ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VĂN LÂM

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ BẰNG
WAVELET CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG ĐỂ XÁC
ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VĂN LÂM

TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ BẰNG
WAVELET CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG
ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG
DÂY TẢI ĐIỆN

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

trường thuận lợi nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này.
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin được bày tỏ lời cám ơn đến Tiến
sỹ Đỗ Trung Hải, người hướng dẫn khoa học đã khuyến khích, chỉ dẫn tận tình cho tôi
trong suốt thời gian thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cám ơn Ban Giám đốc, các phòng chức năng cùng các bạn đồng
nghiệp tại Công ty Điện lực Thái Nguyên đã hợp tác chia sẻ, cung cấp thông tin, tài
liệu, số liệu phục vụ cho đề tài nghiên cứu.
Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến gia đình và những người bạn đã động viên, hỗ
trợ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, làm việc và thực hiện luận văn.

Thái Nguyên, tháng 12 năm 2015
HỌC VIÊN

Nguyễn Văn Lâm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC……………………………………………………………………………1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT……………………………….3
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……………………………………………………4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ…………………………………..……..5
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………...8




2.4. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG SÓNG LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG DÂY DÀI SỬ DỤNG
CÔNG CỤ MATLAB/SIMULINK ..........................................................................................
41

CHƯƠNG 3 :ỨNG DỤNG WAVELET PHÂN TÍCH SÓNG PHẢN HỒI CHỦ
ĐỘNG XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN.
3.1. PHÂN TÍCH PHỔ CỦA TÍN HIỆU SỬ DỤNG BIẾN ĐỔI FOURRIER ......44
3.2. CÔNG CỤ WAVELET TRONG PHÂN TÍCH TÍN HIỆU .............................................. 47

3.2.1. Phân tích phổ bằng wavelet (sóng nhỏ)............................................................. 48
3.2.2. Thuật toán phân tích tín hiệu bằng wavelet........................................................ 54
3.3 ỨNG DỤNG MATLAB ĐỂ PHÂN TÍCH WAVELET .................................................... 55
3.4. ỨNG DỤNG WAVELET ĐỂ PHÂN TÍCH SÓNG PHẢN HỒI TRÊN ĐƯỜNG DÂY
TRUYỀN TẢI ĐIỆN................................................................................................................ 57

CHƯƠNG 4 CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG................................63
4.1.MÔ HÌNH MÔ PHỎNG: ................................................................................................... 63
4.2 KHI ĐƯỜNG DÂY KHÔNG SỰ CỐ: .............................................................................. 65
4.3 KHI ĐƯỜNG DÂY SỰ CỐ:.............................................................................................. 68
4.3.1 Sự cố 3 pha: ..................................................................................................................... 68

4.3.1 Sự cố 1 pha: ......................................................................................................... 71
4.3.1 Sự cố 2 pha chạm đất: ......................................................................................... 74
4.3.1 Sự cố 2 pha: ......................................................................................................... 75
4.4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.......................................................................... 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................79


S/km

Vref

Sóng tín hiệu điện áp phản hồi

V

Vinc

Sóng tín hiệu điện áp một chiều có biên độ Vinc (sóng tới)

V
Km/s

V

Vận tốc truyền sóng trên đường dây truyền tải điện

I

Dòng điện

A

l

Chiều dài đường dây



DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Vận tốc truyền sóng trên đường dây truyền tải điện…………………………68
Bảng 2: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 3 pha chạm đất………………70
Bảng 3: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 3 pha chạm đất tại vị trí L=20Km
với các giá trị điện trở và điện cảm khác nhau……………………………………....71
Bảng 4: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 1 pha chạm đất……………..…73
Bảng 5: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 1 pha chạm đất tại vị trí L=20Km
với các giá trị điện trở và điện cảm khác nhau………………………………….....…73
Bảng 6: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 2 pha chạm đất……………..…75
Bảng 7: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 2 pha chạm đất tại vị trí L=20Km
với các giá trị điện trở và điện cảm khác nhau………………………………..............75
Bảng 8: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 2 pha ……………………….…77
Bảng 9: Kết quả xác định vị trí sự cố khi ngắn mạch 2 pha chạm đất tại vị trí L=20Km
với các giá trị điện trở và điện cảm khác nhau…………………………………….....77


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sơ đồ minh họa sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng phương pháp điện 14
kháng đơn
Hình 1.2: Minh họa phương pháp TAKAGI trên mạch điện một pha hai nguồn

16

Hình 1.3: Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây

19

Hình 2.1: Sơ đồ thay thế đường dây


Hình 2.10: Giao diện Simulink

33

Hình 2.11: Thư viện các khối nguồn

34

Hình 2.12: Thư viện các khối hiển thị

35

Hình 2.13: Công cụ mô phỏng SimPowerSystems

36

Hình 2.14: Thư viện các khối nguồn trong SimPowerSystems

37

Hình 2.15: Thư viện Elements trong SimPowerSystems

38


Hình 2.16: Block cài đặt thông số cho đường dây thông số dải

38

Hình 2.17: Block cài đặt thông số cho máy cắt 3 pha


46

Hình 3.3: Minh họa hàm có độ rộng hữu hạn

48

Hình 3.4: Hàm co dãn (trên) và hàm sinh (dưới) của wavelet Haar

49

Hình 3.5: Một số wavelet kinh điển

50

Hình 3.6: Cấu trúc các bước liên tiếp phân tích một tín hiệu ban đầu thành các thành 51
phần chi tiết và xấp xỉ
Hình 3.7: Kết quả phân tích tín hiệu tuần hoàn theo họ wavelet Daubechies bậc 4 52
(trên cùng bên trái: tín hiệu gốc, các cửa sổ còn lại: các thành phần tách ra được)
Hình 3.8: Kết quả phân tích tín hiệu bất định bằng họ wavelet Daubechies 4 (phía trên 51
bên trái: tín hiệu gốc, các hình còn lại: các thành phần tách ra được từ tín hiệu ban
đầu)
Hình 3.9: Phân tích phổ của tín hiệu hình sin()

54


Hình 3.10: Công cụ wavelet toolbox trong phần mềm matlab.

56

đường dây 3 pha có sự cố ở giữa đường dây khi không có tải
Hình 4.4: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi không có sự cố tải P=50MW
Hình 4.5: Phân tích tín hiệu bằng wavelet sử dụng matlab và simulink
Hình 4.6: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi không có sự cố tải P, Q và hình ảnh
phóng to tín hiệu phản hồi về từ cuối đường dây.
Hình 4.7: Thành phần d1 của tín hiệu điện áp phân tích bằng wavelet từ tín hiệu đầu
đường dây khi không sự cố

64

66
66
67

67


Hình 4.8: Mô hình phần tử sự cố 3 pha
Hình 4.9: Tín hiệu đầu đường dây đo được khi sự cố 3 pha tại 20 km

68
69

Hình 4.10: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu đo được khi sự cố 3 pha

69

Hình 4.11: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu được phóng to

69


Hình 4.21: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu sự cố 2 pha tại 20Km

76

Hình 4.22: Thành phần d1 phân tích wavelet của tín hiệu sự cố 2 pha tại 20Km phóng 76
to đoạn tín hiệu sự cố.


MỞ ĐẦU
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.
Có nhiều nguyên nhân gây ra sự cố trên đường dây truyền tải điện có thể do sét
đánh, cách điện bị già hóa, cây cối đổ vào đường dây,…. Do đường dây có chiều dài
lớn đi trên địa hình phức tạp dẫn tới khi sự cố xẩy ra quá trình tìm kiếm để xác định vị
trí sự cố mất rất nhiều thời gian, dẫn tới thời gian xử lý sự cố lâu, ảnh hưởng tới quá
trình cung cấp điện liên tục.
Do đó bài toán phát hiện dạng sự cố và vị trí của sự cố trên đường dây truyền
tải điện là yêu cầu cấp thiết. Trong thực tế hiện nay việc xác định vị trí sự cố trên
đường dây tải điện dựa vào rơle tổng trở, tuy nhiên phương pháp này có sai số lớn do
chưa tính đến giá trị điện cảm của sự cố gây ra.
Trong các mô hình được thí nghiệm, chủ yếu đường dây truyền tải điện được
mô hình hóa dưới dạng đường dây dài với các thông số đặc trưng cho quá trình truyền
sóng.
Vì vậy, nội dung của đề tài đề cập đến “Nghiên cứu phương pháp phân tích phổ
bằng Wavelet của quá trình truyền sóng để xác định vị trí sự cố trên đường dây tải
điện” nhằm hỗ trợ quá trình định vị và khắc phục các sự cố trên đường dây truyền tải
điện, qua đó giảm bớt những thiệt hại về kinh tế và nâng cao độ tin cậy và chất lượng
năng lượng cung cấp cho các hộ tiêu thụ.

dụng phương pháp phân tích phổ bằng Wavelet để định vị điểm sự cố trên đường dây
truyền tải điện, giảm thời gian kiểm tra, nhanh chóng khôi phục cấp điện cho khách
hàng.
Sử dụng mô hình Matlab – Simulink để mô phỏng đường dây tải điện khu vực
Thành phố Thái Nguyên. Qua mô hình này sẽ mô phỏng sự cố và quá trình truyền
sóng từ đó trình bày phương pháp phân tích sóng thu được để định vị sự cố.
6. Nội dụng đề tài
Đề tài gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về các phương pháp định vị sự cố trên đường dây truyền tải
điện.
Chương 2: Nghiên cứu quá trình truyền sóng trên đường dây truyền tải điện sử dụng
Matlab-simulink.
Chương 3: Ứng dụng wavelet phân tích sóng phản hồi chủ động xác định vị trí sự cố
trên đường dây truyền tải điện.
Chương 4: Các kết quả tính toán và mô phỏng.


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ SỰ CỐ
TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN
1.1 Ý NGHĨA CỦA BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ
Ngày nay, cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội, nhu cầu sử dụng điện ngày
càng cao, có rất nhiều đường dây truyền tải điện được xây dựng nhằm đáp ứng đầy đủ
nhu cầu sử dụng điện của các phụ tải đã dẫn đến một sự gia tăng lớn về số lượng các
đường dây truyền tải cũng như tổng chiều dài của chúng. Các đường dây truyền tải
được sử dụng để truyền tải điện năng từ các nguồn điện đến các trung tâm phụ tải.
Những đường dây này trong quá trình truyền tải điện năng thường gặp các dạng sự cố
do những nguyên nhân khác nhau như: sét đánh, ngắn mạch, thiết bị bị sự cố, sự cố
điều khiển, sự cố do con người, quá tải và lão hóa...
dạng

tiến
hành
nhanh
nhấthợp
nếu
được
chính
trí sự
cố hoặc
ước
lượng
được
vị được
trí Việc
sự cố
với
độ
chính
lý.làm việc
Thời gian khắc phục sự cố càng kéo dài càng không có lợi, gây nên mất điện đến
các hộ tiêu thụ và có thể dẫn đến thiệt hại đáng kể về kinh tế đặc biệt là đối với các
ngành công nghiệp sản xuất, gây mất ổn định trong hệ thống điện... Như vậy việc
nhanh chóng phát hiện, định vị, cô lập và khắc phục những sự cố là rất quan trọng
trong việc đảm bảo chế độ làm việc tin cậy của hệ thống điện. Tầm quan trọng của
nghiên cứu này phát sinh từ sự cần thiết nhằm giảm thiểu thời gian gián đoạn cung cấp
điện và thời gian sửa chữa giúp xác định chính xác hơn vị trí sự cố, khôi phục lại trạng
thái làm việc bình thường của đường dây bị sự cố đặc biệt là các đường dây truyền tải
điện áp cao ở các khu vực có địa hình khó khăn.
thờibao
gian

sựvịlàm
cốtrígiúp
cho
khâu
xử lý
sự
cốđạt
được
tiến hành
nhanh
nhấtước
có thể.


Khi có một sự cố xảy ra trên đường dây truyền tải điện, hệ thống bảo vệ sẽ gửi
tín hiệu đến máy cắt, cắt điện cô lập điểm sự cố. Trong lưới điện truyền tải được mức
độ ảnh hưởng của nó tới hệ thống lớn hơn, các trang thiết bị bảo vệ và điều khiển hiện
đại hơn, đồng thời thời gian đòi hỏi để tìm kiếm sự cố cũng kéo dài hơn so với lưới
phân phối. Hiện nay một số đường dây tải điện với cấp điện áp từ 110 kV trở lên được
trang bị bảo vệ khoảng cách. Thực tế cho thấy chức năng định vị điểm sự cố trong các
rơle bảo vệ khoảng cách báo vị trí với một mức sai số tương đối lớn (có thể từ vài km
đến hàng chục km). Do đó các phương pháp mới để định vị sự cố trên đường dây
truyền tải hiện vẫn đang là đề tài được quan tâm nghiên cứu và phát triển.
1.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ SỰ CỐ
Bài toán định vị sự cố trên đường dây truyền tải điện là bài toán kinh điển do đó
đã có nhiều công trình nghiên cứu trình bày nhiều phương pháp khác nhau. Mỗi
phương pháp có những ưu và nhược điểm riêng. Những phương pháp này có thể được
phân loại theo nhiều nhóm, ví dụ như phương pháp dựa trên trở kháng, phương pháp
dựa trên sóng lan truyền từ điểm sự cố, phương pháp dựa trên sóng lan truyền từ đầu
đường dây, ngoài ra còn có một số phương pháp mới như phương pháp ứng dụng

khả
năng
có
thể
một giải
tốt
bài
toán
xác
trí sự
cố
đườngđể
dây
truyền
tảiđược
điện.pháp
1.2.1 Phương pháp tính toán dựa trên trở kháng
Trong phương pháp dựa trên trở kháng, sự vận hành của rơle khoảng cách phụ
thuộc rất nhiều vào điện trở sự cố và không hiệu quả trong trường hợp có điện trở sự
cố rất cao. Phương pháp dựa trên trở kháng có thể được phân thành các phương pháp
một đầu và phương pháp hai đầu phụ thuộc vào số lượng các thiết bị đầu cuối mà tại
đó các dữ liệu điện áp và dòng điện được thu thập. Tuy nhiên phương pháp tổng trở
yêu cầu trở kháng ngắn mạch phải gần bằng 0 để có thể thu được kết quả ước lượng vị
trí sự cố được chính xác. Phương pháp đo tổng trở ở cả hai đầu đường dây có độ chính


xác cao hơn vì ít phụ thuộc vào điện trở ngắn mạch hơn. Nhưng nhìn chung phương
pháp tổng trở sẽ không hiệu quả đối với các trường hợp sự cố thoáng qua. Phương
pháp trở kháng được dùng phổ biến nhất trong các rơle khoảng cách kỹ thuật số được
đặt trong trạm biến áp để bảo vệ cho các đường dây. Ngoài trở kháng, khi xảy ra sự cố


(1.2)

f

trong đó:
 If: dòng điện sự cố.
 Rf: điện trở sự cố được minh họa trong hình 1.1.
~

Z

IA

A

ZB

lsuco.Z

Nguồn A

If

Đo lường
điện áp và
dòng điện

(l-lsuco).Z
Rf

(1.3)


I f 
trong đó:

 Rf : điện trở sự cố.
 If : dòng điện sự cố.
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phương pháp điện
kháng đơn

Ảnh hưởng của điện trở tại điểm sự cố


Các sự cố, đặc biệt là sự cố một pha thường xảy ra do sứ đường dây bị phóng
điện. Hồ quang điện hình thành trên chuỗi sứ có tính chất điện trở, và như vậy điện trở


hồ quang này cũng nằm trong mạch vòng đo sự cố pha - đất. Một số trường hợp sự cố
thông qua vật trung gian thì chính giá trị điện trở của các vật trung gian này cũng gây
ảnh hưởng đến tính chính xác của phép định vị sự cố. Điện trở hồ quang phụ thuộc vào
độ dài của hồ quang và dòng điện theo công thức sau:
Rarc 

8750  Larc
I 1,4
f

(1.4)


gần đúng có thể coi xấp xỉ bằng góc lệch pha của điện áp hai đầu đường dây trong chế
độ vận hành bình thường. Mặt khác, góc lệch pha của điện áp trong chế độ bình


thường lại phụ thuộc vào mức độ tải của đường dây, do đó có thể nói dòng điện tải
trên đường dây có ảnh hưởng đến mức độ chính xác của phép định vị sự cố.
b) Phương pháp TAKAGI
Phương pháp Takagi cần cả các tín hiệu trước khi xuất hiện sự cố và sau khi xuất
hiện sự cố. Phương pháp này cũng nâng cao được độ chính xác hơn so với phương
pháp điện kháng đơn như giảm bớt ảnh hưởng của điện trở sự cố và làm giảm ảnh
hưởng của dòng tải. Sơ đồ minh họa như hình 1.2.
ZA

~
Nguồn A

UA
UA

IA . I A

lsuco

lsuco.Z
Định vị
sự cố

ZB
(l - lsuco).Z
If

L
A) A
Tổng trở của đường dây:
Z L    ZC
trong đó:


UA: điện áp tại đo lường đầu nguồn A.



ZL: tổng trở của đường dây.

(1.7)

(1.8)




IA: dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A.



ZC: tổng trở đặc tính.



: hệ số lan truyền.




UA: điện áp tại đo lường đầu nguồn A.



IA: dòng điện chạy ra từ đầu nguồn A.



lsù cè : khoảng cách đến vị trí sự cố tính từ đầu nguồn A.

d) Nhận xét và đánh giá:


Phương pháp tính toán xác định vị trí sự cố sử dụng dữ liệu dòng điện và điện áp
được đo lường ở một đầu đường dây hiện nay được dùng khá phổ biến, đáp ứng được
điều kiện thực tế và công nghệ rơle bảo vệ. Ưu điểm nổi bật của phương pháp điện
kháng đơn là đơn giản, dễ lắp đặt, không cần phải đồng bộ giữa các thiết bị, tuy nhiên
có nhược điểm là dễ bị ảnh hưởng lớn bởi các nguồn nhiễu như sự bất đối xứng của
đường dây (ví dụ do không hoán vị dây dẫn), ảnh hưởng của thành phần thứ tự không
hay của hỗ cảm giữa các đường dây.
Ưu và nhược điểm của phương pháp điện kháng đơn là
 Dễ dàng thực hiện do tín hiệu đo lường được thu thập tại chỗ, không yêu
cầu truyền tín hiệu từ đầu đối diện.
 Không cần phải đồng bộ về mặt thời gian giữa tín hiệu thu thập được của các
rơle
tại các vị trí khác.
 Sai số trong phạm vi chấp nhận được đối với sự cố pha - pha (theo thực tế
vận hành).

Sơ đồ biểu diễn quá trình phản xạ, khúc xạ của các sóng lan truyền thể hiện trên
Hình 1.3. Dựa theo chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu được tại hai đầu (∆t) có thể
xác định được vị trí điểm sự cố bằng phương trình:
l  c  t
x
2

(1.10)

trong đó: x - khoảng cách đến điểm sự cố; l - tổng chiều dài đường dây; c - vận tốc ánh
sáng.

Hình 1.3: Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đường dây
Đặc điểm của phương pháp này:
 Phải có các thiết bị ghi tín hiệu được đồng bộ thời gian với độ chính xác cao,
chỉ
một sự sai lệch rất nhỏ về thời gian có thể dẫn tới sai số lớn về khoảng cách tính được.


 Thiết bị ghi tín hiệu sự cố phải có tần số lấy mẫu rất cao để có thể ghi nhận các
tín
hiệu xung phản xạ.
 Phần mềm phải có khả năng đồng bộ hóa tín hiệu, lọc nhiễu và trích xuất tín
hiệu mong muốn. Đặc biệt với các sự cố gây ra do sét có thể gây các nhiễu điện từ
ảnh
hưởng đến độ chính xác của phép lọc tín hiệu.
1.2.3. Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền từ đầu
đường dây
Phương pháp như điện kháng đơn có độ chính xác thấp, phương pháp Takagi có
độ chính xác cao hơn nhưng lại yêu cầu xác định dòng tải ngay trước thời điểm sự cố.