Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp hiện đại nhận dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện

Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là phát triển phương pháp mới sử dụng nhữngthuật toán hiện đại cho phép xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện không phâ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Bản luận án “Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp hiện đạinhận dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện” là công trình nghiên cứucủa riêng tôi được hoàn thành dưới sự chỉ bảo tận tình của tập thể thầy giáo hướng dẫnkhoa học Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, một phần được công bốtrên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của các đồng tác giả, phần cònlại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019

Nghiên cứu sinh

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện - Trường Đại học

Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên và các đồng nghiệp ở trường Đại học

Kỹ thuật Công nghiệp và gia đình đã có những ý kiến đóng góp quí báu và tạo cácđiều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệpThái Nguyên, Phòng Đào tạo - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Công ty lướiđiện cao thế Miền Bắc, Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia - Tập đoàn ĐLVN đãtạo nhiều điều kiện tốt nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành luận án này

Tác giả luận án

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

MỞ ĐẦU 1

1.Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

5 Những đóng góp của luận án 3

6 Cấu trúc của luận án 4

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 6

1.1 Giới thiệu chung 6

1.2 Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây tải điện 7

1.3 Phương pháp đo lường từ một phía 7

1.3.1 Phương pháp điện kháng đơn 8

1.3.2 Phương pháp Takagi 9

1.3.3 Phương pháp Takagi cải tiến 9

1.4 Phương pháp đo lường từ hai đầu 11

1.5 Phương pháp sử dụng mạng nơron 12

1.6 Phương pháp sóng lan truyền 13

1.6.1 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ điểm sự cố 14

1.6.2 Phương pháp sóng lan truyền từ đầu đường dây 15

1.7 Kết luận chương 1 19

Chương 2: CÁC GIẢI PHÁP CỦA LUẬN ÁN TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN SÓNG LAN TRUYỀN 20

2.1 Mô hình toán học sóng lan truyền trên đường dây 20

2.1.1 Mô hình đường dây truyền tải điện 20

2.1.2 Nguyên lý lan truyền sóng trên đường dây 25

2.1.3 Sóng điện từ trên đường dây tải điện không sự cố 27

2.1.4 Sóng điện từ trên đường dây tải điện khi có điểm sự cố: 31

2.1.5 Trường hợp tổng quát: 32

2.2 Các giải pháp đề xuất trong luận án 33

2.2.1 Sơ đồ khối ước lượng vị trí sự cố 33

2.2.2 Phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động đối với đường dây không có nhánh rẽ 34

2.2.3 Phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động đối với đường dây có nhiều nhánh rẽ 35

2.3 Phương pháp mô phỏng kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu trên cơ sở sử dụng công cụ Matlab/Simulink 36

2.4 Kết luận chương 2 40

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP TDR XÁC ĐỊNH SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY 41

3.1 Mô tả phương pháp 41

3.2 Wavelet và ứng dụng wavelet để phân tích sóng phản xạ 41

3.3 Mạng nơron mờ và ứng dụng để hiệu chỉnh thời điểm sóng phản xạ 55

3 3.1 Quy tắc suy luận mạng TSK 56

3.3.2 Mô hình mạng nơron mờ TSK 58

3.3.3 Thuật toán học của mạng nơron mờ TSK 59

3.3.4 Khởi tạo mạng nơron cho quá trình học: 63

3.3.5 Thuật phân cụm trừ mờ 63

3.3.6 Mạng TSK để hiệu chỉnh thời điểm sóng phản xạ 65

3.4 Kết quả mô phỏng và tính toán khi sử dụng phương pháp TDR 67

3.4.1 Mô hình mô phỏng sóng lan truyền trên đường dây dài sử dụng công cụ Matlab/Simulink 67 3.4.2 Kết quả mô phỏng sóng lan truyền từ Matlab- Simulink 69

3.4.3 Kết quả ước lượng khi sử dụng phân tích wavelet 73

4.2.3 Kết quả hiệu chỉnh sai số vị trí sự cố bằng mạng nơron TSK : 76

3.5 Thử nghiệm thiết kế và chế tạo thiết bị TDR sử dụng FPGA 80

3.5.1 Công nghệ FPGA và ứng dụng trong mạch tốc độ cao 81

3.5.2 Sơ đồ nguyên lý của mạch thu phát TDR sử dụng FPGA 83

3.5.3 Kết quả thực nghiệm 84

3.6 Kết luận Chương 3 87

Chương 4: PHƯƠNG PHÁP TFDR ĐỂ XÁC ĐỊNH SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY CÓ NHÁNH RẼ 88

4.1 Mô tả phương pháp TFDR 88

4.2 Tín hiệu chirp 89

4.3 Hệ số tương quan 92

4.4 Sử dụng hàm tương quan để xác định vị trí sự cố: 94

4.4.1 Sử dụng hàm tương quan để xác định vị trí sự cố trên đường dây không có nhánh rẽ: 94

4.4.2 Xác định vị trí sự cố trong đường dây có nhánh rẽ 98

4.4.3 Một số kết quả mô phỏng khi sử dụng phương pháp TFDR 105

4.5 Kết luận chương 4 113

Kết luận và hướng phát triển 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

Phụ lục 1: Thông số cài đặt trong mô hình Matlab-Simulink 124

Phụ lục 2: Chương trình phân tích sóng phản xạ TDR 126

Phụ lục 3: Chương trình phân tích sóng phản xạ TFDR 127

Phụ lục 4: Chương trình thử nghiệm nhận dạng sự cố sử dụng chip FPGA. 129

Phụ lục 5: Sơ đồ mạch FPGA 134

Phụ lục 6: Chương trình tính hàm mật độ: 135

Phụ lục 7: Chương trình thuật toán SubtractiveClustering 136

Phụ lục 8: Chương trình huấn luyện mạng TSK 136

Phụ lục 9: Chương trình kiểm tra mạng TSK đã huấn luyện 140

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TDR Time Domain Reflectometry Phản xạ trong miền thời gianTFDR TFDR - Time Frequency Phản xạ trong miền thời gian

Domain Reflectometry và tần sốANNs Artificial Neural Networks Mạng noron nhân tạo

ATP Alternative Transient Program Phần mềm mô phỏng ATPFFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FPGA Field-Programmable Gate Mảng cổng lập trình được dạng

EngineeringADC Analog-to-Digital Converter Bộ biến đổi tương tự số

DAC Digital to Analog Converter Bộ biến đổi số tương tự

VHDL Very High Speed integrated Ngôn ngữ lập trình dùng để

circuit hardware Description diễn tả phần cứng tích hợp tốc

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1: Tổng hợp sự cố ở đường dây truyền tải điện 110kV của Công Ty Lưới điện Cao

thế miền Bắc - chi nhánh Thái Nguyên năm 2013 và 2012 10

Bảng 1 2: Kết quả thử nghiệm phương pháp sóng phản xạ từ điểm sự cố của Nippon trên đường dây 220kV Thái Nguyên - Hà Giang theo [14]. 15

Bảng 3.1: Vận tốc truyền sóng trên đường dây truyền tải điện 71

Bảng 3 2: Kết quả tính toán xác định vị trí sự cố ba pha 74

Bảng 3 3: Kết quả tính toán xác định vị trí sự cố ba pha chạm đất tại lfault=20 km 75

Bảng 3 4: Kết quả tính toán xác định vị trí sự cố 1pha, 2 pha chạm đất và sự cố 2 pha ở l= 20, 30 km 75

Bảng 4 1: Bảng kết quả xác định vị trí sự cố áp dụng phương pháp hàm tương quan 107

Bảng 4 2: Kết quả xác định thời điểm sóng phản xạ từ đầu đường dây khi không có sự cố 111 Bảng 4 3: Kết quả xác định vận tốc trên các phân đoạn của đường dây 111

Bảng 4 4: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 3 pha chạm đất 111

Bảng 4 5: Kết quả xác định vị trí sự cố ngắn mạch 1 pha chạm đất 112

Bảng 4 6: Kết quả khảo sát vị trí sự cố với điện trở khác nhau 112

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ minh họa sự cố trên đường dây có 2 nguồn cấp 8

Hình 1.2: Sơ đồ thay thế minh họa sự cố trên đường dây có 2 nguồn cấp 8

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp 11

Hình 1.4: Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố 11

Hình 1.5: Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây 14

Hình 2 1: Mô hình đường dây truyền tải hình một pha 20

Hình 2 2: Mô hình một phân đoạn đường dây truyền tải hình ba pha 21

Hình 2 3: Sơ đồ thay thế đường dây có thông số rải 23

Hình 2 4: Sơ đồ thay thế mạng 2 cửa của đường dây truyền tải 1 pha 23

Hình 2 5: Sơ đồ thay thế của đường dây truyền tải ba pha 25

Hình 2.6: Mô hình Petersen tương đương để giải bài toán truyền sóng 28

Hình 2.7: Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải thuần trở 29

Hình 2.8: Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải R nối tiếp L 29

Hình 2.9: Mô hình Petersen tương đương của mạch có tải thuần R song song L 30

Hình 2.10: Mô hình Petersen tương đương của mạch R song song C 30

Hình 2.11: Mô hình Petersen tương đương của mạch R nối tiếp C 31

Hình 2.12: Sơ đồ khối tổng quan phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện. 34

Hình 2 13: Sơ đồ khối xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện 35

Hình 2 14: Sơ đồ mô phỏng một số vị trí sự cố trên các nhánh rẽ 36

Hình 2 15:Mô hình mô phỏng quá trình truyền sóng trên đường dây truyền tải điện 37

Hình 2 16: Sơ đồ khối mô phỏng các dạng ngắn mạch, nguồn phát xung 1 chiều, nguồn phát tín hiệu hình chirp 38

Hình 2 17: Mô hình khối thiết bị đo tín hiệu phản xạ từ điểm sự cố và cuối đường dây. 39

Hình 3 1: Nguyên lý làm việc của Time Domain Reflectometer 41

Hình 3.2: Một số wavelet kinh điển 45

Hình 3.3: Cấu trúc các bước liên tiếp phân tích một tín hiệu ban đầu thành các thành phần chi tiết và xấp xỉ 48

Hình 3.4: Tín hiệu gốc hàm y(t) 49

Hình 3.5: Phân tích phổ wavelet Daubechies của tín hiệu y(t) 49

Hình 3.6: Tín hiệu gốc hàm y1(t) 50

Hình 3.7: Phân tích phổ wavelet Daubechies của tín hiệu y1(t) 50

Hình 3.8: Tín hiệu đầu đường dây có tải R-L và sự cố 3 pha tại vị trí l=20km và thành phần

chi tiết d1 của tín hiệu 51

Hình 3.9: Thành phần d1 của tín hiệu điện áp từ Hình 3.8 được phóng to 51

Hình 3.10: Tín hiệu đầu đường dây có tải R và sự cố 3 pha thuần trở tại vị trí l=30km và thành phần chi tiết d1 của tín hiệu 53

Hình 3.11: Thành phần d1 của tín hiệu điện áp từ Hình 3.10 được phóng to 54

Hình 3.12: Tín hiệu đầu đường dây có tải R và sự cố 3 pha có điện trở nối tiếp điện cảm tại vị trí l=30km và thành phần chi tiết d1 của tín hiệu 54

Hình 3.13: Thành phần d1 của tín hiệu điện áp từ Hình 3.12 được phóng to 54

Hình 3.14: Mạng nơron mờ TSK 58

Hình 3.15: Thuật toán học mạng TSK 61

Hình 3.16: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 3 pha tại l=10km khi sự cố RL 66

Hình 3.17: Hình ảnh phóng to tín hiệu đầu đường dây ở hình bên 66

Hình 3.18: Minh họa về việc trích 20 mẫu giá trị tức thời xung quanh thời điểm to để làm dữ liệu đưa vào mạng nơron 66

Hình 3.19: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên đường dây 3 pha không có sự cố ở giữa đường dây với nguồn phát xung 1 chiều 68

Hình 3.20: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên đường dây 3 pha có sự cố ở giữa đường dây 69

Hình 3.21: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên đường dây 3 pha có sự cố ở giữa đường dây khi không có tải 69

Hình 3.22: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi tải thuần trở Rtai=100( ). 70

Hình 3.23: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi tải R || C ( Rtai=100( ), C=1µF). 70

Hình 3.24 : Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi tải R ntL (Rtai=100( ), L=10mH) 70

Hình 3.25: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi không có sự cố và hình ảnh phóng to tín hiệu phản xạ về từ cuối đường dây 70

Hình 3.26 : Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 1 pha tại vị trí l=20km a) Khi sự có thuần trở Rfault=10 , Rload=100 b) Sự cố Rfault=10 và Lfault=0,5mH, Rload=100 71

Hình 3.27: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 3 pha tại vị trí l=20km (Khi tải là Rload=100 song song với Cload=1µF). 72

Hình 3.28: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 3 pha tại vị trí l=20km (Rfault=10 tải thuần trở Rload=100 ) 72

Hình 3.29: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 3 pha tại vị trí l=20km (Rfault=10 tải Rnt L, Rload=100 , Lload=1 mH) 72

Hình 3.30: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 3 pha tại vị trí l=20km (Rfault=10 tải

, Lfault=0,1mH, thuần trở Rload=100 ) 73

Hình 3.31: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi sự cố có điện cảm và hình ảnh phóng to tín hiệu phản xạ về từ cuối đường dây. 73

Hình 3.32: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 2 pha chạm đất tại vị trí l=20km (Rfault=10 tải thuần trở Rload=100 ) 73

Hình 3.33: Dạng sóng điện áp đầu đường dây khi sự cố 2 pha tại vị trí l=20km (Rfault=10 tải thuần trở Rload=100 ) 73

Hình 3.34: Đồ thị sai số khi ngắn mạch tại 20km a) Sự cố1 pha thuần trở Rfault=1 20 ( ) b) ngắn mạch 1pha như đường nét đứt, ngắn mạch 3 pha đường nét liền Rfault=10 ( ) L=1 20mH. 76

Hình 3.35: Đồ thị đáp ứng đầu ra của mạng TSK 78

Hình 3.36: Đồ thị sai số giữa kết quả học và dữ liệu đầu vào 79

Hình 3.37: Đồ thị hàm đáp ứng đầu ra kết quả kiểm tra của mạng TSK 79

Hình 3.38: Đồ thị sai số giữa kết quả kiểm tra và dữ liệu đầu vào 80

Hình 3.39: Sơ đồ cấu tạo thiết bị phát xung nhận dạng sự cố trên đường dây truyền tải 83

Hình 3.40: Sơ đồ cấu trúc tổng thể phần cứng 84

Hình 3.41 : Tín hiệu phản xạ đo được ở đầu đường dây khi ngắn mạch tại 100m (vị trí ước lượng là 100,13m) 85

Hình 3.42: Tín hiệu phản xạ đo được ở đầu đường dây khi hở mạch tại 100m (Vị trí ước lượng là 100,65m) 85

Hình 3.43: Tín hiệu phản xạ đo được ở đầu đường dây khi ngắn mạch tại 200m (vị trí ước lượng là 200,26m) 86

Hình 3.44: Tín hiệu phản xạ đo được ở đầu đường dây khi hở mạch tại 200m (Vị trí ước lượng là 200,52m) 86

Hình 4.1: Ví dụ tín hiệu chirp 92

Hình 4 2: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên đường dây 3 pha với nguồn phát xung chirp 94

Hình 4.3: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi không có sự cố 95

Hình 4.4: Tín hiệu đầu đường dây do được khi có sự cố ngắn mạch 3 pha tại 30km 95

Hình 4.5: Đồ thị hệ số tương quan giữa tín tới và tín hiệu phản xạ đo được khi không có sự cố 96 Hình 4.6: Đồ thị hệ số tương quan giữa tín hiệu tới và tín hiệu phản xạ đo được khi có sự cố ngắn mạch 3 pha tại vị trí cách 30km 96

Hình 4 7: Sơ đồ thuật toán xác thời điểm sóng phản xạ 97

Hình 4.8: Hệ thống đường dây truyền tải mạch rẽ nhánh 99

Hình 4 9: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên đường dây 3 pha không có sự cố ở giữa đường dây 100

Hình 4.10: Phân bố giản đồ thời gian phản xạ về đầu đường dây khi phát tín hiệu từ A 100

Hình 4.11: Phân bố giản đồ thời gian phản xạ về đầu đường dây khi phát tín hiệu từ F 100

Hình 4.12: Sơ đồ thuật toán xác định sự cố thuộc nhánh 101

Hình 4.13: a) Mô hình giản đồ thời gian sóng phản xạ từ điểm sự cố b) mô hình giản đồ thời gian sóng phản xạ từ điểm sự cố đã chuyển trục tọa độ theo chiều ngược lại. 104

Hình 4.14: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên đường dây 3 pha có sự cố ở giữa đường dây khi không tải 106

Hình 4.15: Mô hình mô phỏng xác định các thành phần sóng lan truyền và phản xạ trên đường dây 3 pha có sự cố ở giữa đường dây 106

Hình 4.16: Đồ thị sai số khi ngắn mạch 20km a) Sự cố 1 pha điện trở sự cố thuần trở Rfault=1 20 ( ) b) Sự cố 3 pha điện cảm sự cố Lfault=0,1 20 mH. 108

Hình 4.17: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi không có sự cố 109

Hình 4.18: Đồ thị hàm tương quan giữa tín đầu tới và tín hiệu phản xạ đo được khi không có sự cố. 109

Hình 4.19: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi có sự cố 3 pha trên đoạn BC cách B 11 km 110 Hình 4.20: Đồ thị hàm tương quan giữa tín hiệu tới và tín hiệu phản xạ khi có sự cố 3 pha trên đoạn BC cách B 11 km 110

MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài

Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp trong cả cấu trúc và vận hành, khi xẩy ra

sự cố bất kỳ một phần tử nào trong hệ thống đều ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấpđiện, chất lượng điện năng và gây thiệt hại lớn về kinh tế Vì vậy, nội dung của đề tài

đề cập đến “Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp hiện đại nhận dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện” nhằm hỗ trợ quá trình định vị và khắc phục các

sự cố trên đường dây truyền tải điện, qua đó giảm bớt những thiệt hại về kinh tế vànâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ

Bài toán phát hiện dạng sự cố và vị trí của sự cố trên đường dây truyền tải điện làmột bài toán kinh điển của lý thuyết mạch và hệ thống điện Hiện nay, có nhiều nghiêncứu đã và đang được thực hiện về vấn đề này Tuy nhiên các kết quả vẫn còn nhiều hạnchế do có nhiều trường hợp sự cố và giá trị phần tử gây sự cố gây ra các hiện tượngtương tự như tham số của đường dây nên các phương pháp như rơle tổng trở sẽ gây sai

số lớn Việc phát triển của các thiết bị đo mới cũng như của các thuật toán xử lý tínhiệu mới có khả năng để tiếp tục cải thiện được các kết quả phân tích

Việc xây dựng thành công một giải pháp phân tích và phát hiện vị trí điểm sự cố

sẽ có ý nghĩa thực tế tốt, nếu đưa vào vận hành sẽ có khả năng mang lại hiệu quả cao

về mặt kinh tế - kỹ thuật do tăng cường được độ chính xác nhằm hỗ trợ cho quá trìnhkhắc phục sự cố được nhanh hơn

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của luận án là phát triển phương pháp mới sử dụng nhữngthuật toán hiện đại cho phép xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện( không phân nhánh và có nhiều nhánh rẽ) một cách chính xác hơn

Phương pháp đề xuất trong luận án sử dụng tín hiệu đo được sau khi chủ độngphát xung (điện áp/ dòng điện) vào đầu đường dây truyền tải điện Để ước lượng vị trí

sự cố luận án trình bày 2 phương pháp phân tích sóng phản xạ: Phương pháp thứ nhất

sử dụng phân tích wavelet để phân tích thời điểm thay đổi đột ngột của tín hiệu từ đó

trích mẫu để xem xét Tín hiệu trích mẫu được đưa vào mạng TSK để huấn luyện ướclượng vị trí sự cố Các thông số trong mạng TSK được điều chỉnh dựa trên bộ cơ sở tínhiệu mẫu tạo ra nhờ sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng quá trình quá độ trênđường dây gây ra bởi một số sự cố ngắn mạch (ngắn mạch 1 pha, 2 pha, 2 pha chạmđất và ngắn mạch 3 pha) khi thay đổi các thông số điện trở sự cố, vị trí sự cố, điện cảm

sự cố Phương pháp thứ 2 sử dụng thuật toán so sánh hàm tương quan giữa tín hiệu tới

và tín hiệu phản xạ để ước lượng vị trí sự cố

Mô hình sử dụng mạng nơron TSK sẽ được huấn luyện để ước lượng được vị trí

sự cố với sai số nhỏ hơn so với những phương pháp trước dây Mô hình sử dụng thuậttoán hàm tương quan sẽ được xây dựng để ước lượng vị trí sự cố trên đường dây cónhiều nhánh với sai số nhỏ và ít thiết bị đo nhất có thể Từ đó làm giảm thời gian tìmkiếm và khắc phục sự cố, nâng cao hiệu quả trong vận hành hệ thống điện và giảmthiệt hại về kinh tế

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận án tập trung nghiên cứu và đưa ra phương pháp xác định vị trí sự cố trênđường dây truyền tải điện không phân nhánh và có phân nhánh

Các phần mềm sử dụng trong luận án: Matlab, ISE

Phạm vi nghiên cứu:

Ứng dụng phần mềm Matlab mô phỏng các dạng ngắn mạch trên đường dây truyền tải điện không phân nhánh và có nhiều nhánh

Nghiên cứu lý thuyết truyền sóng trên đường dây truyền tải điện

Lập trình các thuật toán phân tích và xử lý tín hiệu bằng các công cụ matlab,

wavelet, mạng nơron, hàm tương quan, phân tích tín hiệu trên miền thời gian và tần

số để xác định vị trí sự cố, dạng sự cố trên đường dây truyền tải không phân nhánh

và đường dây truyền tải có nhiều nhánh

Nghiên cứu ảnh hưởng của điện trở, điện cảm sự cố trên đường dây đến sai số của phương pháp

Tìm hiểu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm với một vài dạng sự cố nhằm kiểm chứng các thuật toán đã đề xuất

4.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Đề xuất phương pháp để xác định vị trí sự cố trên đường dây

truyền tải điện có nhiều nhánh với sai số nhỏ hơn sai số của các phương pháp hiện nayđang áp dụng đồng thời sử dụng ít thiết bị đo nhất có thể

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

Phương pháp của luận án góp phần bổ xung cho các giải pháp xác định vị trí sự

cố trên đường dây truyền tải có một hoặc nhiều nhánh Phương pháp chỉ yêu cầu sửdụng ít nhất các tín hiệu đo từ các đầu của đường dây truyền tải điện, nên các khâu đolường và thu thập số liệu cũng đơn giản, tính kinh tế cao

5 Những đóng góp của luận án

Luận án có những đóng góp sau:

Đã khảo sát và đề xuất phân tích sóng phản xạ chủ động trên miền thời gian và tần

số kết hợp với phương pháp sử dụng hàm tương quan để làm cơ sở phát hiện thời điểm sự cố trên đường dây truyền tải

Đã khảo sát và đề xuất phân tích sóng phản xạ chủ động trên miền thời gian kết hợp với phương pháp sử dụng phân tích wavelet và mạng nơron logic mờ TSK để làm

cơ sở phát hiện thời điểm sự cố trên đường dây truyền tải

Xây dựng được thuật toán sử dụng ít số lượng thiết bị đo và không yêu cầu đồng bộ

về thời gian giữa các tín hiệu Sai số của phương pháp đề xuất của luận án đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của ngành điện Phương pháp đề xuất có thể áp dụng với đường dây truyền tải không phân nhánh, phân nhánh

Xây dựng được mô hình truyền sóng trên đường dây truyền tải điện sử dụng phầnmềm Matlab- Simulink với các dạng sự cố khác nhau là ngắn mạch 1 pha, ngắnmạch 3 pha, ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 2 pha chạm đất với các thông số điện trở

sự cố và điện cảm sự cố thay đổi Áp dụng phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ

động để xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện 110kV Lào Cai có nhiềunhánh.

Thiết kế mạch thực nghiệm sử dụng chip FPGA nhận dạng sự cố trên đường dây truyền tải điện để kiểm nghiệm 1 phần nội dung của luận án

6 Cấu trúc của luận án

Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi nghiên cứu,

những đóng góp và bố cục của luận án

Chương 1: Tổng quan về nhận dạng sự cố trên đường dây truyền tải điện

Trong chương này sẽ trình bày các phương pháp xác định vị trí sự cố trên đường dâytruyền tải điện và đề xuất phương pháp nghiên cứu trong luận án

Chương 2: Các giải pháp của luận án trên cơ sở phân tích các thành phần của sóng lantruyền

Chương này trình bày các vấn đề về truyền sóng trên đường dây truyền tải và các yếu

tố ảnh hưởng tới quá trình truyền sóng từ đó đề xuất các giải pháp cho luận án

Chương 3: Phương pháp TDR xác định sự cố trên đường dây truyền tải

Trong chương này trình bày phương pháp phân tích sóng phản xạ chủ động trên miềnthời gian dựa trên phân tích wavelet và mạng nơron để xác định vị trí sự cố đối vớiđường dây không phân nhánh

Chương 4 Phương pháp TFDR xác định sự cố trên đường dây truyền tải

Nội dung chính của chương này trình bày phương pháp và các thuật toán phân tíchsóng phản xạ chủ động trên miền thời gian và tần số để xác định vị trí sự cố trên đườngdây không phân nhánh và đường dây có nhiều nhánh Ứng dụng phần mềm mô phỏngMatlab- Simulink mô phỏng quá trình truyền sóng trên đường dây 110kV Lào Cai vớicác vị trí sự cố khác nhau, tại các nhánh rẽ khác nhau, với nhiều giá trị điện trở, sự cố,điện cảm sự cố và các trường hợp sự cố khác nhau

Phần Kết luận bao gồm kết luận và các kiến nghị của luận án, các hướng nghiêncứu tiếp theo Cuối cùng là các công trình công bố liên quan đến luận án, các tài liệutham khảo và phần phụ lục

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG SỰ CỐ TRÊN

ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN

Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về các phương pháp nhận dạng sự cốtrên đường dây truyền tải điện, ưu và nhược điểm của các phương pháp này từ đó tácgiả đề xuất các mục tiêu và giải pháp trong luận án

1.1 Giới thiệu chung

Một hệ thống điện bao gồm máy phát, hệ thống truyền tải và phân phối điệnnăng Các nhà máy phát điện và phụ tải thường ở xa nhau do đó cần phải có một hệthống truyền tải gồm nhiều đường dây và trạm biến áp

Sự tăng trưởng nhanh chóng của hệ thống điện trong vài thập kỷ qua đã dẫn đếntăng một lượng lớn số lượng các đường dây và tổng chiều dài của nó Những đườngtruyền này gặp nhiều sự cố do sét, ngắn mạch, thiết bị lỗi, lỗi do vận hành, tình trạngquá tải và lão hóa Nhiều lỗi do phá hủy về cơ khí, mà cần phải có sửa chữa trước khiđưa hệ thống trở về để phục vụ Sự cố có thể được giải quyết nhanh nếu vị trí sự cốđược ước tính với độ chính xác hợp lý Sự cố gây ra ngắn mạch có thể gây mất điệndài hạn cho khách hàng và có thể dẫn đến thiệt hại lớn cho các ngành công nghiệp sảnxuất cũng như ảnh hưởng đến an ninh, văn hóa, chính trị Phát hiện nhanh chóng, côlập, định vị và sửa chữa các sự cố là ưu tiên trong việc duy trì một hệ thống điện tincậy [2], [5], [13]

Theo [3] hiện nay lưới điện 110kV có nhiều đoạn có nhiều nhánh rẽ khác nhau,đặc biệt là các tỉnh trung du và miền núi, việc xác định vị trí sự cố gặp nhiều khó khăn

do địa hình đồi núi phức tạp, thêm vào đó là đường dây có nhiều nhánh rẽ gây khókhăn cho việc xác định chính xác vị trí sự cố Thời gian phục hồi cũng bao gồm thờigian để tìm ra vị trí sự cố Quá trình phục hồi sẽ nhanh hơn khi việc xác định chính xác

vị trí sự cố xẩy ra với thời gian ngắn nhất có thể

Các quy trình sửa chữa và bảo trì nhanh chóng, hiệu quả sẽ trực tiếp dẫn đến cảithiện độ tin cậy cung cấp điện cho mạng lưới, do đó nâng cao hiệu quả tổng thể của hệthống Trong một thị trường hướng đến cạnh tranh từ nguồn cấp, truyền tải đến phân

1.2 Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây tải điện

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì ngày càng có nhiềuphương pháp định vị sự cố đã được đề xuất áp dụng đối với đường dây truyền tải điện,mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng và có phạm vi áp dụng nhất định tùytheo cơ sở hạ tầng sẵn có của trạm và đường dây Ta có thể thấy có các phương phápđịnh vị chính sau đây:

Định vị sự cố chỉ dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía của đường dây [46], [47], [52], [60], [70], [84], [86]

Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ cả hai phía của đường dây [27], [36], [38], [41], [42], [50], [65], [80]

Phương pháp sử dụng mạng nơron [26], [34], [35], [55], [56], [58], [61], [68], [71],[76], [87]

Phương pháp định vị sự cố dựa trên hiện tượng sóng lan truyền từ điểm sự cố [24], [25], [30], [78]

Phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện dựa trên sóng lan truyền

từ đầu đường dây [37], [45], [54], [62], [63], [66], [75], [79]

1.3 Phương pháp đo lường từ một phía

Trong phương pháp này vị trí sự cố được xác định từ các kết quả đo lường từ 1đầu của đường dây [70], [83] Để xác định dạng sự cố giá trị điện áp và dòng điện ở tất

cả các pha phải được xác định Xét sự cố xảy ra tại điểm F, cách trạm A một khoảng là

m (%) trên đường dây AB như trong Hình 1.1

Hình 1.1: Sơ đồ minh họa sự cố trên đường dây có 2 nguồn cấp

Hình 1.2: Sơ đồ thay thế minh họa sự cố trên đường dây có 2 nguồn cấp

trong đó:

x - phần trăm khoảng cách đến điểm sự cố (khoảng cách từ đầu đường dây dến điểm

sự cố/ tổng khoảng cách của đường dây)

VA- điện áp tại đầu nguồn A

ZL- tổng trở của đường dây

IF- dòng điện sự cố

RF- điện trở sự cố

Từ đó có thể dẫn ra một số phương pháp như phương pháp điện kháng đơn, phương pháp Takagi, phương pháp Takagi cải tiến

1.3.1 Phương pháp điện kháng đơn

Trong phương pháp điện kháng đơn [70], [83], các giá trị dòng điện và điện áp đođược sẽ được sử dụng để xác định trở kháng của đường dây đến vị trí sự cố, căn cứ vào

đó xác định được vị trí sự cố theo công thức:

1.3.3 Phương pháp Takagi cải tiến

Theo [83] phương pháp Takagi cải tiến không sử dụng đến các tín hiệu tại thờiđiểm trước khi có sự cố mà sử dụng dòng điện thứ tự không Vị trí sự cố trong phươngpháp này được xác định theo biểu thức (1.4)

.ej )Im(Z L I R

trong đó:

là góc của dòng điện thứ tự không

IRlà dòng điện thứ tự không, I*Rlà số phức liên hợp của dòng điện thứ tự không

Phương pháp điện kháng đơn có ưu điểm là đơn giản trong tính toán, dễ dàng cholắp đặt nhưng có độ chính xác không cao do không xét đến ảnh hưởng của dòng điệnthứ tự không cũng như hỗ cảm giữa các đường dây

Phương pháp Takagi có độ chính xác cao hơn phương pháp điện kháng đơnnhưng lại phải xét cả tín hiệu trước và sau sự cố dẫn đến phức tạp cho thiết bị Phươngpháp Takagi cải tiến đã giúp đơn giản hóa phương pháp Takagi nhưng lại yêu cầu xácđịnh góc pha của dòng điện thứ tự không Các sai lệch do yêu cầu thông số tín hiệutrước sự cố hay góc pha dòng điện thứ tự không dẫn tới sai số của 2 phương pháp này.Phương pháp đo lường từ một đầu đường dây được sử dụng trong xác định vị trí

sự cố trong các rơle khoảng cách được nhiều hãng trên thế giới sử dụng, áp dụng rộngrãi trên thế giới cũng như ở Việt Nam

Bảng 1 1: Tổng hợp sự cố ở đường dây truyền tải điện 110kV của Công Ty Lưới điện Cao thế miền Bắc - chi nhánh Thái Nguyên năm 2013 và 2012

Lần Bảo vệ khoảng Sự cố cột Nguyên nhân sự cố Sai số (m)

Theo [16] kết quả thực tế báo sự cố của Công ty Lưới điện Cao thế miền Bắc –chi nhánh Thái Nguyên và [16] cho thấy đối với các lộ đường dây có 1 nguồn cấp, cókết cấu đơn giản không có các nhánh rẽ, với các sự cố đơn giản cho kết quả xác định

vị trí sự cố khá chính xác

Đối với sự cố phức tạp như có hồ quang lớn hay đường dây phức tạp như cónhiều nhánh rẽ, có nhiều lộ trên một hệ thống cột, có nhiều nguồn cấp thì phương pháp

điện kháng đơn cho độ chính xác thấp, nhiều trường hợp nhầm lẫn, không xác địnhđược vị trí sự cố

1.4 Phương pháp đo lường từ hai đầu

Theo các tài liệu [27], [36], [38], [41], [42], [50], [65], [80] phương pháp đolường tín hiệu từ hai đầu đường dây yêu cầu tín hiệu phải được đo lường và đồng bộ từ

cả hai đầu đường dây Phương pháp này có độ chính xác cao hơn các phương pháp đolường từ một phía [27], [41] vì không bị ảnh hưởng của tổng trở nguồn cũng như ảnhhưởng của điện trở sự cố Xét sự cố xảy ra tại điểm F, cách trạm A một khoảng là x(%) trên đường dây AB như trong hình 1.3

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của đường dây bị sự cố với hai nguồn cấp

Sơ đồ thay thế đơn giản (bỏ qua tổng dẫn) của đường dây trên trong trường hợp

sự cố như trên Hình 1.4

Hình 1.4: Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố

I A I B và các điện áp U A, U B

mặt thời gian:

(1.5)

(1 x ) Z D

trong đó ZD là tổng trở của toàn bộ đoạn đường dây AB

Trừ hai phương trình cho nhau:

đất một pha (N(1)) thì điện áp sử dụng là của pha A, tuy nhiên dòng điện đưa vào tính

toán cần phải bù thành phần thứ tự không Trong thực tế, rất khó xác định đúng điệnkháng thứ tự không của đường dây, do đó việc tính toán hệ số bù dòng thứ tự không sẽkhông chính xác và có thể gây sai số cho quá trình định vị

Để tránh trường hợp này, nhiều nghiên cứu đề xuất sử dụng các thành phần dòngđiện và điện áp thứ tự thuận hoặc nghịch (tính toán dựa trên thành phần thứ tự nghịchchỉ áp dụng được với các sự cố không đối xứng) Trong thực tế còn nhiều biến thể củaphương pháp này, tùy theo tín hiệu đo lường có đầy đủ hay không đầy đủ, có cần thôngtin của tổng trở đường dây hay không

1.5 Phương pháp sử dụng mạng nơron

Mạng nơron ANN được giới thiệu năm 1943 bởi nhà thần kinh học WarrenMcCulloch và nhà logic học Walter Pits Những năm gần đây mạng nơron ANN ngàycàng phát triển và các nghiên cứu ứng dụng đã được thực hiện trong nhiều ngành nhưđiện, điện tử, kỹ thuật chế tạo, y học, quân sự, kinh tế Có rất nhiều mô hình và thuậttoán sử dụng mạng nơron đã được đề xuất và ứng dụng như mạng truyền thẳng nhiềulớp MLP (Multi Layer Perceptron) và mạng nơron tự tổ chức SOM (Self OrganizingMaps) Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng mạng nơron để xác định vị trí sự cốtrong và ngoài nước Những tài liệu trong nước có thể tìm thấy ở [1], [4], những tàiliệu nước ngoài có thể tìm thấy ở [35], [53], [55], [56], [58], [59], [61], [71], [73]

Tài liệu [1] đã nghiên cứu và xây dựng được mô hình xác định vị trí sự cố, dạng

sự cố và điện trở sự cố trên đường dây 3 pha với nguồn cung cấp từ một phía, không rẽnhánh sử dụng mạng nơron MLP Trong đó mạng nơron nhân tạo MLP sử dụng đầuvào là các đặc tính thời gian và đặc tính tần số xác định từ các tín hiệu đo tức thời xungquanh thời điểm xảy ra những thay đổi (xuất hiện sự cố) trong các tín hiệu (thời điểmnày được xác định nhờ sử dụng phép phân tích sóng nhỏ wavelet) Luận án cũng xâydựng đồng thời hai mạng nơron MLP khác để xác định dạng sự cố và điện trở sự cố.Theo [4] nghiên cứu phương pháp ứng dụng Fuzzy logic, Wavelet, ANN vàANFIS để phân loại dạng sự cố trên đường dây truyền tải điện, đồng thời đề xuất sửdụng phương pháp WT là phù hợp cho việc chọn giá trị dòng điện, điện áp lúc sự cốlàm dữ liệu đầu vào, nhằm huấn luyện cho ANN, ANFIS thực hiện chức năng định vị

sự cố

Mạng nơron dựa vào kỹ thuật định vị sự cố cho đường dây 1 nguồn được nghiêncứu bởi Chen và Maun [59] Ljupko Teklic và Ivan Pavicic [56] đã nghiên cứu sử dụngmạng nơron để phát hiện các sự cố trên đường dây truyền tải với 2 nguồn cấp.Kezunovic [53] đã đề xuất một kỹ thuật mới để phát hiện vị trí của sự cố tốc độ caobằng cách sử dụng các mạng nơron trong khi Zhao, Song và ChenSong [73] sử dụngcác mạng nơron cho xác định vị trí sự cố trên một chuỗi các đường dây cần được bù

1.6 Phương pháp sóng lan truyền

Phương pháp sóng lan truyền trên đường dây truyền tải điện là phương pháptương đối mới đang được nghiên cứu và thử nghiệm Hiện nay có hai hướng nghiêncứu chính là phương pháp dựa trên sóng lan truyền từ điểm sự cố và phương pháp chủđộng phát xung vào đầu đường dây sau đó phân tích sóng phản xạ từ điểm sự cố hoặccuối đường dây

1.6.1 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ điểm sự cố

Khi sự cố xảy ra tại một điểm trên đường dây tải điện, sẽ gây ra các đột biến vềdòng điện và điện áp Các sóng dòng, áp đột biến này sẽ lan truyền trên đường dây cả

về hai phía với tốc độ lan truyền sóng xấp xỉ tốc độ ánh sáng Khi sóng lan truyền đitới một đầu đường dây sẽ gặp điều kiện biên thay đổi, do đó một phần của sóng này sẽphản xạ trở lại và một phần tiếp tục khúc xạ vào để lan truyền đi tiếp [24], [25], [30],[78]

Sơ đồ biểu diễn quá trình phản xạ, khúc xạ của các sóng lan truyền thể hiện trênHình 1.5 dựa theo chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu được tại hai đầu (∆t) có thểxác định được vị trí điểm sự cố bằng phương trình:

2trong đó: x - khoảng cách đến điểm sự cố

l - tổng chiều dài đường dây

c - vận tốc truyền sóng

Hình 1.5: Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây

Đặc điểm của phương pháp này:

Phải có các thiết bị ghi tín hiệu được đồng bộ thời gian với độ chính xác cao, chỉmột sự sai lệch rất nhỏ về thời gian có thể dẫn tới sai số lớn về khoảng cách tínhđược

từ ảnh hưởng đến độ chính xác của phép lọc tín hiệu.

Theo [14], ngành điện nhiều nước trên thế giới như Qualitrol (HathawayInstruments Division - Anh), Nippon (Nhật Bản), Kinkei (Nhật Bản), và Isa (Italia) đã

áp dụng công nghệ xác định khoảng cách đến điểm sự cố của đường dây Độ chính xácđạt được tương đối cao, sai số trong phạm vi một vài khoảng vượt, tùy thuộc vào thiết

bị của từng hãng chế tạo Nói chung các hãng đều đưa ra sai số lý thuyết về xác địnhđiểm sự cố không lớn hơn 500m, nhưng trên thực tế, độ chính xác còn phụ thuộc rấtnhiều vào các điều kiện thực tế khi lắp đặt và vận hành, đặc biệt phụ thuộc nhiều vào

độ tin cậy công nghệ của từng hãng Để lựa chọn ra công nghệ có độ chính xác cao,đáp ứng tin cậy trong vận hành, cần xem xét, đánh giá thiết bị của các hãng

Bảng 1 2: Kết quả thử nghiệm phương pháp sóng phản xạ từ điểm sự cố của Nippon trên đường dây 220kV Thái Nguyên - Hà Giang theo [14].

cố thực tế nhân sự cố (m)

2 21-6-2012 13:33:08 No 365 No 363 Sét đánh 996

3 23-7-2012 14:45:55 No 287 No 282 Sét đánh 2.282Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ điểm sự cố có

ưu điểm là lấy ngay sóng sự cố để đo lường nên không yêu cầu thiết bị phát xungnhưng lại yêu cầu đồng bộ về thời gian và phải đo lường từ nhiều đầu đường dây

1.6.2 Phương pháp sóng lan truyền từ đầu đường dây

Để giảm mức độ phụ thuộc vào việc đồng bộ thời gian các thiết bị đo trong hệthống, hiện nay một phương pháp mới đang được quan tâm phát triển là các giải phápdựa trên việc phân tích sóng phản xạ khi ta chủ động phát một xung điện áp vào đầuđường dây bị sự cố [27, 30, 36, 41]

Nội dung của phương pháp sóng lan truyền từ đầu đường dây là sử dụng mộtmạch phát xung (điện áp/dòng điện) vào đầu đường dây bị sự cố Sau khi có xungđược phát vào đường dây, ta tiến hành ghi lại các tín hiệu phản xạ Dựa trên việc phântích tín hiệu phản xạ mà ta có thể xác định được vị trí cũng như một số thông số củađường dây, của điểm sự cố và của tải cuối đường dây Phương pháp này có nhiều lợiđiểm so với các phương pháp tổng trở hay phương pháp dựa trên sóng lan truyền từđiểm sự cố do sử dụng thiết bị ở một đầu nên không cần phải đồng bộ về thời gian.Thời gian sóng phản xạ dài gấp đôi (do cần lan truyền thuận trước khi phản xạ ngượctrở lại) nên sai lệch tương đối về thời gian cũng nhỏ hơn.

Phương pháp TDR - Time Domain Reflectometry, sử dụng một mạch phát một

xung vào đầu đường dây truyền tải điện Phương pháp này đơn giản nhưng trong một

số trường hợp (như điện cảm của sự cố lớn hoặc đường dây có nhiều nhánh rẽ) thì cósai số lớn hoặc không thực hiện được

Để giảm sai số do điện cảm của sự cố, và các nhiễu do cảm ứng của các đườngtruyền tải khác trên cùng một cột tác giả đề xuất phương pháp phân tích sóng phản xạ

chủ động trên miền thời gian và tần số (TFDR - Time Frequency Domain Reflectometry).

Phương pháp TFDR sử dụng mạch phát tín hiệu chirp (tín hiệu có biên độ và tần

số thay đổi theo thời gian) vào đầu đường dây sau đó phân tích tín hiệu phản xạ để xácđịnh vị trí sự cố Để xác định thời điểm tín hiệu phản xạ từ cuối đường dây (hoặc vị trí

rẽ nhánh, sự cố) luận án đề xuất sử dụng phương pháp phân tích hàm tương quan giữatín hiệu mẫu (xung tới) và tín hiệu phản xạ

Trong trường hợp đường dây không bị sự cố, tín hiệu tới cuối đường dây gặp tảihoặc gặp các nhánh rẽ sẽ phản xạ về Căn cứ vào thời gian phát xung tới, thời điểm tínhiệu phản xạ về và chiều dài đường dây sẽ xác định được vận tốc truyền sóng trênđường dây truyền tải điện Trong trường hợp đường dây có sự cố, sẽ có thêm thànhphần phản xạ về từ điểm sự cố Căn cứ vào phương pháp phân tích tín hiệu phản xạ sẽxác định được thời điểm tín hiệu phản xạ từ điểm sự cố về đầu đường dây Biết thời

Các công trình liên quan đến lĩnh vực xác định vị trí sự cố bằng các sử dụng sóngphản xạ trên đường dây truyền tải điện, phương pháp TDR có thể tìm thấy trong [28],[32], [37], [54], [63], [67], [75], [81] Phương pháp TFDR có thể tìm thấy trong [45],[62], [66], [79].

Một số công trình đề cập đến vấn đề phân tích sóng có thể được liệt kê như sau:Trong tài liệu [81] trình bày về phương pháp sóng phản xạ chủ động trên miềnthời gian, khi phát xung vào đầu đường dây truyền tải điện trong các trường hợp khôngtải, hở mạch, tải thuần trở, tải điện trở song song điện cảm, tải điện trở nối tiếp điệncảm, tải điện trở song song với điện dung sẽ cho thấy các hình dạng sóng phản xạ khácnhau

Bài báo [12] đã trình bày một phương pháp phân tích tín hiệu dòng và áp ở đầuđường dây sử dụng các hàm biến đổi wavelet Daubechies để xác định thời điểm xảy ra

sự cố Dựa vào đặc tính là trong khai triển tín hiệu theo các hàm wavelet bao gồm cảhai thông tin về tần số và thời điểm xuất hiện ta có thể sử dụng wavelet để phát hiệnthời điểm sự cố là thời điểm xảy ra biến đổi tức thời lớn về biên độ của tín hiệu

Bài báo [67] trình phương pháp sóng phản xạ chủ động theo miền thời gian đểxác định vị trí sự cố dựa trên phân tích Fourier của tín hiệu tới và tín hiệu phản xạ đểxác định vị trí sự cố Các kết quả thử nghiệm với đường dây dài 10,2m, 20,2m và 84mvới các dạng sự cố hở mạch và ngắn mạch với sai số tương đương gần 4%

Bài báo [66] trình bày những vấn đề cơ bản trong phân tích sóng phản xạ theomiền thời gian TDR, theo miền tần số FDR và theo miền thời gian và tần số TFDRđồng thời so sánh những thuận lợi và khó khăn của cả 3 phương pháp

Bài báo [77] trình bày phương pháp sử dụng thiết bị đo điện áp và dòng điện từmột đầu của đường dây nhưng yêu cầu phải có dữ liệu dòng điện ngay trước và ngaysau thời điểm xẩy ra sự cố Bài báo đã thử nghiệm 9 trường hợp sự cố khác nhau từ25,7km đến 90,7km Các kết quả cho thấy sai số nhỏ hơn 1km trong đó có 2 trườnghợp không phát hiện ra vị trí sự cố.

Bài báo [27] trình bày phương pháp xác định vị trí sự cố dựa trên đo lường tínhiệu từ 2 đầu đường dây Tín hiệu đo từ 2 đầu đường dây sẽ được đồng bộ Báo cáo đã

sử dụng phần mềm ATP (Alternative Transient Program) để mô phỏng các trường hợp

sự cố 1 pha, 2 pha và 3 pha Các kết quả cho thấy với đường dây 173km sai số xấp xỉ0,6%

Tài liệu [79] sử dụng phương pháp phân tích sóng phản xạ theo miền thời gian vàtần số với 2 dạng sự cố là ngắn mạch và hở mạch tại các vị trí sự cố 10, 20, 30 và 40m.Theo [88] sử dụng một dải phổ tín hiệu từ 4MHz đến 75MHz phát vào đầuđường dây, sóng phản xạ về được đưa qua bộ lọc thông thấp và bộ lọc thông cao đểphân tích thời điểm tín hiệu phản xạ từ điểm sự cố Sai số trung bình của phương phápxấp xỉ 6%

Tài liệu [68] sử dụng phương pháp Artificial Neural Networks (ANNs) kết hợpvới phân tích FFT (Fast Fourier Transform) sử dụng tần số cao để phân tích sự cố Sửdụng công cụ Matlab để mô phỏng đường dây dài 128km với các trường hợp sự cố ở

5, 32, 64, 96, 123km kết quả cho thấy sai số trung bình nhỏ hơn 5%

Có nhiều phương pháp để xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải điện,phương pháp đơn giản thì cho độ chính xác không cao, phương pháp phức tạp như đolường từ nhiều đầu và yêu cầu đồng bộ tín hiệu về thời gian cho độ chính xác cao hơnnhưng phức tạp, chi phí lại cao, độ chính xác phụ thuộc vào đồng bộ tín hiệu từ cácđầu Ngoài ra hệ thống truyền tải điện ngày nay cũng hết sức đa dạng với nhiều cấutrúc khác nhau Hiện nay chưa có nhiều nghiên cứu và thử nghiệm trên đường dây cónhiều nhánh rẽ do đó luận án tập trung nghiên cứu mô hình xác định vị trí sự cố cho cảđường dây không phân nhánh và đường dây có nhiều nhánh rẽ

1.7 Kết luận chương 1

Qua trình bày về phân tích các phương pháp xác định vị trí sự cố có thể tóm tắthiện nay có các phương pháp xác định sự cố kinh điển như phương pháp dựa trên đolường từ một đầu đường dây, phương pháp đo lường từ hai đầu đường dây Cácphương pháp mới như phương pháp sử dụng mạng nơron, phương pháp sóng lantruyền Mỗi một phương pháp, thuật toán khác nhau vì vậy có ưu nhược điểm riêng.Đối tượng đường dây truyền tải điện rất đa dạng, đường dây truyền tải với các cấp điện

áp khác nhau, có một nguồn hay nhiều nguồn cung cấp, đường dây đơn, đường dâykép, đường dây có một hoặc nhiều nhánh rẽ Tính chất của sự cố cũng khác nhau nhưđiện trở, điện cảm sự cố thay đổi Do đó một phương pháp không thể áp dụng chungcho tất cả các dạng đường dây truyền tải điện Các giải pháp đơn giản như phươngpháp điện kháng đơn dễ thực hiện như có độ chính xác không cao, phương pháp đolường từ hai đầu đường dây hay phương pháp dựa trên sóng từ điểm sự cố có độ chínhxác cao hơn nhưng sử dụng nhiều thiết bị và yêu cầu đồng bộ về thời gian dẫn tới phứctạp, chi phí tốn kém

Luận án tập trung nghiên cứu để đưa ra các giải pháp cho các hệ thống tải điện bapha không phân nhánh và có nhánh rẽ Với yêu cầu sử dụng ít thiết bị đo nhất có thể vàkhông yêu cầu đồng bộ về thời gian

Trong các chương tiếp theo luận án sẽ tập trung nghiên cứu phương pháp chủđộng phát xung từ đầu đường dây truyền tải để xác định sự cố Do phương pháp sửdụng ít thiết bị, không yêu cầu đồng bộ về thời gian Luận án nghiên cứu các giải phápphát xung chủ động theo miền thời gian (TDR) và phương pháp phát xung chủ độngtheo miền thời gian và tần số (TFDR)

Chương 2: CÁC GIẢI PHÁP CỦA LUẬN ÁN TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN SÓNG LAN TRUYỀN

Trong chương một luận án đã trình bày tổng quan về các phương pháp xác định

vị trí sự cố Căn cứ vào đó trong chương này sẽ đề xuất phương pháp xác định vị trí sự

cố chính xác hơn Để có thể thực hiện các giải pháp này cần có mô hình toán học mô

tả sóng lan truyền trên đường dây truyền tải điện và mô hình mô phỏng để giải các bàitoán đề xuất Trong chương 2 luận án sẽ trình bày các nội dung chính:

Mô hình toán học sóng lan truyền trên đường dây truyền tải điện không có sự cố và trên đường dây có sự cố trong các trường hợp phụ tải khác nhau để phát hiện sự cố

Đề xuất một số giải pháp xác định vị trí sự cố trên đường dây truyền tải

2.1 Mô hình toán học sóng lan truyền trên đường dây

2.1.1 Mô hình đường dây truyền tải điện

Để mô phỏng đường dây truyền tải theo, [2] và [22] thường sử dụng mô hình và

mô hình đường dây thông số phân tán (Distributed Parameter Line)

a) Mô hình

Mô hình thực hiện một đường truyền một pha với các thông số gộp trong cácđoạn Đối với đường dây truyền tải, điện trở, điện cảm, và điện dung được phân bốđều trên đường dây Một mô hình gần đúng của đường tham số được phân bố bằngcách xếp chồng lên một vài phần giống hệt nhau như thể hiện trong hình dưới đây

Không giống như mô hình đường dây phân bố thông số phân tán, có một số lượng vô hạn các phần tử, mô hình tuyến tính phần có một số hữu hạn các trạng thái

cho phép tính số mô hình tuyến tính không gian trạng thái Số phần tử sẽ được sử dụng phụ thuộc vào dải tần

số và được biểu diễn theo công thức sau [2]:

- l là chiều dài dây (km)

Với đường dây có phân đoạn ngắn thông số RLC của mỗi phân đoạn được tínhnhư sau:

trong đó: lsec là chiều dài một phân đoạn hình , r0 (Ω/km), l0 (H/km), C0 (F/km) lầnlượt là điện trở, điện cảm, điện dung trên một đơn vị chiều dài

Mô hình đường dây ba pha hình là mô hình mà các tham số đường dây thể hiệnnhư hình Ngược lại với mô hình đường dây thông số rải, trong đó điện trở, điện cảm,

và điện dung được sử dụng trong các vi phân đoạn của đường dây Mô hình

ba pha với các tham số trong một phân đoạn như thể hiện trong hình bên dưới

trong đó: - Rs, Rm là điện trở và điện trở tương hỗ của đường dây ba pha

- Ls, Lm điện cảm và hỗ cảm của đường dây dây ba pha

- Cp, Cg là điện dung thay thế như hình 2.2.

Các thông số thứ tự thuận và thứ tự không của đường dây được tính như sau:

Rs (2R1 R0 ) / 3; Ls (2L1 L0 ) / 3; C p C1

(2.4)

R m (R0 R1 ) / 3; Lm (L0 L1 ) / 3; C g 3C1 C0 / (C1 C0 )

b) Mô hình đường dây thông số rải

Khi khảo sát quá trình điện từ trên đường dây mô tả bởi một số hữu hạn các phần

tử điện trở R, điện cảm L nối với nhau Các mô tả như vậy gọi là mạch có thông số tậptrung và chỉ đúng nếu tần số tín hiệu trên đường dây đủ thấp tương ứng với độ dàibước sóng đủ lớn Khi đường dây làm việc với tần số đủ cao, chiều dài đường dâytương đối đáng kể so với bước sóng, sóng điện từ lan truyền dọc đường dây đã thể hiệnmột phần đáng kể của bước sóng, lúc này cách mô tả như trên không đúng nữa vì khi

đó tại mỗi thời điểm điện áp và dòng điện đã thay đổi dọc theo chiều dài đường dây.Trong trường hợp này, để phù hợp ta coi đường dây được ghép bởi vô số các vi phânchiều dài dx ghép xâu chuỗi nhau, mỗi vi phân bao gồm vi phân điện trở dR, vi phânđiện cảm dl, vi phân điện dẫn dG, vi phân điện dung dC mô tả như hình dưới

Hình 2 3: Sơ đồ thay thế đường dây có thông số rải

trong đó: Vi phân điện trở dR và vi phân điện cảm dL đặc trưng cho quá trình tiêu tán

và từ trường trên mỗi vi phân đường dây; vi phân điện dẫn dG, vi phân điện dung dCđặc trưng cho dòng điện dịch và dòng điện rò Cách mô tả như vậy gọi là đường dây

có thông số rải hay còn gọi là đường dây dài

Theo [6, 22] hệ phương trình trạng thái của đường dây dài đều là:

u (x, t) R i (x, t) L i(x, t)

G u (x, t) C t x

trong đó: R, L, C, G là các thông số của đường dây trên một đơn vị chiều dài

Hệ phương trình mô tả đường dây dài đều là hệ phương trình đạo hàm riêng theokhông gian, thời gian, nghiệm của nó phụ thuộc vào điều kiện biên x1, x2 và sơ kiện t0

Để giải bài toán này với đường dây một pha và ba pha cần sử dụng phương pháp

số như trình bày ở [44] Khi đó mô hình thông số dải sẽ được thay thế bằng mạng 2cửa như trên hình dưới:

Hình 2 4: Sơ đồ thay thế mạng 2 cửa của đường dây truyền tải 1 pha

Với đường dây không có tổn thất ( R0 G0 0 ):

Theo phương pháp giải D’Alambert ta có:

- [u(t)] là vectơ cột điện áp nút tại thời điểm t

- [i(t)] là vectơ cột dòng điện bơm vào nút tại thời điểm t

Với đường dây truyền tải nhiều pha sơ đồ thay thế như hình bên dưới

Hình 2 5: Sơ đồ thay thế của đường dây truyền tải ba pha

Mô hình đường dây thông số dải ba pha theo [44] ta có:

2.1.2 Nguyên lý lan truyền sóng trên đường dây

Theo [6], [22] sóng lan truyền trên đường dây bao gồm sóng thuận u+(x,t) vàsóng ngược u-(x,t), các thông số đặc trưng cho sự truyền sóng trên đường dây dài baogồm: Tổng trở sóng ZC, hệ số tắt , hệ số pha , vận tốc truyền sóng v

a) Tổng trở sóng: Theo [2] ta có tổng trở sóng và hệ số truyền sóng của đường dây được tính như sau:

b) Hệ số truyền sóng :

đặc trưng cho quá trình truyền sóng trên đường dây, chúng phụ thuộc vào các thông số cơ bản của đường dây và tần số

trong đó: - [nep/km]- gọi là hệ số tắt tức là tốc độ giảm của biên độ nep/km

- [rad/km] - hệ số pha nói lên độ biên thiên góc pha của sóng khi truyền dọc đường dây

c) Vận tốc truyền sóng:

Sóng thuận và sóng ngược lan truyền với vận tốc như nhau:

trong đó: là bước sóng, f là tần số

Các đường dây trong thực tế thường có giá trị điện trở, điện dẫn thường rất nhỏ

so với điện cảm và điện dung Khi xét đường dây dài ở chế độ truyền sóng, nếu bỏ quathành phần điện trở của đường dây, ta có các thông số truyền sóng được xác định nhưsau:

Tổng trở sóng là số thực (thành phần ảo bằng 0) nên tương đương với điện trở thuần

Vận tốc truyền sóng không phụ thuộc vào tần số nên đường dây không tiêu tán cũng

là đường dây không méo

Tín hiệu truyền sóng trên đường dây không tiêu tán chỉ bị trễ (hay hệ số pha thay đổi) coi như không bị suy giảm về biên độ

2.1.3 Sóng điện từ trên đường dây tải điện không sự cố

Giả sử tại thời điểm t=0 ta đóng vào đầu đường dây một nguồn áp V inc (t ) Khi

có năng lượng truyền vào, không gian dọc đường dây sẽ hình thành một trường điện từbiến thiên Sóng điện từ sẽ lan truyền từ đầu đường dây tới cuối đường dây và khi gặpcác điểm phân nhánh, sự cố hoặc khi gặp điểm cuối đường dây, một phần năng lượngcủa sóng sẽ phản xạ ngược trở lại thành sóng lan truyền ngược, phần còn lại sẽ khúc xạvào tải hoặc vào đường dây phía sau điểm phân nhánh hoặc sự cố

Để xác định được hai thành phần này, ta có thể áp dụng mô hình thuật toánPetersen [6], [22] Ý tưởng của mô hình Petersen được giới thiệu trên Hình 2.6 (lấy ví

dụ trường hợp sóng lan truyền đến cuối đường dây) Khi sóng lan truyền tới cuốiđường dây ta có:

u2 (t ) Z0 i2 (t ) 2 utíi (l , t ) 2 utíi (t ) (2.18)

Dùng mô hình mạch (mô hình Petersen) tương đương mô tả quan hệ trên như sau, trong đó t=0 là thời điểm sóng đánh tới cuối đường dây

Hình 2.6: Mô hình Petersen tương đương để giải bài toán truyền sóng

Theo [6] khi đường dây có tổng trở sóng Z0 và tải cuối đường dây Z2 thì các hệ số khúc xạ và phản xạ được tính theo:

V

Z0 Z2

trong đó Vref – biên độ sóng phản xạ, Vinc – biên độ sóng tới

Nếu đường dây không có sự cố thì thời gian từ lúc bắt đầu đóng nguồn vào đường dây cho đến khi có sóng phản xạ là:

Từ 2.19 ta có 1 và có hai trường hợp đặc biệt là:

Khi hở mạch cuối đường dây (tương đương Z2): ta có 2 và 1 (hay V ref V inc),

hay còn gọi là hiện tượng phản xạ dương toàn phần Khi sóng này lantruyền ngược về đầu đường dây, tín hiệu điện áp đo được đầu đường dây sẽ là:

Khi ngắn mạch cuối đường dây (tương đương Z20): ta có 0 và 1 (hay V ref V inc),

hay còn gọi là hiện tượng phản xạ âm toàn phần Khi sóng này lan truyền ngược về đầu

đường dây ta sẽ có: V1 0