Nhận dạng và phân loại các tín hiệu quá độ dựa vào mạng nơron kết hợp với phân tích Wavelets

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN TẤN ĐỜI

NHẬN DẠNG VÀ PHÂN LOẠI CÁC TÍN HIỆU
QUÁ ĐỘ DỰA VÀO MẠNG NƠRON KẾT HỢP VỚI
PHÂN TÍCH WAVELETS

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 0 4 4 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2005


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN TẤN ĐỜI

NHẬN DẠNG VÀ PHÂN LOẠI CÁC TÍN HIỆU
QUÁ ĐỘ DỰA VÀO MẠNG NƠRON KẾT HP
VỚI PHÂN TÍCH WAVELETS

Chuyên ngành: Thiết Bò Mạng và Nhà Máy Điện

Mã số ngành: 60 52 50

Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 08 Năm 2005


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NHẬN DẠNG VÀ PHÂN LOẠI CÁC TÍN HIỆU
QUÁ ĐỘ DỰA VÀO MẠNG NƠRON KẾT HP
VỚI PHÂN TÍCH WAVELETS

Chuyên ngành: Thiết Bò Mạng và Nhà Máy Điện
Mã số ngành: 60 52 50

Họ và Tên Học Viên:
NGUYỄN TẤN ĐỜI
Người Hướng Dẫn:
TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 08 Năm 2005


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Giáo viên hướng dẫn:
................................................................................................................
( ghi họ tên, chức danh khoa học, học vò và cơ quan công tác )

Giáo viên chấm nhận xét 1:
................................................................................................................
( ghi họ tên, chức danh khoa học, học vò và cơ quan công tác )

Giáo viên chấm nhận xét 2:
...............................................................................................................
( ghi họ tên, chức danh khoa học, học vò và cơ quan công tác )

Luận văn thạc só được bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
Ngày … Tháng … Năm ……
Có thể tìm hiểu luận văn thạc só tại Thư Viện
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật T.P Hồ Chí Minh


LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
-

Họ và tên: Nguyễn Tấn Đời.

-

Ngày sinh: 07 – 03 – 1974.

-

Nơi sinh: Thò xã Bến Tre.

-

Đòa chỉ liên lạc:
 BM Điện tử Công nghiệp, Khoa Điện Tử, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ
Thuật TPHCM.
08 – 8960985



 43/12 Đường 8 KP3 P.Linh Trung Q.Thủ Đức.
08 – 7 222 159
-

0983 222 159

Quá trình đào tạo:
 1980 – 1991: học cấp 1, 2 và 3 tại Thò Xã Bến Tre.
 1992 – 1997: học đại học ngành Kỹ thuật Điện – Điện Tử tại Trường
ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM.
 2003 – 2005: học cao học ngành Điện tại Trường ĐH Sư Phạm Kỹ
Thuật TPHCM.

-

Quá trình công tác:
 1997 – 2004: Giảng dạy tại BM Điện tử, Khoa Điện – Điện Tử,
Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM.

 2004 – nay: Giảng dạy tại BM Điện tử Công nghiệp, Khoa Điện Tử
Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM.


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

i

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, người thực hiện xin bày tỏ lòng biết ơn đối với
Thầy NGUYỄN HỮU PHÚC, người đã tận tình hướng dẫn
trong quá trình thực hiện đề tài .
Người thực hiện cũng chân thành cảm ơn Thầy Quyền Uy nh,
chủ nhiệm ngành đã giúp đỡ và tạo rất nhiều điều kiện
để đề tài được hoàn thành đúng thời hạn.
Người thực hiện xin gởi lới cám ơn đến quý Thầy Cô Trường
ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, Trường ĐH Bách Khoa TPHCM
đã giảng dạy và giúp đỡ trong quá trình học và thực hiện
đề tài này.
Người thực hiện xin gởi đến quý Thầy Cô và Anh Chò
Phòng QLKH -–QHQT - Sau ĐH Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật
TPHCM đã có nhiều giúp đỡ trong quá trình học và
thực hiện đề tài.
Xin gởi đến các bạn học viên khóa 1 lớp CH Điện
Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã có nhiều ý kiến
quý báu cho người thực hiện trong quá trình thực hiện đề tài.
Sau cùng, người thực hiện xin gởi đến các người thân
trong gia đình lời cám ơn vì đã động viên và giúp đỡ
trong suốt thời gian thực hiện đề tài.

TPHCM, Ngày 30 tháng 08 năm 2005
Người Thực Hiện
NGUYỄN TẤN ĐỜI

TP HỒ CHÍ MINH

30 – 08 – 2005


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ii

TÓM TẮT
Nội dung của luận văn được trình bày theo 8 chương, bao gồm 2 chương Mở đầu
và Kết luận, cùng với 6 chương về nội dung đề tài đã đưa ra.
Chương 1:
Giới thiệu về đề tài và đưa ra hướng giải quyết cũng như nêu lên phạm vi
giới hạn của đề tài.
Chương 2:
Trình bày về chất lượng điện năng cùng với các đặc điểm của các hiện tượng
quá độ xảy ra trên hệ thống điện.
Chương 3:
Giới thiệu lý thuyết về wavelets và phân tích wavelets
Chương 4:
Giới thiệu về mạng nơron và đặc điểm của các loại mạng nơron, qui tắc học
cũng như hoạt động của mạng.
Chương 5:
Giới thiệu về Simulink của Matlab và phần mềm ATP–EMTP. Mô phỏng
trên Matlab và ATP–EMTP các mạch tạo ra các dạng sóng quá độ: Sóng Sin

chuẩn, Võng điện áp, Tăng điện áp, Méo họa tần, Nhấp nháy điện áp, Mất
điện tạm thời và Đóng cắt tụ điện.
Chương 6:
Trình bày việc áp dụng phân tích wavelets đa phân giải MRA và mạng nơron
xác suất PNN. Đưa ra nội dung tính toán và cách thực hiện việc phân tích và
phân loại các hiện tượng quá độ bằng phân tích wavelets và mạng nơron.
Chương 7:
Trình bày kết quả mô phỏng của nội dung tính toán trong chương 6, cùng với
thực hiện giao diện cho người sử dụng.
Chương 8:
Rút ra kết luận và đưa ra hướngphát triển cho đề tài trong tương lai.

TP HỒ CHÍ MINH

30 – 08 – 2005


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................
TÓM TẮT ..................................................................................................
MỤC LỤC ..................................................................................................
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ...............................................................................
1.2. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ .................................................................
1.3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI .......................................................................
1.4. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN ..........................................................

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC HIỆN TƯNG QUÁ ĐỘ TRÊN
HỆ THỐNG ĐIỆN
2.1. KHÁI NIỆM ..................................................................................
2.1.1. Đònh nghóa chất lượng điện năng ..........................................
2.1.2. Tầm quan trọng của chất lượng điện năng ...........................
2.2. CÁC HIỆN TƯNG QUÁ ĐỘ TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN ..........
2.2.1. Dao động quá độ ...................................................................
2.2.2. Thay đổi áp thời gian dài ......................................................
2.2.3. Thay đổi áp thời gian ngắn ...................................................
2.2.4. Mất cân bằng điện áp ...........................................................
2.2.5. Méo họa tần ..........................................................................
2.2.6. Nhấp nháy điện áp ...............................................................
2.3. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯNG ĐIỆN NĂNG ..................................
2.3.1. Giới thiệu ..............................................................................
2.3.2. Đánh giá chất lượng điện năng ............................................
2.3.3. Thiết bò đo chất lượng điện năng ..........................................
CHƯƠNG 3: WAVELETS và PHÂN TÍCH WAVELETS
3.1. GIỚI THIỆU VỀ WAVELETS ......................................................
3.1.1. Đònh nghóa Wavelets .............................................................
3.1.2. Phân tích Wavlets ..................................................................
3.2. BIẾN ĐỔI WAVELETS ................................................................
3.2.1. Biến đổi Wavelets liên tục ....................................................
3.2.2. Biến đổi Wavelets rời rạc .....................................................
CHƯƠNG 4: MẠNG NƠRON
4.1. GIỚI THIỆU VỀ MẠNG NƠRON ................................................
4.1.1. Đònh nghóa mạng nơron ........................................................
4.1.2. Hoạt động của mạng nơron ..................................................
4.1.3. Các thành phần của mạng nơron ..........................................
4.2. HUẤN LUYỆN MẠNG NƠRON ..................................................
4.2.1. Học có giám sát/ Học có thầy ..............................................

TP HỒ CHÍ MINH

30 – 08 – 2005

i
ii
iii
1
1
1
2

3
3
3
3
3
5
5
6
7
8
9
9
9
10
13
13
14

15
15
18
21
21
22
23
24
24


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

iv

4.2.2. Học không giám sát/ Học không có thầy .............................
4.2.3. Tốc độ học ............................................................................
4.2.4. Các luật học ..........................................................................
4.3. GIỚI THIỆU CÁC LOẠI MẠNG NƠRON ...................................
4.3.1. Mạng Lan truyền ngược .......................................................
4.3.2. mạng LVQ ............................................................................
4.3.3. Mạng Xác suất ......................................................................
4.3.4. Mạng Hopffield ....................................................................
4.3.5. Mạng Tự sắp xếp ..................................................................
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG CÁC HIỆN TƯNG QUÁ ĐỘ
5.1. MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB ..............................
5.1.1. Giới thiệu về Power System Blockset Toolbox ....................
5.1.2. Mạch mô phỏng ....................................................................
5.2. MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM ATP ........................................
5.2.1. Giới thiệu về ATP .................................................................

5.2.2. Mạch và kết quả mô phỏng ..................................................
CHƯƠNG 6: ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH WAVELETS và MẠNG NƠRON
TRONG PHÂN TÍCH và PHÂN LOẠI QUÁ ĐỘ
6.1. ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH WAVELETS .....................................
6.1.1. Phân tích đa phân giải ..........................................................
6.1.2. Đònh lý Parseval ...................................................................
6.1.3. Phân tích tín hiệu quá độ bằng Wavelets .............................
6.2. PHÂN LOẠI TỰ ĐỘNG BẰNG MẠNG NƠRON .......................
6.2.1. Mô hình mạng nơron Xác suất .............................................
6.2.2. Nhận dạng hiện tượng quá độ bằng mạng nơron Xác suất ..
CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VÀ NHẬN DẠNG
7.1 XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ...........................................................
7.2 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VÀ NHẬN DẠNG .................................
7.2.1 Nhận dạng qua các đặc trưng năng lượng ............................
7.2.2 Mẫu huấn luyện và nhận dạng tự động ................................
7.3 CHƯƠNG TRÌNH GIAO DIỆN .....................................................
7.3.1 Giới thiệu về GUI .................................................................
7.3.2 Phân tích và nhận dạng tín hiệu trên giao diện ....................
CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN
8.1. KẾT LUẬN ....................................................................................
8.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ....................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................
PHỤ LỤC

TP HỒ CHÍ MINH

30 – 08 – 2005

25
25

25
25
25
27
28
29
30
32
32
33
34
34
38

41
41
42
42
47
47
49
50
52
52
61
63
63
65
68
68

69


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

1

Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ :
Các vấn đề về chất lượng điện năng được quan tâm ở nhiều nước trên thế giới
và đã có rất nhiều tài liệu đề cập đến đề tài này. Việt Nam hiện nay, tuy vấn
đề về chất lượng điện năng chưa được quan tâm nhiều nhưng trong tương lai đây
sẽ là một tiêu chí quan trọng để người tiêu dùng lựa chọn nhà cung cấp điện
năng. Do đó, tìm hiểu về chất lượng điện năng và các vấn đề liên quan là một
công việc cần thiết trong thời gian này.
Hiện nay có nhiều kỹ thuật mới để phân tích, xử lý và phân loại, nhận dạng các
tín hiệu. Đặc biệt kỹ thuật phân tích wavelets rất hiệu quả trong phân tích các tín
hiệu động, không mang tính chu kỳ, và mạng nơron rất thích hợp cho việc phân
loại tự động nhiều tín hiệu khác nhau.
Nhận thấy được tầm quan trọng của các vấn đề trên, người thực hiện đã chọn
đề tài Nhận Dạng và Phân Loại Các Tín Hiệu Quá Độ Dựa Vào Mạng Nơron
Kết Hợp Với Phân Tích Wavelets để thực hiện trong luận văn tốt nghiệp.
Đề tài này dùng để nhận dạng và phân loại nhanh các hiện tượng quá độ trên hệ
thống điện như: Võng điện áp, Tăng điện áp, Méo họa tần, Nhấp nháy điện áp,
Mất điện áp và Đóng cắt tụ điện trên đường dây. Khi nhận biết được các hiện
tượng này sẽ giúp người vận hành hệ thống có những thao tác xử lý thích hợp để
nâng cao chất lượng điện năng.
1.2 GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ:
Được sự phân công của Phòng quản lý sau đại học và Ban chủ nhiệm ngành và

với sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn, người thực hiện đã giải quyết đề tài trên
theo hướng kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng trên máy tính.
1.3

GIỚI HẠN ĐỀ TÀI:

Do thời gian thực hiện đề tài là 06 tháng và bò hạn chế về thiết bò nên người
thực hiện phải thu hẹp phạm vi nghiên cứu của mình. Nội dung đề tài được giới
hạn trong việc mô phỏng kết quả phân loại một số tín hiệu có sẵn trên máy tính.
Chấp nhận dữ liệu của các tín hiệu quá độ cũng được tạo ra trên máy tính, chưa
thử nghiệm được việc xử lý trong thời gian thực.
Ngoài ra đề tài được giới hạn trong việc nhận biết các hiện tượng quá độ khác
nhau, không quan tâm đến việc nhận biết khác biệt trong cùng một loại quá độ.

TP HỒ CHÍ MINH

30 – 08 – 2005


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

2

1.4 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN:
Vì nội dung đề tài nói về nhận dạng các hiện tượng quá độ trên hệ thống điện
nên luận văn được trình bày theo hướng tìm hiểu, phân tích các vấn đề lý thuyết
liên quan làm nền tảng cho việc lập trình mô phỏng trên máy tính.
Cụ thể luận văn được sắp xếp tuần tự theo các nội dung sau:
- Chương 2 trình bày các vấn đề về chất lượng điện năng. Từ đó nêu lên các
hiện tượng quá độ trên hệ thống ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Đây là

các đối tượng sẽ được nhận dạng trong những phần sau.
- Chương 3 trình bày khái niệm về wavelets và biến đổi wavelets. Lý thuyết
này làm nền tảng cho việc nghiên cứu các ứng dụng của wavelets.
- Chương 4 giới thiệu về mạng nơron, về đặc điểm và hoạt động của các loại
mạng nơron. Lý thuyết này giúp cho việc chọn lựa tối ưu ứng dụng của từng
loại mạng.

- Chương 5 giới thiệu về hai phần mềm: ATP – EMTP và Matlab, đồng thời
nêu lên cách thực hiện mô phỏng các dạng sóng của tín hiệu quá độ. Những
tín hiệu này làm dữ liệu cho chương trình phân tích và phân loại.

- Chương 6 nêu cụ thể cách ứng dụng phân tích wavelets đa phân giải trong

-

-

phân tích các tín hiệu quá độ. Trình bày ứng dụng đònh lý Parseval vào biến
đổi wavelets để trích các đặc trưng năng lượng của tín hiệu quá độ. Điều này
sẽ làm giảm bớt số lượng mẫu nhận dạng.
Ngoài ra, chương này còn trình bày cách thực hiện mô hình mạng nơron xác
suất để nhận dạng tín hiệu, cách lựa chọn dữ liệu huấn luyện mạng.
Chương 7 nêu lên toàn bộ kết quả mô phỏng đạt được, bao gồm kết quả nhận
dạng qua các đặc trưng năng lượng của tín hiệu và kết quả huấn luyện và thử
nghiệm nhận dạng của mạng nơron.
Các đặc trưng về năng lượng của tín hiệu được biểu diễn qua đồ thò phân bố
năng lượng của 13 cấp phân tích wavelets db4
Cuối cùng, chương 8 nêu lên nhận xét, kết luận của người thực hiện đề tài,
cùng với đònh hướng phát triển của đề tài trong tương lai.
Toàn bộ nội dung các chương trình mô phỏng, cùng với các số liệu liên quan

được trình bày trong phần phụ lục của luận văn.

TP HỒ CHÍ MINH

30 – 08 – 2005


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

3

Chương 2
GIỚI THIỆU CÁC HIỆN TƯNG QUÁ ĐỘ
TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN
2.1. KHÁI NIỆM:
2.1.1. Đònh nghóa chất lượng điện năng:
Bất kỳ sai lệch nào của dòng điện và điện áp so với dạng sóng sin chuẩn của
nguồn cung cấp đều có thể gây ra hư hỏng hoặc tác động sai đối với các thiết bò.
Người sử dụng yêu cầu phải được cung cấp nguồn điện có chất lượng, dạng sóng
sin chuẩn có biên độ ổn đònh và đảm bảo độ tin cậy cho các thiết bò điện tử có độ
nhạy cao.
Có thể đònh nghóa khác nhau về chất lượng điện năng.
- Các công ty cung cấp điện đònh nghóa chất lượng điện năng là độ tin cậy
trong cung cấp điện.
- Nhà máy sản xuất thiết bò điện đònh nghóa chất lượng điện năng là các đặc
tính của nguồn cho phép thiết bò hoạt động phù hợp, các đặc tính này khác
nhau đối với các loại thiết bò khác nhau và tùy vào từng nhà máy.
- Tuy nhiên cuối cùng thì chất lượng điện năng sẽ do khách hàng đưa ra. Do
đó chất lượng điện năng được đònh nghóa là các vấn đề trên hệ thống điện
liên quan đến điện áp, dòng điện và tần số nhằm đảm bảo cho thiết bò hoạt

động một cách hiệu quả.
Thực tế, chất lượng điện năng chính là chất lượng của điện áp trên hệ thống
điện Các tiêu chuẩn trong lãnh vực chất lượng điện năng được dành cho việc
duy trì điện áp với các giới hạn xác đònh.
2.1.2. Tầm quan trọng của chất lượng điện năng:
- Sự gia tăng của các thiết bò kỹ thuật số có độ nhạy cao đòi hỏi nghiêm ngặt
về chất lượng nguồn cung cấp. Các lãnh vực liên quan như công nghệ bán
dẫn, máy tính điện tử, người máy, thiết bò điều khiển có lập trình. Ngoài ra
chính các thiết bò điện tử lại làm tăng ảnh hưởng đến chất lượng điện năng.
Thò trường điện tạo ra tính cạnh tranh cũng làm người ta quan tâm nhiều đến
chất lượng điện năng.
- Chất lượng của nguồn điện có thể ảnh hưởng trực tiếp lên nhiều nhà tiêu thụ
trong công nghiệp, những người sử dụng các thiết bò tự động và hiện đại.
- Lý do cuối cùng để ta quan tâm đến chất lượng điện năng là giá trò kinh tế,
các ảnh hưởng về kinh tế lên các công ty điện, khách hàng, nhà cung cấp
thiết bò.
2.2. CÁC HIỆN TƯNG QUÁ ĐỘ TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN:
2.2.1. Dao động quá độ:

TP HỒ CHÍ MINH

30 – 08 – 2005


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

4

Khái niệm quá độ được dùng để chỉ các sự kiện ta không mong muốn xảy ra
thoáng qua trên hệ thống điện. Quá độ thường liên quan đến các hiện tượng dao

động tắt dần của các mạch R, L và C.
Quá độ được chia làm 2 loại: xung quá độ và dao động qua độ, tùy vào dạng sóng
điện áp hoặc dòng điện quá độ.
Xung quá độ:

Hình 2.1: Xung quá độ
Xung quá độ là sự thay đổi đột ngột điện áp hoặc dòng điện ở trạng thái xác
lập, mang tính đơn cực.
Xung quá độ thường được mô tả bằng thời gian xuất hiện và thới gian suy giảm
của nó. Ví dụ một xung quá độ 1.2x50s 2000V sẽ có biên độ tăng từ 0 đến
max 2000V trong thời gian 1.2s, sau đó suy giảm biên độ trong thời gian
50s.
Nguyên nhân gây ra xung quá độ là do sét đánh.
Do có chứa các thành phần tần số cao nên hình dạng xung quá độ có thể thay
đổi tùy theo các thành phần của mạch, và sẽ khác nhau đáng kể ở những vò trí
khác nhau trên hệ thống.
Xung quá độ có thể kích thích tần số cơ bản và gây ra dao động quá độ.
Dao động quá độ:
Dao động quá độ là sự thay đổi đột ngột của điện áp hoặc dòng điện ở trạng
thái xác lập trên hệ thống điện, mang tính lưỡng cực dương và âm .
Dao động quá độ gồm các giá trò tức thời của điện áp hoặc dòng điện thay đổi
cực tính liên tục. Nó được mô tả bởi các thành phần chứa trong phổ tần, gồm
tần số, thời gian và biên độ. Dựa vào tần số người ta chia dao động quá độ ra
thành 3 loại: tần số cao, tần số trung bình và tần số thấp.
Hình 2.2 minh họa dạng sóng dao động quá độ do đóng cắt tụ.

Hình 2.2: Dao động quá độ

TP HỒ CHÍ MINH

30 – 08 – 2005


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

5

Trong những hình vẽ ở các mục sau này, trục hoành có thể biểu diễn thời gian
hoặc số điểm lấy mẫu của tín hiệu. Tốc độ lấy mẫu là 256điểm/chu kỳ.
- Các dao động quá độ có tần số >500KHz, thời gian tính bằng s, được xem
là dao động quá độ tần số cao, chúng thường do đáp ứng của hệ thống đối
với một xung quá độ.
- Các dao động có tần số từ 5 – 500KHz với thời gian xảy ra hàng chục s,
được xem là dao động quá độ tần số trung bình, thường do đóng cắt tụ và
đóng cắt đường dây gây ra.
- Các dao động quá độ có tần số < 5KHz, thời gian khoảng 0.3 – 50ms, được
xem là dao động quá độ tần số thấp. Các dao động này thường xuất hiện
trên hệ thống truyền dẫn và phân phối, thường do nhiều sự kiện khác nhau
gây ra.
2.2.2. Thay đổi điện áp thời gian dài:
Các thay đổi làm lệch điện áp hiện dụng trong thời gian dài hơn 01 phút được gọi
là thay đổi điện áp thời gian dài. Chúng bao gồm quá điện áp và thấp điện áp.
- Quá áp – Overvoltage:
Một hiện tượng được gọi là quá điện áp khi giá trò hiệu dụng tăng lớn hơn 110%
đònh mức trong thời gian dài hơn 01 phút.
Quá điện áp thường xảy ra do đóng cắt tải có giá trò lớn, sự nạp điện trên các tụ
nhánh. Ngoài ra việc cài đặt sai các đầu dây máy biến áp cũng có thể gây ra
quá áp trên hệ thống.
- Thấp áp – Undervoltage:
Một hiện tượng được xem là thấp áp khi giá trò hiệu dụng giảm nhỏ hơn 90%

đònh mức trong thời gian dài hơn 01 phút.
Thấp điện áp xảy ra do các sự kiện ngược với quá điện áp. Việc đóng các tải có
giá trò lớn hoặc cắt tụ nhánh có thể gây thấp điện áp.
Thấp áp và quá áp sẽ gây ra các sự cố trên hệ thống làm ảnh hưởng đến các
thiết bò điện tử công suất, máy tính, thiết bò xử lý.
- Mất áp kéo dài – Sustained Interruption:
Hiện tượng điện áp hệ thống giảm về zero kéo dài trong thời gian quá 01 phút
được gọi là mất điện áp kéo dài. Hiện tượng này cũng thường xảy ra và cần
phải có sự can thiệp của con người để phục hồi lại hệ thống.
2.2.3. Thay đổi điện áp thời gian ngắn:
Thay đổi điện áp trong thời gian ngắn được chia làm nhiều loại tùy vào thời gian
xảy ra, gồm: Instantaneous (3– 60s), Momentary (0.6– 3s), Temporary (0.1– 0.6s).
Các thay đổi này xuất hiện do các điều kiện sự cố, do dòng khởi động các tải lớn.
Tùy vào vò trí xảy ra sự cố và các điều kiện của hệ thống mà sự cố có thể gây ra
giảm áp tạm thời (sag), tăng áp tạm thời (swell), mất điện tạm thời (interruption).
- Mất điện tạm thời – Voltage Interruption:
Hiện tượng này xảy ra khi điện áp nguồn hoặc dòng điện tải giảm đến giá trò
nhỏ hơn 0.1pu (power unit) trong thời gian ít hơn 01 phút. Như hình vẽ 2.3.
TP HỒ CHÍ MINH

30 – 08 – 2005


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

6

Hiện tượng này xảy ra do các sự cố trên hệ thống, sự cố tại thiết bò, điều khiển
sai thiết bò. Mất điện áp thường do sự cố ngắn mạch trên hệ thống điện gây ra.
Sự mất điện được đo bởi thời gian xảy ra trên hệ thống, từ lúc biên độ điện áp

luôn nhỏ hơn 10% đònh mức. Thời gian của mất điện được xác đònh là thời gian
hoạt động của các thiết bò bảo vệ, các thời gian này có thể không đều nhau.

Hình 2.3: Mất điện tạm thời
- Võng điện áp – Voltage Sag:
Là sự giảm điện áp hoặc dòng điện hiệu dụng còn lại trong khoảng 0.1 – 0.9 pu
trong thời gian từ 0.5 đến 30 chu kỳ. Như hình 2.4.

Hình 2.4: Võng điện áp
Võng điện áp thường kèm theo sự cố trên hệ thống nhưng cũng có thể do sự
đóng điện của các tải nặng hoặc do quá trình khởi động các động cơ lớn.
Các công ty điện, người sử dụng, nhà sản xuất thiết bò có thể áp dụng nhiều
biện pháp để giảm bớt các sự cố gây ra võng điện áp và giảm bớt ảnh hưởng
của nó lên các thiết bò.
- Tăng điện áp – Voltage Swell:
Là sự tăng dòng điện hoặc điện áp hiệu dụng đến giá trò khoảng 1.1 – 1.8 pu
trong thời gian từ 0.5 đến 30 chu kỳ. Như hình 2.5.

Hình 2.5: Tăng điện áp

TP HỒ CHÍ MINH

30 – 08 – 2005


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

7

Giống như võng điện áp, tăng điện áp thường kèm theo sự cố trên hệ thống

nhưng ít phổ biến hơn. Tăng điện áp còn do sự gia tăng áp tức thời trên các pha
không bò sự cố, của hệ thống 3 pha, trong sự cố ngắn mạch giữa 1 pha và đất.
Tăng điện áp được xác đònh bởi biên độ hiệu dụng và thời gian xảy ra nó. Mức
độ nghiêm trọng của tăng điện áp khi có sự cố sẽ tùy thuộc vào vò trí, trở kháng
hệ thống và việc nối đất. Trong hệ thống không nối đất, điện áp dây pha không
bò sự cố sẽ tăng rất ít hoặc không tăng do máy biến áp thường nối  -. Trong
hệ thống không nối đất, khi xảy ra sự cố giữa một pha và đất thì điện áp trên
các pha còn lại sẽ tăng lên đến 1.73 pu. Tuy nhiên tăng điện áp thường ít xảy ra
trên hệ thống hơn so với võng và mất điện áp.
2.2.4. Mất cân bằng điện áp:
Điều kiện không cân bằng được xác đònh bằng tỉ số giữa độ lệch cực đại và giá trò
trung bình của điện áp hoặc dòng điện 3 pha, thường độ lệch tính theo %.
Độ lệch (%) =max(V) / Vtrung bình .
Tỉ số giữa thành phần thứ tự ngược hoặc thứ tự không và thứ tự thuận cũng có thể
dùng để xác đònh % mất cân bằng điện áp.
Nguyên nhân gây ra mất cân bằng áp nhỏ hơn 2% là do sử dụng các tải một pha
trên hệ thống ba pha. Ngoài ra, mất cân bằng điện áp cũng có thể xảy ra do nổ các
cầu chì trên một pha của nhánh tụ ba pha.
Mất cân bằng điện áp được xem là nghiêm trọng khi độ lệch lớn hơn 5%.
2.2.5. Méo dạng sóng:
Là sự lệch dạng sóng, ở trạng thái xác lập, so với dạng sóng sin lý tưởng ở tần số
cơ bản của nguồn, nó được mô tả bằng phổ tần.
Méo dạng sóng bao gồm 5 loại: lệch áp DC (DC offset), họa tần (Harmonics), liên
hoạ tần (Interharmonic), Notching và nhiễu (Noise).
- Lệch áp DC – DC offset:
Sự xuất hiện của điện áp hoặc dòng điện DC trên hệ thống AC gọi là DC offset.
Nguyên nhân là do nhiễu đòa từ hoặc do các bộ chỉnh lưu một chiều.
Dòng DC trong mạng AC có thể ảnh hưởng làm bảo hoà máy biến áp ở điều
kiện làm việc bình thường. Điều này sẽ làm phát sinh nhiệt và làm tăng tổn hao
máy biến áp.

Dòng DC này còn có thể gây ra ăn mòn điện phân đối với các điện cực nối đất
và các đầu nối khác.
- Họa tần – Harmonic:
Là các điện áp hoặc dòng điện hình sin có lẫn các tần số bằng số nguyên lần
tần số cơ bản của hệ thống, làm méo dạng sóng sin chuẩn, như hình 2.6. Các
dạng sóng bò méo được phân tích thành tổng của thành phần cơ bản và các họa
tần.

TP HỒ CHÍ MINH

30 – 08 – 2005


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

8

Hình 2.6: Méo họa tần
Nguyên nhân gây ra họa tần là do các đặc tính phi tuyến của các thiết bò và tải
trên hệ thống.
Các mức độ méo được mô tả bằng toàn bộ phổ họa tần với biên độ và góc pha
của từng thành phần.
Thường dùng đại lượng Độ méo hoạ tần tổng THD – Total Harmonic Distortion
để đo giá trò ảnh hưởng của méo họa tần. Các cấp độ méo có thể được mô tả
bởi giá trò THD, nhưng có thể gây ra sai lầm trong một số trường hợp. Ví dụ như
dòng điện ngả vào của các bộ truyền động điều chỉnh tốc độ sẽ có giá trò THD
cao khi chúng vận hành với các tải nhẹ. Điều này lại không phù hợp vì biên độ
của dòng hài thấp cho dù méo hài cao.
Để khắc phục việc này, sử dụng thêm đại lượng Độ méo nhu cầu tổng
TDD – Total Demand Distortion. Đại lượng này tương tự như THD ngoại trừ

việc biểu diễn độ méo theo % của tỉ lệ dòng điện tải so với biểu diễn theo %
của biên độ dòng điện cơ bản.
- Interharmonic – Liên họa tần:
Các điện áp và dòng điện có các thành phần tần số khác với số nguyên lần tần
số nguồn được gọi là liên họa tần. Chúng xuất hiện dạng các tần số rời rạc hoặc
phổ băng rộng. Nguyên nhân chính gây ra méo liên họa tần là các bộ biến tần,
động cơ cảm ứng, thiết bò hồ quang. Ngoài ra các đường dây điện mang tín hiệu
cũng có thể xem như các liên họa tần.
nh hưởng của liên họa tần thì không đáng kể đối với hệ thống điện. Chúng chỉ
ảnh hưởng trên đường dây mang tín hiệu và làm nhấp nháy các thiết bò hiển thò
như các màn hình phóng tia điện tử.
- Notching:
Là các nhiễu loạn điện áp mang tính tuần hoàn do các thiết bò điện tử công suất
gây ra khi dòng điện chuyển đổi từ pha này sang pha khác. Vì Notching xảy ra
liên tục nên nó được mô tả thông qua phổ họa tầ n của điện áp bò ảnh hưởng.
Tuy nhiên Notching được xem là một trường hợp đặc biệt. Tần số của Notching
cao và ta không thể nhận biết ngay bằng các thiết bò phân tích họa tần thông
thường.
- Nhiễu – Noise:
Là các tín hiệu điện không mong muốn có dãi tần rộng, nhỏ hơn 200KHz, cộng
thêm vào điện áp hoặc dòng điện của hệ thống trong các dây pha, dây trung
tính hoặc dây dẫn tín hiệu.
TP HỒ CHÍ MINH

30 – 08 – 2005


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

9

Nguyên nhân gây ra nhiễu là các thiết bò điện tử công suất, mạch điều khiển,
thiết bò tạo hồ quang, bộ chỉnh lưu, thao tác đóng cắt nguồn.
nh hưởng của nhiễu sẽ tăng lên khi việc nối đất không phù hợp, vì không dẫn
nhiễu ra khỏi hệ thống được. Ta không thể phân loại nhiễu như họa tần hay quá
độ vì nhiễu gồm nhiều méo dạng không mong muốn của tín hiệu nguồn.
Khi hệ thống bò nhiễu sẽ làm nhiễu loạn các thiết bò điện tử như máy tính, các
bộ điều khiển có lập trình. Ta có thể sử dụng các bộ lọc, biến áp cách ly, bộ
điều hòa đường dây để hạn chế nhiễu.

2.2.6. Voltage Flicker – Nhấp nháy điện áp:
Là sự thay đổi mang tính hệ thống của hình bao điện áp hoặc những chuỗi thay
đổi điện áp ngẫu nhiên, có biên độ giới hạn trong khoảng từ 0.9 đến 1.1pu, như
hình 2.7. Nhấp nháy điện áp được đo theo độ nhạy của mắt người.
Nguyên nhân gây ra nhấp nháy điện áp là những tải có dòng điện thay đổi
nhanh và liên tục. Một nguyên nhân khác cũng thường gây ra nhấp nháy điện
áp trên hệ thống truyền dẫn và phân phối là lò hồ quang.

Hình 2.7: Nhấp nháy điện áp
2.3. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯNG ĐIỆN NĂNG:
2.3.1. Giới thiệu:
Đánh giá chất lượng điện năng là quá trình thu nhận, phân tích và chuyển đổi
dữ liệu đo được thành các thông tin có ích. Quá trình thu nhận dữ liệu được thực
hiện bằng phép đo liên tục điện áp và dòng điện. Còn quá trình phân tích và
chuyển đổi thì được thực hiện theo nhiều cách: trước kia thực hiện bằng tay,
hiện nay được thực hiện tự động bằng cách áp dụng các hệ thống xử lý tín hiệu
và trí tuệ nhân tạo.
Những cuộc điều tra về chất lượng điện năng thường đòi hỏi việc kiểm tra để
xác đònh chính xác sự cố và đánh giá các giải pháp đã thực hiện. Trước khi bắt
tay vào các chương trình kiểm tra mở rộng, cần phải tìm hiểu về khả năng của

khách hàng, thiết bò đang bò ảnh hưởng, việc nối dây và nối đất, hoạt động của
hệ thống. Thông thường các vấn đề về chất lượng điện năng có thể được giải
quyết mà không cần việc kiểm tra mở rộng, thông qua các câu hỏi thích hợp đối
với khách hàng và qua việc khảo sát tại chỗ ban đầu.
TP HỒ CHÍ MINH

30 – 08 – 2005


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

10

Cuộc khảo sát cần thực hiện sao cho nhận được càng nhiều thông tin càng tốt về
khả năng của khách hàng và về các sự cố đã xảy ra. Các thông tin này gồm:
- Bản chất của các sự cố.
- Đặc tính của các thiết bò có độ nhạy cao xảy ra sự cố.
- Thời điểm xảy ra sự cố.
- Các sự cố trùng hợp hay các hoạt động xảy ra cùng thời điểm.
- Những nguyên nhân có thể làm thay đổi chất lượng điện năng như thiết bò
điện tử công suất, đóng cắt tụ, khởi động động cơ.
- Các thiết bò đang được sử dụng.
- Dữ liệu về hệ thống.
Mỗi lần trao đổi với khách hàng, công ty điện sẽ nhận được các dữ liệu trên, khi
đó một cuộc khảo sát sẽ được thực hiện để đánh giá lại các sơ đồ đơn tuyến, dữ
liệu của hệ thống, việc nối dây và nối đất.
2.3.2. Đánh giá chất lượng điện năng:
Sau cuộc khảo sát ban đầu người ta sẽ thực hiện việc đánh giá chất lượng điện
năng để mô tả các thay đổi về chất lượng nguồn điện tại các vò trí xác đònh
trong một khoảng thời gian nào đó. Các yêu cầu cho việc đánh giá tùy thuộc

vào sự cố đã xảy ra.
Việc đánh giá chất lượng điện năng được thực hiện qua các bước sau:
- Chọn vò trí xem xét: cách tốt nhất là nên bắt đầu ở vò trí càng gần thiết bò
đang chòu ảnh hưởng bởi các thay đổi về chất lượng điện năng càng tốt. Khi
đó máy sẽ ghi nhận cùng một thay đổi với thiết bò. Các quá độ tần số cao sẽ
có những thay đổi đáng kể nếu ta đặt máy kiểm tra ở xa thiết bò. Một vò trí
quan trọng khác là ngay đường dây chính của hệ thống. Các quá độ và
những thay đổi về điện áp tại vò trí này đều ảnh hưởng lên tất cả các thiết bò.
- Ghi sự cố vào mẫu có sẵn: cần phải yêu cầu khách hàng thực hiện thường
xuyên việc ghi các sự cố xảy ra vào một dạng mẫu có sẵn.
- Kết nối máy kiểm tra nhiễu loạn: nên lấy tín hiệu cho máy kiểm tra từ mạch
điện khác với mạch đang được kiểm tra. Việc nối đất của máy kiểm tra cũng
cần được quan tâm, máy phải có đường nối đất của tín hiệu đo và đường nối
đất của nguồn cung cấp. Để an toàn, nên nối các đường này xuống mặt đất.
- Cài đặt ngưỡng cho máy kiểm tra: vì các máy kiểm tra được dùng để phát
hiện các điều kiện bất thường nên cần phải xác đònh phạm vi được xem là
bình thường. Một số máy được đặt trước các ngưỡng làm điểm bắt đầu.
Phương pháp tốt nhất để chọn ngưỡng là làm chúng phù hợp với các đặc
điểm kỹ thuật của thiết bò.
- Đònh lượng phép đo: khi kiểm tra đánh giá về các nhiễu loạn chỉ cần đo điện
áp của hệ thống, nhưng đối với họa tần cần phải đo cả điện áp và dòng điện.
Đo dòng điện để mô tả tổng quát họa tần sinh ra do các tải phi tuyến của hệ
thống. Còn kết quả đo điện áp được dùng để mô tả đáp ứng của hệ thống đối
với dòng điện họa tần.
TP HỒ CHÍ MINH

30 – 08 – 2005


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

-

-

11

Chuyển đổi kết quả đo: để phân tích vấn đề chất lượng điện năng từ các kết
quả đo, cần tìm quan hệ giữa các đặc tính của nhiễu và nguyên nhân gây ra
chúng. Dạng sóng và các kết quả đo khác sẽ được chuyển đổi sang nhiều
biến khác nhau phục vụ cho việc đánh giá chất lượng điện năng.
Tìm ra nguyên nhân gây sự cố: bước đầu tiên để tìm nguồn gây ra nhiễu là
tìm mối tương quan giữa dạng sóng nhiễu và các nguồn nhiễu có sẵn.
Mỗi lần xác đònh được một loại nhiễu thì việc tìm nguyên nhân sẽ được thực
hiện dễ dàng.

2.3.3. Thiết bò đo chất lượng điện năng:
Các vấn đề về chất lượng điện năng bao gồm nhiều loại nhiễu và các điều kiện
khác nhau trên hệ thống, từ các quá điện áp xảy ra rất nhanh đến việc mất điện
kéo dài. Ngoài ra còn có cả các hiện tượng ở trạng thái xác lập như méo họa
tần và các hiện tượng không liên tục như nhấp nháy điện áp. Với nhiều hiện
tượng xảy ra như trên đòi hỏi phải có nhiều thiết bò đo khác nhau, làm cho việc
tạo ra các thiết bò đo lường theo tiêu chuẩn gặp nhiều khó khăn.
Mặc dù đã có nhiều thiết bò dùng đo các nhiễu loạn trên hệ thống để đánh giá
chất lượng điện năng, vẫn cần phải phát triển thêm nhiều loại khác tùy thuộc
vào các hiện tượng gặp phải trong quá trình điều tra.
Một số loại thiết bò thường sử dụng trong đo kiểm tra chất lượng điện năng,
gồm:
Máy kiểm tra nối dây và nối đất: rất nhiều sự cố được ghi nhận là do việc
nối dây và nối đất không đúng, có thể sử dụng thiết bò kiểm tra nối dây và
nối đất cho các mục đích sau:

- Đo trở kháng đất và dây trung tính.
- Kiểm tra cách điện.
- Kiểm tra việc nối sai giữa dây pha và trung tính hoặc đất.
Đồng hồ đo vạn năng: sau khi kiểm tra toàn bộ việc nối dây, cần phải kiểm
tra nhanh áp và dòng trên thiết bò. Thiết bò dùng cho mục đích này là đồng
hồ đo vạn năng, dùng để đo:
- Điện áp pha và đất.
- Điện áp pha và trung tính.
- Điện áp trung tính và đất.
- Dòng điện pha.
- Dòng điện trung tính.
Có thể dùng thiết bò này đo giá trò trung bình, hiệu dụng, đỉnh của tín hiệu.
Dao động ký: là thiết bò đo dạng sóng điện áp hoặc dòng điện ở thời gian
thực, giúp thu nhận các thông tin về những gì đang diễn ra kể cả phân tích
hài và méo dạng sóng.

TP HỒ CHÍ MINH

30 – 08 – 2005


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

-

-

-

12

Có nhiều loại dao động ký. Các dao động ký số có thể lưu trữ và phân tích
dữ liệu, kết nối với máy tính. Loại mới hiện nay là thiết bò cầm tay có khả
năng đo dạng sóng và xử lý tín hiệu.
Máy phân tích nhiễu loạn: đây là loại thiết bò được chế tạo chuyên dùng
cho đo lường về chất lượng điện năng. Chúng có thể đo các nhiễu loạn về
điện áp quá độ trong thời gian rất ngắn đến các thấp áp hoặc mất áp kéo
dài.
Có 2 loại máy phân tích:
Máy phân tích thường: dùng tóm tắt các sự kiện kèm theo các thông tin
riêng như biên độ quá áp và thấp áp, biên độ và thời gian quá độ, …
Máy phân tích dựa vào hình ảnh: có thể lưu trữ và in dạng sóng thực cùng
với các thông tin về chúng như là máy phân tích thông thường.
Máy phân tích họa tần và phân tích phổ: các thiết bò phân tích nhiễu loạn
bò giới hạn về khả năng phân tích họa tần, do đó cần có thiết bò được thiết kế
đặc biệt cho phân tích phổ và họa tần. Máy này có các chức năng sau:
Có thể đo cùng lúc cả điện áp và dòng điện để cung cấp thông tin về dòng
công suất họa tần.
Có thể đo riêng biệt biên độ và góc pha các thành phần họa tần.
Tốc độ đồng bộ và lấy mẫu phải đủ nhanh để phép đo chính xác lên đến
thành phần thứ 37.
Có thể mô tả bản chất của các bậc méo họa tần.
Đồng hồ đo nhấp nháy điện áp: có nhiều phương pháp khác nhau để đo
nhấp nháy điện áp, từ các đồng hồ đo giá trò hiệu dụng với đặc tuyến nhấp
nháy cho tới các đồng hồ đo nhấp nháy sử dụng các bộ lọc cộng hưởng và
phân tích thống kê để ước lượng chính xác mức độ nhấp nháy.
Máy biến năng: khi đánh giá chất lượng điện năng trên hệ thống điện cần
có các máy biến năng để chuyển đổi mức điện áp và dòng điện phù hợp.
Điện áp đo trên hệ thống thứ cấp có thể kết nối trực tiếp nhưng vẫn cần có
các máy biến dòng.

Phần lớn các thiết bò đo kiểm tra đánh giá chất lượng điện năng đều được
thiết kế với đầu vào có điện áp 600V và dòng điện 5A hiệu dụng. Các máy
biến điện áp và dòng điện được chọn để cung cấp các giá trò này.
Có 2 đặc điểm quan trọng cần quan tâm khi chọn máy biến năng:
Các mức tín hiệu: chọn thiết bò sau cho khi đo toàn thang không làm tín hiệu
bò méo dạng hay bò cắt.
Đáp ứng tần số: cần được quan tâm khi đo kiểm tra méo dạng sóng và quá
độ ở tần số cao.

TP HỒ CHÍ MINH

30 – 08 – 2005