bộ giáo dục và đào tạo
đại học bách khoa hà nội

Phạm Hữu Phước

ứng dụng mạng nơ ron
nhân tạo đánh giá mức độ
ổn định của hệ thống điện
Ngành: Kỹ thuật điện

luận văn thạc sỹ kỹ thuật điện
người hướng dẫn: ts. nguyễn đức huy

Hà Nội, tháng 4 năm 2016


Mục lục
Mục lục

i

Danh sách hình vẽ

vi

Danh sách bảng

viii

Các thuật ngữ viết tắt


8
8
9
12
12
14

i

22
26


Contents

3 Các phương pháp trí tuệ nhân tạo đánh giá ổn định hệ thống
điện
3.1 Tổng quan về mạng nơ ron nhân tạo . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Nơron nhân tạo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2 Mô hình mạng nơron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.3 Huấn luyện mạng ANN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.4 Mạng nhiều tầng truyền thẳng MLP . . . . . . . . . . . . .
3.1.5 Mạng SVM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Cây quyết định . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Một số công cụ trí tuệ nhân tạo khác . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Ứng dụng mạng ANN trong đánh giá ổn định động của HTĐ . . .
4 Ứng dụng các công cụ trí tuệ nhân tạo đánh giá và phân loại
mức độ ổn định
4.1 Quy trình tính toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Lưới điện IEEE 9 nút . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59
59
60
61
61
63
66
70

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


Contents

Tài liệu tham khảo

iii

78


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

Hệ thống điện - Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi hoàn
thành luận văn thạc sỹ này. Đây là cơ hội tốt để tôi được thực hành các
kỹ năng, kiến thức đã học trên giảng đường và giúp tôi ngày càng tự tin

2.2

Phân loại các quá trình ổn định [1, 2] . . . . . . . . . . . . . . . .
Đồ thị đặc tính công suất máy phát theo góc áp dụng phương
pháp cân bằng diện tích. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sơ đồ một máy phát - thanh cái vô cùng lớn. . . . . . . . . . . . .
Phương pháp cân bằng diện tích. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Đặc tính công suất-góc theo phương pháp cân bằng diện tích
trong trường hợp hệ thống ổn định. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Đặc tính công suất-góc theo phương pháp cân bằng diện tích
trong trường hợp hệ thống mất ổn định. . . . . . . . . . . . . . . .
Thuật toán xác định CTT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phương pháp xác định mất đồng bộ trong quá trình mô phỏng. .
Xác định mô phỏng mất ổn định dựa trên sự phân kỳ của góc
máy phát so với tâm quán tính. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8

Mô hình nơ ron nhân tạo . . . . . . . . . . . . . . .
Mạng truyền thẳng . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mạng phản hồi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.8
2.9

vi

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

12
15
17
18

Độ nhạy của mạng SVM khi dự báo CCT sự cố máy phát G9 với
các biến đầu vào. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phân bố các điểm làm việc theo P8-P9. . . . . . . . . . . . . . . .
Độ nhạy của mạng SVM khi dự báo CCT sự cố máy phát G8 với
các biến đầu vào. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vii

58
61
62
62
62
66
67
68
69


Danh sách bảng
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9


CCT

Thời gian cắt tới hạn (Critical Clearing Time)

COA

Tâm góc (Center Of Angle)

COI

Tâm quán tính (Center Of Inertia)

EAC

Phương pháp cân bằng diện tích (Equal Area Criterion)

FA

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

FD

Loại trừ sai sự cố nguy hiểm (False Dismissal)

HTĐ

Hệ thống điện

MAPE Sai số trung bình phần trăm tuyệt đối (Mean Absolute Percent Error)
QTQĐ

Chương 1. Giới thiệu

1.1

2

Mục tiêu nghiên cứu

Luận văn đặt mục tiêu xây dựng một quy trình tạo số liệu huấn luyện các mạng
trí tuệ nhân tạo nhằm đánh giá mức độ ổn định quá độ của hệ thống điện, dựa
trên số liệu của chế độ xác lập. Bên cạnh việc xây dựng quy trình tính toán và
mô phỏng, một mục tiêu khác của luận văn là thử nghiệm quy trình với nhiều
công cụ trí tuệ nhân tạo khác nhau, như các mạng nơ ron được hỗ trợ trong phần
mềm MATLAB, mạng SVM được hỗ trợ bằng phần mềm miễn phí LibSVM, và
các mạng trí tuệ nhân tạo mới, được hỗ trợ bởi hãng Microsoft thông qua cơ
chế tính toán đám mây.
Để đạt được mục đích này người nghiên cứu đã tiến hành các công việc:

– Nghiên cứu sử dụng công cụ mô phỏng hệ thống điện.
– Xây dựng mô hình mô phỏng cho các hệ thống điện mẫu: IEEE 9 nút, New
England (IEEE 39 nút).
– Tạo cơ sở dữ liệu bằng cách mô phỏng các kịch bản sự cố cho hệ thống
điện trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau.
– Huấn luyện mạng nơ ron dựa trên cơ sở dữ liệu thu thập được và đánh giá
kết quả.

1.2

Cấu trúc luận văn


tải và tiêu thụ điện năng[10].
Các phần tử của hệ thống điện được chia làm hai nhóm:

– Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối
và sử dụng điện năng như máy phát điện, đường dây tải điện và các thiết
bị dùng điện. . .
4


Chương 2. Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện

5

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

Mỗi phần tử của hệ thống được đặc trưng bởi các thông số, các thông số này
được xác định về lượng bởi tính chất vật lí của các phần từ, sơ đồ liên lạc giữa
chúng và nhiều sự giản ước tính toán khác. Ví dụ: tổng trở, tổng dẫn của đường
dây, hệ số biến áp . . . Các thông số của các phần tử cũng được gọi là các thông
số của hệ thống điện.
Nhiều thông số của hệ thống điện là các đại lượng phi tuyến, giá trị của chúng
phụ thuộc vào dòng công suất, tần số. . . như X, Y, độ từ hóa. . . Trong phần lớn
các bài toán thực tế có thể coi chúng là hằng số và như vậy ta có hệ thống tuyến
tính. Nếu tính đến sự biến đổi của các thông số, ta có hệ thông phi tuyến, đây
là một dạng phi tuyến của hệ thống điện, dạng phi tuyến này chỉ phải xét đến
trong một số ít trường hợp như khi phải tính đến độ bão hòa của máy phát điện,
máy biến áp trong các bài toán ổn định.


dụ như chế độ ngắn mạch duy trì. . .
2. Chế độ quá độ là chế độ trong đó các thông số biến đổi rất nhiều. Chế độ
quá độ gồm có:
– Chế độ quá độ bình thường là bước chuyển từ chế độ xác lập bình
thường này sang chế độ xác lập bình thường khác.
– Chế độ quá độ sự cố xảy ra sau sự cố.


Chương 2. Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện

2.1.3

7

Yêu cầu đối với các chế độ của hệ thống điện

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

– Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải
có chất lượng đảm bảo, tức là giá trị của các thông số chất lượng (điện áp,
tần số) phải nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn.
– Có hiệu quả kinh tế cao: chế độ thỏa mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượng
điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyển tải và phân phối
điện năng nhỏ nhất.
– Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người
tiêu dùng và thiết bị phân phối điện.

Đối với chế độ xác lập sau sự cố: Các yêu cầu nói trên đều được giảm đi nhưng
chỉ cho phép kéo dài trong một thời gian ngắn, sau đó phải có biện pháp hoặc
là thay đổi thông số của chế độ hoặc là thay đổi sơ đồ hệ thống để đưa chế độ

(2.1)

QF = Qpt + ∆Q = Q

(2.2)

Giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng có mối quan hệ:
S 2 = P 2 + Q2

(2.3)

cho nên các điều kiện cân bằng công suất 2.1 và 2.2 không thể xét độc lập mà
lúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng.
Tuy vậy, trong thực tế tính toán và vận hành hệ thống điện một cách gần đúng,
có thể xem sự biến đổi của công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q
tuân theo các quy luật riêng ít ảnh hưởng đến nhau. Đó là:


Chương 2. Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện

9

1. Công suất tác dụng cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng bộ
f hoặc là nằm trong giới hạn cho phép fcpmin

f

fcpmax .

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


10

Ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ ban đầu hoặc
rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ. Như vậy ổn định tĩnh là điều
kiện đủ để một chế độ xác lập tồn tại trong thực tế.
Ổn định động:
Hệ thống điện chịu những kích động lớn: đóng cắt các nguồn, trung tâm phụ tải
lớn, thay đổi cấu trúc lưới truyền tải và các sự cố. . . Các kích động lớn này có
đặc điểm là biên độ dao động lớn, tần suất xảy ra thấp.
Ổn định động là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ ban đầu hoặc
rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động lớn. Như vậy ổn định động là điều
kiện để cho chế độ của hệ thống điện tồn tại lâu dài.
Theo các cách phân loại mới [1, 2], các quá trình ổn định có thể được chia thành
3 loại chính như sau:

• Ổn định góc lệch: Là quá trình ổn định liên quan đến khả năng các máy

phát trong hệ thống điện duy trì được góc đồng bộ tương đối giữa chúng.
Việc mất ổn định góc lệch sẽ dẫn đến hiện tượng mất đồng bộ của các máy
phát. Theo phân loại trong [1, 2], ổn định góc lệch được chia thành hai loại:
Ổn định góc lệch với kích động lớn, còn gọi là ổn định quá độ (Transient
rotor angle stability), và ổn định góc lệch với kích động nhỏ (Small signal
rotor angle stability). Theo cách giải thích trong các tài liệu của phương
Tây, ổn định góc lệch phụ thuộc vào hai đại lượng là mô men đồng bộ và
mô men cản [11]. Việc thiếu hụt mô men đồng bộ sẽ dẫn đến các máy phát
bị mất ổn định theo dạng phi chu kỳ. Khi mô men cản yếu hoặc âm, cac


Chương 2. Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện


12

Ổn định hệ
thống điện

Ổn định góc
lệch

Ổn định dao
động nhỏ

Ổn định tần số

Ổn định quá
độ

Ngắn hạn

Ngắn hạn

Dài hạn

Ổn định điện
áp

Tác động lớn

Tác động nhỏ


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

dωm
= Tacc = Tm − Te
dt

(2.5)

trong đó, t(s): thời gian, ωm : vận tốc góc của rotor máy phát (rad/s cơ), J :
mômen quán tính của tua bin và roto máy phát (kg.m2 ).
Thông thường, phương trình (2.5) được biểu diễn theo hằng số quán tính H của
máy phát.Gọi ω0m là vận tốc góc đồng bộ (rad/s cơ), Srated là công suất định
mức của máy phát, J có thể được viết thành:

J=

2H
Srated
2
ω0m

(2.6)

Thay vào phương trình (2.5), ta có:
2H
dωm
Srated
= Tm − Te
2


T =

trong đó, δ (rad điện) là góc quay tương đối của roto so với hệ quy chiếu trục
quay với tốc độ đồng bộ ω0 , P là công suất.
Thay phương trình (2.9) và (2.10) vào phương trình (2.8), ta được phương trình
mô tả chuyển động quay của roto máy phát:
2H d2 δ
= Pm − Pe
ω0 dt2

(2.11)

Số hạng (-KD ∆ωr ) có thể được thêm vào vế phải của phương trình (2.11) để
tính đến thành phần mômen cản do ma sát.

2.3.2

Phương pháp cân bằng diện tích

Bằng cách kết hợp phương trình mô tả chuyển động quay của roto máy phát với
đồ thị công suất - góc, ta có thể minh họa các khái niệm của ổn định động sử
dụng phương pháp cân bằng diện tích.
Xét sự thay đổi công suất cơ đầu vào của máy phát được biểu thị trên hình 2.2


Chương 2. Đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện

15