Ứng dụng mạng Nơ Ron chẩn đoán sự cố trong máy biến áp lực

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸTHUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON CHẨN ĐOÁN SỰ
CỐ TRONG MÁY BIẾN ÁP LỰC

Ngành : TỰ ĐỘNG HOÁ
Mã số:23.04.3898
Học viên: BÙI ĐỨC CƢỜNG
Ngƣời HD Khoa học : PGS.TS. NGUYỄN HỮU CÔNG

THÁI NGUYÊN - 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




2

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trì nh nghiên cƣ́u của tôi

dƣới sự hƣớng dẫn

khoa học của PGS. TS. Nguyễn Hữu Công. Các kết quả tính toán, số liệu nêu
trong luận văn là trung thƣ̣c và chƣa tƣ̀ng đƣợc công bố trong bất

kỳ công trình

khoa học nào khác.
Tác giả luận văn

Bùi Đức Cƣờng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




3

Mục lục
CHƢƠNG I. TÓM TẮT VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG CHẨN
ĐOÁN SỰ CỐ MÁY BIẾN ÁP LỰC ......................................................................12
1.1. Tổng quan về máy biến áp .................................................................................12
1.2. Các thông số cơ bản của máy biến áp ................................................................12
1.3. Thí nghiệm truyền thống MBA ..........................................................................15
1.3.1. Kiểm tra tổng thể bên ngoài ........................................................................15
1.3.2. Thí nghiệm không tải ..................................................................................15
1.3.3. Đo điện trở cách điện và hệ số hấp thụ cuộn dây MBA .............................17
1.3.4. Đo điện trở một chiều các cuộn dây ...........................................................19
1.3.5. Kiểm tra tỷ số biến ......................................................................................21
1.3.6. Kiểm tra tổ nối dây .....................................................................................23
1.3.7. Thí nghiệm dầu cách điện ...........................................................................24
1.4. Kết luận ..............................................................................................................24
CHƢƠNG II: PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KHÍ HOÀ TAN TRONG DẦU ĐỂ
CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TIỀM ẨN MBA LỰC (DGA) .............................................26

2.1. Tổng quan về chẩn đoán lỗi tiềm ẩn trong MBA lực.........................................26
2.1.1. Tầm quan trọng của việc chẩn đoán lỗi tiềm ẩn trọng MBA lực ...............26
2.1.2. Phƣơng pháp chẩn đoán lỗi tiềm ẩn ............................................................26
2.1.2.1. Kiểm tra đánh giá về điều kiện cách điện ...........................................26
2.1.2.2. Giám sát trực tuyến sự phóng điện một phần – PD.............................27
2.1.2.3. Phân tích độ khí hoà tan trong dầu (DGA) ..........................................29
2.1.2.4. Kết hợp DGA và phƣơng pháp âm ......................................................31
2.2. Chẩn đoán lỗi tiềm ẩn MBA trên cơ sở DGA ....................................................31
2.2.1. Nghiên cứu các đặc tính sinh khí trong MBA lực ..................................31
2.2.2. Các lỗi tiềm ẩn của MBA .......................................................................33
2.2.3. Sự nghiên cứu và ứng dụng của các phƣơng pháp tỉ lệ ..........................34
2.2.4. Ứng dụng của phƣơng pháp Rogers, khí chính ......................................37
2.2.5. Các phƣơng pháp chẩn đoán và trải nghiệm công nghiệp khác .............39
2.2.5.1. Chẩn đoán rò rỉ ....................................................................................39
2.2.5.2. Chẩn đoán sự mủn giấy .......................................................................39
2.3. Các quy tắc cơ bản trong chẩn đoán lỗi MBA ...................................................40
2.3.1. Các giả thiết ............................................................................................40
2.3.2. Nền tảng của các quy tắc – hƣớng dẫn IEC............................................41
2.3.3. Sự thể hiện và sửa đổi của các quy tắc hƣớng dẫn .................................42
2.3.4. Quy tắc chẩn đoán lỗi đặc biệt (đặc thù) ................................................45
2.3.4.1. Chẩn đoán OH và OHO .......................................................................46
2.3.4.2. Chẩn đoán trên cơ sở tỉ lệ CO/CO2 .....................................................46
2.3.4.3. Các quy tắc chẩn đoán OHC và CD bổ sung ......................................46
2.3.4.4. Chẩn đoán NR .....................................................................................46
2.4. Kết luận ..............................................................................................................46
CHƢƠNG III: MẠNG NƠRON KẾT HỢP DGA ĐỂ CHẨN ĐOÁN SỰ CỐ TIỀM
ẨN MBA LỰC ..........................................................................................................49
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4

3.1. Các phƣơng pháp trí tuệ nhân tạo cơ bản ...........................................................49
3.2. Giới thiệu về mạng nơron ..................................................................................51
3.2.1. Não, nơron sinh học ....................................................................................52
3.2.2. Mạng nơron sinh học ..................................................................................54
3.2.3. Mạng nơron nhân tạo ..................................................................................56
3.2.3.1. Cấu trúc và mô hình một nơron nhân tạo ............................................57
3.2.3.2. Một số mô hình cấu trúc của mạng nơron nhân tạo ............................61
3.2.3.3. Quá trình nghiên cứu và phát triển nơron nhân tạo .............................62
3.2.3.4. Mạng nơron nhân tạo nhiều lớp (MLP) truyền thẳng .........................64
3.2.4. Luyện mạng nơron ......................................................................................65
3.2.4.1. Các luật học cơ bản .............................................................................66
3.2.4.2. Xấp xỉ mạng nơron ..............................................................................76
3.3. Tính chất kỹ thuật – Cơ chế của chẩn đoán trên cơ sở mạng nơron ..................77
3.4. Ứng dụng mạng nơron để chẩn đoán lỗi tiềm ẩn MBA lực ...............................78
3.5. Kết luận ..............................................................................................................81
CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG MẠNG NƠRON TRONG
CHUẨN ĐOÁN LỖI TIỀM ẨN MBA LỰC ...........................................................82
4.1. Lựa chọn cấu trúc mạng tối ƣu...........................................................................82
4.2. Huấn luyện mạng nơron .....................................................................................82
4.2.1. Ứng dụng Neural Network Toolbox để luyện mạng Neural MLP 3 lớp ....83
4.2.2. Chƣơng trình lập trình theo thuật toán lan truyền ngƣợc huấn luyện mạng
nơron trong chẩn đoán sự cố theo công nghệ DGA .............................................85
4.3. Các kết quả thực nghiệm về cấu trúc mạng .......................................................89
4.3.1. Cấu trúc mạng nơron 5–8–3 .......................................................................89
4.3.2. Cấu trúc mạng nơron 5–10–3 .....................................................................90
4.3.3. Cấu trúc mạng nơron 5–15–3 .....................................................................90

4.3.4. Cấu trúc mạng nơron 5–16–3 .....................................................................91
4.3.5. Kết luận .......................................................................................................91
4.4. Kết quả chẩn đoán ..............................................................................................91
4.4.1. Tập dữ liệu vào-ra .......................................................................................91
4.4.1.1. Quá trình luyện mạng ..........................................................................92
4.4.1.2. Kết quả chuẩn đoán .............................................................................97
4.5. Kết luận ..............................................................................................................97
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................99
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................100
TÓM TẮT LUẬN VĂN .........................................................................................101

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




5

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Giải thích

Viết tắt

Tiếng Anh
The combined Artificial Nơron

ANNEPS

Network and ExPert System tool
for power transformer incipient

fault diagnosis

Tiếng Việt
Kết hợp mạng nơron nhân tạo và
hệ chuyên gia trong chuẩn đoán sự
cố máy biến áp MBA

COC

Combined Output Confidence

kết hợp đầu ra tin cậy

DGA

Dissolved Gas-in_oil Analysis

Phân tích khí hòa tan trong dầu

DGA

Dissolved Gas-in_oil Analysis

Phân tích khí hòa tan trong dầu

AI

Artificial Intelligence

Trí tuệ nhân tạo

ANN

Artificial Nơron Network

Nơron nhân tạo

LVQ

Learning Vector Quantization
nơron network

luyện mạng nơron

NN

Nơron Network

Nơron

NR

Normal condition

Điều kiện bình thƣờng

OH

OverHeating

Quá nhiệt độ

OHO

OverHeating of Oil

Quá nhiệt độ dầu

CD

Cellulose Degradation

Suy giảm cách điện của cellulose

OHC

OverHeating of Cellulose

Quá nhiệt của cellulose

PD

Partial discharge

Phóng điện cục bộ

LEDA

Low Energy discharge

Phóng điện năng lƣợng thấp

HEDA

High Energy Discharge

Phóng điện năng lƣợng cao

H2

Hydrogen

CH4

Ethane

C2H6

Methane

C2H4

Ethylene

C2H2

Acetylene

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6

CO2

Carbon dioxide

CO

Carbon monoxide

O2

Oxygen

N2

Nitrogen

TDCG
TCG
TDHG

Total

Dissolved

Gases

Total

Dissolved

Hydrocarbon

Gases
gas-in-oil

levels

Tổng hợp các lƣợng khí hòa tan
Tổng hợp 1 lƣợng khí hòa tan

Total Combustible Gases

Critical

L1

Combustible

Tổng hợp lƣợng khí Hydrocarbon

for lƣợng khí trong dầu nằm ngoài

abnormal screening

giới hạn quy định

AE

Acoustic Emission

tiếng kêu bất thƣờng

DP

Degree of Polymerization

Mức độ hóa dầu

IFT

InterFacial Tension

so cuộn dây

IR

Insulation Resistance

Cách điện kháng

KOH:

KOH: acid number

Hàm lƣợng axít

LTC

Load Tap Changer

Bộ điều áp dƣới tải

PD

Partial Discharge

Phóng điện cục bộ

PF

Power Factor

Hệ số công xuất

IP

Polarization Index

SFL

oxidation stability

Độ ổn định oxi hóa

IFID

InFormative InDex

Chỉ số thông tin

TA

Test Accuracy

Kiểm tra cấp chính xác

LOC

Location

Định vị

TRN

Training

Huấn luyện

TST

Testing

Thử nghiệm

WNDG

Windings

Cuộn dây

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Chỉ số phân cực “trong vật liệu
cách điện”




7

Danh mục bảng biểu
Bảng 1. 1. Bảng giá trị điện trở cách điện nhỏ nhất cho phép .................................18
Bảng 1. 2. Bảng quy đổi nhiệt độ ..............................................................................19
Bảng 1. 3. Các tổ nối dây cuộn dây MBA .................................................................23
Bảng 1. 4. Bảng tiêu chuẩn của dầu MBA ................................................................24
Bảng 2. 1. Sự tương quan giữa các lỗi tiềm ẩn của MBA lực và các nguyên nhân..33
Bảng 2. 2. Định nghĩa tỉ lệ và phương pháp tỉ lệ ......................................................34
Bảng 2. 3. Phương pháp hệ số tỉ lệ Dornenburg ......................................................35
Bảng 2. 4. Giá trị giới hạn L1 của Dornenburg .......................................................35
Bảng 2. 5. Bảng chẩn đoán gốc của phương pháp tỉ lệ Rogers ................................36
Bảng 2. 6. Mã định nghĩa của phương pháp tỉ lệ Rogers đã cải tiến .......................36
Bảng 2. 7. Chẩn đoán theo phương pháp tỉ lệ Rogers đã cải tiến ............................37
Bảng 2. 8. Các tiêu chuẩn chẩn đoán của phương pháp khí chính ..........................38
Bảng 2. 9. Tiêu chuẩn IEC 599 cải tiến ....................................................................41
Bảng 2. 10. Ý nghĩa của lỗi viết tắt trong Hình 2. 2 và Hình 2. 3 ............................45

Bảng 3. 1. Các hệ chuyên gia cho PTIFD ................................................................50
Bảng 3. 2. Một số hàm f cơ bản thường được sử dụng .............................................58
Bảng 3. 3. Một số hàm H(s) thường được dùng trong nơron nhân tạo ....................60
Bảng 3.4. Một số hàm phi tuyến thường dùng trong các mô hình nơron .................60
Bảng 4. 1.Bảng các bộ dữ liệu đầu vào dùng cho luyện mạng .................................91
Bảng 4. 2. Kết quả của các quá trình chẩn đoán ......................................................97

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




8

Danh mục hình vẽ, đồ thị
Hình 1. 1. Sơ đồ nguyên lý đo tổn hao không tải bằng nguồn 3 pha ........................15
Hình 1. 2. Nguồn điện đưa vào là ab nối tắt là cb ....................................................16
Hình 1. 3. Nguồn điện đưa vào là bc nối tắt là ac ....................................................16
Hình 1. 4. Nguồn điện đưa vào là ac nối tắt là ab ....................................................16
Hình 1. 5. Sơ đồ đấu nối đo điện trở cách điện ........................................................18
Hình 1. 6. Sơ đồ đo điện trở một chiều bằng phương pháp Vôn – Ampe .................20
Hình 1. 7. Sơ đồ thí nghiệm bằng nguồn 3 pha.........................................................22
Hình 1. 8. Sơ đồ thí nghiệm dùng nguồn 1 pha.........................................................22
Hình 1. 9. Thí nghiệm ab nối tắt bc ..........................................................................22
Hình 1. 10. Thí nghiệm bc nối tắt ac .........................................................................22
Hình 1. 11. Sơ đồ nguồn xung phía cao áp ...............................................................23
Hình 2. 1. Sự sinh khí trong dầu MBA khi nhiệt độ thanh đổi ..................................32
Hình 2. 2. Phân loại lỗi theo tiêu chuẩn IEC 599 .....................................................43
Hình 2. 3. Vùng phân loại của quy tắc cơ bản cuối cùng .........................................44
Hình 2. 4. Lưu đồ của quy trình chẩn đoán lỗi trên cơ sở nguyên tắc DGA ............48

Hình 3. 1.Cấu tạo của một nơron sinh học ...............................................................52
Hình 3. 2. Mạng nơron đơn giản gồm 2 nơron .........................................................55
Hình 3. 3. Mô hình mạng nơron sinh học gồm 5 nơron............................................56
Hình 3. 4. Nơron nhiều đầu vào ................................................................................57
Hình 3. 5. Mô hình một nơron nhân tạo nhiều đầu vào ............................................59
Hình 3. 6. Mạng nơron hai lớp truyền thẳng ............................................................64
Hình 3. 7. Mạng MLP ...............................................................................................70
Hình 3. 8. Phương pháp tìm kiếm Emin theo hướng ngược gradient của E.............70
Hình 3. 9. Mạng MLP truyền thẳng ..........................................................................74
Hình 3. 10. Ví dụ về nhiều bộ giá trị cho một lỗi “Hồ quang điện” ........................78
Hình 3. 11. Sơ đồ cấu trúc của một mạng MLP 2 lớp ẩn .........................................79
Hình 4. 1. Minh hoạ thuật toán lan truyền ngược ....................................................87
Hình 4. 2. Sơ đồ biểu diễn tương đương ...................................................................87
Hình 4. 3. Kỷ nguyên luyện mạng và trạng thái luyện mạng [5–8–3] ......................89
Hình 4. 4. Kỷ nguyên luyện mạng và trạng thái luyện mạng [5–10–3] ....................90
Hình 4. 5. Kỷ nguyên luyện mạng và trạng thái luyện mạng [5–15–3] ....................90
Hình 4. 6. Kỷ nguyên luyện mạng và trạng thái luyện mạng [5–16–3] ....................91
Hình 4. 7. Mô hình mạng nơron ................................................................................92
Hình 4. 8. Giao diện của quá trình huấn luyện mạng ...............................................93
Hình 4. 9. Tiến trình luyện mạng ..............................................................................94
Hình 4. 10. Kết quả luyện mạng ................................................................................94
Hình 4. 11. Trạng thái của quá trình luyện mạng.....................................................95
Hình 4. 12. Mô hình của mạng nơron sau khi đã luyện mạng thành công ...............95
Hình 4. 13. Các thành phần của mạng (a-e) .............................................................97

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9

MỞ ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật, nhiều công cụ tính
toán thông minh hỗ trợ trong các hệ thống phần mềm chẩn đoán sự cố thiết bị.
Trong hệ thống lƣới điện, máy biến áp (MBA) lực là thiết bị có chức năng thay đổi
cấp điện áp phù hợp đối với yêu cầu cung cấp điện cụ thể của phụ tải, là một trong
những thiết bị quan trọng trong hệ thống điện, vì vậy độ tin cậy cung cấp điện của
nó liên quan trực tiếp đến độ tin cậy của cả hệ thống. Trong quá trình vận hành, có
nhiều lý do để MBA rơi vào trạng thái làm việc không bình thƣờng hoặc thậm chí là
gặp sự cố: nhƣ điều kiện thời tiết, mƣa bão sấm sét, công suất của phụ tải, tuổi thọ
của máy, … Nếu MBA vận hành ở trạng thái không bình thƣờng kéo dài thì tuổi thọ
của MBA sẽ giảm và có khả năng xảy ra sự cố làm gián đoạn cung cấp điện. Khi
này, tuỳ theo tính chất của phụ tải mà thiệt hại so sự cố gây ra là rất lớn.
Chính vì thế MBA cần đƣợc kiểm tra và bảo dƣỡng định kỳ bằng các biện
pháp khác nhau, ngay cả khi MBA đang vận hành (on-line) hay cắt điện (off-line).
Để tăng độ tin cậy cung cấp điện, tăng tuổi thọ cũng nhƣ 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, phƣơng pháp phân tích khí hoà tan (Dissolved Gas Analysis DGA) rất hiệu quả trong việc chẩn đoán các trạng thái hƣ hỏng tiềm ẩn trong MBA.
Mặc dù vậy, độ chính xác của phƣơng pháp DGA truyền thống cũng còn phụ thuộc
vào kinh nghiệm của các chuyên gia và tiêu tốn thời gian trong quá trình chẩn đoán.
Việc phối hợp phƣơng pháp DGA với phƣơng pháp chẩn đoán thông minh có thể
góp phần giảm thời gian và nâng cao độ chính xác của kết quả chẩn đoán MBA.
Luận văn này là một nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo cho việc chẩn
đoán các lỗi tiềm ẩn của máy biến áp lực. Các kỹ thuật AI bao gồm các mạng nơron
nhân tạo (ANN hoặc ngắn gọn là mạng nơron - NN), các hệ chuyên gia, các hệ mờ
và phƣơng pháp hồi quy đa biến.
Việc chẩn đoán lỗi đƣợc dựa trên cơ sở phân tích khí hoà tan trong dầu
(DGA). Ngƣời ta đã chỉ ra rằng các phƣơng pháp chẩn đoán lỗi thông thƣờng nhƣ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




10

các phƣơng pháp tỉ lệ (Rogers, Dornenburg and IEC) và phƣơng pháp khí chính, có
sự hạn chế nhất định nhƣ bài toán “không có sự quyết định”. Rất nhiều kỹ thuật AI
khác nhau có thể giải quyết các bài toán trên và cho thấy đó là giải pháp tốt hơn.
Theo tiêu chuẩn IEC 599 và các thí nghiệm trong thực tiễn, một kết luận
mang tính máy móc trên cơ sở kiến thức cơ bản để phát hiện lỗi cho MBA đã đƣợc
pháp triển. Bằng việc sử dụng các dữ liệu thống kê về lỗi của MBA từ một MBA
công nghiệp tƣơng ứng, một mô hình mạng nơron MLP đã đƣợc đánh giá là lựa
chọn tốt nhất trong số các kiến trúc mạng nơron. Các phƣơng pháp logic mờ trên cơ
sở đánh giá điều kiện cách điện của biến áp dầu/giấy và ƣớc lƣợng khoảng thời gian
lấy mẫu dầu cũng nhƣ các đề xuất về bảo dƣỡng cũng đƣợc đƣa ra nghiên cứu và
thực hiện một cách đầy đủ.
Một vài phƣơng pháp định vị lỗi tiềm ẩn trong MBA lực cũng đã đƣợc
nghiên cứu tỉ mỉ, kết quả cho thấy mạng MLP là sự lựa chọn tốt nhất. Nhiều
phƣơng pháp on-load tap changer (OLTC) coking diagnosis cũng đã đƣợc nghiên
cứu tỉ mỉ và một mạng MLP dựa trên một modul mạng vẫn đƣợc coi là sự lựa chọn
tốt nhất. Phân tích hồi quy cũng đƣợc xem là một phƣơng pháp tốt trong mạng
nơron của quá trình chọn mẫu đầu vào. Các kết quả trên có thể giúp phát triển chiến
lƣợc bảo dƣỡng MBA lực đƣợc tốt hơn và đóng vai trò nhƣ một nền tảng cơ sở của
sự giám sát MBA bằng phƣơng pháp DGA trực tuyến.
Xuất phát từ các vấn đề trên, học viên lựa chọn đề tài “Ứng dụng mạng
nơron chẩn đoán sự cố trong máy biến áp lực”.
Phần nội dung của bản luận văn đƣợc trình bày gồm 4 chƣơng:
Chƣơng I: Tóm tắt về các phƣơng pháp truyền thống chẩn đoán sự cố

máy biến áp lực
Chƣơng II: Phƣơng pháp phân tích khí hoà tan trong dầu để chẩn đoán sự
cố máy tiềm ẩn MBA lực
Chƣơng III: Mạng nơron kết hợp DGA để chẩn đoán sự cố tiềm ẩn máy
biến áp lực

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not

read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....