Báo cáo nghiên cứu khoa học: "ỨNG DỤNG MẠNG NƠRÔN CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TIỀM ẨN TRONG MÁY BIẾN ÁP LỰC" ppt

ỨNG DỤNG MẠNG NƠRÔN CHẨN ĐOÁN
SỰ CỐ TIỀM ẨN TRONG MÁY BIẾN ÁP LỰC
APPLICATION OF NEURAL NETWORK IN DIAGNOSING POWER
TRANSFORMER INCIPIENT FAULTS


ĐINH THÀNH VIỆT - NGUYỄN QUỐC TUẤN
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
NGUYỄN VĂN LÊ
Ban Quản lý Dự án Thuỷ điện 3


TÓM TẮT
Bài báo đề cập đến vấn đề ứng dụng mạng nơrôn vào việc chẩn đoán sự cố tiềm ẩn trong
máy biến áp lực. Việc chẩn đoán đúng sẽ góp phần nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, mang
lại hiệu quả kinh tế.
ABSTRACT
The paper presents the application of neural network in diagnosing power transformer
incipient faults. Good result of the diagnosis might improve the reliability of power supply and
raise economic effects.



1. Đặt vấn đề
Máy biến áp (MBA) lực là một trong những thiết bị điện chính trong hệ thống điện, vì
độ tin cậy cung cấp điện của nó liên quan trực tiếp đến độ tin cậy của cả hệ thống. Trong khi
đó, MBA dễ rơi vào các trạng thái không bình thường, đặc biệt là các MBA có tuổi đời từ 15
năm trở lên. Nếu MBA vận hành ở trạng thái không bình thường kéo dài thì tuổi thọ của
MBA sẽ giảm và có khả năng xảy ra sự cố làm gián đoạn cung cấp điện. Khi MBA lực bị sự
cố, thiệt hại về kinh tế sẽ rất lớn, thậm chí có thể lên đến hàng triệu USD đối với các MBA
công suất lớn.

Chính vì thế MBA cần được kiểm tra và bảo dưỡng thường xuyên bằng các biện pháp
khác nhau, khi MBA đang mang điện (on-line) hay cắt điện (off-line). Để tăng độ tin cậy cung
cấp điện cũng như giảm thiểu các thiệt hại về kinh tế do việc cắt MBA gây ra, đã có nhiều
biện pháp thử nghiệm khi MBA đang mang điện. Trong đó, phương pháp phân tích khí hoà
tan (Dissolved Gas Analysis - DGA) rất hiệu quả trong việc chẩn đoán các trạng thái hư hỏng
tiềm ẩn trong MBA. Việc phối hợp phương pháp DGA với phương pháp mạng nơrôn có thể
góp phần nâng cao độ chính xác của kết quả chẩn đoán MBA.

2. Các dạng sự cố tiềm ẩn trong MBA
Sự cố trong MBA có thể phân loại thành các nhóm sau [1, 2]: vầng quang hay phóng
điện cục bộ, quá nhiệt, hồ quang. Mức năng lượng xuất hiện do các sự cố này xếp theo thứ tự
từ cao đến thấp như sau: hồ quang  quá nhiệt  vầng quang. Những sự cố trên có thể do
một hoặc nhiều trong các nguyên nhân sau: ngắn mạch các vòng dây; hở mạch cuộn dây; xê
dịch hoặc biến dạng cuộn dây; xê dịch hoặc biến dạng các dây dẫn (các dây, thanh dẫn nối từ
các cuộn dây đến các đầu nối ở sứ, bộ điều áp dưới tải, ); lỏng các đầu nối tại các đầu sứ, đầu
dây dẫn, các đầu bọc đấu dây; nước tự do hoặc độ ẩm quá mức trong dầu; các hạt kim loại
xuất hiện trong dầu; lỏng mối nối các tấm chắn vầng quang; lỏng vòng siết, đệm, dây nối đất
lõi, các chỗ định vị; sự cố đánh thủng; quá tải; hư hỏng các bulông cách điện; rỉ rét hoặc hư
Hình 1: Sự sinh khí trong điện môi dầu
S? sinh khí khi cách d?u bi?n áp b?
đánh th?ng [4]


C

hỏng khác trên lõi; hư hỏng các đai bó quanh vỏ máy; kẹt tuần hoàn dầu; khuyết tật hệ thống
làm mát.
Có nhiều phương pháp khác nhau dùng cho chẩn đoán các sự cố tiềm ẩn trong MBA
lực gồm các biện pháp on-line và off-line. Các thử nghiệm off-line như: đo điện trở cách điện,
hệ số tổn thất điện môi, độ phân cực mặt phân cách, tỉ lệ số vòng dây, điện trở cuộn dây Các

phương pháp on-line như: phương pháp đáp ứng tần số, phân tích phổ âm thanh, phương pháp
hồng ngoại, phương pháp DGA,
Trong số các phương pháp này thì DGA là phương pháp phổ biến và được ứng dụng
rộng rãi để dự báo sự cố có thể xảy ra đối với MBA. Cách điện chính của máy biến áp gồm
giấy (cellulose) và dầu máy biến áp, chúng được cấu tạo từ những hợp chất hữu cơ. Dầu biến
áp có công thức cấu tạo C
n
H
2n+2
với
n = 20  40, cellulose có công thức
cấu tạo [C
12
H
14
O
4
(OH)
6
] với n =
300  750. Trong quá trình hoạt
động của máy biến áp, dưới tác dụng
của nhiệt độ các hợp chất hữu cơ
này sẽ sinh ra các thành phần khí
khác nhau. Tuỳ theo nhiệt độ khác
nhau và trong những điều kiện khác
nhau mà mức độ sinh khí cũng khác
nhau như ở hình 1.
Sự sinh khí trong dầu MBA
tuân theo những quy luật nhất định.

Vì vậy, DGA là phương pháp chẩn
đoán MBA khá chính xác với ưu
điểm là không phải cắt điện MBA
mà chỉ cần lấy mẫu dầu lúc MBA
đang vận hành.



3. Cơ sở để xây dựng hệ chuyên gia chẩn đoán máy biến áp
Như đã nêu ở phần 2, sự cố trong MBA lực được phân thành 3 nhóm chính với nhiều
nguyên nhân khác nhau. Mỗi dạng hỏng hóc cùng với các nguyên nhân hỏng hóc sẽ tạo ra các
khí đặc trưng khác nhau trong dầu MBA. Các khí có thể là: H
2
, O
2
, N
2
, CH
4
, CO, CO
2
, C
2
H
4
,
C
2
H
6

, C
2
H
2
, C
3
H
6
+ C
3
H
8
và có thể liên quan với sự cố như sau:
-

Các khí được tạo ra khi trong MBA xảy ra sự cố vầng quang:
+ Tác dụng lên dầu: H
2
-khí chính, CH
4
-khí đặc trưng nồng độ bé.
+ Tác dụng lên giấy: H
2
, CO, CO
2
.
-

Các khí được tạo ra khi trong MBA xảy ra sự cố quá nhiệt:
+ Tác dụng lên dầu: Khi nhiệt độ thấp (dưới 300

o
C) thì C
2
H
6
-khí chính, CH
4
-khí
đặc trưng với nồng độ cao, C
2
H
4
-khí đặc trưng với nồng độ thấp. Khi nhiệt độ dầu cao (trên
300
o
C) thì C
2
H
4
-khí chính, H
2
-khí đặc trưng nồng độ thấp, C
2
H
2
và CH
4
-khí đặc trưng nồng
độ thấp đến cao.
+ Tác dụng lên giấy: CO-khí chính, CO

2
-khí đặc trưng.
- Các khí được tạo ra khi trong MBA xảy ra sự cố hồ quang điện:
+ Tác dụng lên dầu: H
2
và C
2
H
2
-khí chính (các khí phân huỷ chính có một lượng
lớn), CH
4
và C
2
H
4
-khí đặc trưng nồng độ cao.
+ Tác dụng lên giấy: CO-khí đặc trưng có nồng độ cao, CO
2
-khí đặc trưng có
nồng độ bé.
Hiện nay có nhiều phương pháp chẩn đoán sự cố MBA dựa vào DGA, trong đó các
phương pháp phổ biến là:
- Phương pháp các tỷ số: Các tỷ số được định nghĩa ở bảng 1, nồng độ giới hạn của
các khí được cho ở bảng 2. Trong thực tế, nhiều hệ chuyên gia chỉ kiểm tra nồng độ của 4 khí
H
2
, CH
4
, C

2
H
2
, C
2
H
4
thay vì 6 khí.

Bảng 1: Định nghĩa các tỷ số

Tỷ số CH
4
/H
2
C
2
H
2
/C
2
H
4
C
2
H
2
/CH
4
C

2
H
6
/C
2
H
2
C
2
H
4
/C
2
H
6

Ký hiệu R1 R2 R3 R4 R5

Bảng 2: Nồng độ các khí hoà tan

Khí H
2
CH
4
CO C
2
H
2
C
2

H
4
C
2
H
4

Giới hạn (ppm) 100 120 350 35 50 65

- Phương pháp tỷ số ban đầu: gồm có 5 khí H
2
, CH
4
, C
2
H
2
, C
2
H
4
, C
2
H
6
và 5 tỷ số R1,
R2, R3, R4, R5.
- Phương pháp Dornenburg: gồm 5 khí H
2
, CH

4
, C
2
H
2
, C
2
H
4
, C
2
H
6
và 4 tỷ số R1, R2,
R3, R4 (bảng 3)
- Phương pháp Rogers gốc: gồm 5 khí H
2
, CH
4
, C
2
H
2
, C
2
H
4
, C
2
H

6
và 4 tỷ số R1, R2,
R3, R4 với R4 = C
2
H
6
/CH
4
.
- Phương pháp Rogers sửa đổi: giống như phương pháp Rogers gốc nhưng dùng 4
chữ số để mã hoá và dùng 2 bảng)

Bảng 3: Phương pháp hệ số Dornenburg

Sự cố R1 R2 R3 R4
Nhiệt phân > 1,0 < 0,75 < 0,3 > 0,4
Vầng quang < 0,1 Không dùng < 0,3 > 0,4
Hồ quang điện > 0,1 và < 1,0 > 0,75 > 0,3 < 0,4

- Các phương pháp khác: biểu đồ khí, khí đặc trưng, phân tích khí nhiên liệu tổng
(Total Combustible Gas Analysis - TCGA).
Hệ chuyên gia được xây dựng để chẩn đoán sự cố tiềm ẩn bên trong các MBA dựa vào
các quy luật được thiết lập trên cơ sở các phương pháp đã nêu.
4. Ứng dụng mạng nơrôn chẩn đoán MBA
Hiện nay mạng nơrôn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau cũng
như trong hệ thống điện. Có nhiều mô hình mạng khác nhau như: Perceptron, Perceptron
nhiều lớp (MLP), mạng nơron với hàm cơ sở xuyên tâm (mạng RBF) Mạng MLP ở đây
được ứng dụng để dự báo sự cố tiềm ẩn trong MBA.
Trong bài báo này, các tác giả xây dựng mô hình mạng 10x30x15x5x9 (hình 2). Đầu
vào của mạng gồm có 10 nút tương ứng

với nồng độ ppm các khí sau: H
2
, N
2
,
O
2
, CO, CO
2
, CH
4
, C
2
H
6
, C
2
H
4
, C
2
H
2
và
(C
3
H
6
+ C
3

H
8
). Lớp đầu ra ứng với 9
trường hợp sau: bình thường, phóng
điện cục bộ với năng lượng thấp, phóng
điện cục bộ với năng lượng cao, phóng
điện công suất bé, phóng điện công suất
lớn, hư hỏng nhiệt độ thấp dưới 150
o
C,
hư hỏng nhiệt độ thấp từ 150
o
C đến
300
o
C, hư hỏng nhiệt độ trung bình từ
300
o
C đến 700
o
C, hư hỏng nhiệt độ cao
trên 700
o
C. Trong quá trình luyện mạng
trên máy tính sử dụng ngôn ngữ lập
trình Visual C và hàm kích hoạt logistic
cho cả lớp ẩn lẫn lớp đầu ra. Các số liệu
luyện mạng nơrôn được tham khảo từ
các biên bản thí nghiệm mẫu dầu MBA
của Trung tâm thí nghiệm điện-Công ty

Điện lực 3 [3].


Hình 3: Giao diện chương trình luyện mạng nơrôn

y
1
y
2
y
9
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
x
1
x
2
x
1 0
Lớp vào 3 lớp ẩn Lớp ra

Hình 2: Mô hình mạng MLP 10x30x15x5x9
Giao diện chương trình luyện mạng nơrôn được trình bày ở hình 3. Chương trình đã
được thử nghiệm với số liệu thực tế của Trung tâm Thí nghiệm Điện–Công ty Điện lực 3. Với
mẫu dầu kiểm tra ngày 03/09/2002 của MBA T2 trạm biến áp 110 kV Ngự Bình (E6) [3], kết
quả dự báo của chương trình theo phương pháp mạng nơrôn (hình 4) là MBA có sự quá nhiệt
với nhiệt độ trên 700
o
C. Kết quả này phù hợp với kết luận được nêu trong biên bản thí
nghiệm.
















Hình 4: Giao diện chương trình chẩn đoán MBA


5. Kết luận

Việc chẩn đoán chính xác trạng thái máy biến áp, đặc biệt là đối với các MBA công
suất lớn có ý nghĩa rất quan trọng, góp phần giảm thiểu sự cố bất ngờ xảy ra, tăng độ tin cậy
cung cấp điện. Việc ứng dụng phương pháp mạng nơrôn phối hợp với phương pháp DGA có
thể góp phần nâng cao độ chính xác của chẩn đoán, dễ dàng lập trình, cho phép xây dựng
được hệ chuyên gia chẩn đoán máy biến áp.


TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Zhenyaun Wang, Artificial intelligence applications in the diagnosis of power
transformer incipicent, Virginia, 2000.
[2] Tapan K. Saha, Review of modern diagnostic techniques for assessing insulation
condition in aged transformers, IEEE transactions on dielectrics and electrical
insulation, Vol.10, No.5, p.903-917, 2003.
[3] Trung tâm Thí nghiệm Điện - Công ty Điện lực 3, Các “Biên bản thí nghiệm hàm
lượng khí hoà tan trong dầu”, 2000-2004.