ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BK TPHCM NGUYỄN NHÂN BỔN NHẬN DẠNG CÁC HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ BẰNG WAVELET VÀ ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM Chuyên ngành: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN Mã số: 62 52 50 05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2015 Cơng trình hồn thành tại: trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH Phản biện độc lập 1: PGS TSKH Trần Hoài Linh Phản biện độc lập 2: TS Trần Tấn Vinh Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Họp tại: Trường Đại học Bách khoa Vào lúc: ngày tháng năm Phần GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết đề tài Hiện tượng độ điện từ thay đổi đột ngột giá trị điện áp dòng điện mạch điện mạng lưới điện Sự thay đổi phần thao tác thiết bị đóng cắt cố xảy Thời gian diễn độ ngắn, chiếm tỉ lệ nhỏ so với thời gian vận hành mạng điện Tuy nhiên, giai đoạn diễn độ quan trọng phần tử mạng điện vận hành với điện áp dịng điện cực lớn Điều dẫn đến hư hỏng thiết bị, thiết bị không khởi động, ngừng hoạt động nhà máy, điện thành phố Luận án nghiên cứu nhận dạng tượng q độ điện từ tính tốn độ điện từ miền thời gian Dựa kỹ thuật Wavelet, kỹ thuật biến đổi z công cụ trí tuệ nhân tạo, luận án đề xuất giải thuật, mơ hình tốn học, phần mềm ứng dụng để giải đảm bảo nhận dạng nhanh chóng, tính tốn xác tượng q độ điện từ phục vụ cho thiết kế thử nghiệm hệ thống bảo vệ hệ thống điều khiển hệ thống điện Mục tiêu nghiên cứu Luận án tập trung giải ba toán liên quan: (a) Nhận dạng tượng độ điện từ; (b) Áp dụng tích phân số tính tốn mơ tượng q độ; (c) Cải tiến mơ hình đường dây thơng số rải; (d) Triển khai kết nghiên cứu phần lưới điện miền Nam Việt Nam Nội dung nghiên cứu Các nội dung nghiên cứu bao gồm: Nghiên cứu tượng độ điện áp đề xuất áp dụng kỹ thuật Wavelet công cụ trí tuệ nhân tạo nhận dạng tính chất tượng độ này; Nghiên cứu phương pháp tính tốn q độ đề xuất áp dụng giải thuật tính tốn dựa kỹ thuật Wavelet để phân tích độ lưới điện điển hình; Nghiên cứu mơ hình đường dây thơng số rải, đề xuất cải tiến mơ hình đường dây, áp dụng tính tốn đóng khơng tải đường dây; Tính toán áp dụng lưới điện mẫu nút, nút phần lưới điện Việt Nam nhằm minh họa khả áp dụng phương pháp đề xuất Các kết luận án Những kết đạt bao gồm: Sử dụng hàm Wavelet (Daubechies, Haar) thích hợp q trình nhận dạng tượng độ điện từ; 2 So sánh đánh giá phương pháp phân loại nhiễu mạng Nơ rôn (PNN), kỹ thuật suy luận mờ (Fuzzy Logic), mạng suy luận mờ-nơ rôn (Nero-Fuzzy) tập mẫu tượng độ; Khảo sát, nhận dạng trường hợp độ đóng cắt tụ bù (đóng trạm tụ bù cách ly, khuếch đại điện áp, đóng trạm tụ bù song song, phóng điện trước, phóng điện trở lại); Đề xuất phương pháp nhận dạng tượng độ điện từ có nhiễu tạp chồng lấn miền thời gian; Sử dụng kỹ thuật Wavelet (KWM) tính tốn tượng q độ điện từ hệ thống điện miền thời gian thông qua mô ngắn mạch lưới điện mẫu, đóng khơng tải đường dây cao Kết phân tích chứng tỏ khả áp dụng tốt kỹ thuật Wavelet vào phân tích độ hệ thống điện; Xây dựng mơ hình mạng thụ động RLC thể ma trận tổng dẫn mơ hình đường dây thơng số rải; Những đóng góp mặt khoa học thực tiễn luận án + Đóng góp mặt khoa học - Nhận dạng trường hợp đóng cắt tụ bù khác - Đề xuất phương pháp nhận dạng tượng độ điện từ có nhiễu tạp chồng lấn miền thời gian - Tính tốn tượng q độ miền thời gian (ngắn mạch) hệ thống điện đơn giản (3 nút, nút) - Đề xuất mơ hình đường dây thơng số rải + Đóng góp mặt thực tiễn - Ứng dụng toán 1: Áp dụng kỹ thuật biến đổi wavelet mạng nơ rôn việc nhận dạng cố ngắn mạch đường dây, tượng điện, sóng hài, đóng tải cơng suất lớn Điều cho thấy tiềm ứng dụng kỹ thuật Wavelet việc nhận dạng cố hệ thống điện Việt Nam Các kết cần phải nghiên cứu thêm để gia tăng độ xác - Ứng dụng toán 2: Áp dụng kỹ thuật biến đổi z vào mơ hình đường dây thơng số rải, với khảo sát đóng khơng tải đường dây 220kV Nhà Bè-Phú Mỹ, với kết phía điện áp phía Nhà Bè gấp lần điện áp định mức 220kV Áp dụng cho hệ thống phức tạp cần phải nghiên cứu có phân tích xác Hướng phát triển đề tài Trên sở kết nghiên cứu luận án này, tác giả đề xuất số nghiên cứu tiếp theo: - Nghiên cứu thêm để gia tăng độ xác, cụ thể xem xét mức tương quan mức lượng, xác suất xuất giá trị mức lượng so với mức định trước - Tiếp tục nghiên cứu tính tốn độ phương pháp Wavelet toán phức tạp Phần NỘI DUNG CHÍNH LUẬN ÁN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BÀI TOÁN QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ I GIỚI THIỆU Chương I giới thiệu tổng quát kỹ thuật Wavelet ứng dụng phương pháp biến đổi Wavelet hệ thống điện tổng quan hướng nghiên cứu tập trung luận án Cuối đề xuất hướng nghiên cứu cải tiến II TỔNG QUAN BÀI TOÁN QUÁ ĐỘ & ĐẶT VẤN ĐỀ Vấn đề nhận dạng tượng độ điện từ Bài toán việc nhận dạng cố hệ thống điện cơng việc khó khăn phức tạp Hiện nay, với phát triển thiết bị bảo vệ relay điện tử, kỹ thuật số, cố hệ thống điện nhận dạng điều khiển tương đối đầy đủ xác Tuy nhiên, với yêu cầu ngày cao, thiết bị relay khó phát dao động điện, thành phần họa tần bậc cao Từ địi hỏi phải có thiết bị mới, cơng nghệ mới, nhận dạng cố cách nhanh chóng, xác Một phương pháp nghiên cứu nhiều thời gian gần nhận dạng cố hệ thống điện kỹ thuật Wavelet để phân tích sóng tín hiệu dịng điện điện áp đo lường Phân tích Wavelet biến đổi sóng tín hiệu sang hai miền thời gian tần số, thay đổi biên độ, tần số tín hiệu phân tích nhận biết Bảo vệ hệ thống điện vận hành ổn định việc làm vô quan trọng Hiện hệ thống bảo vệ rơ le ngày hoàn thiện vận hành tin cậy Tuy nhiên, hệ thống rơ le khó phát nhanh cố phức tạp nhiễu, dao động lưới…và relay phải có thời gian tác động, khơng tác động nhanh, lập nhanh điểm cố Do cần phải có phương pháp nhận dạng điều khiển cố tồn tại, phát triển bước thay hệ thống bảo vệ relay Trong năm gần đây, với phát triển mạnh khoa học mạng Nơ rôn, biến đổi Wavelet cho phép ta ứng dụng phương pháp phân tích Wavelet tín hiệu đo lường hệ thống điện, sau đưa hệ số phân tích đến mạng Nơ rơn Mạng Nơ rơn xử lý đưa tín hiệu cố, loại cố, tín hiệu điều khiển tác động cắt máy cắt, cô lập điểm cố khỏi hệ thống Gần đây, toán chất lượng điện toán xác định cố lưới điện truyền tải lưới phân phối nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu kỹ thuật nhận dạng Giải thuật nhúng xử lý tín hiệu phần quan trọng hệ thống giám sát chất lượng điện Trước việc giám sát toán chất lượng điện dựa đo lường giá trị hiệu dụng phân tích tần số với ràng buộc để nâng cao độ xác [4-5] Gần phương pháp phát phân loại tự động toán chất lượng điện đề xuất dựa kỹ thuật phân tích wavelet, mạng Nơ rơn nhân tạo, Lơ gíc mờ [6-37] Kỹ thuật Wavelet, năm gần đây, đề xuất công cụ hữu hiệu phân tích dạng sóng điện áp dịng điện xảy cố hệ thống điện Hàm Wavelet định nghĩa phải hàm số dao động có biên độ triệt tiêu nhanh chóng So sánh với phân tích Fourier sử dụng hàm đơn lẻ, Wavelet có nhiều hàm chức khác hàm Daubechies, Morlet, Coiflets, Symlets…Các hàm Wavelet chọn phù hợp đặc tính mong muốn thời gian tần số Ý tưởng phân tích Wavelet chọn lựa hàm Wavelet phù hợp, gọi hàm Wavelet bản, thực phép toán dịch chuyển co dãn hàm wavelet Phân tích wavelet có nhiểu ưu điểm so với phân tích Fourier trước [6] Các tượng độ có đặc điểm khơng liên tục, cần kỹ thuật toán học đủ mạnh kỹ thuật Fourier Gần đây, kỹ thuật Wavelet dựa khai triển toán học, cơng cụ hữu hiệu giải tốn hệ thống điện Phân tích Wavelet phép đo tương đương hàm Wavelet hàm ban đầu Các hệ số tính tốn gần hàm ban đầu hàm Wavelet tỉ lệ xác định Kỹ thuật wavelet phù hợp tín hiệu bang thơng rộng có đặc điểm khơng liên tục, gồm sóng chu kỳ nhiều thành phần sóng hài, cố tiêu biểu hệ thống điện Vì kỹ thuật trở thành công cụ mạnh mẽ cho phát phân loại cố, đặc biệt q trình phân tích tính chất tín hiệu Khi áp dụng khai triển wavelet tín hiệu điện áp dịng điện, thành phần đặc trưng cố lưu giữ hệ số Wavelet mức khác nhau, phụ thuộc đặc điểm tần số cố Tổng quan nhận dạng sau: Các nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu gần kỹ thuật Wavelet Tuy nhiên nghiên cứu số tồn tại: - Chưa đưa hàm Wavelet cho phù hợp cho nhận dạng tượng độ - Chưa so sánh đánh giá phương pháp phân loại nhiễu tập mẫu tượng độ để rút đánh giá kết luận cụ thể - Các tượng đóng cắt tụ bù, chưa nghiên cứu phân loại đầy đủ Luận án đề xuất hệ thống nhận dạng tượng độ điện từ sử dụng kỹ thuật biến đổi Wavelet (WT) kỹ thuật phân tích đa giải để phân tích tượng độ ảnh hưởng đến chất lượng điện Hệ thống sử dụng tính chất phân tích cục WT có khả phát xác định thời gian xảy nhiễu hệ thống điện Mức phân tích chi tiết tín hiệu nhiễu để phát nhiễu thời điểm xảy Khoảng thời gian diễn độ, mức độ ảnh hưởng nhiễu tạp xác định mức phân tích Dựa ưu khuyết phương pháp phân loại kết hợp WT, luận án đề xuất mơ hình nhận dạng tượng q độ góp phần giải tốn đánh giá chất lượng điện thời gian thực Vấn đề phương pháp tính tốn mơ hệ thống điện Mơ động miền thời gian công cụ quan trọng tính tốn phân tích q độ Hai thành phần quan trọng tính tốn mơ là: (a) Mơ hình phần tử; (b) Kỹ thuật tích phân số để giải hệ thống phương trình mơ hình động Các phương pháp số giải hệ thống phương trình vi phân thơng thường (ODE) chia loại: loại phương pháp dựa phương pháp Runge-Kutta, loại phương pháp tuyến tính nhiều bước Phương pháp Runge-Kutta tính tốn tuyến tính bước, phương pháp cịn lại tính tốn tuyến tính nhiều bước [72-76] Điều có nghĩa để tính tốn giá trị hàm x khoảng tính tích phân , , giá trị trước sử dụng, h bước tính tốn tích phân, phương pháp tính tốn giá trị ước lượng số giá trị sau vài giai đoạn tính tốn, , Vì vậy, giá trị khoảng vài giá trị trung gian x khoảng , … để tính tốn giá trị tính toán dựa , Trái lại phương pháp tuyến tính nhiều bước sử dụng giá trị trước hàm , thời điểm t qua , Số lượng lớn phương pháp tích phân số đề xuất sử dụng mô hệ thống điện miền thời gian để chuyển đổi hệ phương trình vi phân thơng thường thành phương trình đại số bước thời gian tính tốn [72, 75] Có nhiều phương pháp tính tốn tích phân số ứng dụng để mô hỏng hệ thống điện miền thời gian để chuyển đổi hệ phương trình vi phân thơng thường thành hệ phương trình đại số bước thời gian tính tốn Các phương phápnày bao gồm: phương pháp Euler hồi qui, phương pháp hình thang, phương pháp Simpson, phương pháp Runge-Kutta, phương pháp Gear, phương pháp tuyến tính nhiều bước Trong nhiều trường hợp, phương trình mơ tả hệ thống cứng thay đổi phương pháp hàm ẩn thường sử dụng, thời gian tính tốn lâu Phương pháp hàm ẩn hay phương pháp tuyến tính nhiều bước sử dụng rộng rãi Trong số phương pháp này, phương pháp qui tắc hình thang phương pháp sử dụng phổ biến chương trình EMTP, Pspice, ATP-EMTP với ưu điểm sai số tính tốn thấp tính chất ổn định cao hệ thống tính tốn, có nghĩa xem hệ thống tuyến tính, tính tốn rời rạc khoảng tích phân tính tốn [75, 76] Tuy nhiên, phương pháp qui tắc hình thang có vài giới hạn khả áp dụng số trường hợp Hai giới hạn phương pháp là: độ xác tính tốn dao động tính tốn số tính tốn mơ mạch điện tử cơng suất, thao tác đóng cắt mạch [72, 74, 75] thơng số phần tử tích trữ lượng mạch bước thời gian tính tốn mơ Vì vậy, luận án đưa giải thuật dựa kỹ thuật biến đổi Wavelet để tính tốn mơ hình mạch điện miền thời gian, ứng dụng tính tốn hệ thống điện, trường hợp cụ thể lưới điện Miền Nam Việt Nam Các kết nhận từ việc sử dụng kỹ thuật biến đổi Wavelet có giá trị tham khảo, phương pháp phân tích bổ sung, thêm vào phương pháp tính số truyền thống miền thời gian, mà sử dụng phổ biến rộng rãi giải tích hệ thống điện Vấn đề mơ hình đường dây thơng số rải Đã có nhiều nghiên cứu ghi nhận với việc phát triển mơ hình đường dây hay cáp ngầm cho phân tích độ điện từ miền thời gian [75-87] Ban đầu, nghiên cứu tập trung mơ hình miền hình thái (modal-domain) [75-79], với việc xấp xỉ ma trận biến đổi hình thái số thực số Việc xấp xỉ dẫn đến sai số lớn trường hợp đường dây mạch kép cáp ngầm, có thành phần ma trận biến đổi phụ thuộc nhiều vào tần số Vì lý này, cần phải có điều chỉnh phương pháp mơ hình miền hình thái phụ thuộc tần số ma trận biến đổi phải xem xét Điều đòi hỏi q trình xấp xỉ hóa hàm số mặt phẳng s (splane) hàm số mặt phẳng z (z-plane) để thể phần tử ma trận biến đổi Thời gian gần đây, có phát triển phương pháp miền pha trực tiếp (direct phase-domain) biến đổi biến miền pha biến miền hình thái tính toán miền thời gian khắc phục sai số Tuy nhiên, việc áp dụng vào thực tế khó khăn sử dụng mơ hình miền pha Các thành phần ma trận đáp ứng sóng tới biến pha (phase-variable forward impulse response matrix) hàm dao động miền tần số thành phần kết hợp tuyến tính đáp ứng miền hình thái tính chất miền pha khác lớn, đặc biệt trường hợp cáp ngầm Các dao động làm trình xấp xỉ hàm hữu tỉ khó khăn Các kỹ thuật áp dụng để giải vấn đề [80], [81] Trong [80] phần tử ma trận hình thái tách ra, khác số thời gian truyền liên quan đến pha thể hoàn toàn hàm biến đổi z trình xấp xỉ Trong [81], việc định nghĩa pha riêng biệt phần tử ma trận sử dụng Điều cho phép thành phần ma trận biểu diễn thành phần pha độc lập có thời gian trì hỗn khác Tiến trình xấp xỉ thực thành phần riêng lẻ phần tử ma trận, vấn đề hàm số dao động từ khác thời gian truyền pha không xảy Tuy nhiên, ổn định hàm số ma trận xấp xỉ hạn chế phương pháp miền hình thái phương pháp miền pha [86] Ở phương pháp miền hình thái, vấn đề ổn định liên quan đến xấp xỉ biến đổi z biến đổi s Độ xác phương pháp xấp xỉ hàm ổn định xấp xỉ phần tử ma trận chưa đảm bảo ổn định Tương tự, phương pháp miền pha trực tiếp, tồn ổn định ma trận đáp ứng sóng tới tổng trở đặc tính (hay tổng dẫn) Các tiêu chuẩn lý thuyết ổn định đề xuất cho hàm số ma trận miền tần số, nhiên áp dụng tiêu chuẩn gặp khó khăn tiến trình xấp xỉ Gần đây, có kỹ thuật đưa hàm hữu tỉ để xấp xỉ hàm số ma trận tổng dẫn Các phần tử ma trận thể hàm hữu tỉ theo biến đổi s khơng thể tính chất vật lý điện Tính chất ổn định thực theo phương pháp sai số bình phương tối thiểu theo điều kiện ràng buộc tuyến tính hóa Luận án phát triển phương pháp để thể ma trận tổng dẫn (tổng trở) đặc tính mạch truyền tải thơng số rải mạch thụ động bao gồm: điện trở, điện cảm điện dung với mạch xấp xỉ đảm bảo ổn định Các thông số mạng lưới điện trở, điện cảm, điện dung xác định q trình tối ưu hóa có ràng buộc; sai số tổng dẫn mạng lưới xấp xỉ phần tử ma trận tổng dẫn đặc tính cực tiểu hóa, với ràng buộc thông số mạch thụ động dương Tính chất ổn định đạt khơng cần xấp xỉ phần thực ma trận tổng dẫn mạng xấp xỉ kết hợp phần tử mạch thụ động ln xác định dương Do đó, tính chất ổn định luôn thỏa mãn mạng thụ động Mạng thụ động xấp xỉ thể ma trận tổng dẫn (tổng trở) đặc tính kếp hợp mơ hình đường dây truyền tải hay ngầm diễn tả miền thời gian rời rạc theo cách tự nhiên CHƯƠNG : ỨNG DỤNG KỸ THUẬT WAVELETS TRONG NHẬN DẠNG QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ 2.1 Giới thiệu Chương trình bày tổng quan tượng độ điện từ, kỹ thuật Wavelet phân tích đặc điểm tượng độ; nhận dạng tượng q độ tiêu biểu; kết hợp cơng nghệ trí tuệ nhân tạo mạng Nơ rôn, kỹ thuật suy luận mờ, mạng suy luận mờ-nơ rôn phân loại tượng độ điện từ Các kết phân loại so sánh, đánh giá kết luận 2.2 Cơ sở lý thuyết biến đổi wavelet rời rạc : Biến đổi wavelet đời khắc phục bất lợi biến đổi Fourier truyền thống mà cịn có ưu điểm lạ, hấp dẫn, thu hút nhiều nhà khoa học giới lao vào nghiên cứu, phát triển triển khai ứng dụng, mang lại hiệu thiết thực Ưu điểm bật phân tích wavelet khả phân tích cục bộ, tức phân tích vùng nhỏ tín hiệu lớn DWT (biến đổi wavelet rời rạc) biến đổi tuyến tính tác động vector 2n chiều (vector khơng gian Euclide 2n chiều) vào vector không gian tương tự DWT biến đổi trực giao Biến đổi trực giao xem phép quay không gian vector, chúng không thay đổi độ dài Định nghĩa tổng quát wavelet rời rạc:  j  j ,k (t )  2  (2  j t  k ), j, k  Z Biến đổi wavelet rời rạc: DWT ( f )( j , k )   f (t ) j ,k (t )dt 2.3 Tổng hợp nhận dạng trình độ khác : Hình 2.1 trình bày giản đồ phân bố mức lượng tượng độ (xem sine chuẩn tượng ) Hình 2.2 trình bày giản đồ phân bố mức lượng tượng đóng tụ bù khác Dựa vào tính chất tượng độ [1,2] tính tốn phân bố lượng kỹ thuật Wavelet để phân loại tượng độ ∗ (4.1) Mơ mạch điện Matlab-simulink: Hình 4.3: Mơ mạch điện Matlab-simulink So sánh kết phương pháp Runge-Kutta phương pháp Wavelet Hình 3.4: So sánh điện áp theo phương pháp Runge-Kutta Wavelet Hình 4.5: So sánh dịng điện theo phương pháp Runge-Kutta Wavelet - Mạch điện khảo sát với phần tử R, L phi tuyến khóa K với phương trình vi phân điện áp VL(t) dịng điện i(t) 24 - Kết tính tốn điện áp dòng điện phương pháp Wavelet tương đương phương pháp số phương pháp Runge-Kutta, Qui tắc Hình thang… - Các kết cho thấy khả ứng dụng giải thuật wavelet giải phương trình vi phân miền thời gian 4.2 MƠ HÌNH ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI Hệ phương trình ràng buộc miền tần số đường dây truyền tải: Diễn tả miền tần số, hệ phương trình miền biến pha (phase-variable form) đường dây truyền tải cáp ngầm nối nút k j diễn tả: vk ()  Z p ()i k () Fp ()  v j ()  Z p ()i j ()     4.1 v j ()  Z p ()i j ()  Fp ()  vk ()  Z p ()i k ()    4.2 Hệ phương trình (4.1) (4.2) dạng để biến đổi miền thời gian sử dụng phân tích độ điện từ Các yêu cầu quan trọng để xấp xỉ hàm miền s miền z để biểu diễn hàm số ma trận , Một hàm số xấp xỉ Hệ phương trình (4.1) (4.2) biến đổi trực tiếp miền thời gian (discrete-time domain) Thể ma trận tổng trở đặc tính miền pha dạng mạch điện Luận án đưa cải tiết xấp xỉ ma trận tổng trở đặc tính, xác định cấu trúc mạch RLC thông số mạch (giá trị điện cảm, điện trở điệ dung) thể hàm tổng dẫn thành phần mạng lưới hình 4.6 Tổng cộng có mạch RLC xếp hình 4.7 Mỗi mạch có cực Đối với mạch 1,2 cực mạch cực pha a, b c Đối mạch 4,5 cực tương ứng pha a, b c cực cịn lại nút trung tính Tổng quát, mạch RLC có cấu trúc khác Để minh họa, cấu trúc trình bày hình 4.6 bao gồm điện trở điện cảm xếp dạng bậc thang sử dụng nghiên cứu biểu diễn mạch 1,2 Tổng quát, phần ảo hàm tổng dẫn âm toàn miền tần số, phần tử điện dụng khơng có sơ đồ mạng Điều trường hợp , Tuy nhiên cấu trúc với điện trở điện dung biểu diễn cho mạch 4,5 cơng trình cơng bố phần ảo ma trận y aE , ybE ycE dương miền tần số Trong trường hợp tổng quát phần ảo hàm hàm tổng dẫn thay đổi từ dương sang âm tương ứng thay đổi mạch điện trở, điện cảm điện dung thay đổi 25 Hình 4.6 Sơ đồ khối mạch RLC thể ma trận tổng trở đặc tính a L1 b L2 R1 L3 LK RK R2 Hình 4.7 Sơ đồ mạch thụ động điện cảm điện trở biểu diễn phần ma trận Các thơng số mạch hình 3.7 xác định cách cực tiểu miền tần số khác tổng dẫn mạch tổng dẫn tương ứng phần tử hình 3.6 Hàm mục tiêu NQ để cực tiểu hóa để xác định thông số mạng RLC: NQ f1  x1    wRi  Real  y1(i )  R yab (i )   wIi  Img  y1(i )  Img  yab (i )     i 1  4.3 i 1 Kết đóng điện đường dây truyển tải với SN=10000 MVA Mơ hình hóa cơng thức tính tốn trình bày mục B-E thực môi trường MATLAB, tính tốn việc đóng cắt đường dây 220kV với hệ thống điện trình bày hình thực Chiều dài đường dây truyền tải 200km, cấu hình đường dây trình bày phụ lục Công suất ngắn mạch nguồn 10.000 MVA Bước thời gian tính tốn 50  s , áp dụng cho nghiên cứu độ đóng cắt Bước chuẩn bị cho nghiên cứu độ xấp xỉ hàm hữu tỉ biểu diễn ma trận sóng truyền tới mạng thụ động để biểu diễn ma trận tổng trở đặc tính miền biến pha Các hàm hữu tỉ xấp xỉ tổng dẫn mạng lưới biểu diễn miền tần số so sánh tương tự giá trị thực đánh giá thông số thực đường dây truyền tải 26 S R transmission line VS CB1 open Hình 4.8 Sơ đồ hệ thống điện cho nghiên cứu độ đóng cắt Hình 4.9: Điện pha “a ” trình đóng đóng thời pha 4.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN Q ĐỘ TRONG MIỀN THỜI GIAN Mục đích nghiên cứu chương 5, áp dụng giải thuật vào tính tốn q độ điện từ (ngắn mạch, đóng cắt, áp) hệ thống điện Việt Nam – hệ thống điện miền Nam Việc đánh giá áp dụng từ lưới điện mẫu nút, nút, hệ thống điện Việt nam-hệ thống điện miền nam Việc đánh giá thông qua tượng áp tạm thời, dao động cơng suất ngắn mạch, đóng khơng tải đường dây , kết so sánh với phương pháp hình thang, phương pháp Euler chương trình ATP-EMTP Mơ hình chung hệ phương trình đại số cho phân tích độ miền thời gian, có nhiểu máy phát [68], [69] Theo mơ hình này, biến số góc pha điện áp hệ phương trình bơm vào lưới điện: , ̅ (4.4) ̅ , ̅ ̅ Mô hình cơng suất bơm vào nút thay nhân liên hiệp phức phương trình đại số theo điện áp , ̅ Trong ∗ ̅ ∗ ̅ , ̅ (4.5) ̅ , ̅ , … , ̅ Thành phần ∗ ̅∗ ∗ ̅ ∗ phương trình cơng suất , ̅ công suất phức bơm vào lưới điện Phương trình (2) viết dạng sau: , ̅ 27 (4.6) ̅ , ̅ ∗ ̅∗ Đối với khoảng thời gian t, khoảng thời gian tính tốn , xác định toán sau: , , (4.7) , Trong f g phương trình đại số phương trình vi phân hàm số phụ thuộc phương pháp wavelets Hệ phương trình (4.7) hệ phương trình phi tuyến, giải phương pháp Newton, bao gồm tính tốn , biến số cập nhật giá trị thực (4.8) (4.9) Trong ma trận xác định sau bước thời gian tính tốn bước lập thứ i: (4.10) Trong ma trận đơn vị chiều ma trận khác ma trận Jacobian toán từ điểm ( , , ) Các hàm số , tính tính tốn theo chương 4.4 ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẪU Ứng dụng giải thuật wavelet hệ thống điện mẫu nút, so sánh điện áp nút, thời gian tính tốn Hình 4.10: Hệ thống điện nút 28 So sánh thời gian tính tốn , tốc độ hội tụ độ xác Bảng 4.1 so sánh thời gian tính tốn phương pháp hệ thống điện mẫu nút Rút nhận xét: - Thời gian tính tốn phương pháp wavelet nhanh (0.9s), so sánh với phương pháp Trapezoidal Rule (1.241s), phương pháp Runge-Kutta (2.544 s) - Tốc độ hội tụ phương pháp wavelet nhanh (0.712s), so sánh với phương pháp Trapezoidal Rule (1.851s), phương pháp Runge-Kutta (0.923s) Phương pháp Thời gian tính tốn (s) Tốc độ hội tụ (s) Wavelets 0.9 0.712 Runge-Kutta 2.544 1.851 Trapezoidal Rule 1.241 0.923 Bảng 4.1: So sánh thời gian tính tốn, tốc độ hội tụ theo phương pháp qui tắc hình thang, phương pháp Euler cải tiến phương pháp Wavelet điểm hệ thống điện nút Điện áp Phương pháp Phương pháp Phương pháp qui nút Wavelet Runge-Kutta tắc hình thang 2.012 % 3.264 % 4.342 % 3.304 % 4.743 % 5.213 % 2.503 % 5.126 % 4.352 % 2.461 % 3.283 % 3.763 % 3.732 % 4.658 % 3.532 % 2.204 % 2.179 % 4.125 % 3.103 % 5.705 % 4.932 % 2.402 % 5.321 % 4.54 % 2.461 % 3.123 % 3.423 % Bảng 4.2: So sánh phần trăm sai số điện áp ba phương pháp Wavelet, qui tắc hình thang, Euler cải tiến với chương trình ATP-EMTP làm chuẩn hệ thống điện nút Độ xác lấy chương trình ATP-EMTP làm chuẩn, sai số 5% ảnh hưởng điều kiện ban đầu, độ xác tính tốn, kỹ thuật lập trình Phương pháp xem tương đương phương pháp hữu Runge-Kutta Trapazoidal Rule 4.5 KẾT LUẬN 29 - Nghiên cứu trình bày mơ hình đường dây phụ thuộc vào tần số biến đổi miền biến pha, tránh gián đoạn tương hỗ pha - Mô hình đường dây tính tốn dựa biến đổi hàm z mạng thụ động RLC sử dụng phương pháp tích phân hình thang đưa mơ hình tính toán độ đường dây truyền tải - Nghiên cứu đưa tính tốn ma trận tổng dẫn mơ hình đường dây dựa mơ hình mạng RLC thụ động, kết hợp phương pháp tích phân hình thang ổn định với điều kiện vận hành - Tính tốn mơ đóng khơng tải máy biến áp phương pháp Wavelet chứng minh tính khả thi phương pháp Kết mơ tương tự mô với phương pháp Runge-Kutta - Phương pháp trình bày cho thấy khả ứng dụng phần tử hệ thống điện, Tuy nhiên cần phải nghiên cứu tiếp tục - Qua kết so sánh độ tin cậy, tốc độ hội tụ, thời gian tính tốn với phương pháp hữu qui tắc hình thang, Runge-kutta, chương trình ATP-EMTP áp dụng hệ thống điện nút, nút Kết tính tốn tương đương phương pháp hữu cho phép khẳng định phương pháp hợp lệ hoàn toàn kết phương pháp đương nhiên tin cậy (bảng 4.2) - Trong chương 4, đề xuất giải thuật tính tốn miền thời gian áp dụng cho hệ thống điện nút, nút Các kết tính tốn điện áp, so sánh thời gian, tốc độ hội tụ với phương pháp qui tắc hình thang, phương pháp Runge-kutta, chương trình ATP-EMTP chứng minh phương pháp tính tốn mới, mang lại kết tương đương phương pháp hữu (bảng 4.2) CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG TÍNH TỐN Q ĐỘ ĐIỆN TỪ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN NAM – VIỆT NAM 5.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Mục đích việc nghiên cứu chương là: sử dụng giải thuật đề xuất (a) Nhận dạng độ điện từ hệ thống điện miền Nam Việt Nam (ngắn mạch đường dây) (b) Tính tốn mơ q độ điện từ đóng khơng tải đường dây 220kV Phú Mỹ-Nhà Bè Các dạng cố đa dạng, xảy nhiều nơi Do đó, để tăng mức độ xác đơn giản việc xử lý thông tin phương pháp nhận dạng phân tán áp dụng, nghĩa trạm biến áp truyền tải đặt ghi nhận cố kết nối thơng qua thiết bị đo lường dịng điện, điện áp Các dạng cố lưới điện truyền tải xác định, phân loại thông qua ghi nhận cố 30 5.2 ỨNG DỤNG NHẬN DẠNG & PHÂN LOẠI SỰ CỐ QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN NAM – VIỆT NAM 5.2.1 TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN MIỀN NAM Mục đích phần nghiên cứu nhận dạng, phân loại cố đường dây truyền tải, tính tốn đóng khơng tải đường dây cao mơ hình thơng số rải Từ đó, rút nhận xét, phân tích góp phần nâng cao chất lượng cơng tác vận hành hệ thống điện Phương pháp nhận dạng phân tán, ứng dụng nhận dạng cố liên quan đến góp 220kV trạm 500kV Nhà Bè Hình 5.1: Sơ đồ hệ thống điện miền Nam 2015 5.2.2 Nhận dạng nhiễu hệ thống điện miền Nam Trạm 500kV Nhà Bè trạm nút quan trọng lưới điện miền Nam, tập trung nguồn công suất nhà máy điện công suất lớn phát điện vào hệ thống điện Việt Nam, liên kết đường dây 500 kV, 220 kV quan trọng Mục đích phần nhận dạng dạng cố khác góp 220kV trạm nút Nhà Bè, ảnh hưởng đến cung cấp điện cho khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh Dưới đây, tiến hành nhận dạng dạng cố lưới 220kV kết nối với trạm 500kV với phương pháp nhận dạng khác trình bày Chương Tiến hành mô cố ngắn mạch đường dây Nhà Bè-Nam Sài Gòn 1; Nhà Bè-Quận 7; Nhà Bè-Nhơn Trạch 1; Nhà Bè-Phú Mỹ; cố điện, Sóng hài, Đóng cắt tải công suất lớn Sau mô dạng cố đường dây Nhà Bè-Nam Sài Gòn 1 Mô cố ngắn mạch đường dây Nhà Bè-Nam Sài Gịn Hình 5.2a, 5.2b, 5.2c trình bày sơ đồ lưới điện cố pha 50% chiều dài đường dây, dạng sóng điện áp pha mức lượng khác điện áp cố đường dây Nhà Bè-Nam Sài Gòn 31 Thay đổi điện trở cố, vị trí cố đường dây tạo 20 mẫu, tiến hành học nhận dạng theo phương pháp mạng nơ rôn truyền thẳng Độ xác trình bày Bảng 5.1 Hình 5.2a: Sơ đồ hệ thống điện 550-220kV mô x 10 1.5 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Hình 5.2b: Dạng sóng điện áp cố pha Pha A 0.8 0.6 0.4 0.2 10 11 12 13 10 11 12 13 10 11 12 13 Pha B 0.8 0.6 0.4 0.2 Pha C 0.8 0.6 0.4 0.2 Hình 5.2c: Phân tích Wavelet mức lượng điện áp pha 5.2.3 ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RÔN TRONG VIỆC PHÂN LOẠI Các dạng cố nêu đưa vào mạng Nơ ron Tổng số mẫu luyện mạng 115 mẫu, cố ngắn mạch đường dây 80 mẫu; điện, đóng tải, họa tần, 32 loại 10 mẫu Dạng sin chuẩn mẫu Mơ hình mạng nơ rơn phân loại cố trình bày hình 5.3 gồm có:   D Đầu vào: Gồm 13 mức lượng P1D , P2D , P3D , P13 , Khoảng thời gian độ [ tT ], Giá trị lớn điện áp, dòng điện thời gian độ Đầu ra: Có giá trị từ đến Với cố ngắn mạch đường dây Nhà Bè-Nam Sài Gòn, cố ngắn mạch đường dây Nhà Bè-quận 7, cố ngắn mạch đường dây Nhà BèNhơn Trạch, cố ngắn mạch đường dây Nhà Bè-Phú Mỹ, cố đóng cắt tải cơng suất lớn, họa tần, cố điện số sin chuẩn Hình 5.3: Mơ hình mạng nơ rôn phân loại cố Số thứ tự Loại cố Phân loại mạng Nơ rôn Ngắn mạch Nhà Bè-Nam Sài Gòn 17/20 Ngắn mạch Nhà Bè-Quận 17/20 Ngắn mạch Nhà Bè-Nhơn Trạch 16/20 Ngắn mạch Nhà Bè-Phú Mỹ 17/20 Đóng tải công suất lớn 8/10 Họa tần 9/10 Mất điện 10/10 Sin chuẩn 5/5 Tổng cộng 86.1% Bảng 5.1: Kết phân loại nhiễu mạng Nơ rơn 33 B TÍNH TỐN Q ĐỘ ĐƯỜNG DÂY Đóng không tải đường dây đường dây 220kV Phú Mỹ-Nhà Bè với mơ hình đường dây thơng số rải sử dụng phương pháp biến đổi z Hệ phương trình miền biến pha đường dây truyền tải cáp ngầm nối nút k j diễn tả miền tần số: v k ( )  Z p (  ) i k (  )  F p ( )  v j (  )  Z p (  ) i j ( )   (5.1) v j ( )  Z p ( ) i j ( )  F p ( )  v k ( )  Z p ( ) i k ( )  (5.2 )   Bước 1: Xấp xỉ phần tử ma trận sóng truyền biến pha Bước 2: Thể ma trận tổng trở đặc tính miền pha  dạng mạch điện Bước 3: Biến đổi hệ phương trình liên thuộc (4.1) (4.2) miền thời gian rời rạc Bước 4: Kết đóng điện đường dây truyền tải 220kV Phú Mỹ-Nhà Bè, với công suất ngắn mạch nguồn 10000 MVA Mơ hình hóa cơng thức tính tốn trình bày trên, thực mơi trường MATLAB, tính tốn việc đóng cắt đường dây 220kV Nhà Bè-Phú Mỹ, thơng số đường dây trình bày Phụ lục 3, với giả thiết công suất nguồn vô hạn, hệ thống điện trình bày Hình 5.10a thực Chiều dài đường dây truyền tải 47km Công suất ngắn mạch nguồn 10.000MVA Bước thời gian tính tốn 50µs áp dụng cho nghiên cứu q độ đóng cắt Bước chuẩn bị cho nghiên cứu độ xấp xỉ hàm hữu tỉ biểu diễn ma trận sóng truyền tới mạng thụ động để biểu diễn ma trận tổng trở đặc tính miền biến pha Các hàm hữu tỉ xấp xỉ tổng dẫn mạng lưới biểu diễn miền tần số so sánh tương tự giá trị thực đánh giá thông số thực đường dây truyền tải Để minh họa xấp xỉ tổng dẫn pha a b Mạch xấp xỉ có cấu trúcvới điện trở điện cảm Kết so sánh dạng song thực tế dạng sóng xấp xỉ trình bày Hình 5.10b, 5.10c Hình 5.4: Sơ đồ hệ thống điện cho nghiên cứu q độ đóng cắt Hình 5.4 minh họa đóng khơng tải đường dây 220kV Phú Mỹ-Nhà Bè Kết gây điện áp cuối đường dây, phía trạm Nhà Bè, gần lần điện áp định mức Mơ hình lý thuyết trình bày Chương Với kết mở khả nghiên cứu q độ điện từ đóng khơng tải đường dây (đóng pha đồng thời, đóng pha), tính tốn q độ điện từ (ngắn mạch, đóng cắt SVC, đứt dây,…) hệ thống điện 34 Hình 5.5: So sánh phần ảo giá trị tổng dẫn mạng xấp xỉ tổng dẫn pha a b Hình 5.6: Đóng khơng tải đường dây 220kV Nhà Bè- Phú Mỹ Tuy nhiên, kết cần nghiên cứu chuyên sâu, để nâng cao độ xác kết tính tốn, áp dụng trường hợp cụ thể hệ thống điện Việt Nam 5.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG - Ứng dụng toán 1: Áp dụng kỹ thuật biến đổi wavelet mạng nơ rôn việc nhận dạng cố ngắn mạch đường dây, tượng điện, sóng hài, đóng tải cơng suất lớn Kết có độ xác 86%, điều cho thấy tiềm ứng dụng kỹ thuật wavelet việc nhận dạng cố hệ thống điện Việt Nam Các kết cần phải nghiên cứu thêm để gia tăng độ xác, cụ thể xem xét mức tương quan mức lượng, xác suất xuất giá trị mức lượng so với mức định trước - Ứng dụng toán 2: Áp dụng kỹ thuật biến đổi z vào mơ hình đường dây thơng số rải, với khảo sát đóng khơng tải đường dây 220kV Nhà Bè-Phú Mỹ, với kết phía điện 35 áp phía Nhà Bè gấp lần điện áp định mức 220kV Các kết cho thấy khả áp dụng việc khảo sát tượng đóng khơng tải đường dây, cố máy biến áp, ngắn mạch, đứt dây hệ thống điện CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN Luận án thực nghiên cứu ba toán đề tài “ Nhận dạng đánh giá tượng độ hệ thống điện Việt Nam” tóm tắt ba phần Giải toán nhận dạng tượng độ điện từ kỹ thuật wavelet đạt điểm toán sau: - Nhận dạng trường hợp đóng cắt tụ bù khác - Đề xuất phương pháp nhận dạng tượng độ điện từ có nhiễu tạp chồng lấn miền thời gian Giải tốn tính tốn q độ điện từ kỹ thuật wavelet biến đổi z, đạt điểm toán sau: - Tính tốn tượng q độ miền thời gian (ngắn mạch) hệ thống điện đơn giản (3 nút, nút) - Đề xuất mơ hình đường dây thông số rải Các ứng dụng vào hệ thống điện Việt nam đạt thơng qua ví dụ chương 5, áp dụng giải thuật Wavelet Các kết tóm tắt sau: - Ứng dụng tốn 1: Áp dụng kỹ thuật biến đổi wavelet mạng nơ rôn việc nhận dạng cố ngắn mạch đường dây, tượng điện, sóng hài, đóng tải cơng suất lớn Kết có độ xác 86%, điều cho thấy tiềm ứng dụng kỹ thuật Wavelet việc nhận dạng cố hệ thống điện Việt Nam Các kết cần phải nghiên cứu thêm để gia tăng độ xác - Ứng dụng toán 2: Áp dụng kỹ thuật biến đổi z vào mơ hình đường dây thơng số rải, với khảo sát đóng khơng tải đường dây 220kV Nhà Bè-Phú Mỹ, với kết phía điện áp phía Nhà Bè gấp lần điện áp định mức 220kV Áp dụng cho hệ thống phức tạp cần phải nghiên cứu có phân tích xác 36 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CHÍNH Ứng dụng kỹ thuật wavelet việc phân tích nhận dạng vấn đề chất lượng điện năng” Nguyễn Hữu Phúc, Trương Quốc Khánh, Nguyễn Nhân Bổn, Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ Đại học Quốc Gia TPHCM số 1-2006 “Đánh giá nhiễu chất lượng điện điện áp sử dụng cơng nghệ trí tuệ nhân tạo kết hợp kỹ thuật wavelets ” Nguyễn Nhân Bổn , Nguyễn Hữu Phúc, Quyền Huy Ánh, Tạp chí Khoa học Công nghệ, số 77-79/2010 “Giải thuật dựa Kỹ Thuật wavelets đánh giá độ điện từ hệ thống điện ” Nguyễn Nhân Bổn , Nguyễn Hữu Phúc, Quyền Huy Ánh , Tạp chí Khoa học Công nghệ, số 7779/2010 T T Nguyen, V L Nguyen, Bon N N “Phase-Domain Transmission Circuit Model for Electromagnetic Transient Analysis-Representation of Characteristic Impedance Matrix by a Passive Network” IEEE General Meeting in June 2010 in USA Phuc H N., Bon N N, Anh Q H., “Regconition and Simulation of Electromagnetic Transients in Power System of Southern Vietnam” 10th International Power and Energy Conference (IPEC 2012), 12 - 14 December 2012 in Ho Chi Minh City, Vietnam CÁC BÀI BÁO LIÊN QUAN Nguyen Huu Phuc, Truong Quoc Khanh, Nguyen Nhan Bon, “Discrete wavelets transform technique application in identification of power quality disturbances”, , pp159-164, ISEE2005 in October 2005, Hochiminh City University of Technology “ Wavelet-fourier- based artificial intelligent technology in assessment and classification power quality disturbances” Nguyễn Hữu Phúc, Quyền Huy Ánh, Nguyễn Nhân Bổn, pp495-500, ISEE2007 in October 2007, Hochiminh City University of Technology Bon N N, Phuc H N., Anh Q H., Anh V T., “Assessment of Power Quality Disturbances Using Various Wavelet-Based Artificial Intelligent Techniques, ” the 10th Postgraduate Electrical Engineering and Computing Symposium in Australia, Vol 10 pp 40-46 Octorber 2009 Bon N N, Phuc H N., Anh Q H., “Proposal Wavelet-Technique-Based Algorithm to Evaluate Electromagnetic Transients in Power Systems, ” the 10th Postgraduate Electrical Engineering and Computing Symposium in Australia, Vol 10 pp 230-236 Octorber 2009 37 Bon N N, Phuc H N., Anh Q H., Anh V T., “Assessment of Power Quality Disturbances using Various Wavelet-Based Artificial Intelligent Techniques ” the IFOST 2009 in Hochiminh city Vietnam, Vol pp 337-341 Octorber 2009 Bon N N, Phuc H N., Anh Q H., “Wavelet-Technique-Based Algorithm to evaluate electromagnetic transients in Power Systems” the IFOST 2009 in Hochiminh city Vietnam, Vol pp 342-347 Octorber 2009 Phuc H N., Bon N N, Anh Q H., “Assessment and Analysis of Electromagnetic Transients in Power System ” the 2011 International Symposium on Electrical & Electronic Engineering, Ho chi Minh city, Vietnam, November 8-9, 2011 (ISEE2011+ASAC2011) Bon N N, Phuc H N., Anh Q H., “A Comparative Study of Transient Voltage Disturbance Recognition Techniques with Applications in Southern Vietnam Power System” the 2015 International Symposium on Electrical & Electronic Engineering, Ho chi Minh city, Vietnam, October 30, 2015 (peer review) Bon N N, Phuc H N., Anh Q H., “Proposed Wavelet-Technique-Based Algorithm to Simulate non-linear circuits in Power System” the 2015 International Symposium on Electrical & Electronic Engineering, Ho chi Minh city, Vietnam, October 30, 2015 ( peer review) 38 ... thuật vào tính tốn q độ điện từ (ngắn mạch, đóng cắt, áp) hệ thống điện Việt Nam – hệ thống điện miền Nam Việc đánh giá áp dụng từ lưới điện mẫu nút, nút, hệ thống điện Việt nam -hệ thống điện. .. dòng điện, điện áp Các dạng cố lưới điện truyền tải xác định, phân loại thông qua ghi nhận cố 30 5.2 ỨNG DỤNG NHẬN DẠNG & PHÂN LOẠI SỰ CỐ QUÁ ĐỘ ĐIỆN TỪ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN NAM – VIỆT NAM. .. hành hệ thống điện Phương pháp nhận dạng phân tán, ứng dụng nhận dạng cố liên quan đến góp 220kV trạm 500kV Nhà Bè Hình 5.1: Sơ đồ hệ thống điện miền Nam 2015 5.2.2 Nhận dạng nhiễu hệ thống điện