Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xây dựng giải pháp chẩn đoán sự cố trong máy biến áp 3 pha sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu thông minh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:147

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Xây dựng giải pháp chẩn đoán sự cố trong máy biến áp 3 pha sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu thông minh" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về các phương pháp chẩn đoán sự cố trong MBA; Xây dựng mô hình trong phần mềm ANSYS cho MBA phân phối trong một số trường hợp sự cố.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xây dựng giải pháp chẩn đoán sự cố trong máy biến áp 3 pha sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu thông minh

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  ĐÀO DUY YÊN XÂY DỰNG GIẢI PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TRONG MÁY BIẾN ÁP 3 PHA SỬ DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU THÔNG MINH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn KH: 1. PGS.TSKH. Trần Hoài Linh 2. PGS.TS. Trần Xuân Minh Thái Nguyên, năm 2021
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: bản luận án “Xây dựng giải pháp chẩn đoán sự cố trong máy biến áp 3 pha sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu thông minh” là công trình nghiên cứu của riêng tôi được hoàn thành dưới sự chỉ bảo tận tình của tập thể thầy giáo hướng dẫn khoa học. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, một phần được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của các đồng tác giả, phần còn lại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày ..... tháng ..... năm 2021 Nghiên cứu sinh Đào Duy Yên
iii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ các thầy giáo, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TSKH. Trần Hoài Linh, PGS.TS. Trần Xuân Minh và Hội đồng Khoa học Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên và các đồng nghiệp ở Viện nghiên cứu phát triển công nghệ cao về kĩ thuật công nghiệp Nhà trường và gia đình đã có những ý kiến đóng góp quí báu và tạo các điều 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 nghiệp - ĐH Thái Nguyên, phòng Đào tạo (Bộ phận sau đại học) Nhà trường đã tạo nhiều điều kiện tốt nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Đào Duy Yên
iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... ii LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... xii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .............................................................................. xiii MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI........................................................................ 1 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ................................................................................ 1 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................................ 2 4. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ............................................................................. 2 5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................................................... 2 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI .................................... 3 7. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ..................................................... 3 8. BỐ CỤC LUẬN ÁN............................................................................................ 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TRONG MÁY BIẾN ÁP ......................................................................................... 5 1.1. Ý NGHĨA CỦA BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ MÁY BIẾN ÁP .............. 5 1.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ MBA ................................ 6 1.2.1. Các công trình nghiên cứu ngoài nước ........................................................... 6 1.2.2. Các công trình nghiên cứu trong nước ......................................................... 13 1.2.3. Những tồn tại của các phương pháp chẩn đoán sự cố trong và ngoài nước ... 14 1.2.4. Đề xuất của luận án...................................................................................... 14 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ............................................................................... 15 CHƯƠNG 2: ......................................................................................................... 16 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC ĐỀ XUẤT CỦA LUẬN ÁN ...................................... 16 2.1. HIỆN TƯỢNG RUNG TRONG MÁY BIẾN ÁP ........................................... 16 2.1.1. Rung động của cuộn dây .............................................................................. 16 2.1.2. Rung động của lõi thép ................................................................................ 17 2.2. NHU CẦU GIÁM SÁT ĐỘ RUNG MÁY BIẾN ÁP ...................................... 18 2.3. PHÂN TÍCH RUNG ĐỘNG THEO MIỀN TẦN SỐ ...................................... 19 2.3.1. Cơ sở của việc đáp ứng tần số ...................................................................... 19 2.3.2. Phạm vi áp dụng của phương pháp............................................................... 20
v 2.3.3. Nhận xét phương pháp phân tích rung động theo miền tần số ...................... 21 2.4. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ....................................................... 21 2.4.1. Giới thiệu chung phương pháp phần tử hữu hạn ........................................... 21 2.4.2. Sơ đồ tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn ..................................... 24 2.4.3. Hệ phương trình Maxwell tổng quát cho trường điện từ. .............................. 25  2.4.4. Mối liên hệ giữa mật độ dòng điện và phương trình từ thế vectơ A . ............ 28 2.5. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG PHẦN MỀM ANSYS MAXWELL ĐỂ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN MBA ......................... 30 2.5.1. Phương trình trường điện từ ......................................................................... 30 2.5.2. Hệ phương trình cơ học ............................................................................... 33 2.5.3. Ghép nối bài toán trường điện từ và bài toán cơ học .................................... 36 2.6. MẠNG NƠRON MLP .................................................................................... 38 2.6.1. Cấu trúc mạng nơron MLP [40] ................................................................... 39 2.6.2. Quá trình học mạng nơron MLP .................................................................. 41 2.6.3. Thuật toán bước giảm cực đại ...................................................................... 43 2.6.4. Thuật toán Levenberg – Marquardt cho mạng MLP ..................................... 44 2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ............................................................................... 45 CHƯƠNG 3: ......................................................................................................... 47 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRONG PHẦN MỀM ANSYS CHO MBA PHÂN PHỐI TRONG MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP SỰ CỐ ........................................................... 47 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG PHẦN MỀM ANSYS ................................................ 47 3.1.1. Một số module chính của phần mềm ANSYS .............................................. 48 3.1.2. Khối chức năng mô phỏng điện từ ANSYS Maxwell ................................... 48 3.1.3. Khối chức năng mô phỏng kết cấu ANSYS Structure .................................. 49 3.1.4. Khối chức năng xây dựng mô hình ANSYS desing modeler và ANSYS meshing ................................................................................................................. 49 3.1.5. Khối chức năng ANSYS mechanical workbench ......................................... 50 3.1.6. Khối chức năng mô phỏng ANSYS mechanical ........................................... 51 3.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MBA PHÂN PHỐI 400KVA 22-0.4KV Y-Y0 TRONG ANSYS ................................................................................................... 52 3.2.1. Nguyên lý làm việc của MBA ...................................................................... 52 3.2.2. Xây dựng mô hình MBA phân phối 400kVA 22-0.4kV Y-Y0 ..................... 53
vi 3.3. XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH CHUẨN BỊ CHO QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG TRẠNG THÁI LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG VÀ TRẠNG THÁI SỰ CỐ CỦA MBA PHÂN PHỐI ................................................................................................ 59 3.3.1. Mô hình chia lưới MBA làm việc ở trạng thái bình thường .......................... 60 3.3.2. Mô hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố các cuộn dây bị nới lỏng theo thời gian ....................................................................................................................... 61 3.3.3. Mô hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố chập 2 vòng dây 5%, 10% tổng số vòng dây cuộn cao áp pha B .................................................................................. 63 3.3.4. Mô hình chia lưới MBA làm việc khi sự cố lỏng bulông gá cuộn dây .......... 64 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ............................................................................... 65 CHƯƠNG 4: ......................................................................................................... 66 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ..................................................... 66 4.1. BỘ DỮ LIỆU TÍN HIỆU ĐIỆN, CƠ LẤY TỪ MÔ PHỎNG TRONG PHẦN MỀM ANSYS ....................................................................................................... 66 4.1.1. Trường hợp MBA hoạt động bình thường, tải 50% (trường hợp A-1) .......... 66 4.1.2. Trường hợp sự cố ngắn mạch chập hai vòng dây cao áp............................... 70 4.1.3. Trường hợp sự cố nới lỏng vòng dây ........................................................... 71 4.1.4. Trường hợp sự cố nới lỏng bu lông gá cuộn dây .......................................... 72 4.1.5. Trường hợp sự cố chập 5% số vòng dây....................................................... 74 4.1.6. Trường hợp sự cố chập 10% số vòng dây..................................................... 75 4.1.7. Nhận xét các kết quả mô phỏng ................................................................... 76 4.2. KẾT QUẢ HUẤN LUYỆN MẠNG MLP ...................................................... 77 4.2.1. Các thông số đặc trưng của tín hiệu thu thập từ MBA .................................. 77 4.2.2. Kết quả huấn luyện mạng MLP .................................................................... 80 4.3. THỰC NGHIỆM TRÊN MBA PHÂN PHỐI .................................................. 87 4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ............................................................................... 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 95 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 95 KIẾN NGHỊ .......................................................................................................... 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 97 Tiếng Việt ............................................................................................................. 97 Tiếng Anh ............................................................................................................. 97 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................. 105
vii PHỤ LỤC............................................................................................................ 106 A. CHƯƠNG TRÌNH TRÍCH CHỌN ĐẶC TÍNH TỪ CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ANSYS ................................................................................................. 106 B. CHƯƠNG TRÌNH HUẤN LUYỆN MẠNG MLP .......................................... 121 C. THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐỘ RUNG CỦA MBA ......................................... 125 C.1. Sơ đồ khối của hệ thống đo .......................................................................... 125 C.2. Nguyên lý hoạt động của một số phần tử chính trong thiết bị đo .................. 126 C.3. Mạch in ........................................................................................................ 130 C.4. Lưu đồ thuật toán hoạt động của vi xử lý và cảm biến gia tốc ...................... 131 C.5. Hình ảnh thiết bị đã đóng vỏ ........................................................................ 132 D. KẾT QUẢ ĐO XA CỦA ĐIỆN LỰC THÁI NGUYÊN CHO TRẠM ĐH CÔNG NGHIỆP 3 (ngày 15/9/2020) ............................................................................... 133
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình hóa MBA bằng mô hình tương đương RLC ............................... 7 Hình 1.2: Đặc tính quan hệ hiệu điện áp và dòng điện khi MBA chập 30%, 60% số vòng dây được xây dựng trong [11] ......................................................................... 8 Hình 1.3: Hình ảnh đặt các điểm đo giám sát MBA sử dụng trong [38] ................. 12 Hình 1.4: Đồ thị đáp ứng tần số rung trong ngày thứ nhất và ngày thứ tư tại điểm đo số 3 (a) và số 7 (b) ................................................................................................. 12 Hình 1.5: Đồ thị đáp ứng tần số rung tại điểm đo số 6 (a), 9 (b) và 10 (c) trong [31] .............................................................................................................................. 13 Hình 2.1: Mạch từ và cuộn dây máy biến áp .......................................................... 16 Hình 2.2: Đồ thị quan hệ giữa chiều dài và cảm ứng từ .......................................... 18 Hình 2.3: Mạch đẳng trị đã được đơn giản hóa với các phần tử RLC đã được gộp lại .............................................................................................................................. 20 Hình 2.4: Các dạng biên giới chung giữa các phần tử ............................................ 23 Hình 2.5: Một số dạng của phần tử tam giác .......................................................... 23 Hình 2.6: Một số dạng của phần tử tứ giác............................................................. 23 Hình 2.7: Phần tử 3 chiều ...................................................................................... 24 Hình 2.8: Sơ đồ khối của một chương trình PTHH ................................................ 25 Hình 2.9: Phần tử lưới tứ diện cong ....................................................................... 35 Hình 2.10: Phần tử lập phương phi tuyến............................................................... 36 Hình 2.11: Mô hình mạng MLP với 1 lớp ẩn ......................................................... 40 Hình 3.1: Giao diện ANSYS Maxwell ................................................................... 48 Hình 3.2: Một ví dụ mô hình kết cấu máy điện được xây dựng từ công cụ ANSYS Structure ................................................................................................................ 49 Hình 3.3: Mô hình MBA 3 pha .............................................................................. 50 Hình 3.4: Một ví dụ về mô hình kết cấu trong ANSYS Mechanical Workbench .... 51 Hình 3.5: Một ví dụ về mô phỏng kết cấu trong ANSYS Mechanical .................... 51 Hình 3.6: Mô hình mạch điện MBA 1 pha ............................................................. 52 Hình 3.7: Một mô hình 3D thiết kế bên ngoài của MBA 3 pha .............................. 52 Hình 3.8: Mô hình MBA 3 pha .............................................................................. 54 Hình 3.9: Mô hình lõi MBA .................................................................................. 55 Hình 3.10: Đường đặc tính B-H của thép kỹ thuật JGH100 ................................... 55 Hình 3.11: Mô hình cuộn dây MBA ...................................................................... 56 Hình 3.12: Điều kiện biên cho MBA ..................................................................... 57 Hình 3.13: Thiết lập kích thích cuộn dây MBA ..................................................... 58 Hình 3.14: Mô hình mạch MBA ............................................................................ 58 Hình 3.15: Mô hình chia lưới và số phần tử lưới MBA .......................................... 61 Hình 3.16: Mô hình máy biến áp với kích thước cuộn dây được nới rộng .............. 62 Hình 3.17: Mô hình chia lưới MBA trong trường hợp MBA sự cố nới lỏng các vòng dây ........................................................................................................................ 63 Hình 3.18: Mô hình MBA sự cố chập vòng dây cuộn cao áp pha B ....................... 63 Hình 3.19: Sơ đồ mạch điện cho MBA khi sự cố chập vòng dây cao áp pha B ...... 64 Hình 3.20: Mô hình chia lưới MBA khi sự cố chập vòng dây cao áp pha B ........... 64
ix Hình 3.21: Mô hình chia lưới MBA khi sự cố lỏng bulong gá cuộn dây ................ 65 Hình 4.1: Đồ thị thành phần lực kéo hai đầu theo hướng kính của các ................... 67 Hình 4.2: Đồ thị thành phần lực kéo hai đầu theo hướng kính của các cuộn dây LA, LB, LC .................................................................................................................. 67 Hình 4.3: Đồ thị lực theo 3 phương x, y, z tác động lên lõi .................................... 68 Hình 4.4: Biểu diễn lực theo 3 phương x, y, z tác động lên lõi ............................... 68 Hình 4.5: Chuyển vị theo phương x của vỏ máy .................................................... 69 Hình 4.6: Chuyển vị theo phương y của vỏ máy .................................................... 69 Hình 4.7: Chuyển vị theo phương z của vỏ máy .................................................... 69 Hình 4.8: Chuyển vị theo phương x của vỏ máy .................................................... 70 Hình 4.9: Chuyển vị theo phương y của vỏ máy .................................................... 70 Hình 4.10: Chuyển vị theo phương z của vỏ máy .................................................. 70 Hình 4.11: Chuyển vị theo phương x của vỏ máy .................................................. 71 Hình 4.12: Chuyển vị theo phương y của vỏ máy .................................................. 71 Hình 4.13: Chuyển vị theo phương z của vỏ máy .................................................. 71 Hình 4.14: Hình ảnh lỏng bu lông gá cuộn dây MBA ............................................ 72 Hình 4.15: Chuyển vị theo phương x của vỏ máy .................................................. 72 Hình 4.16: Chuyển vị theo phương y của vỏ máy .................................................. 73 Hình 4.17: Chuyển vị theo phương z của vỏ máy .................................................. 73 Hình 4.18: Chuyển vị theo phương z của vỏ máy .................................................. 74 Hình 4.19: Chuyển vị theo phương y của vỏ máy .................................................. 74 Hình 4.20: Chuyển vị theo phương z của vỏ máy .................................................. 74 Hình 4.21: Chuyển vị theo phương x của vỏ máy .................................................. 75 Hình 4.22: Chuyển vị theo phương y của vỏ máy .................................................. 75 Hình 4.23: Chuyển vị theo phương z của vỏ máy .................................................. 75 Hình 4.24: Kết quả mô phỏng với 1 nơron ẩn: (a) Kết quả học với 180 mẫu, (b) Kết quả kiểm tra với 54 mẫu ........................................................................................ 80 Hình 4.25: Kết quả mô phỏng với 2 nơron ẩn: (a) Kết quả học với 180 mẫu, (b) Kết quả kiểm tra với 54 mẫu ........................................................................................ 82 Hình 4.26: Kết quả mô phỏng với 3 nơron ẩn: (a) Kết quả học với 180 mẫu, (b) Kết quả kiểm tra với 54 mẫu ........................................................................................ 83 Kết quả học cho thấy mạng đã học thành công được tất cả các mẫu, tất cả các trường hợp mẫu học và mẫu kiểm tra đều có sai số nhỏ (nhỏ hơn ngưỡng 0,5). ..... 83 Hình 4. 27: Kết quả thử nghiệm với 4 nơron ẩn: (a) Kết quả học với 180 mẫu, (b) Kết quả kiểm tra với 54 mẫu .................................................................................. 84 Hình 4. 28: Kết quả thử nghiệm với 5 nơron ẩn: (a) Kết quả học với 180 mẫu, (b) Kết quả kiểm tra với 54 mẫu .................................................................................. 85 Hình 4.29: Cấu trúc của mạng nơron với 15 đầu vào, 3 nơron ẩn và 1 đầu ra......... 86 Hình 4.30: Sơ đồ khối của cảm biến gia tốc dòng MPU-6050 ................................ 88 Hình 4.31: Máy biến áp tại Trạm ĐH Công nghiệp 3 (a) và thiết bị đo gắn trên vỏ của máy biến áp (b) ............................................................................................... 89 Hình 4.32: Kết quả nhận dạng thông qua đo độ rung bằng cảm biến gia tốc tại Trạm ĐH Công nghiệp 3 từ 9.00 đến 18.30 ngày 15/9/2020 ........................................... 90 Hình 4.33: Các giá trị P tổng đo từ xa của Điện lực Thái Nguyên cho trạm ĐH Công nghiệp 3 vào cùng khoảng thời gian từ 9.00 đến 18.30 ngày 15/9/2020 ................. 90
x Hình 4.34: Biểu đồ thể hiện đồng thời các tín hiệu độ rung và P tổng của MBA đã được chuẩn hóa về dải [0,1] trong thời gian đo thử nghiệm ................................... 91 Hình 4.35: Các kết quả phân tích phổ cho các cửa số số : 0 (a), 10 (b), 20 (c) và 30(d)...................................................................................................................... 92 Hình 4.36: Sự biến thiên của các đỉnh phổ cơ bản theo thời gian lấy mẫu .............. 93 Hình PL.1: Sơ đồ khối hệ thống đo ...................................................................... 125 Hình PL.2: Cảm biến gia tốc MPU 6050 (a) và sơ đồ nguyên lý khối MPU 6050 (b) ............................................................................................................................ 126 Hình PL.3: Thẻ nhớ dung lượng cao SD và sơ đồ nguyên lý thẻ nhớ SD ............. 126 Hình PL.4: Sơ đồ nguyên lý khối Retime DS1307 ............................................... 127 Hình PL.5: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn .............................................................. 127 Hình PL.6: Màn hình LCD 2x16 (a) và sơ đồ nguyên lý ghép nối vào mạch ........ 128 Hình PL.7: Sơ đồ nguyên lý khối vi xử lý PSoC CY8C29566 ............................. 128 Hình PL.8: Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông PL2302 ....................................... 129 Hình PL.9: Mặt trên của mạch in ......................................................................... 130 Hình PL.10: Mặt dưới của mạch in ...................................................................... 130
xi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Hệ phương trình Maxwell ...................................................................... 26 Bảng 3 .1: Các thông số cơ bản của MBA phân phối đươc lựa chọn trong Luận án 53 Bảng 3.2: Các hệ số tổn hao lõi MBA.................................................................... 56 Bảng 3.3: Cấu trúc lõi MBA .................................................................................. 56 Bảng 3.4. Thông số vật liệu đồng của các cuộn dây ............................................... 57 Bảng 3.5. Giá trị bước chia thời gian mô phỏng..................................................... 59
xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ Tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt viết tắt DGA Dissolved Gas Analysis Phân tích nồng độ khí SVM Support Vector Machines Máy vecto đỡ PNN Probabilistic Neural Mạng nơron xác Network suất VFRA Vibration Frequency Phân tích đáp Response Analysis ứng tần số rung FEM Finite Elements Methods Phương pháp phần tử hữu hạn PTHH Phần tử hữu hạn MBA Máy biến áp CA Cao áp HA Hạ áp
xiii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký Đơn vị Ý nghĩa hiệu f Hz Tần số  E V/m Vectơ cường độ điện trường  H A/m Vectơ cường độ từ trường  B T = kg/s2.A Vectơ cảm ứng từ B T = kg/s2.A Cảm ứng từ ( Mật độ từ thông)  J A/m2 Vectơ mật độ dòng điện J A/m2 Mật độ dòng điện A T.m Từ thế Vectơ 0 H/m Hệ số từ thẩm không khí  H/m Hệ số từ thẩm của vật liệu r - Hệ số từ thẩm tương đối  N/m2 Ứng suất F ma N Lực từ  Wb Từ thông hiệu dụng Xn  Điện kháng tản ngắn mạch của dây quấn Z  Tổng trở Rn  Điện trở ngắn mạch  Toán tử Nabla  Toán tử Laplace
xiv
1 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 xảy ra sự cố bất kỳ một phần tử nào trong hệ thống đều ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng năng lượng và gây thiệt hại lớn về kinh tế. Tốc độ phát triển nhanh chóng của hệ thống điện trong vài thập kỷ qua cũng đã dẫn đến một sự tăng nhanh về số lượng các máy biến áp (MBA). Trong quá trình vận hành, MBA có thể gặp những sự cố như hỏng cách điện giữa các vòng dây, ngắn mạch, đứt dây, chạm đất, hoạt động sai của thiết bị hay sự cố từ phía người sử dụng, tình trạng quá tải và sự lão hóa của thiết bị, ... Khi xảy ra sự cố trong MBA, bảo vệ rơle sẽ tác động tách phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện và loại trừ sự ảnh hưởng của phần tử sự cố với các phần tử liền kề không bị sự cố. Chẩn đoán dạng sự cố trong máy biến áp 3 pha là một bài toán cấp thiết để phát hiện và khắc phục sự cố của một thiết bị rất quan trọng trong hệ thống điện. Việc xây dựng thành công giải pháp chẩn đoán các sự cố tiềm ẩn trong MBA nói chung và MBA phân phối 22/0.4kV nói riêng sẽ có ý nghĩa thực tế tốt, nếu đưa vào áp dụng sẽ giúp cho người vận hành nhận biết được sớm các sự cố MBA do đó tránh được thiệt hại về kinh tế do phải sửa chữa hoặc thay thế MBA mới, cũng như nâng cao được tính liên tục cung cấp điện. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Luận án nghiên cứu và đưa ra giải pháp chẩn đoán sự cố trong MBA phân phối 3 pha 22/0.4kV. Phần mềm ANSYS được sử dụng để xây dựng mô hình MBA phân phối 22/0.4kV và mô phỏng MBA làm việc ở chế độ bình thường và một số chế độ sự cố để tạo các tín hiệu điện và rung cơ học dùng cho nhận dạng. Mạng nơron MLP với thuật toán học Levenberg – Marquadrt được sử dụng để chẩn đoán các dạng sự cố trong MBA dựa trên các đặc tính được trích chọn từ các tín hiệu điện và tín hiệu rung cơ học thu được từ mô phỏng bằng phần mềm ANSYS.
2 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Các tài liệu về phần mềm ANSYS và xử lý tín hiệu trong MBA được nghiên cứu để xây dựng mô hình MBA phân phối 22/0.4kV trong các trạng thái làm việc bình thường và sự cố. Mô hình MBA được xây dựng và mô phỏng trong phần mềm ANSYS ở trạng thái làm việc bình thường và 5 trường hợp sự cố để lấy kết quả là các tín hiệu điện và rung động cơ khí. Các tín hiệu này sẽ được phân tích và trích chọn các thông số đặc trưng để tạo mẫu dành cho huấn luyện mô hình nhận dạng sử dụng mạng nơron MLP với thuật toán học Levenberg – Marquadrt để chẩn đoán các dạng sự cố tiềm ẩn trong MBA. Quá trình học và kiểm tra mạng MLP được thực hiện trong môi trường Matlab với sự hỗ trợ của thư viện Neural Network Toolbox. Bên cạnh các kết quả mô phỏng, luận án bước đầu thực nghiệm đo độ rung của MBA với việc sử dụng cảm biến gia tốc trong thiết bị đo. Bước đầu đã đo được độ rung của MBA ở chế độ làm việc bình thường với tải thay đổi. 4. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu của luận án là chẩn đoán sự cố MBA phân phối ba pha để nâng cao hiệu quả khi vận hành hệ thống điện. Mô hình MBA được lựa chọn để mô phỏng và tính toán là MBA 400kVA 22-0.4kV Y-Y0 5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU  Đối với các trường hợp sự cố của MBA như chập giữa các vòng dây, xuất phát điểm ban đầu có thể chạm từ 2 đến 5 vòng dây, nếu lớp cách điện tiếp tục bị lão hóa hay hư hỏng thì số lượng vòng dây bị chạm sẽ tăng lên từ 3% đến 5% hoặc từ 6% đến 10% tổng số vòng dây trên một pha. Luận án sẽ ứng dụng phần mềm ANSYS để xây dựng 5 mô hình sự cố MBA phân phối ba pha 400kVA 22-0.4kV Y-Y0. (chập 2 vòng dây của 1 pha, chập 5% tổng số vòng dây 1 pha, chập 10% tổng số vòng dây 1 pha, bị nới lỏng dây quấn 1 pha, bị lỏng bu lông gá dây quấn) để mô phỏng lấy kết quả (các tín hiệu điện, lực, cơ khí) làm tín hiệu mẫu cho quá trình nhận dạng sự cố.  Lựa chọn và xây dựng thuật toán nhận dạng sử dụng mạng nơron MLP để chẩn đoán sự cố trong MBA phân phối.
3  Thử nghiệm dùng cảm biến gia tốc để đo độ rung trên MBA thực ở chế độ làm việc bình thường khi tải thay đổi để kiểm chứng mô hình MBA xây dựng trên phần mềm ANSYS. 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI  Ý nghĩa khoa học: Đề xuất thuật toán nhận dạng sử dụng mạng nơron MLP với việc sử dụng đồng thời tín hiệu điện và tín hiệu cơ (rung động) để chẩn đoán sự cố tiềm ẩn trong MBA phân phối.  Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Luận án góp phần dự báo sớm các sự cố tiềm ẩn có thể xảy ra đối với MBA phân phối nhằm nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện. Kết quả nghiên cứu của luận án là tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành điều khiển và tự động hóa, học viên cao học và các nghiên cứu sinh quan tâm nghiên cứu về các vấn đề chẩn đoán sự cố MBA. 7. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Luận án xây dựng được mô hình MBA 22/0.4kV Y-Y0, trong phần mềm ANSYS để phục vụ mô phỏng lấy kết quả là các tín hiệu điện và tín hiệu cơ (rung cơ khí). Tiến hành mô phỏng 06 kịch bản làm việc của MBA gồm trường hợp làm việc bình thường và 05 trường hợp sự cố. Với mỗi một trường hợp, MBA được mô phỏng với tải tương ứng là 50%, 80%, 100% so với tải định mức. - Đề xuất trích trọn 15 thông tin đặc trưng của các tín hiệu thu được từ mô phỏng ANSYS để làm cơ sở xây dựng mô hình nhận dạng. - Xây dựng mô hình nhận dạng sử dụng mạng nơron MLP với 15 đầu vào, với số nơron ẩn tăng dần từ 1 đến 5 và 1 đầu ra để nhận dạng trạng thái làm việc của MBA. Mạng được huấn luyện với 180 mẫu và thử nghiệm với 54 mẫu trong tổng số 234 mẫu đã thu thập được. Kết quả học và kết quả kiểm tra đạt độ chính xác 100%. 8. BỐ CỤC 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.
4 Trình bày các vấn đề chung của luận án, tóm tắt về nội dung nghiên cứu, những đóng góp của luận án và bố cục của luận án. Chương 1: Tổng quan về các phương pháp chẩn đoán sự cố trong MBA Trong chương này trình bày:  Tóm tắt một số phương pháp nghiên cứu chẩn đoán sự cố trong MBA được áp dụng trong điều kiện thực tế hiện nay;  Nêu được ưu nhược điểm các phương pháp chẩn đoán sự cố hiện nay;  Nêu cụ thể các trường hợp sự cố mà luận án sẽ nghiên cứu và tính toán. Đề xuất các định hướng của luận án. Chương 2: Cơ sở lý thuyết các đề xuất của luận án Nội dung chương này trình bày lý thuyết về hiện tượng rung động của MBA và phương pháp phần tử hữu hạn để áp dụng giải hệ phương trình Maxwell tổng quát cho bài toán trường điện từ, từ đó đưa ra một số giải pháp giám sát rung động cho MBA. Lý thuyết Mạng nơron MLP (MultiLayer Perceptron) kết hợp với thuật toán Levenberg – Marquardt để tính toán và xây dựng mô hình nhận dạng các trạng thái làm việc của MBA. Chương 3: Xây dựng mô hình trong phần mềm ANSYS cho MBA phân phối trong một số trường hợp sự cố Nội dung chương này trình bày: Giới thiệu phần mềm ANSYS, xây dựng mô hình MBA 22/0,4kV trong phần mềm ANSYS. Với mô hình cơ bản của MBA đã xây dựng, các kịch bản mô phỏng trạng thái bình thường và các trường hợp sự cố của MBA phân phối được phát triển. Chương 4: Kết quả mô phỏng và tính toán Nội dung chương này trình bày:  Kết quả mô phỏng MBA trong chế độ bình thường và 5 trường hợp sự cố.  Phần mềm phân tích tín hiệu và nhận dạng  Kết quả phân tích và nhận dạng  Thực nghiệm kiểm chứng mô hình MBA.
5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TRONG MÁY BIẾN ÁP Trong chương này trình bày: Tóm tắt một số phương pháp nghiên cứu chẩn đoán sự cố trong MBA được áp dụng trong điều kiện thực tế hiện nay. Ưu nhược điểm các phương pháp này từ đó đề xuất hướng nghiên cứu của luận án. 1.1. Ý NGHĨA CỦA BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ MÁY BIẾN ÁP Ngày nay, có rất nhiều nhà máy điện mới được xây dựng cũng như việc hình thành các trạm biến áp truyền tải và phân phối nhằm đáp ứng đầy đủ nhu cầu sử dụng điện của các phụ tải đã dẫn đến sự gia tăng lớn về số lượng các máy biến áp (MBA). MBA là thiết bị quan trọng được sử dụng trong tất cả hệ thống truyền tải và phân phối điện. Sự cố MBA là hiện tượng khi trong MBA xảy ra các hư hỏng, sai lệch của một hay nhiều phần tử dẫn tới các hoạt động bất thường hoặc hư hỏng lớn hơn, ảnh hưởng tới an toàn vận hành của MBA. Do MBA có thể coi là một hệ thống phức tạp nên có thể xảy ra rất nhiều dạng sự cố như sau:  Các sự cố do nối đất,  Các sự cố do hỏng cách điện trong các cuộn dây,  Các sự cố trong thùng dầu MBA,  Các sự cố do tác động bên ngoài như: quá điện áp, quá tải, suy giảm tần số trong lưới điện,…  Các sự cố cơ khí như: lỏng vòng dây cuốn trên lõi MBA, hỏng các cơ cấu chuyển nấc điện áp,… Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp trong cả cấu trúc và vận hành, khi xảy ra sự cố bất kỳ một phần tử nào trong hệ thống đều ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng năng lượng và gây thiệt hại lớn về kinh tế. Với sự phát triển nhanh của phụ tải điện thì những dạng sự cố MBA xuất hiện sẽ càng nhiều hơn, do đó việc chẩn đoán được các sự cố tiềm ẩn của MBA sẽ giảm thiểu tối đa sự thiệt hại do nguyên nhân mất điện từ MBA và chi phí sửa chữa khi MBA hư hỏng.
6 Do vậy việc chẩn đoán các dạng sự cố trong MBA 3 pha là một bài toán cấp thiết để phát hiện và khắc phục sự cố của một thiết bị quan trọng trong hệ thống điện, nhằm hạn chế thiệt hại về kinh tế và nâng cao tính liên tục cung cấp điện. Trong các nghiên cứu đã được công bố trong và ngoài nước các tác giả chẩn đoán sự cố MBA 3 pha sử dụng một số phương pháp chủ yếu như sau: Đo và quan sát các thông số dòng điện, điện áp, các sóng hài tại đầu vào và ra của MBA 3 pha trong các tài liệu [14, 20, 24], đo và giám sát các nồng độ khí trong dầu của MBA [26, 27, 29, 30, 42], đo và giám sát nhiệt độ tại một số điểm đặc trưng của MBA, đo và giám sát các đáp ứng rung MBA trong các chế độ làm việc của MBA [38]. 1.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ MBA 1.2.1. Các công trình nghiên cứu ngoài nước Cho đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu ngoài nước phân tích chuẩn đoán sự cố trong MBA. Đối với từng dạng sự cố, ta sẽ có các tập tham số khác nhau để đánh giá trong quá trình MBA đang vận hành. Một sự cố có thể cần sử dụng nhiều tham số để phát hiện, đồng thời một tham số cũng có thể được sử dụng để nhận dạng nhiều sự cố khác nhau. Các phương pháp mà mỗi tác giả lựa chọn và nghiên cứu trong các công trình của mình tập chung chủ yếu như sau. Nhóm phương pháp phổ biến và kinh điển là các phương pháp sử dụng các tín hiệu điện ở đầu vào như dòng điện, điện áp, công suất tức thời trong quá trình phân tích để chẩn đoán trạng thái làm việc của MBA [11, 15, 19, 25, 57, 62]. Một số giải pháp sử dụng các tín hiệu đo ở trạng thái quá độ ví dụ như đo dòng từ hóa của MBA [60] nhưng ít phổ biến hơn vì không giám sát được liên tục. Nhóm phương pháp tiếp theo của các tác giả [12, 33, 37, 63] sử dụng cảm biến nhiệt để đo một số điểm đặc trưng trên vỏ MBA nhằm phát hiện sớm các sự cố hư hỏng, chạm chập bên trong MBA trước khi thiết bị hư hỏng nặng hơn. Để giám sát nhiệt độ của một số điểm làm việc đặc trưng của MBA, ngoài việc sử dụng các cảm biến nhiệt độ, các giải pháp mới còn sử dụng các camera ảnh nhiệt [64]. Camera ảnh nhiệt có ưu điểm nổi bật so với các cảm biến nhiệt độ là phương pháp đo không