mất ổn định.

Với mô hình máy phát điện đơn giản và các đặc tính công suất - góc như trênhình 2.4, có thể viết được biểu thức giải tích của diện tích tăng tốc cũng nhưdiện tích hãm tốc, dựa trên góc cắt δcc Qua đó, góc cắt tới hạn có thể xác địnhđược dựa trên các thông số của hệ thống điện trước trong và sau sự cố Đối vớicác hệ thống điện có nhiều máy phát, đặc biệt khi máy phát được mô tả bằng hệphương trình vi phân bậc cao, quá trình quá độ của hệ thống trở nên rất phứctạp Dưới ảnh hưởng của quá trình quá độ trong cuộn dây kích từ và cuộn cản,thực tế điện áp cảm ứng của máy phát sẽ thay đổi trong QTQĐ Mặt khác, sựlàm việc của hệ thống tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) có ảnh hưởng đáng kểđến độ ổn định của hệ thống.

Với lý do trên, nhìn chung để đánh giá ổn định quá độ của hệ thống điện, cần

sử dụng các chương trình tích phân số để có được kết quả chính xác nhất Tuynhiên, tiêu chuẩn cân bằng diện tích vẫn là một phương pháp phân tích rất cóích vì nó cho ta biết được một cách định tính các yếu tố ảnh hưởng đến khảnăng ổn định quá độ của hệ thống điện Dựa trên hình 2.4, có thể đưa ra một

số đánh giá định tính về sự phụ thuộc của CCT vào các chế độ trước và sau sự

cố như sau:

• Việc giảm công suất của tuabin sẽ có tác dụng tăng diện tích hãm tốc, qua

đó nâng cao ổn định quá độ

• Việc tăng dòng điện kích từ trong chế độ làm việc trước và sau sự cố cũng

có ảnh hưởng tích cực đến việc nâng cao ổn định quá độ, vì nó cho phépnâng cao E g, và do đó nâng cao diện tích hãm tốc

2.3.3 Phương pháp xác định thời gian cắt tới hạn CCT

dựa trên mô phỏng

Các phân tích trong phần trước cho thấy rằng góc cắt tới hạn, hay thời gian cắttới hạn có thể được dùng như một tiêu chí đánh giá mức độ ổn định góc lệch củamột chế độ làm việc Với chế độ có thời gian cắt tới hạn càng lớn, thì mức độ ổnđịnh càng cao, vì cho phép giải trừ sự cố chậm hơn Trên thực tế, thời gian giảitrừ sự cố phụ thuộc vào thời gian làm việc của rơ le, thời gian thao tác của máycắt, thời gian dập hồ quang, và trong một số trường hợp là cả thời gian truyềntín hiệu Với công nghệ hiện nay của hệ thống rơ le bảo vệ, thời gian giải trừ sự

cố nhanh nhất có thể thực hiện được là 80-100ms Vì vậy đối với các sự cố trong

hệ thống điện, đây là thời gian cắt tới hạn nhỏ nhất cho phép, nếu muốn duytrì ổn định cho hệ thống Việc xác định thời gian cắt tới hạn, hay CCT là mộtcông việc cần thiết trong quá trình đánh giá ổn định của chế độ làm việc.Như đã trình bày trong phần 2.3.2, phương pháp cân bằng diện tích chỉ có thể

áp dụng được với mô hình HTĐ đơn giản trong đó máy phát được mô tả bằng

hệ phương trình bậc 2 Trên thực tế, phương pháp cân bằng diện tích cải biênđược đề xuất trong [12] nhằm xác định nhanh hơn giá trị thời gian cắt tới hạn(phương pháp SIME) Tinh thần của phương pháp này là xây dựng hệ thốngđẳng trị tương đương một máy phát từ đáp ứng mô phỏng của HTĐ lớn Tuynhiên, phương pháp này cũng có một số điểm yếu nhất định khi thực hiện, baogồm sự cần thiết xác định nhóm máy phát mất ổn định và không mất ổn định.Trong khuôn khổ luận văn này, phương pháp đơn giản xác định CCT bằng cách

mô phỏng với các giá trị khác nhau của thời gian cắt sẽ được sử dụng Các bướctính của phương pháp này như sau:

1 Chọn thời gian giải trừ sự cố ban đầu đủ lớn để hệ thống mất ổn định (tu),chọn một thời gian giải trừ sự cố đủ nhỏ để hệ thống ổn định (tst)

2 Xác định te = (tu+ tst)/2 Thực hiện mô phỏng để xác định mức độ ổn địnhquá độ của hệ thống với thời gian giải trừ sự cố te

3 Nếu hệ thống mất ổn định thì đặt tu= te Mặt khác nếu hệ thống ổn địnhthì đặt tst = te

4 Nếu t u − t st > ε với ε là sai số cho phép khi xác định CCT, thì quay lạibước 2, nếu không chuyển sang bước 5

5 Giá trị thời gian cắt tới hạn là CCT = (tu+ tst)/2

Phương pháp tìm CCT bằng các bước như trên có ưu điểm là không phải tínhtoán độ dự trữ ổn định cũng như xác định nhóm máy phát ổn định / không ổnđịnh như phương pháp SIME Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này làthời gian hội tụ chậm Sơ đồ khối của phương pháp này được minh họa trênhình 2.7

Một tiêu chí cần xác định trong quy trình đánh giá CCT như trên hình 2.7 là:Làm thế nào để xác định một đáp ứng quá độ đã mất ổn định/đã ổn định, qua

đó cho phép kết thúc mô phỏng? Để đánh giá độ ổn định của hệ thống điện tacăn cứ vào việc quỹ đạo góc lệch của các máy phát sau sự cố có giữ được đồng

bộ với nhau hay không (coherency index ):

• Đối với trường hợp ổn định, góc của từng máy phát sẽ chuyển động hầunhư đồng bộ (coherent) với tâm quán tính COI Nói cách khác, biến đổicủa góc máy phát so với tâm quán tính COI nằm trong giới hạn nhất định

t t Đánh giá ổn định

Đúng Sai

) k ( ) 1 ( ) k (

t t

t    

) k ( ) 1 ( ) k (

t t

t    

2

t t

) 1 ( ) k (  

Thông thường, nếu ∆δi,k vượt quá giá trị 1800, có thể coi là máy phát i đã mấtđồng bộ so với phần còn lại của hệ thống Đối với mỗi HTĐ cụ thể, có thể chọnmột giá trị tới hạn này Ngoài ra, trong luận văn đề xuất một phương pháp pháthiện sớm sự mất đồng bộ của các máy phát, và cho phép kết thúc mô phỏngsớm khi điều kiện mất đồng bộ được thỏa mãn Giải thuật này được minh họatrên hình 2.8 dưới đây Gọi δCOI,k là góc của rotor máy phát ứng với tâm quántính COI, δi,k là góc của rotor máy phát bị sự cố tại bước tính thứ k, ta so sánhthay đổi độ lệch giữa δi,k và δCOI,k sau N bước tính:

• Tại thời điểm k, độ lệch giữa góc rotor máy phát bị sự cố và góc của rotormáy phát ứng với tâm quán tính COI là ∆δk = δi,k− δCOI,k

• Tại thời điểm k − N, độ lệch giữa góc rotor máy phát bị sự cố và góc củarotor máy phát ứng với tâm quán tính COI là: ∆δk−N = δi,k−N − δCOI,k−N

k - N 0

Hình 2.8: Phương pháp xác định mất đồng bộ trong quá trình mô phỏng.

Một cách định tính, phương pháp vừa mô tả nêu trên theo dõi sự phân kỳ củagóc máy phát cần quan tâm δi,k so với góc của tâm quán tính Nếu sự phân kỳxảy ra, có thể kết luận máy đã bị mất đồng bộ so với phần còn lại của hệ thống.Hình 2.9 trình bày kết quả mô phỏng mất ổn định của máy phát 9 trong lướiIEEE 39 nút Tiêu chuẩn độ lệch truyền thống cho phép kết luận mất ổn định(góc máy phát 9 lệch hơn 1800 so với tâm quán tính) tại thời điểm t = 3.1s, tiêuchuẩn độ lệch đề xuất (với N = 40 bước mô phỏng) cho phép kết luận mất ổnđịnh tại thời điểm t = 3.15s Với trường hợp cụ thể này tiêu chuẩn truyền thốngcho phép xác định mất ổn định sớm hơn, mặc dù sự khác biệt là không đáng kể.

-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Hình 2.9: Xác định mô phỏng mất ổn định dựa trên sự phân kỳ của góc máy

phát so với tâm quán tính.

Trong chương này đã trình bày một số khái niệm về ổn định quá độ của hệ thốngđiện, phương pháp tích phân số đánh giá ổn định quá độ, và phương pháp xác

định thời gian cắt tới hạn CCT Các phân tích trong mục 2.3.2 cũng cho biếtmột cách định tính sự phụ thuộc của CCT vào các thông số của chế độ xác lập.Việc xác định CCT đòi hỏi phải thực hiện một số lượng khá lớn các mô phỏngQTQĐ, vì vậy nếu có thể huấn luyện được một công cụ trí tuệ nhân tạo nhằmphân loại các chế độ làm việc theo thời gian cắt tới hạn CCT, việc đánh giá vàphân loại các chế độ làm việc theo tiêu chí ổn định góc lệch sẽ được rút ngắn,bởi vì thời gian tính toán của mạng nơ ron đã qua huấn luyện và các công cụ trítuệ nhân tạo nói chung là rất nhanh Chương tiếp theo sẽ trình bày tổng quan

về mạng nơ ron cũng như một số ứng dụng của chúng trong việc đánh giá ổnđịnh của HTĐ

Cách tiếp cận trực tiếp nhất để đánh giá CCT trong quá trình vận hành là thựchiện các mô phỏng phi tuyến của các sự cố khác nhau Tuy nhiên đây là việclàm khá mất thời gian Việc này dẫn đến bài toán nghiên cứu khả năng đánhgiá gần đúng CCT mà không cần mô phỏng.

28

Trong chương này, tác giả nghiên cứu khả năng sử dụng mạng nơ ron nhân tạođánh giá phân loại chế độ vận hành dựa trên tiêu chuẩn thời gian cắt tới hạn.

Mạng nơ ron nhân tạo ANN (Artifical Neural Networks) là mô hình xử lý thôngtin được mô phỏng dựa trên hoạt động của hệ thống thần kinh của sinh vật,bao gồm số lượng lớn các nơ ron được gắn kết để xử lý thông tin ANN giốngnhư bộ não con người, được học bởi kinh nghiệm (thông qua huấn luyện), cókhả năng lưu giữ những kinh nghiệm hiểu biết (tri thức) và sử dụng những trithức đó trong việc dự đoán các dữ liệu chưa biết (Unseen data) Mạng nơ ronnhân tạo có thể thực hiện các bài toán nhận mẫu (Recognition), tối ưu, nhậndạng (Identification) và điều khiển (Control ) cho các đối tượng tuyến tính vàphi tuyến đạt hiệu quả hơn so với các phương pháp tính toán truyền thống

3.1.1 Nơron nhân tạo

Mô hình nơ ron nhân tạo

Một nơ ron là một đơn vị xử lý thông tin và là thành phần cơ bản của một mạng

nơ ron Cấu trúc của một nơ ron được mô tả trên hình 3.1

Các thành phần cơ bản của một nơ ron nhân tạo bao gồm:

– Tập các đầu vào: Là các tín hiệu vào (input signals) của nơ ron, các tínhiệu này thường được đưa vào dưới dạng một vector N chiều

Hình 3.1: Mô hình nơ ron nhân tạo

– Tập các liên kết: Mỗi liên kết được thể hiện bởi một trọng số liên kết(weight ) Trọng số liên kết giữa tín hiệu vào thứ j với nơ ron k thường được

kí hiệu là wkj Thông thường, các trọng số này được khởi tạo một cáchngẫu nhiên ở thời điểm khởi tạo mạng và được cập nhật liên tục trong quátrình học mạng

– Bộ tổng (Summing function): Thường dùng để tính tổng của tích các đầuvào với trọng số liên kết của nó

– Ngưỡng (Bias): Ngưỡng này thường được đưa vào như một thành phầncủa hàm truyền

– Hàm truyền (Transfer function) : Hàm này được dùng để giới hạn phạm

vi đầu ra của mỗi nơ ron Nó nhận đầu vào là kết quả của hàm tổng vàngưỡng đã cho Thông thường, phạm vi đầu ra của mỗi nơ ron được giớihạn trong đoạn [0, 1] hoặc [-1, 1] Các hàm truyền rất đa dạng, có thể làcác hàm tuyến tính hoặc phi tuyến Việc lựa chọn hàm truyền nào là tuỳthuộc vào từng bài toán và kinh nghiệm của người thiết kế mạng

– Đầu ra(Output ): Là tín hiệu đầu ra của một nơ ron, với mỗi nơ ron chỉ cómột đầu ra