Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mạng nơron để xác định vị trí sự cố trên đường dây tải điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ KIỀU LINH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MẠNG NƠRON ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ KIỀU LINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MẠNG NƠRON ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN

Thái Nguyên - Năm 2020

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ KIỀU LINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MẠNG NƠRON ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

i

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Nguyễn Hữu Công

ii

LỜI CAM ĐOAN

u c a riêng tôi, các s li u, k t qu

này không gi ng hoàn toàn b t c lu

Ngoài các tài li u tham kh c trích d n, các s li u và k t qu mô

Tác giả luận văn

Lê Kiều Linh

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính c p thi t 1

2 M u 1

3 Nhi m v nghiên c u 1

ng và ph m vi nghiên c u 1

u 1

6 N i dung lu 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 3

t v 3

1.2 M t s nh v trí s c 3

a trên tr ng m t phía)[11,12] 3

4

6

i ti n 7

ng t hai phía [13,14] 8

pháp nh v s c d a trên nguyên lý sóng lan truy n t m s c 9

nh v s c d a trên nguyên lý sóng lan truy n t u ng dây 10

1.3 K t lu 10

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN 11

ng dây truy n t n [2,4] 11

iv

2.2 Nguyên lý lan truy ng dây [4,6] 13

2.2.1 T ng tr sóng ZC 13

2.2.2 H s truy n sóng 14

2.2.3 V n t c truy n sóng v 14

2 n t ng dây t n không s c [3,4] 15

2.3.1 Sóng lan truy ng dây không có s c v i t i cu ng dây thu n tr 17

2.3.2 Sóng lan truy ng dây không có s c v i t i cu ng dây d ng (R nt L): 17

2.3.3 Sóng lan truy ng dây không có s c v i t i cu ng dây d ng (R|| L): 18

2.3.4 Sóng lan truy ng dây không có s c v i t i cu ng dây d ng (R ||C): 19

2.3.5 Sóng lan truy n trên ng dây không có s c v i t i cu ng dây d ng (R nt C): 20

n t ng dây t m s c 20

2.5 K t lu 21

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MẠNG NƠRON ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 22

3.1 Phân tích ph b ng Wavelet [1,9] 22

3.1.1 Thu t toán Wavelet phân tích sóng ph n h i 24

3.1.2 Các y u t ng t chính xác c nh th m sóng ph n h i 27

3.2 M và ng d hi u ch nh th m sóng ph n h i [1,10] 27

3.2.1 Quy t c suy lu n m ng TSK 27

3.2.2 Mô hình m TSK 29

3.2.3 Thu t toán h c c a m TSK 31

3.2.4 Kh i t o m c 35

3.2.5 Thu t toán phân c m tr m 35

3.2.6 M hi u ch nh th m sóng ph n h i 37

3.3 K t lu 39

v

CHƯƠNG 4 CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 40

4.1 Ph n m m Matlab-Simulink trong mô ph ng h th n [8] 40

n Sources 40

n hi n th Sinks 42

n SimPowerSystems 42

n ngu n 43

n Elements 44

4.2 Mô ph ng sóng lan truy nh v n t c truy n sóng 47

4.2.1 Mô hình mô ph ng 47

4.2.2 K t qu mô ph ng 49

4.3 Mô ph ng sóng lan truy ng dây ng dây có s c 51

4.3.1 Mô hình mô ph ng 51

4.3.2 K t qu mô ph ng m t s lo i s c khác nhau 51

4.3.2.1 Ng n m ch 1 pha 51

4.3.2.2 Ng n m ch 3 pha ch t 53

4.3.2.3 Ng n m ch 2 pha ch t 54

4.4 K t qu hi u ch nh sai s v trí s c b ng m 56

4.5 K t lu 60

KẾT LUẬN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH HUẤN LUYỆN MẠNG NEURON 64

PHỤ LỤC 2: CHƯƠNG TRÌNH KIỂM TRA MẠNG NƠRON 75

vi

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

B ng 1: K t qu nh v trí s c khi ng n m ch 1 pha ch t 53

B ng 2: K t qu nh v trí s c khi ng n m ch 3 pha ch t 54

B ng 3: K t qu nh v trí s c khi ng n m ch 2 pha ch t 56

B ng 4: K t qu nh v trí s c khi ng n m ch 1 pha ch t 59

sau khi s d ng m hi u ch nh sai s 59

B ng 5: K t qu nh v trí s c khi ng n m ch 3 pha ch t 60

sau khi ch y qua m hi u ch nh sai s 60

B ng 6: K t qu nh v trí s c khi ng n m ch 2 pha ch t 60

sau khi s d ng m hi u ch nh sai s 60

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

5

Hình 1.2 Minh h a n m t pha hai ngu n 6

nguyên lý c ng dây b s c v i hai ngu n c p 8

Hình 1.4 thay th c ng dây s c 8

Hình 1.5 S lan truy n và ph n x c ng dây 10

ng dây truy n t i hình PI m t pha 11

Hình 2.2 Mô hình m ng dây truy n t i hình PI ba pha 12

Hình 2.3 Mô hình Peters gi i bài toán truy n sóng 16

a m ch có t i thu n tr 17

Hình 2.5 Mô hình a m ch có t i R n i ti p L 17

a m ch có t i thu n R song song L 18

a m ch R song song C 19

a m ch R n i ti p C 20

Hình 3.1 M t s n 24

Hình 3.2 C c liên ti p phân tích m t tín hi u thành các thành ph n chi ti t và x p x 25

Hình 3.3 M TSK 30

Hình 3.4 Thu t toán h c m ng TSK 33

Hình 3.5 D ng dây khi s c 3 pha 38

Hình 3.6 Hình nh phóng to tín hi ng dây hình bên 38

Hình 3.7 Minh h a v vi c trích 20 m u giá tr t c th i xung quanh th m to làm d li 38

n các kh i ngu n 40

n các kh i hi n th 42

n công c mô ph ng SimPowerSystems 43

n các kh i ngu n trong SimPowerSystems 43

n Elements trong SimPowerSystems 44

t thông s ng dây thông s d i 45

t thông s cho máy c t 3 pha 45

t thông s cho c ng k t n i 46

ix

n các kh ng 46

Hình 4.10 Mô hình các kh ng 47

Hình 4.11 Mô hình ngu n phát xung m t chi u 3 pha 48

Hình 4.12 Mô hình mô ph nh các thành ph n sóng lan truy n và ph n x ng dây 3 pha không có s c gi ng dây v i ngu n phát xung 1 chi u 48

Hình 4.13 D ng dây khi t i thu n tr Rtai=100( ) 49

Hình 4.14 D ng dây khi t i R || C ( Rtai=100( ), C=1µF) 49

Hình 4.15 D ng dây khi t i R nt L (Rtai=100( ), L=10mH 50 Hình 4.16 Tín hi c khi không có s c và hình nh phóng to tín hi u ph n x v t cu ng dây 50

Hình 4.17 mô ph ng dây s c 51

Hình 4.18 D ng dây khi s c 1 pha t i v trí l=20km, Rfault=20 và Lfault=0 52

Hình 4.19 D ng dây khi s c 1 pha t i v trí l=20km, Rfault=20 và Lfault=0,1mH 52

Hình 4.20 D ng dây khi s c 3 pha t i v trí l=20km, Rfault=20 và Lfault=0 53

Hình 4.21 D ng dây khi s c 3 pha t i v trí l=20km, Rfault=20 và Lfault=1mH 54

Hình 4.22 D ng dây khi s c 2 pha t i v trí l=20km, Rfault=20 và Lfault=0 55

Hình 4.23 D ng dây khi s c 2 pha t i v trí l=20km, Rfault=20 và Lfault=1mH 55

th u ra c a m ng TSK 58

th sai s gi a k t qu h c và d li u vào 58

th u ra k t qu ki m tra c a m ng TSK 58

th sai s gi a k t qu ki m tra và d li u vào 59

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

c

5 Phương pháp nghiên cứu

thuy t

2

6 Nội dung luận văn

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN

ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN

1.1 Đặt vấn đề

có th x y ra s c do thiên tai, thi t b b s c , s c u khi n, s c do v n hành

c

ph c nh ng s c là r t quan tr ng trong vi m b o ch làm vi c tin c y c a h

giúp gi m thi u th i gian kh c ph c s c

Hi n nay m t s ng dây truy n t n c trang b b o v kho ng cách

s c c quan tâm nghiên c u và phát tri n

1.2 Một số phương pháp xác định vị trí sự cố

5

T

l suco.Z

~

bi u di n quá trình ph n x , khúc x c a các sóng lan truy n th hi n trên

(1.12) T

c - v n t c ánh sáng

10

m c

ch m t s sai l ch r t nh v th i gian có th d n t i sai s l n v kho ng cách tính

nh v s c d a trên nguyên lý sóng lan truy n t u

ng dây

11

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƯỜNG

DÂY TẢI ĐIỆN 2.1 Mô hình đường dây truyền tải điện [2,4]

Hình 2.1 ng dây truy n t i hình PI m t pha

Trong mô hình hình PI, s ph n t hình PI c s d ng ph thu c vào d i t n s

1 0 g

2.2 Nguyên lý lan truyền sóng trên đường dây [4,6]

LZ

15

thu n

ng dây không méo

2.3 Sóng điện từ trên đường dây tải điện không sự cố [3,4]

c hai thành ph n này, ta có th áp d ng mô hình thu t toán

Z 0

L L

t T

Khi t = 0, ta có

ng dây t n; nguyên lý lan truy n sóng và

22

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT MẠNG NƠRON ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ

TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 3.1 Phân tích phổ bằng Wavelet [1,9]

th c ho c ph c liên t c nào tho mãn các tính ch

Tính ch t c a hàm sóng, t c là tích phân suy r ng trên toàn b tr c t c a hàm

f(t) bi n thành hàm W(a,b) ph thu c 2 bi n là bi n t l a và bi n d ch chuy n b H

s chu n hóa 1/ a trong (3.4) cho s chu n hóa sóng Wavelet v i các t l phân

tích a khác nhau v m b o a b, ( )t ( )t (xem công th c (3.2)) Tham s t l a

ng v i vi c nén ho c giãn tín hi u và nó là ngh o c a t n s ; t l l n

ng v i t n s th p cho bi t thông tin toàn th , t l nh ng v i thành ph n t n

23

s cao nên cho bi t thông tin chi ti t c a tín hi u Tham s d ch chuy n b cho bi t v trí

c a tín hi u trong th i gian (ho c không gian - n u thay f(t) b ng hàm không gian f(x));

n 0

s hn s t o thành m t b l c s thông th p (hay còn g i là b l c

ng th i là Wavelet b c 1 trong h các Wavelet Daubechies) Wavelet Haar có hàm S

3.1.1 Thu t toán Wavelet phân tích sóng ph n h i

f (t) a(t) d(t) (3 10)

25

V i a c g i là thành ph n "x p x " (approximation) ch a các thành ph n bi n thiên ch m trong f(t) và d c g i là thành ph n "chi ti t" (detail) ch a các thành

ph n bi n thiên nhanh Ta có th ti p t c quá trình phân tích t cho thành ph n a

V i T0 t0 là th i gian sóng lan truy n và ph n h i v t cu ng dây

27

3.1.2 Các y u t ng t chính xác c a phân tích Wavelet nh

th m sóng ph n h i

Theo các công th c (2.18), (2.19) cho th y tín hi u ph n h i khi g n tr s

c a thành ph n chi ti t nh

còn ph thu c vào các tham s l a ch n a và b (trong phân tích Wavelet): a là tham s

28

Và giá tr c u ki n m c tính b ng tích c a các giá tr u ki n m thành ph n:

l p

31

W(x A) Theo công th c (3.8) ta có:

i

i 1

FyF

thích nghi theo b s li c là l p th nh t v i các kh i m hóa và l p th ba g m

32

b s li u

t t là th p Vì v y theo [10] xu t m t thu t toán h n h

các thông s phi tuy n Thu t toán c mô t

Bước 2: Gi nguyên giá tr các thông s tuy n tính, s d ng thu t toán gi m

Bước 3: Gi nguyên các giá tr c a các thông s phi tuy n, s d ng thu t toán

u ch nh các thông s tuy n tính

Thuật toán điều chỉnh thích nghi các thông số tuyến tính:

M ng TSK có các thông s tuy n tính là các h s q s d ng trong các hàm

Các thu t toán h c cho m ng TSK là các thu t toán l m xu t phát ban

4

x x n

r i

x x r

4

x x r

l n) Phân c m tr bao g m các thông s ch y u sau: , , ra Các thông

ref a

ref a

4

x x r

38

x 104-20

25 30 35 40 45 50 55 60 65

Time (ms)

Hình 3.6 Hình nh phóng to tín hi u

ng dây hình bên

i chính xác th i gian sóng ph n h i t m s c v u

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

Time (micro second) y(to)

Hình 3.7 Minh h a v vi c trích 20 m u giá tr t c th i xung quanh th m t o

làm d li

t ng d ng Wavelet phân tích sóng ph n h i trên

còn ph thu c vào các tham s trong phân tích Wavelet Vi c tính toán các h s

qu phân tích Wavelet

40

CHƯƠNG 4 CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG

4.1 Phần mềm Matlab-Simulink trong mô phỏng hệ thống điện [8]

MATLAB (Maxtrix Laboratory) là công c ph n m m c a MathWork cho phép tính toán, v th hàm s hay bi thông tin, th c hi n thu t toán, t o các giao

thu t so v i các ngôn ng l p trình truy n th

41

n, tu theo cách khai báo ô Constant value và ô Interpret vector

i d ng ma tr n

Block Parameters c a kh i Step , có th khai báo giá tr u/giá tr cu i và c m b t

theo yêu c u s d ng Có th t o nhi u tín hi u cùng m t lúc

Khối Repeating Sequence có th t o tín hi u d ng tu n hoàn Tín hi u ra Output

Khối Display hi n th b ng s k t qu c a vi c mô ph ng Simulink t i th i gian

mô ph ng t

ng v i tr c y Ta có th t gi i h n cho hai tr c trong h p tho i Block Parameter

4.1.3 n SimPowerSystems

43

Hình 4.3 n công c mô ph ng SimPowerSystems

Bao g m các kh i Electrical Sources, Elements, Extra library, Machines, Measurements

4.1.4 n ngu n

Bao g m các ngu n 1 chi u, xoay chi u 1 pha, 3 pha, ngu n dòng, ngu n áp,

Hình 4.4 n các kh i ngu n trong SimPowerSystems

44

4.1.5 n Elements

t

Các d ng máy bi n áp 1 pha, 3 pha, máy bi n áp t ng u v i các d ng t d u dây khác nhau

Hình 4.5 n Elements trong SimPowerSystems

Kh i: Distributed Parameters line

phát xung, t1 là th i gian nh c tín hi u ph n h i t cu ng dây Bi t th i gian

t i và th i gian ph n h i và chi ng dây s tính ra v n t c sóng lan truy n trên

10 Mô hình các kh i phát xung hình 4.11

Hình 4.10 Mô hình các kh ng

48

Hình 4.11 Mô hình ngu n phát xung m t chi u 3 pha

kh i tín hi u hình chirp n i v i m t kh i tín hi u Step và kh i tín hi u Signal Generator thông qua m t kh i nhân tín hi u

Hình 4.12 Mô hình mô ph nh các thành ph n sóng lan truy n và ph n x

ng dây 3 pha không có s c gi ng dây v i ngu n phát xung

1 chi u

50

x 10-30

52

x 10-30

54

x 10-30

55

x 10-30

4.4 Kết quả hiệu chỉnh sai số vị trí sự cố bằng mạng nơron TSK

vào ng v i các giá tr y y(t h), y(t 2 h), y(t 18* h) và m u ra ( ng

tr ng tâm các quy t c m c a m ng Ti n hành hu n luy n m

Hình 4.26 th u ra k t qu ki m tra c a m ng TSK

Hình 4.27 th sai s gi a k t qu ki m tra và d li u vào

Sai s trung bình c a n b s li c tính theo công th c:

2 1

n

k k k

Sai s t ng tính trung bình c a 60 b s li u ki m tra là: 0,363µs v i sai s k t

qu ki m tra l n nh t là 4,710µs V i trung sai s tính toán th m sóng ph n x v

ng n m ch 1 pha ch t, 3 pha ch t, và 2 pha ch t v i thông s s c

Rfault=20( ) và LFault=1mH K t qu cho các B ng 4, B ng 5 và B ng 6

B ng 4: K t qu nh v trí s c khi ng n m ch 1 pha ch t

sau khi s d ng m hi u ch nh sai s

60

B ng 5: K t qu nh v trí s c khi ng n m ch 3 pha ch t

sau khi ch y qua m hi u ch nh sai s

sau khi s d ng m hi u ch nh sai s

61

KẾT LUẬN

tích ph b ng Wavelet gi a tín hi u t i và tín hi u ph n x phát hi m s c

62

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Karl Zimmerman and David Costello, "Impedance-Based Fault Location

Experience ", Rural Electric Power Conference, 2006 IEEE

2 N G Paulter ( 2001), "An assessment on the accuracy of time-domain reflectometry for measuring the characteristic impedance of transmission line", IEEE Trans Instrum Meas., vol 50, pp 1381 1388, 2001

3 M Kezunovic and B Perunicic (1996), "A utomated transmission line fault

analysisusing synchronized sampling at two ends", IEEE Trans Power Syst ,

vol 11, no 1, pp 441 447

4 Minambres J Zamora I, Mazon A, Alvarez-Isasi R, Lazaro J (1996), "Fault

location on two-terminal transmission lines based on voltages", IEE

Proceedings: Generation, Transmission and distribution, 143(1)

5 M Ohmiya H Yamada, Y Ogawa, K Itoh (1991), "Super resolution techniques for

time-domain measurements with a network analyzer", IEEE Trans Antennas

Propag., vol 39, pp 177 183, 1991

6 Takagi (1982), "Development of a new fault locator using the one-terminal voltage

and current data", IEEE Trans.Power App Syst , vol PAS-101, no 8, pp

2892 2898

i h c K thu t Công nghi p

thu t, Hà N i

ng h a (VCCA)

n, s 4